Comprendere la complessità del disegno strutturale di Skyscraper

Ogni alta serie deve resistere in modo sicuro ai carichi di gravità, alle forze laterali del vento e dei terremoti, alle vibrazioni dinamiche, pur rimanendo economicamente fattibile. Il team di ingegneri deve coordinare decine di discipline, dall'architettura ai sistemi meccanici, e il sistema strutturale solo può coinvolgere migliaia di travi in acciaio interconnessi, colonne in cemento, lastre post-tensionate e fondazioni profonde rapidamente emerse come modello strutturale.

Questo caso di studio passa attraverso l'applicazione reale di RISA’s suite di strumenti per progettare un moderno grattacielo.

Panoramica della suite di software strutturale RISA

RISALT Technologies offre una famiglia di programmi su misura per diverse fasi di strutturatura. Il prodotto principale, RISA-3D, è un'analisi generale degli elementi finiti e uno strumento di progettazione in grado di gestire modelli 3D con vari tipi di elementi, tra cui travi, colonne, cavi e piastre.

Per i grattacieli, il flusso di lavoro tipico inizia in [RISA-3D] o RISAFloor[], a seconda della tipologia strutturale. Gli ingegneri definiscono la griglia dell'edificio, assegnano proprietà materiali e applicano carichi.

Ulteriori informazioni sulla linea completa del prodotto nella pagina del prodotto RISA[].

Passo 1: Modellazione iniziale e definizione di geometria

Per lo studio del caso grattacielo – una torre mista a 60 piani con un'impronta rettangolare e un profilo a nastro – il modello architettonico ha fornito la griglia di base e i livelli di pavimento. Utilizzando RISA-3D, l'ingegnere strutturale ha importato il layout architettonico tramite i file DXF e ha affinato manualmente la griglia di colonna in un modulo di 9 metri di pieno disegno.

Un vantaggio fondamentale di RISA è la sua capacità di gestire geometrie complesse come contrattempi, pavimenti di trasferimento e facciate curve. Per il profilo affusolato, l'ingegnere ha definito l'impronta ridotta del piano superiore regolando gli offset delle colonne e utilizzando travi inclinate. Il modello comprendeva 120 piani di colonne, 60 lastre di pavimento, un nucleo di cemento al centro dell'edificio, e tirature fuoribordo a livelli meccanici.

Le proprietà dei materiali sono state assegnate in base alle specifiche del progetto: Grade 50 steel per travi e colonne nella zona inferiore, Grade 65 steel per colonne ad alta resistenza e ]normal-weight concrete con una forza di compressione del database di 48 MP.

Definizione di elementi strutturali con precisione

Una volta che la griglia e il layout sono stati stabiliti, l'ingegnere ha definito ogni elemento strutturale. In RISA-3D, travi e colonne sono disegnate come membri lineari con sezioni trasversali assegnate. Per il grattacielo, l'ingegnere ha creato una libreria di sezioni di ampie dimensioni personalizzate per il telaio in acciaio e sezioni cavi rettangolari per le colonne di nucleo.

Le lastre sono state modellate utilizzando RISAFloor[] come pannelli in cemento bidirezionale con tendini post-tensionanti. L'ingegnere ha specificato lo spessore della lastra (200 mm tipici, 300 mm a livelli di podio), la copertura in cemento e il layout del tendine. RISAFloor calcola automaticamente i carichi equivalenti per post-tensionamento e rappresenta gli effetti di strisciamento e ridimensionamento in deflettori a lungo termine.

Per la fondazione, RISAFoundation[]] è stato utilizzato per progettare una lastra di tappetino a 3 metri sotto la torre, con pile che si estendevano a 40 metri nella roccia. Il software considerava molle di terreno (modello Winkler) per simulare l'interazione delle strutture del suolo, un fattore critico per insediamenti ad alta velocità e rotazione del tappeto.

Fase 2: Metodi di analisi strutturale per edifici ad alto rumore

Con il modello completo, è iniziata la fase di analisi. I grattacieli richiedono una considerazione sia della gravità che dei carichi laterali. I carichi gravi (morte e live) sono stati applicati per piano con fattori di carico basati su ASCE 7-16. I carichi in tensione sono stati ridotti in base al codice per la conservazione e i carichi di occupazione.

