Přestavby kanceláří na bytové prostory: hloubkový pohled na stavební inženýrství

Přehodnocení konstrukcí: Adaptivní přestavba v praxi
Dynamika vyvažování zachování a inovace, od konstrukčních rekonstrukcí a inovativních strategií přestavby po adaptivní návrh

Zúčastnili jsme se přednášky Davida Farnswortha ze společnosti Arup, kde popsal konstrukční proces a výzvy spojené s přestavbou staré budovy (z 50. let) na bytový dům. Více o úsporách uhlíku při těchto přestavbách si lze přečíst ve zprávě ARUP: https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf

Jedním z klíčových aspektů vysvětlených během přednášky bylo, že tvar těchto budov připomínající čtvercový svatební dort má velké půdorysné plochy (poválečné návrhy, kdy bylo vynalezeno klimatizační zařízení), které pro bytové dispozice nejsou vhodné, protože developeři chtějí maximalizovat plochu s přístupem k oknu.

Řešením, které Arup v tomto případě nalezl, bylo vyříznout část „dortu" a zvýšit dostupnost oken, čímž se zvýšil počet bytových jednotek na každém podlaží. Vyříznutý objem pak lze znovu využít na vrcholu nebo na boku budovy. Více o tomto tématu si můžete přečíst v následujícím článku: https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html

S těmito změnami a doplňky začíná konstrukční proces. Během tohoto procesu existuje několik výzev: použité staré normy a přehodnocení konstrukce podle současných norem, nové zatížení, stabilita, větrové přípoje, zpevnění konstrukce (nosníky, sloupy a přípoje), škvárobetónové desky/stoupací potrubí.

V tomto článku se zaměříme na ocelové přípoje a rekonstrukci ocelové konstrukce. 

„Větrové přípoje"

„Větrové" přípoje (typ 2 s větrem) povolené v ustanoveních AISC ASD 1989 byly zjednodušeným řešením: přípoj je dostatečně tuhý, aby odolával bočním zatížením, ale dostatečně pružný, aby se nosník choval jako prostě podepřený při gravitačních zatíženích, tzv. částečně vetknutý.

Při analýze stávajících budov zjistili konstrukční inženýři tento typický detail provedený s T-profily nebo úhelníky v horní a dolní pásnici nosníku a jednoduchým smykovým přípojením ve stojině spojeným nýty.

Aby bylo možné provést konstrukční změny, musí konstrukční inženýr posoudit stávající únosnost konstrukce. Provede se průzkum budovy a pomocí moderních nástrojů společnosti modelují stávající podmínky v softwaru pro globální statickou analýzu a provádějí na nich analýzy za účelem zjištění únosnosti.

Protože jsou však přípoje částečně vetknuté, nelze konce nosníků (uvolnění konců nosníků) modelovat v statickém softwaru jako kloubové nebo vetknuté. Řešením je zadat skutečnou rotační tuhost stávajícího přípoje.

V aktuální specifikaci AISC komentář uvádí, že křivky moment-rotace částečně vetknutých přípojů lze nalézt v několika databázích (Goverdhan, 1983; Ang and Morris, 1984; Nethercot, 1985; Kishi and Chen, 1986). Hlavním problémem je nalezení databáze, která odpovídá přesným rozměrům přípojů nebo podmínkám na stavbě.

Alternativou je v tomto případě buď výpočet tuhosti pomocí komponentového modelu (vycházejícího z ručních výpočtů podle Eurokódu), nebo použití softwaru pro analýzu metodou konečných prvků.

IDEA StatiCa má schopnost modelovat a navrhovat ocelové přípoje pomocí CBFEM na základě mezinárodních norem, jako je AISC. Kromě konstrukčního návrhu software zahrnuje pokročilé analýzy, jako jsou: návrh únosnosti pro seizmické podmínky, lineární analýza boulení, návrhová únosnost spoje pro zjištění maximální únosnosti přípoje a analýza tuhosti, která klasifikuje přípoj podle návrhových norem a vypočítává diagram moment-rotace.

Software může poskytnout vícelineární nebo lineární hodnotu pružiny pro charakterizaci podmínky na konci nosníku v komerčním softwaru pro globální analýzu.

Podle zkušeností některých uživatelů byl software použit pro posouzení statické analýzy stávajících konstrukcí, například v procesu přestavby staré kancelářské budovy na moderní bytový dům v New Yorku.

Byl také použit k potvrzení předpokladu zvolené tuhosti, ať už kloubové nebo vetknuté.Například běžným případem je, když jsou modelovány přípoje HSS, i když jsme si jisti (na základě zkušeností projektanta), že jsme namodelovali tuhý přípoj, tuhost podpůrného prvku je vždy diskutabilní.

Stávající stav přípojů je důležitý pro výpočet tuhosti přípojů. V IDEA StatiCa lze za tímto účelem modelovat nýty, historické průřezy a materiály, upravovat ocelové průřezy s otvory a výřezy. Po provedení všech analýz může uživatel dojít k závěru, že je nutné zpevnění, a poté může přidat svařované výztuhy, přidat sedlové přípoje (výztuha T-profilů) a výztuhu plechem. Více si přečtěte zde: https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections

Zpevnění větrových a gravitačních nosníků

Jak bylo vysvětleno dříve, analýza tuhosti přípoje je součástí konstrukčního procesu, ale jakmile inženýři získají tato data ze softwaru, jako je IDEA StatiCa, zadají hodnoty do svého softwaru pro globální analýzu, aby mohli provést komplexní nelineární analýzu konstrukce a zjistit stávající únosnost celé konstrukce.

Následně musí upravit konstrukční model tak, aby reprezentoval novou konstrukci: odstranění části konstrukce z důvodu výřezů nebo extrakce objemu, zvýšení zatížení v důsledku změn konstrukční normy, přidání podlaží atd. Jakmile inženýři upraví model s využitím většiny stávající konstrukce, mohou zjistit, že některé nosníky a sloupy je třeba zpevnit.

To může znamenat přidání výztuhy na konci/začátku nosníků pro momentové rámy nebo výztuhu uprostřed nosníku pro gravitační rámy.

Jedním z řešení, které IDEA StatiCa poskytuje svým uživatelům pro ocelové konstrukce, je možnost analyzovat a navrhovat nosníkové prvky pomocí MKP. Namísto použití 1D nosníkových prvků, jak používá většina softwaru, aplikace Member modeluje nosníky jako skořepinové prvky. To umožňuje uživateli modelovat otvory v plechách prvků a výztuhy jako přivařené/přišroubované plechy nebo průřezy. Více informací: https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project

Navíc v aplikaci Member, namísto modelování podmínky na konci nosníku jako kloubové nebo tuhé, je přípoj modelován explicitně. Není třeba žádného opakovaného přepočítávání, výpočet diagramů momentů a posouvajících sil bude přesný s ohledem na skutečnou tuhost rámu.