Conversioni da uffici a residenziale: approfondimento di ingegneria strutturale

Reimmaginare le strutture: il riutilizzo adattivo nella pratica
Le dinamiche di equilibrio tra conservazione e innovazione, dai retrofit strutturali e le strategie innovative di riutilizzo al design adattivo

Abbiamo partecipato a una sessione di David Farnsworth di Arup, in cui ha descritto il processo strutturale e le sfide della conversione di un vecchio edificio (anni '50) in un edificio residenziale. Ulteriori informazioni sui risparmi di carbonio derivanti da queste conversioni sono disponibili nel rapporto ARUP: https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf

Un aspetto chiave spiegato durante la sessione è stato che la forma di quegli edifici che assomigliano a una torta nuziale quadrata presenta grandi solai (progetti del dopoguerra, quando fu inventato il condizionatore d'aria), che, per la distribuzione residenziale, non è utile poiché i costruttori vorrebbero massimizzare l'area con finestre.

Quindi, la soluzione trovata da Arup in questo caso è stata quella di intagliare una porzione della "torta" e aumentare la disponibilità di finestre, aumentando così il numero di unità su ogni livello. Il volume intagliato può poi essere riutilizzato nella parte superiore o laterale dell'edificio. Puoi leggere di più su questo argomento nel seguente articolo: https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html

Con questi cambiamenti e aggiunte, il processo strutturale prende avvio. Ci sono diverse sfide durante questo processo: codici obsoleti utilizzati e rivalutazione della struttura con i codici attuali, nuovi carichi, stabilità, connessioni al vento, rinforzo della struttura (travi, colonne e connessioni), solai in cinder/colonne montanti.

In questo articolo, ci concentreremo sul retrofit delle connessioni in acciaio e della struttura in acciaio. 

"Connessioni al vento"

Le connessioni "al vento" (Tipo 2 con vento) consentite dalle disposizioni AISC ASD 1989 erano una soluzione semplificata: la connessione è sufficientemente rigida da resistere ai carichi laterali ma sufficientemente flessibile da consentire alla trave di comportarsi come semplicemente appoggiata sotto i carichi gravitazionali, ovvero parzialmente vincolata.

Durante l'analisi degli edifici esistenti, gli ingegneri strutturali hanno trovato questo dettaglio tipico realizzato con profili WT o angolari nelle flange superiori e inferiori della trave e una semplice connessione a taglio nell'anima collegata con rivetti.

Per apportare modifiche strutturali, l'ingegnere strutturale deve valutare la capacità attuale della struttura. Viene eseguita un'indagine dell'edificio e, utilizzando strumenti moderni, le aziende modellano le condizioni esistenti in software di analisi strutturale globale ed eseguono analisi su di esse per determinarne la capacità.

Tuttavia, poiché le connessioni sono parzialmente vincolate, le estremità delle travi (rilasci alle estremità della trave) non possono essere modellate come incernierate o fisse nel software strutturale. La soluzione è inserire la reale rigidezza rotazionale della connessione esistente.

Nell'attuale Specifica AISC, il commentario nota che le curve momento-rotazione delle connessioni parzialmente vincolate possono essere trovate in diversi database (Goverdhan, 1983; Ang e Morris, 1984; Nethercot, 1985; Kishi e Chen, 1986). Il problema principale è trovare il database che corrisponda alle esatte dimensioni o condizioni della connessione presenti in cantiere.

L'alternativa in questo caso è calcolare la rigidezza utilizzando la modellazione a componenti (basata sui calcoli manuali dell'Eurocodice) oppure utilizzare software di analisi agli elementi finiti.

IDEA StatiCa ha la capacità di modellare e progettare connessioni in acciaio utilizzando il metodo CBFEM basato su codici internazionali come l'AISC. Oltre alla progettazione strutturale, il software include analisi avanzate come: progettazione in capacità per condizioni sismiche, analisi di instabilità lineare, resistenza di progetto del nodo per determinare la capacità massima della connessione, e analisi di rigidezza che classifica la connessione in base ai codici di progettazione e calcola il diagramma momento-rotazione.

Il software può fornire un valore di molla multilineare o lineare per caratterizzare la condizione di estremità della trave nei software commerciali di analisi globale.

Da alcune esperienze di utenti, il software è stato utilizzato per la valutazione dell'analisi strutturale di strutture esistenti, come nel processo seguito per convertire un vecchio edificio per uffici in un moderno edificio residenziale a New York City.

Inoltre, è stato utilizzato per confermare l'ipotesi della rigidità selezionata, sia essa incernierata o vincolata.Ad esempio, un caso comune è quando vengono modellate connessioni HSS: anche se siamo certi (in base all'esperienza del progettista) di aver modellato una connessione rigida, la rigidezza dell'elemento di supporto è sempre discutibile.

Le condizioni esistenti delle connessioni sono importanti per calcolare la rigidezza delle connessioni; per farlo in IDEA StatiCa è possibile modellare rivetti, sezioni trasversali storiche e materiali, modificare sezioni in acciaio con aperture e tagli. Dopo tutte le analisi, l'utente può concludere che è necessario un rinforzo e quindi aggiungere rinforzi a saldatura, aggiungere connessioni a mensola (rinforzi con profili WT) e rinforzi a piastra. Per saperne di più: https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections

Rinforzo delle travi al vento e gravitazionali

Come spiegato in precedenza, l'analisi di rigidezza della connessione fa parte del processo strutturale, ma una volta ottenuti questi dati da software come IDEA StatiCa, gli ingegneri inseriscono i valori nel loro software di analisi globale per eseguire un'analisi non lineare completa sulla struttura e ottenere la capacità attuale dell'intera struttura.

Successivamente, devono modificare il modello strutturale per rappresentare la nuova struttura: rimozione di parte della struttura a causa degli intagli o dell'estrazione di volumi, aumento dei carichi dovuto alle modifiche al codice strutturale, aggiunta di livelli, ecc. Una volta modificato il modello utilizzando la maggior parte della struttura esistente, gli ingegneri possono riscontrare che alcune travi e colonne necessitano di essere rinforzate.

Ciò può comportare l'aggiunta di rinforzi all'estremità/inizio delle travi per i telai a momento, o rinforzi al centro della trave per i telai gravitazionali.

Una soluzione che IDEA StatiCa offre ai propri utenti nel settore dell'acciaio è la possibilità di analizzare e progettare elementi trave utilizzando il metodo FEA. Invece di utilizzare elementi trave monodimensionali come la maggior parte dei software, l'applicazione Member modella le travi come elementi shell. Ciò consente all'utente di modellare aperture nelle piastre dell'elemento e rinforzi come piastre saldate/bullonate o sezioni trasversali. Per saperne di più: https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project

Inoltre, nell'applicazione Member, invece di modellare la condizione di estremità della trave come incernierata o rigida, la connessione viene modellata esplicitamente. Non è necessario alcun passaggio avanti e indietro: il calcolo dei diagrammi di momento e taglio sarà accurato considerando la reale rigidezza del telaio.