RISA-3D ha eseguito un'analisi statica elastica per carichi di gravità, seguita da un'analisi dello spettro per carichi sismici. L'ingegnere ha definito un range di periodo naturale (prima tre modalità) e ha applicato lo spettro di progettazione specifico del sito.

Per catturare la non linearità geometrica (effetti P-Delta), l'ingegnere ha abilitato l'opzione di analisi P-Delta [ in RISA-3D. Questo spiega i momenti di flessione aggiuntivi indotti da carichi verticali che agiscono sul telaio in seguito spostato.

Inoltre, l'ingegnere ha condotto un'analisi della storia della risposta modale[[] utilizzando il metodo di integrazione diretta per verificare le prestazioni dell'edificio sotto il terremoto massimo considerato (MCE).

Analisi dei percorsi di carico e distribuzione di stress

Una volta che l'analisi è stata effettuata, RISA ha generato risultati dettagliati, tra cui forze, momenti, forze di reazione e spostamenti. L'ingegnere ha esaminato [[] diagrammi di percorso di carico[[]]]] per garantire che le forze da gravità e carichi laterali siano stati trasferiti in modo efficiente fino alla fondazione.

Contour Map[[]]] sono caratterizzate da distribuzioni di stress visualizzate su pavimenti e pareti di taglio, che rivelano aree di elevata cesoia o flessione che richiedono un ulteriore rinforzo. Per il profilo in acciaio, il software ha evidenziato rapporto di stress contorni per membro, che mostra quali travi e colonne erano sovraffattivi (so)

Una sfida comune nei grattacieli è il controllo della deriva interstoria per evitare danni al rivestimento e alle partizioni. L'analisi ha dimostrato che la deriva massima sotto carico sismico era 0,012 radian (H/500), superando l'obiettivo di H/600. Per ridurre la deriva, l'ingegnere ha aumentato la rigidità delle pareti del nucleo aggiungendo raggi di accoppiamento e ispessendo le pareti nei 20 piani inferiori.

Passo 3: Ottimizzazione della progettazione e conformità del codice

Dopo l'analisi, l'ingegnere ha utilizzato i moduli di progettazione RISA per controllare ogni elemento strutturale contro i codici applicabili. Il telaio in acciaio è stato progettato per AISC 360-16[[] (specificazione per gli edifici in acciaio strutturale), mentre il nucleo di cemento e le lastre seguiti ACI 318-14].

La funzione di ottimizzazione design[] in RISA-3D è particolarmente potente per i grattacieli. L'ingegnere può impostare i rapporti di domanda-capacità target (ad esempio, 0,90 per i membri della gravità e 0,0 per i membri laterali) e lasciare che il software ridimensioni automaticamente le sezioni in acciaio per ridurre il peso.

Il sistema di controllo del rinforzo flessore, della portata e del controllo della crepa è stato definito in base ai carichi di servizio da 0,3 mm. Il RISAFloor ha calcolato le aree di rinforzo necessarie per la striscia e i tempi di barra generati per lastre e pareti. Per la fondazione del tappetino, il sistema di perforazione del paracolpi, il rinforzo flessore e i limiti di insediamento.

Link esterno: American Institute of Steel Construction (AISC)] fornisce le specifiche del codice utilizzate nella progettazione dell'acciaio.

Raffinazione del design iterativo e recensione Peer

Dopo l'ottimizzazione iniziale, il team ha presentato i risultati all'architetto e al consulente geotecnico. L'architetto ha richiesto un cambiamento nel layout della parete centrale per ospitare alberi di ascensore più grandi. Utilizzando le funzionalità di modifica del modello RISA, l'ingegnere ha trasferito le pareti principali, spostando nodi e ridefinindo le condizioni di confine.

