Über das Projekt
Das Bildungszentrum in Tallinn ist ein vierstöckiges Gebäude, das eine veraltete Einrichtung durch ein modernes, multifunktionales Gebäude ersetzen soll. Das Gebäude mit einer Bruttofläche von 13.566 m² ist 18 Meter hoch und besteht aus einer Kombination von Beton, Stahl und Mauerwerk als Hauptmaterialien. Das vertikale Tragsystem besteht überwiegend aus Betonstützen und Mauerwerkswänden, die nicht nur für den nötigen Halt sorgen, sondern auch zur Gesamtsteifigkeit des Gebäudes beitragen. Die horizontalen Tragelemente bestehen in erster Linie aus Hohlkörperplatten, die von vorgefertigten Trägern getragen werden, wobei in einigen Abschnitten Ortbeton-Flachdecken als zusätzliche strukturelle Unterstützung verwendet werden.
Das vierte Stockwerk und die Dachkonstruktion sind ein Beispiel für eine Verlagerung hin zur Stahlkonstruktion, bei der Stahlstützen und -träger für mehr Flexibilität und weniger Gewicht verwendet werden. Das Gebäude wird von 831 Pfählen mit einer Gesamtlänge von 21.000 Metern gestützt, die trotz schwieriger Bodenverhältnisse ein solides Fundament gewährleisten. Das Gesamtvolumen des für das Bauwerk verwendeten Betons (ohne Pfähle) beläuft sich auf 3.560 m³, und die Stahlteile wiegen rund 430.000 kg.
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\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Architektonische Visualisierung des Bildungszentrums}}}\]
Technische Herausforderungen
Eine der größten Herausforderungen bei diesem Projekt war die Konstruktion eines 80,70 Meter langen Wabenträgers. Dieser Träger musste große Spannweiten im dritten Stockwerk abdecken und einen offenen, stützenfreien Raum gemäß der architektonischen Vision gewährleisten. Der Träger musste nicht nur die strukturelle Integrität der großen offenen Räume unterstützen, sondern auch die Durchführung eines Lüftungskanalsystems durch seine Struktur ermöglichen.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Schnittansicht des Wabenträgers in der IFC-Reader-Software}}}\]
Die technische Komplexität wurde noch dadurch erhöht, dass sechs Spannweiten über die gesamte oberste Etage gestützt werden mussten, wobei die längste Spannweite 27,49 Meter betrug. Darüber hinaus wurde die letzte Spannweite des Trägers als Kragarm konzipiert, der nicht nur nach außen ragte, sondern auch einen Teil der darunter liegenden Bodenplatte stützte, was zu einer erheblichen Belastung führte und eine sorgfältige statische Analyse und Planung erforderte.
Nach Auswertung aller Faktoren kamen die Projektingenieure Martin Truuts und Karl Kimmel zu dem Schluss, dass ein Wabenträger die optimale Lösung wäre. Die Konstruktion des Wabenträgers sieht natürlich Öffnungen für das Kanalsystem vor, während seine große effektive Höhe eine erhebliche Tragfähigkeit bei relativ geringem Materialeinsatz ermöglicht.
Die Wahl des Wabenträgers war eindeutig die beste Option, brachte aber auch zusätzliche Herausforderungen mit sich, insbesondere die Gewährleistung der Stabilität des Bauwerks gegen Biegedrillknicken und andere Formen des Ausknickens. Da es sich um einen Durchlaufträger handelt, war die Stabilisierung des unteren Flansches in den gestützten Bereichen von wesentlicher Bedeutung. Diese Lösung war jedoch aufgrund der Anordnung der Lüftungsrohre und der architektonischen Anforderungen an den an den Träger angrenzenden Raum nicht realisierbar. Daher wurden "Sekundärträger" senkrecht zum Wabenträger eingesetzt, um die notwendige Stabilisierung zu gewährleisten.
