Kantoor-naar-woning conversies: constructief technische verdieping

Constructies herdenken: Adaptief hergebruik in de praktijk
De dynamiek van het balanceren tussen behoud en innovatie, van constructieve retrofits en innovatieve hergebruiksstrategieën tot adaptief ontwerp

We woonden een sessie bij van David Farnsworth van Arup, waarin hij het constructieve proces en de uitdagingen beschreef van het omzetten van een oud gebouw (jaren 1950) naar een woongebouw. Meer over de koolstofbesparingen door deze conversies is te lezen in het ARUP-rapport: https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf

Een belangrijk aspect dat tijdens de sessie werd uitgelegd, was dat de vorm van die gebouwen die lijken op een vierkante bruidstaart grote vloerplaten heeft (naoorlogse ontwerpen, toen airconditioning werd uitgevonden), wat voor een woningindeling niet nuttig is, omdat ontwikkelaars het oppervlak met een raam willen maximaliseren.

De oplossing die Arup in dit geval vond, was om een deel van de "taart" uit te snijden en de beschikbaarheid van ramen te vergroten, waardoor het aantal wooneenheden op elk niveau toeneemt. Het uitgesneden volume kan vervolgens worden herbestemd aan de top of zijkant van het gebouw. U kunt meer lezen over dit onderwerp in het volgende artikel: https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html

Met deze wijzigingen en toevoegingen komt het constructieve proces op gang. Er zijn verschillende uitdagingen tijdens dit proces: oude normen die werden gebruikt en herbeoordeling van de constructie met behulp van huidige normen, nieuwe belastingen, stabiliteit, windverbindingen, constructieversterking (balken, kolommen en verbindingen), cinder vloerplaten/leidingschachten.

In dit artikel richten we ons op de staalverbindingen en retrofit van de staalconstructie. 

"Windverbindingen"

De "wind" verbindingen (Type 2 met wind) toegestaan in de AISC ASD 1989-bepalingen waren een vereenvoudigde oplossing: de verbinding is stijf genoeg om laterale belastingen te weerstaan, maar flexibel genoeg om de balk te laten gedragen als enkelvoudig ondersteund onder zwaartekrachtbelastingen, ook wel gedeeltelijk ingekneld genoemd.

Tijdens de analyse van bestaande gebouwen ontdekten constructeurs dit typische detail, uitgevoerd met WT-profielen of hoekstaalprofielen in de boven- en onderflens van de balk en een eenvoudige afschuivingsverbinding in het lijf, verbonden met klinknagels.

Om constructieve wijzigingen aan te brengen, moet de constructeur de huidige capaciteit van de constructie beoordelen. Er wordt een onderzoek van het gebouw uitgevoerd, en met behulp van moderne tools modelleren bedrijven de bestaande situatie in globale constructieve analysessoftware en voeren analyses uit om de capaciteit te bepalen.

Omdat de verbindingen echter gedeeltelijk ingekneld zijn, kunnen de balkuiteinden (vrijheidsgraden van balkuiteinden) niet worden gemodelleerd als scharnierend of ingeklemd in de constructieve software. De oplossing is om de werkelijke rotatiestijfheid van de bestaande verbinding in te voeren.

In de huidige AISC-specificatie vermeldt het commentaar dat moment-rotatiecurven van gedeeltelijk ingeknelde verbindingen te vinden zijn in verschillende databases (Goverdhan, 1983; Ang and Morris, 1984; Nethercot, 1985; Kishi and Chen, 1986). Het belangrijkste probleem is het vinden van de database die overeenkomt met de exacte verbindingsafmetingen of -omstandigheden op de bouwplaats.

Het alternatief in dit geval is ofwel de stijfheid berekenen met behulp van componentmodellering (gebaseerd op Eurocode handberekeningen) of gebruik maken van eindige elementen analyse software.

IDEA StatiCa heeft de mogelijkheid om staalverbindingen te modelleren en te ontwerpen met behulp van CBFEM op basis van internationale normen zoals AISC. Naast constructief ontwerp bevat de software geavanceerde analyses zoals: capaciteitsontwerp voor seismische omstandigheden, lineaire knipanalyse, verbindingsontwerpcapaciteit om de maximale capaciteit van de verbinding te bepalen, en stijfheidsanalyse die de verbinding classificeert op basis van ontwerpnormen en het moment-rotatiediagram berekent.

De software kan een meerlijnige of lineaire veerwaarde leveren om de eindconditie van de balk te karakteriseren in commerciële globale analysesoftware.

Op basis van ervaringen van gebruikers is de software gebruikt voor constructieve analysebeoordeling van bestaande constructies, zoals het proces dat wordt gevolgd om een oud kantoorgebouw om te zetten naar een modern woongebouw in New York City.

Ook is het gebruikt om de aanname van de geselecteerde stijfheid te bevestigen, hetzij scharnierend of ingekneld.Zo is een veelvoorkomend geval wanneer HSS-verbindingen worden gemodelleerd; zelfs als we zeker zijn (op basis van de ervaring van de ontwerper) dat we een stijve verbinding hebben gemodelleerd, is de stijfheid van het steunende staaf altijd discutabel.

De bestaande toestand van de verbindingen is belangrijk om de stijfheid van de verbindingen te berekenen. Om dit te doen in IDEA StatiCa kunt u klinknagels modelleren, historische doorsneden en materialen, staalprofielen aanpassen met openingen en inkortingen. Na alle analyses kan de gebruiker concluderen dat versterking vereist is, waarna de gebruiker lasversterking kan toevoegen, gesteunde verbindingen kan toevoegen (WT-wapening) en plaatversterking. Lees meer hier: https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections

Versterking van wind- en zwaartekrachtbalken

Zoals eerder uitgelegd, maakt de stijfheidsanalyse van de verbinding deel uit van het constructieve proces, maar zodra ze deze gegevens verkrijgen uit software zoals IDEA StatiCa, voeren de ingenieurs de waarden in hun globale analysesoftware in zodat ze een uitgebreide niet-lineaire analyse op de constructie kunnen uitvoeren om de huidige capaciteit van de gehele constructie te bepalen.

Vervolgens moeten ze het constructieve model aanpassen om de nieuwe constructie te vertegenwoordigen: verwijdering van een deel van de constructie vanwege de inkepingen of volumeonttrekking, toename van belastingen door wijzigingen in de constructienorm, toevoeging van verdiepingen, enz. Zodra ze het model aanpassen met gebruik van het grootste deel van de huidige constructie, kunnen de ingenieurs ontdekken dat sommige balken en kolommen versterkt moeten worden.

Dit kan het toevoegen van wapening aan het einde/begin van de balken zijn voor momentframes, of wapening in het midden van de balk voor zwaartekrachtframes.

Een oplossing die IDEA StatiCa biedt aan hun staalgebruikers, is de mogelijkheid om staafleden te analyseren en te ontwerpen met behulp van FEA. In plaats van 1D-balkelementen te gebruiken zoals de meeste software doet, modelleert de Member applicatie de balken als schelelementen. Dit stelt de gebruiker in staat om openingen in de staafplaten en wapening zoals gelaste/geboute platen of doorsneden te modelleren. Meer informatie: https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project

Bovendien wordt in de Member applicatie, in plaats van de eindconditie van de balk te modelleren als scharnierend of stijf, de verbinding expliciet gemodelleerd. Er is geen heen-en-weer nodig; de berekening van de moment- en afschuivingsdiagrammen zal nauwkeurig zijn, rekening houdend met de werkelijke stijfheid van het frame.