Over het project
Het bouwputondersteuningssysteem (SOE) bestaat uit diepwanden van gewapend beton (D-walls), die door een inwendig stalen stempelsysteem met elkaar verbonden zijn. Het is een tijdelijke constructie waarmee de permanente ondergrondse stationsbak kan worden gebouwd, waar de metro rijdt en stopt. De focus ligt hier op het ontwerp en de toetsing van de geprefabriceerde staalverbindingen waaruit deze tijdelijke stempeling is opgebouwd.
De stalen plaatelementen voldoen aan CAN/CSA G40.20-13 / G40.21-13, Grade 350W, en de buisstempels voldoen aan ASTM A252M-19 Grade 3. Waar boutverbindingen worden toegepast, zijn hoogsterktebouten volgens ASTM A490M gebruikt. Het staal wordt zowel lokaal als in sommige gevallen overzee vervaardigd en vervolgens naar elke locatie verzonden voor montage en plaatsing. Grounded Engineering is de verantwoordelijk ingenieur (Engineer of Record, EoR) voor twee locaties en is op de overige locatie verantwoordelijk voor de detaillering van de verbindingen.
Technische uitdagingen
De horizontale gronddrukken op het SOE-systeem zijn bepaald met schijnbare gronddrukdiagrammen om representatieve rekenenveloppen vast te leggen. Die enveloppen zijn, samen met de onderstaande omstandigheden, gebruikt om de rekenkrachten voor de verbindingen vast te stellen voor normaalkracht, afschuiving en buigend moment:
- Hydrostatische druk
- Bouwbelastingen
- Vorstwerking en thermische effecten
- Belastingen van verkeersdekken en portaalkranen
- Buitengewone belastingen
- Excentrische belastingen
De inwendige stempeling draagt een aanzienlijke normaalkracht af. De verbindingen tussen de stempelstaven en de diepwanden zijn daardoor zwaar belast. Grounded Engineering ontwikkelde de eerste ontwerpen met technische mechanica, samen met de voorschriften van CSA S16, CSA S6, CSA A23.3 en, waar van toepassing, AISC. Die methoden gaven een betrouwbare eerste-orde indicatie van de capaciteit van de verbindingen, maar vereenvoudigen van nature het werkelijke gedrag van de verbinding.
Door de combinatie van complexe geometrie, hoge belastingen en de interactie tussen staal en beton waren verschillende effecten met de hand moeilijk exact vast te stellen. Spanningsherverdeling, spanningsconcentraties, plaatflexibiliteit, wrikwerking, driedimensionale krachtenafdracht, stijfheid van de verbinding en lokale stabiliteit vallen allemaal in die categorie. Daarbovenop zorgde een voorgeschreven excentriciteit van 50 mm tijdens de bouw voor extra momenten en vervormingen, die met conventionele handberekeningen niet eenvoudig te bepalen zijn.
De bouwbaarheid vormde een extra laag. De verbindingsconstructies zijn groot en complex, dus fabricagetoleranties, montageruimtes en mogelijke botsingen moesten allemaal worden gecontroleerd. En omdat de omstandigheden op de bouwplaats tijdens de uitvoering bleven veranderen, had het team een snelle manier nodig om as-built configuraties te beoordelen en praktische herstelmaatregelen uit te werken wanneer er iets wijzigde.
Oplossingen en resultaten
Om deze verbindingen uit te werken, gebruikte Grounded Engineering IDEA StatiCa Connection voor de staalverbindingen en nam het de betonzijde mee in IDEA StatiCa Detail. In Connection verwerkte de Component-Based Eindige Elementen Methode (CBFEM) de platen, lassen, bouten en de verankering van de stempeling in de diepwand. Detail werd vervolgens gebruikt om het gewapend betongebied te toetsen waar die krachten in de wand worden ingeleid.
De CBFEM-analyses vulden de traditionele berekeningen aan in plaats van ze te vervangen. Ze brachten gedrag in beeld dat met handmatige methoden slechts bij benadering kon worden bepaald, waaronder driedimensionale krachtenafdracht, plaatvervorming, wrikwerking, lasgedrag en de interactie tussen het staal en het gewapend beton. De excentriciteit van 50 mm tijdens de bouw is rechtstreeks in de modellen opgenomen, zodat de secundaire effecten en vervormingen van de verbinding die met die afwijking samenhangen expliciet konden worden beoordeeld.
Het is vermeldenswaard dat de analyse het ingenieursoordeel van het team niet verving. Ze gaf het team meer vertrouwen in de ontwerpuitgangspunten en wees op onderdelen waar afzonderlijke componenten van de verbinding konden worden geoptimaliseerd. Het uiteindelijke ontwerpdossier weerspiegelde die balans, met 115 pagina's aan handberekeningen, ondersteund door 81 pagina's aan IDEA StatiCa-uitvoer.
De 3D-modellen waren ook nuttig voor de bouwbaarheid. Doordat de volledige verbindingsconstructie in drie dimensies kon worden bekeken, kon het team mogelijke botsingen opsporen en montagetoleranties controleren voordat er iets op de bouwplaats aankwam. Wanneer tijdens de bouw as-built omstandigheden of wijzigingen op de bouwplaats ontstonden, konden die snel worden beoordeeld. Dat hielp om te bepalen of herstelmaatregelen nodig waren, terwijl de impact op de planning beperkt bleef.
Voor de coördinatie zijn de verbindingsmodellen geëxporteerd naar IFC en DWG, zodat ze samen met de overige projectgegevens in Revit konden worden gebruikt. Dat gaf de teams voor engineering, tekenwerk en uitvoering een gedeelde 3D-referentie van elke verbinding om mee te werken. Juist daar worden fouten en onnodige RFI's vaak al vroeg opgespoord.
Grounded Engineering merkte ook op dat de software slechts een deel van het verhaal was. Vanaf de eerste kick-off tot en met de doorlopende technische ondersteuning bleef het IDEA StatiCa-team responsief en betrokken bij het project. De voortdurende ontwikkeling op basis van feedback van gebruikers maakte de software gedurende het ontwerp tot een waardevolle partner.