Büro-zu-Wohnraum-Umbauten: Tiefer Einblick in die Tragwerksplanung
Strukturen neu denken: Adaptive Wiedernutzung in der Praxis
Die Dynamik des Ausgleichs zwischen Erhaltung und Innovation, von strukturellen Nachrüstungen und innovativen Wiedernutzungsstrategien bis hin zu adaptivem Design
Wir nahmen an einer Sitzung von David Farnsworth von Arup teil, in der er den strukturellen Prozess und die Herausforderungen bei der Umwandlung eines alten Gebäudes (aus den 1950er Jahren) in ein Wohngebäude beschrieb. Mehr über die Kohlenstoffeinsparungen durch diese Umbauten kann im ARUP-Bericht nachgelesen werden: https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf
Ein wichtiger Aspekt, der während der Sitzung erläutert wurde, war, dass die Form jener Gebäude, die einer quadratischen Hochzeitstorte ähneln, große Grundrisse aufweist (Nachkriegsdesigns, als die Klimaanlage erfunden wurde), die für Wohnungsgrundrisse nicht geeignet sind, da die Entwickler die Fläche mit Fensterzugang maximieren möchten.
Die Lösung, die Arup in diesem Fall fand, bestand darin, einen Teil der „Torte" auszuschneiden und die Verfügbarkeit von Fenstern zu erhöhen, wodurch die Anzahl der Einheiten auf jeder Ebene gesteigert wird. Das ausgeschnittene Volumen kann dann an der Spitze oder Seite des Gebäudes neu genutzt werden. Mehr zu diesem Thema können Sie im folgenden Artikel lesen: https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html
Mit diesen Änderungen und Ergänzungen beginnt der strukturelle Prozess. Dabei gibt es mehrere Herausforderungen: alte verwendete Normen und Neubewertung der Struktur nach aktuellen Normen, neue Lasten, Stabilität, Windverbindungen, Verstärkung der Struktur (Träger, Stützen und Verbindungen), Schlackenbeton-Decken/Rohrleitungen.
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Stahlverbindungen und die Nachrüstung der Stahlstruktur.
„Windverbindungen"
Die „Wind"-Verbindungen (Typ 2 mit Wind), die in den AISC ASD 1989-Bestimmungen zugelassen waren, stellten eine vereinfachte Lösung dar: Die Verbindung ist steif genug, um Horizontallasten zu widerstehen, aber flexibel genug, um dem Träger zu ermöglichen, sich unter Schwerkraftlasten wie ein einfach gelagerter Träger zu verhalten, auch bekannt als teilweise eingespannt.
Bei der Analyse bestehender Gebäude stellten Tragwerksplaner fest, dass dieses typische Detail mit WT-Profilen oder Winkelquerschnitten an denOber- und Untergurten des Trägers sowie einer einfachen Schubverbindung im Steg, verbunden mit Nieten, ausgeführt wurde.
Um strukturelle Änderungen vorzunehmen, muss der Tragwerksplaner die aktuelle Tragfähigkeit der Struktur bewerten. Eine Untersuchung des Gebäudes wird durchgeführt, und mithilfe moderner Werkzeuge modellieren Unternehmen die bestehenden Bedingungen in globaler Tragwerksanalysesoftware und führen Analysen durch, um die Tragfähigkeit zu ermitteln.
Da die Verbindungen jedoch teilweise eingespannt sind, können die Trägerenden (Trägerendgelenke) in der Tragwerkssoftware weder als gelenkig noch als eingespannt modelliert werden. Die Lösung besteht darin, die tatsächliche Rotationssteifigkeit der bestehenden Verbindung einzugeben.
In der aktuellen AISC-Spezifikation wird im Kommentar darauf hingewiesen, dass Momenten-Rotationskurven für teilweise eingespannte Verbindungen in mehreren Datenbanken zu finden sind (Goverdhan, 1983; Ang und Morris, 1984; Nethercot, 1985; Kishi und Chen, 1986). Das Hauptproblem besteht darin, die Datenbank zu finden, die den genauen Verbindungsabmessungen oder Bedingungen vor Ort entspricht.
Die Alternative in diesem Fall besteht entweder darin, die Steifigkeit mithilfe der Komponentenmethode zu berechnen (basierend auf Eurocode-Handberechnungen) oder Finite-Elemente-Analysesoftware zu verwenden.
