Centro educativo di Tallinn

Il progetto

Il centro educativo di Tallinn è una struttura di quattro piani progettata per sostituire una struttura obsoleta con un edificio moderno e multifunzionale. Su una superficie lorda di 13.566 m², l'edificio è alto 18 metri e utilizza come materiali principali una combinazione di calcestruzzo, acciaio e muratura. Il sistema portante verticale è composto prevalentemente da colonne in calcestruzzo e pareti in muratura, che non solo forniscono il supporto necessario ma contribuiscono anche alla rigidità globale dell'edificio. Gli elementi portanti orizzontali sono costituiti principalmente da solai alveolari sostenuti da travi prefabbricate, con alcune sezioni che utilizzano lastre piane gettate in opera per un ulteriore supporto strutturale.

Il quarto piano e la struttura del tetto mostrano il passaggio alla costruzione in acciaio, utilizzando colonne e travi in acciaio per una maggiore flessibilità e un peso ridotto. L'edificio è sostenuto da 831 pali per una lunghezza totale di 21.000 metri, che assicurano solide fondamenta nonostante le difficili condizioni del terreno. Il volume totale di calcestruzzo utilizzato nella struttura, esclusi i pali, ammonta a 3.560 m³, mentre i componenti in acciaio pesano circa 430.000 kg.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualizzazione architettonica del centro educativo}}}]

Sfide ingegneristiche

Una delle sfide principali di questo progetto è stata la progettazione di una trave castellana lunga 80,70 metri. Questa trave doveva coprire ampie campate al terzo piano, garantendo uno spazio aperto e privo di colonne, come previsto dalla visione architettonica. Oltre a sostenere l'integrità strutturale dei grandi spazi aperti, la trave doveva anche accogliere il passaggio di un sistema di condotte di ventilazione attraverso la sua struttura.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Vista della sezione della trave castellana nel software di lettura IFC}}}]

La complessità ingegneristica era ulteriormente accresciuta dalla necessità di sostenere sei campate su tutto l'ultimo piano, con la campata più lunga che raggiungeva i 27,49 metri. Inoltre, la campata finale della trave è stata progettata come uno sbalzo, che non solo si estendeva verso l'esterno, ma sosteneva anche una parte della soletta sottostante, aggiungendo un carico significativo e richiedendo un'analisi e una progettazione strutturale meticolosa.

Dopo aver valutato tutti gli input, gli ingegneri Martin Truuts e Karl Kimmel hanno stabilito che la soluzione ottimale sarebbe stata una trave a mensola. Il design della trave castellana prevede naturalmente delle aperture per il passaggio del sistema di condotti, mentre la sua elevata altezza effettiva consente di ottenere una notevole capacità di carico con un uso relativamente minimo di materiale.

La scelta della trave castellana è stata chiaramente l'opzione migliore, ma ha anche introdotto ulteriori sfide, in particolare per garantire la stabilità della struttura contro l'instabilità laterale-torsionale e altre forme di instabilità. Essendo una trave continua, era essenziale stabilizzare la flangia inferiore nelle zone di appoggio. In genere, per risolvere questo problema si utilizzerebbero dei vincoli diagonali, ma questa soluzione non era praticabile a causa del posizionamento dei tubi di ventilazione e dei requisiti architettonici per lo spazio adiacente alla trave. Di conseguenza, sono state utilizzate "travi secondarie", perpendicolari alla trave castellata, per fornire la necessaria stabilizzazione.

Soluzioni e risultati

Esclusione di responsabilità:

Come accennato in precedenza, i problemi di stabilità sono stati affrontati collegando delle "travi secondarie" ai lati della trave castellata. Il progetto ha sfruttato la rigidezza flessionale delle travi secondarie, estendendo tale rigidezza alla flangia inferiore della trave castellata attraverso un robusto progetto di connessione. Questo approccio ha stabilizzato efficacemente la flangia inferiore. In sostanza, la connessione tra le travi secondarie e quelle castellari era così robusta e rigida da far sì che le travi secondarie delle campate adiacenti funzionassero come travi continue, influenzando così la distribuzione dei carichi e delle forze interne, che in questo caso significava anche trasferire più carico alle travi castellari.

Per risolvere i problemi di stabilità e incorporare la rigidità delle connessioni nel progetto, gli ingegneri hanno integrato la suite di applicazioni IDEA StatiCa - Checkbot, Member e Connection - nelloro flusso di lavoro. Gli ingegneri Karl Kimmel e Martin Truuts hanno seguito un approccio strutturato:

Creazione del modello globale: Il processo è iniziato con la creazione di un modello globale nel software Robot Structural Analysis (RSA), dove sono stati introdotti i carichi e le combinazioni di carico.

