Levenswetenschappen onderzoeksgebouw in Philadelphia
Over het project
Een staalconstructie van 5100 ton, gebouwd bovenop een bestaand tweelaags podium dat oorspronkelijk was ontworpen voor verticale uitbreiding. Een functiewijziging voor de nieuwe constructie vereiste een sterk gespecialiseerde constructieve aanpak om te waarborgen dat de bestaande constructie de herziene functie kon accommoderen.
De druppelvormige geometrie introduceerde extra complexiteit op het gebied van lastenverdeling, laterale stabiliteit en verbindingsdetaillering — waardoor geavanceerde analysetools noodzakelijk waren om het materiaalgebruik te optimaliseren en een naadloze integratie met de nieuwe ontwerpvisie te garanderen.
Constructieve uitdagingen
Een belangrijke vereiste was het integreren van laboratoria, elk met een strikte afmeting van 11 voet vierkant. Om dit te realiseren, pasten ingenieurs van CannonDesign een parametrische ontwerpstrategie toe, waarbij een algoritme werd ontwikkeld dat honderden potentiële gebouwgeometrieën kon evalueren. Deze aanpak stelde het team in staat om een optimale configuratie te bepalen die past binnen de randvoorwaarden van het bestaande podium, terwijl lasten van de bovenliggende verdiepingen efficiënt worden overgedragen en de kosten beheersbaar blijven. Zo werd het algoritme verfijnd om specifieke kritieke kolomposities te handhaven, terwijl tegelijkertijd het aantal herhalende constructieve velden van 33 voet werd vergroot.
De positie van de geschoorde kern binnen het podium was gekoppeld aan de locatie van bestaande balken, kolommen en funderingen. Desalniettemin was het noodzakelijk om het kolomraster op de bovenliggende verdiepingen te herpositioneren. Daarom werden overdrachtsvakwerkliggers in de constructie geïntegreerd.
Meer informatie over het project is te lezen in het AISC Modern Steel Magazine artikel: Podium Possibilities door John Roach, PE, SE.
Ontwerp van staalverbindingen
Een van de lastige aspecten van het project was het oplossen van complexe verbindingen als gevolg van de gebogen geometrie van het gebouw. De geschoorde velden volgden de druppelvormige buitengevel, wat betekende dat geen van de schoorstaven kon worden uitgewerkt met standaard verbindingsdetails.
Het ontwerpteam ontwikkelde compacte schoorverbindingen met de volgende kenmerken:
- Schetsplaten van 2 inch dik, gelast aan de kolom en gebout aan breed-flensschoren
- Kolommen en schetsplaten in de werkplaats gelast aan voetplaten van 6 inch dik (voor afschuivings- en ophefdkrachten)
- Afdekplaten toegevoegd aan breed-flensstaaven om te voldoen aan slankheidslimieten en windkrachten op te nemen, ter optimalisering van de doorsnedekeuze
- Lange inkepingen in de schetsplaten om de bestaande flensplaatverbindingen te handhaven
Vanwege de nieuwe en bestaande details en nieuwe belastingcondities achtten constructeurs het onpraktisch om de Uniform Force Method toe te passen bij schetsplaatverbindingen (traditionele AISC-berekeningen).
De oplossing was het gebruik van IDEA StatiCa voor het ontwerpen en valideren van de balk-kolom-schoorverbindingen van het project. Het gebruik van CBFEM hielp bij het nauwkeurig vastleggen van de spanningsverdeling in de bestaande verbindingen, het optimaliseren van materialen en het vermijden van extra doubleerplaten of verstijvers.
IDEA StatiCa is gevalideerd en geverifieerd voor schoorverbinding bij een balk-kolom verbinding in een geschoord raamwerk volgens de AISC-procedure. In deze verificatiestudie worden tien componenten onderzocht: schoor, balkflens en -lijf, kolomflens en -lijf, verbindingshoekstalen, schetsplaat, lasplaten tussen schoor en schetsplaat, hoekstalen naar de kolom, hoekstalen naar de balk, bouten en lassen. Alle componenten zijn ontworpen conform de AISC 360-16 specificaties. De gepresenteerde verbinding is ontleend aan AISC Design Guide 29.
Conclusie
Door een bestaand podium, oorspronkelijk bestemd voor een hotel, te transformeren tot de fundering van een 17 verdiepingen tellende druppelvormige onderzoekstoren, werden de grenzen van constructieve aanpasbaarheid en optimalisatie verlegd. Door gebruik te maken van parametrische ontwerpstrategieën, geavanceerde lastoverdrachtoplossingen en precisiematig ontworpen staalverbindingen overwon het team de uitdagingen van het bestaande raamwerk, terwijl werd voldaan aan de strenge trillingscriterien die vereist zijn voor gevoelige laboratoriumomgevingen.
Probeer IDEA StatiCa gratis uit