IDEA StatiCa bietet die Möglichkeit, Stahlverbindungen mithilfe von CBFEM auf Basis internationaler Normen wie AISC zu modellieren und zu bemessen. Neben der Tragwerksbemessung umfasst die Software erweiterte Analysen wie: Kapazitätsbemessung für seismische Bedingungen, lineare Beulanalyse, Bemessungswiderstand des Knotens zur Ermittlung der maximalen Tragfähigkeit der Verbindung sowie Steifigkeitsanalyse, die die Verbindung anhand von Bemessungsnormen klassifiziert und das Momenten-Rotationsdiagramm berechnet.
Die Software kann einen multilinearen oder linearen Federwert liefern, um die Endbedingung des Trägers in kommerzieller globaler Analysesoftware zu charakterisieren.
Aus einigen Anwendererfahrungen wurde die Software für die Tragwerksanalysebewertung bestehender Strukturen eingesetzt, wie es bei der Umwandlung eines alten Bürogebäudes in ein modernes Wohngebäude in New York City der Fall ist.
Außerdem wurde sie verwendet, um die Annahme der gewählten Steifigkeit – ob gelenkig oder eingespannt – zu bestätigen.Ein häufiger Fall ist beispielsweise, wenn HSS-Verbindungen modelliert werden – selbst wenn wir (basierend auf der Erfahrung des Planers) sicher sind, dass wir eine starre Verbindung modelliert haben, ist die Steifigkeit des Stützbauteils immer diskutierbar.
Der bestehende Zustand der Verbindungen ist wichtig, um die Steifigkeit der Verbindungen zu berechnen. In IDEA StatiCa können Sie dazu Nieten, historische Querschnitte und Materialien modellieren sowie Stahlquerschnitte mit Öffnungen und Ausschnitten modifizieren. Nach allen Analysen kann der Anwender zu dem Schluss kommen, dass eine Verstärkung erforderlich ist – dann kann er Schweißverstärkungen, Auflagerverbindungen (WT-Verstärkungen) und Plattenverstärkungen hinzufügen. Mehr dazu hier: https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections
Verstärkung von Wind- und Schwerkraftträgern
Wie zuvor erläutert, ist die Steifigkeitsanalyse der Verbindung Teil des strukturellen Prozesses. Sobald die Ingenieure diese Daten aus Software wie IDEA StatiCa erhalten, geben sie die Werte in ihre globale Analysesoftware ein, um eine umfassende nichtlineare Analyse der Struktur durchzuführen und die aktuelle Tragfähigkeit der gesamten Struktur zu ermitteln.
Anschließend müssen sie das Strukturmodell anpassen, um die neue Struktur abzubilden: Entfernung von Teilen der Struktur aufgrund von Ausschnitten oder Volumenentnahmen, Erhöhung der Lasten durch Änderungen der Baunormen, Hinzufügen von Geschossen usw. Nachdem sie das Modell unter weitgehender Beibehaltung der bestehenden Struktur angepasst haben, können die Ingenieure feststellen, dass einige Träger und Stützen verstärkt werden müssen.
Dies kann das Hinzufügen von Verstärkungen an den Enden/Anfängen der Träger für Momentenrahmen oder Verstärkungen in der Mitte des Trägers für Schwerkraftrahmen umfassen.
Eine Lösung, die IDEA StatiCa seinen Stahlanwendern bietet, ist die Möglichkeit, Träger-Bauteile mithilfe von FEA zu analysieren und zu bemessen. Anstatt 1D-Trägerelemente zu verwenden, wie es die meisten Programme tun, modelliert die Member-Anwendung die Träger als Schalenelemente. Dies ermöglicht es dem Anwender, Öffnungen in den Bauteilplatten sowie Verstärkungen wie geschweißte/geschraubte Platten oder Querschnitte zu modellieren. Mehr erfahren: https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project
Darüber hinaus wird in der Member-Anwendung anstelle der Modellierung der Endbedingung des Trägers als gelenkig oder starr die Verbindung explizit modelliert. Kein Hin und Her mehr – die Berechnung der Momenten- und Querkraftverläufe erfolgt unter Berücksichtigung der tatsächlichen Steifigkeit des Tragwerks präzise.