Integrazione del collegamento BIM: Karl ha quindi utilizzato il collegamento BIM per importare l'intera struttura, comprese le forze interne di tutte le combinazioni di carico, in IDEA StatiCa Checkbot.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Il modello importato in Checkbot con le forze interne}}}]

Progettazione delle connessioni e calcolo della rigidità: In IDEA StatiCa Connection sono stati progettati i singoli giunti ed è stata calcolata la rigidità di questi collegamenti. Questa rigidità è stata poi reintrodotta nel modello RSA, influenzando il diagramma del momento flettente della trave castellana e il comportamento delle relative colonne.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Connection designs used in the model in Member application}}}}]

Modellazione di membri: Il modello è stato quindi ricreato da zero in IDEA StatiCa Member. Tutte le travi sono state modellate come "membri analizzati", utilizzando elementi shell per una rappresentazione dettagliata. Le connessioni sono state modellate e assegnate ai giunti appropriati, mentre i carichi critici sono stati applicati al modello per l'analisi finale.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Varie viste del modello nell'applicazione Member}}}]

Analisi dei membri: In IDEA StatiCa Member, le forme di instabilità e i corrispondenti fattori di instabilità critici sono stati identificati mediante l' analisi di instabilità lineare. Alle forme di instabilità critiche sono state poi assegnate delle imperfezioni iniziali e sono state ulteriormente analizzate utilizzando l'Analisi non lineare geometrica e materiale con imperfezioni(GMNIA). Questo processo ha permesso di identificare i punti deboli del progetto, consentendo le necessarie modifiche. Queste fasi sono state iterative e ogni ciclo ha perfezionato il progetto per migliorare la stabilità e le prestazioni.

Karl e Martin hanno analizzato circa sei forme di instabilità, concentrandosi principalmente sui modi di instabilità globale, poiché erano presenti poche forme di instabilità locale. Hanno affrontato i potenziali problemi di instabilità locale nel progetto incorporando irrigidimenti per eliminarli.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Deformazioni sulle membrature dall'analisi GMNIA}}}]

Risultati: Una volta perfezionato il progetto a un livello soddisfacente, l'analisi GMNIA ha confermato che le deformazioni, le sollecitazioni e le deformazioni plastiche del progetto finale sono accettabili.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualizzazione della deformazione sotto carico}}}]

Doppio controllo e verifica: Per garantire l'accuratezza, le forze interne sono state confrontate tra RSA e IDEA StatiCa Member, fornendo un doppio controllo dei risultati.

Gli ingegneri hanno sfruttato le capacità dell'applicazione IDEA StatiCa Member, iniziando con l'analisi di buckling lineare (LBA) e passando all'analisi geometrica e materiale non lineare con imperfezioni (GMNIA), il tipo di analisi più avanzato per i carichi statici. Nella GMNIA, tutte le potenziali imperfezioni - come la variazione dello spessore della piastra, la non linearità, le tensioni residue, le disomogeneità del materiale e il disallineamento del supporto - sono rappresentate da imperfezioni geometriche equivalenti. Queste imperfezioni sono impostate utilizzando le forme del modo di instabilità calcolate da LBA, con l'utente che seleziona l'ampiezza massima della forma del modo di instabilità per l'imperfezione.

Inoltre, l'ingegnere Karl Kimmel ha utilizzato l'applicazione IDEA StatiCa Member per l'analisi di progettazione antincendio delle travi, sfruttando tutte le funzionalità dello strumento per garantire che la struttura soddisfacesse tutti i requisiti di sicurezza antincendio. Questa analisi completa ha contribuito a confermare le prestazioni delle travi in condizioni di incendio, rafforzando ulteriormente il progetto complessivo.

Conclusione

Il progetto del nuovo centro educativo di Tallinn è una testimonianza della potenza dell'ingegneria strutturale avanzata e della progettazione innovativa. Sfruttando le capacità di IDEA StatiCa, il team di ingegneri di EstKonsult è stato in grado di superare sfide significative e di fornire una struttura robusta, flessibile e moderna che soddisfa le esigenze della comunità. Questo progetto dimostra l'importanza di utilizzare strumenti e tecniche all'avanguardia in combinazione con un pensiero ingegneristico innovativo nell'ambito dell'ingegneria strutturale per realizzare ambiziose visioni architettoniche e garantire la sicurezza e la funzionalità di strutture complesse.