Lösungen und Ergebnisse
Haftungsausschluss:
Wie bereits erwähnt, wurden Stabilitätsprobleme durch die Verbindung von "Nebenträgern" an den Seiten des Wabenträgers gelöst. Die Konstruktion nutzte die Biegesteifigkeit der Nebenträger und verlängerte diese Steifigkeit auf den unteren Flansch des Wabenträgers durch ein robustes Verbindungsdesign. Dieser Ansatz stabilisierte den unteren Flansch effektiv. Im Wesentlichen war die Verbindung zwischen den Nebenträgern und den Wabenträgern so robust und steif, dass die Nebenträger in den angrenzenden Spannweiten als Durchlaufträger fungierten, wodurch die Verteilung der Lasten und Schnittgrößen beeinflusst wurde, was in diesem Fall auch bedeutete, dass mehr Last auf die Wabenträger übertragen wurde.
Die Konstruktion des Wabenträgers stellte uns vor große Herausforderungen, aber mit IDEA StatiCa konnten wir die gesamte Struktur effektiv modellieren und analysieren. Die Fähigkeiten der Software ermöglichten es uns, Stabilität und Funktionalität zu gewährleisten und gleichzeitig die notwendigen Versorgungseinrichtungen und Systeme innerhalb des Trägers unterzubringen.
Karl Kimmel
Structural Engineer – EstKONSULT
Estland
Um die Stabilitätsprobleme zu lösen und die Verbindungssteifigkeit in den Entwurf einzubeziehen, integrierten die Ingenieure die IDEA StatiCa Anwendungssuite - Checkbot, Member und Connection - in ihren Arbeitsablauf. Die Ingenieure Karl Kimmel und Martin Truuts verfolgten einen strukturierten Ansatz:
Globale Modellerstellung: Der Prozess begann mit der Erstellung eines globalen Modells in der Software Robot Structural Analysis (RSA), wo Lasten und Lastkombinationen eingeführt wurden.
Integration des BIM-Links: Karl verwendete dann den BIM-Link, um die gesamte Struktur, einschließlich der Schnittgrößen aller Lastkombinationen, in IDEA StatiCa Checkbot zu importieren.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Das in Checkbot importierte Modell mit Schnittgrößen}}}\]
Verbindungsdesign und Steifigkeitsberechnung: In IDEA StatiCa Connection wurden einzelne Verbindungen konstruiert und die Steifigkeit dieser Verbindungen berechnet. Diese Steifigkeit wurde dann wieder in das RSA-Modell eingefügt und beeinflusste das Biegemomentdiagramm des Wabenträgers und das Verhalten der zugehörigen Stützen.
Verbindung von zwei "sekundären" Trägern mit dem Wabenträger
Verbindung von zwei "sekundären" Trägern mit dem Wabenträger
Verbindung von "sekundären" Trägern mit dem Wabenträger
Verbindung von zwei "sekundären" Trägern mit dem Wabenträger
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Die im Modell verwendeten Anschlusskonstruktionen in der Anwendung Member}}}\]
Member Modeling: Das Modell wurde dann in IDEA StatiCa Member von Grund auf neu erstellt. Alle Träger wurden als "analysierte Stäbe" modelliert, wobei Schalenelemente für die detaillierte Darstellung verwendet wurden. Verbindungen wurden modelliert und den entsprechenden Gelenken zugewiesen, und kritische Lasten wurden für die endgültige Analyse auf das Modell angewendet.
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\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Verschiedene Ansichten des Modells in der Anwendung Member}}}\]
Analyse von Bauteilen: In IDEA StatiCa Member wurden die Knickformen und die entsprechenden kritischen Knickfaktoren durch lineare Knickanalyse ermittelt. Den kritischen Knickformen wurden dann anfängliche Imperfektionen zugeordnet und mit Hilfe der Geometrisch- und Materiell-Nichtlinearen Analyse mit Imperfektionen (GMNIA) weiter analysiert. Dieser Prozess half dabei, Schwachstellen in der Konstruktion zu identifizieren, so dass notwendige Anpassungen vorgenommen werden konnten. Diese Schritte erfolgten iterativ, wobei mit jedem Zyklus das Design verfeinert wurde, um Stabilität und Leistung zu verbessern.
