Conversii de birouri în spații rezidențiale: analiză aprofundată de inginerie structurală

Reimaginarea Structurilor: Reutilizarea Adaptivă în Practică
Dinamica Echilibrului dintre Conservare și Inovație, de la Modernizări Structurale și Strategii Inovatoare de Reutilizare până la Design Adaptiv

Am participat la o sesiune susținută de David Farnsworth de la Arup, în care acesta a descris procesul structural și provocările conversiei unei clădiri vechi (din anii 1950) într-o clădire rezidențială. Mai multe informații despre economiile de carbon realizate prin aceste conversii pot fi citite în raportul ARUP: https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf

Un aspect esențial explicat în cadrul sesiunii a fost că forma acelor clădiri care seamănă cu un tort de nuntă pătrat are plăci de planșeu mari (proiecte postbelice, când a fost inventat aerul condiționat), care, pentru un layout rezidențial, nu sunt utile, deoarece dezvoltatorii doresc să maximizeze suprafața cu ferestre.

Astfel, soluția găsită de Arup în acest caz a fost să decupeze o porțiune din „tort" și să crească disponibilitatea ferestrelor, mărind astfel numărul de unități pe fiecare nivel. Volumul decupat poate fi apoi reutilizat la partea superioară sau laterală a clădirii. Puteți citi mai multe despre acest subiect în următorul articol: https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html

Odată cu aceste modificări și adăugiri, procesul structural intră în acțiune. Există mai multe provocări în cadrul acestui proces: codul vechi utilizat și reevaluarea structurii conform codurilor actuale, încărcări noi, stabilitate, conexiuni la vânt, consolidarea structurii (grinzi, stâlpi și conexiuni), plăci din zgură/coloane de conducte.

În acest articol, ne vom concentra pe conexiunile din oțel și modernizarea structurii din oțel. 

„Conexiunile la vânt"

Conexiunile „la vânt" (Tipul 2 cu vânt) permise de prevederile AISC ASD 1989 reprezentau o soluție simplificată: conexiunea este suficient de rigidă pentru a rezista la încărcări laterale, dar suficient de flexibilă pentru a permite grinzii să se comporte ca simplu rezemată sub încărcări gravitaționale, cunoscute și ca parțial constrânse.

În timpul analizei clădirilor existente, inginerii structuriști au descoperit acest detaliu tipic realizat cu profile WT sau corniere la tălpile superioare și inferioare ale grinzii și o conexiune simplă la forță tăietoare în inimă, conectată cu nituri.

Pentru a efectua modificări structurale, inginerul structurist trebuie să evalueze capacitatea actuală a structurei. Se efectuează o investigație a clădirii și, folosind instrumente moderne, companiile modelează condițiile existente în software-ul global de analiză structurală și rulează analize pentru a determina capacitatea.

Cu toate acestea, deoarece conexiunile sunt parțial constrânse, capetele grinzilor (eliberările de capăt ale grinzilor) nu pot fi modelate ca articulate sau încastrate în software-ul structural. Soluția este introducerea rigidității de rotație reale a conexiunii existente.

În Specificația AISC actuală, comentariul menționează că curbele moment-rotație ale conexiunilor parțial constrânse pot fi găsite în mai multe baze de date (Goverdhan, 1983; Ang și Morris, 1984; Nethercot, 1985; Kishi și Chen, 1986). Principala problemă este găsirea bazei de date care corespunde exact dimensiunilor sau condițiilor conexiunii de pe șantier.

Alternativa în acest caz este fie calcularea rigidității folosind modelarea pe componente (bazată pe calculele manuale din Eurocode), fie utilizarea unui software de analiză cu elemente finite.

IDEA StatiCa are capacitatea de a modela și proiecta conexiuni din oțel folosind CBFEM bazat pe coduri internaționale precum AISC. Pe lângă proiectarea structurală, software-ul include analize avansate precum: proiectarea de capacitate pentru condiții seismice, analiza de flambaj liniar, rezistența de proiectare a îmbinării pentru a determina capacitatea maximă a conexiunii și analiza de rigiditate care clasifică conexiunea pe baza codurilor de proiectare și calculează diagrama moment-rotație.

Software-ul poate furniza o valoare de arc multi-liniară sau liniară pentru a caracteriza condiția de capăt a grinzii în software-ul global de analiză comercială.

Din experiența unor utilizatori, software-ul a fost utilizat pentru evaluarea analizei structurale a structurilor existente, similar procesului urmat pentru conversia unei clădiri de birouri vechi într-o clădire rezidențială modernă în New York City.

De asemenea, a fost utilizat pentru a confirma ipoteza rigidității selectate, fie articulată, fie constrânsă.De exemplu, un caz frecvent este atunci când conexiunile HSS sunt modelate; chiar dacă suntem siguri (pe baza experienței proiectantului) că am modelat o conexiune rigidă, rigiditatea elementului de rezemare este întotdeauna discutabilă.

Starea existentă a conexiunilor este importantă pentru calculul rigidității acestora; pentru a realiza acest lucru în IDEA StatiCa, puteți modela nituri, secțiuni transversale istorice și materiale, modifica secțiuni de oțel cu deschideri și decupaje. După toate analizele, utilizatorul poate concluziona că este necesară consolidarea, putând adăuga apoi armătură prin sudură, conexiuni de rezemare (armătură cu profile WT) și armătură cu plăci. Citiți mai multe aici: https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections

Consolidarea grinzilor la vânt și gravitaționale

Așa cum s-a explicat anterior, analiza de rigiditate a conexiunii face parte din procesul structural, dar odată ce obțin aceste date din software precum IDEA StatiCa, inginerii introduc valorile în software-ul lor global de analiză pentru a putea rula o analiză neliniară cuprinzătoare a structurii și a obține capacitatea actuală a întregii structuri.

Ulterior, aceștia trebuie să modifice modelul structural pentru a reprezenta noua structură: eliminarea unor părți ale structurii din cauza decupajelor sau extracției de volum, creșterea încărcărilor datorită modificărilor codului structural, adăugarea de niveluri etc. Odată ce modifică modelul utilizând cea mai mare parte a structurii actuale, inginerii pot constata că unele grinzi și stâlpi necesită consolidare.

Aceasta poate implica adăugarea de armătură la capetele grinzilor pentru cadrele cu momente, sau armătură la mijlocul grinzii pentru cadrele gravitaționale.

O soluție pe care IDEA StatiCa o oferă utilizatorilor săi de structuri din oțel este capacitatea de a analiza și proiecta elemente de tip grindă folosind FEA. În loc să utilizeze elemente de grindă 1D, așa cum fac majoritatea software-urilor, aplicația Member modelează grinzile ca elemente de tip coajă. Aceasta permite utilizatorului să modeleze deschideri în plăcile elementului și armături precum plăci sudate/șurubuite sau secțiuni transversale. Aflați mai multe despre: https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project

În plus, în aplicația Member, în loc să modeleze condiția de capăt a grinzii ca articulată sau rigidă, conexiunea este modelată explicit. Nu mai este nevoie de iterații, calculul diagramelor de moment și forță tăietoare va fi precis, luând în considerare rigiditatea reală a cadrului.