Karl und Martin analysierten etwa sechs Knickformen, wobei sie sich in erster Linie auf globale Knickformen konzentrierten, da es nur wenige lokale Knickformen gab. Sie untersuchten potenzielle lokale Knickprobleme in der Konstruktion, indem sie Versteifungen einbauten, um diese zu beseitigen.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Die Verformungen der Stäbe aus der GMNIA-Analyse}}}\]
Ergebnisse: Nachdem der Entwurf auf ein zufriedenstellendes Niveau verfeinert worden war, bestätigte die GMNIA-Analyse die Verformungen, Spannungen und plastischen Dehnungen des endgültigen Entwurfs als akzeptabel.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualisierung der Verformung unter Last}}}\]
Doppelprüfung und Verifizierung: Um die Genauigkeit zu gewährleisten, wurden die Schnittgrößen zwischen RSA und IDEA StatiCa Member verglichen, um eine doppelte Überprüfung der Ergebnisse zu ermöglichen.
Wir haben die IDEA StatiCa Anwendungen Connection und Member zusammen verwendet, um die Steifigkeit der Verbindungen und die Stabilität des Wabenträgers zu bestimmen. Darüber hinaus nutzten wir die Anwendung Connection, um andere Stahlverbindungen im gesamten Gebäude zu bemessen, und das Betonmodul der Anwendung Member, um schlanke Stahlbetonstützen zu analysieren.
Martin Truuts
Senior Structural Engineer – EstKONSULT
Estland
Die Ingenieure nutzten die Möglichkeiten der IDEA StatiCa Member-Anwendung, beginnend mit der linearen Beulanalyse (LBA) und fortschreitend mit der geometrisch und materiell nichtlinearen Analyse mit Imperfektionen (GMNIA), der fortschrittlichsten Analyseart für statische Belastung. Bei GMNIA werden alle potenziellen Imperfektionen - wie z. B. unterschiedliche Blechdicken, Geradheitsabweichungen, Eigenspannungen, Materialinhomogenitäten und Lagerungsfehler - durch äquivalente geometrische Imperfektionen dargestellt. Diese Imperfektionen werden mithilfe der von LBA berechneten Knickmodenformen festgelegt, wobei der Benutzer die maximale Amplitude der Knickmodenform für die Imperfektion auswählt.
Darüber hinaus nutzte der Ingenieur Karl Kimmel die IDEA StatiCa Member-Anwendung für die Feuerwiderstandsanalyse der Träger, um sicherzustellen, dass die Struktur alle Brandschutzanforderungen erfüllt. Diese umfassende Analyse half dabei, die Leistungsfähigkeit der Träger unter Brandbedingungen zu bestätigen und den Gesamtentwurf weiter zu stärken.
Schlussfolgerung
Das Projekt des neuen Bildungszentrums in Tallinn ist ein Beweis für die Leistungsfähigkeit fortschrittlicher Bautechnik und innovativer Planung. Durch die Nutzung der Möglichkeiten von IDEA StatiCa war das Ingenieurteam von EstKonsult in der Lage, bedeutende Herausforderungen zu meistern und eine robuste, flexible und moderne Einrichtung zu liefern, die den Bedürfnissen der Gemeinde entspricht. Dieses Projekt zeigt, wie wichtig der Einsatz modernster Werkzeuge und Techniken in Kombination mit innovativem Ingenieurdenken im Hochbau ist, um ehrgeizige architektonische Visionen zu verwirklichen und die Sicherheit und Funktionalität komplexer Strukturen zu gewährleisten.
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