Il recensore ha richiesto una verifica del progetto di fondazione con un metodo alternativo. L'ingegnere ha usato RISAFoundation per eseguire un'analisi degli elementi finiti del tappeto con diversi profili di rigidità del suolo e ha confermato che il massimo insediamento era entro 50 mm (2 pollici) le caratteristiche di reportistica di RISA hanno generato tabelle di uscita complete e grafici che sono stati facilmente inclusi nel rapporto di progettazione strutturale.

Camminata di studio del caso: 60-Story Mixed-Use Skyscraper

Per illustrare l'intero flusso di lavoro, ecco una passeggiata più dettagliata di un progetto specifico: la "Torre Medidica" e l'8211; un edificio di 60 piani con un'altezza totale di 250 metri. Il sistema strutturale combina un nucleo in cemento armato con un telaio perimetrale in acciaio e due capriate a livelli 20 e 40.

Step 1: Modellazione in RISA-3D[

  • Griglia architettonica importata da Revit tramite DXF.
  • Altitudini di pavimento dislocate: piano terra a 0 m, pavimenti tipici a 4 m di spaziatura, pavimenti meccanici a 5 m.
  • Assegnato il nucleo di cemento come gruppo di pannelli a parete con spessore definito dall'utente: 800 mm a terra fino a 400 mm in cima.
  • Modellato outrigger tromba come membri in acciaio con sezioni scatola personalizzata.
  • Collegamenti per travi per ridurre il trasferimento di momento e semplificare i dettagli.

Step 2: Applicazione del carico[

  • Carico morto: peso di cemento e acciaio (automaticamente calcolato), più sovrapposti carichi morti di 1,5 kPa per partizioni e meccanica.
  • Carico live: 2.0 kPa per pavimenti in ufficio, 4.5 kPa per pavimenti meccanici, 1,5 kPa per tetto (con disposizioni per neve).
  • Carico sismico: spettro di risposta da ASCE 7-16 per classe di sito C, Ss = 1.2g, S1 = 0.4g.
  • Carico del vento: importato dall'analisi CFD come storie di tempo di pressione per tre direzioni del vento.

Step 3: Analisi e risultati[

  • Prima modalità: 5.8 secondi (traduzione in X-direzione).
  • Portale di base dallo spettro di risposta: 12.500 kN (0.08W).
  • La deriva massima del tetto sotto il vento di servizio: 600 mm (H/417) – leggermente sopra il bersaglio, quindi la rigidità superante del truss è stata aumentata.
  • deriva critica: 0.009 radian sotto MCE – accettabile per le prestazioni di sicurezza della vita.

Step 4: Progettazione e Ottimizzazione[

  • Travi in acciaio: ottimizzati dalle sezioni iniziali W24 a W21 nei piani superiori, risparmiando il peso dell'acciaio dell'8%.
  • Rinforzo centrale: rapporto d'acciaio richiesto dell'1,2% nelle zone flessografiche; RISAFloor ha suggerito n. 11 barre a 200 mm di distanza.
  • Spessore della fondazione Mat aumentato a 3,5 m dopo il controllo della cesoia di perforazione nelle posizioni della colonna.

Link esterno: American Society of Civil Engineers (ASCE)[]] pubblica lo standard minimo di carico di progettazione utilizzato in questo progetto.

Integrazione con BIM e flussi di lavoro collaborativi

RISA supporta l'integrazione con le piattaforme di modellazione delle informazioni di costruzione (BIM) come Revit, Tekla e AutoCAD. Per la Torre Meridian, il modello strutturale è stato collegato al modello architettonico utilizzando i sistemi di gestione delle reti analitiche di RISA ].

Inoltre, l'integrazione di RISA con []Microsoft Excel] ha permesso al team di progettazione di eseguire studi parametrici sulle dimensioni dei membri e sui gradi dei materiali, valutando scenari di costo. L'API aperta del software consente agli script personalizzati per la generazione e l'estrazione di risultati automatizzati dei modelli, che gli utenti avanzati sfruttano per le ripetute attività di progettazione.

Conclusioni

La progettazione di un grattacielo richiede una combinazione di analisi avanzate, ottimizzazione iterativa e rigorosi conformità al codice. RISA Structural Software fornisce gli strumenti necessari per soddisfare queste esigenze in un ambiente unificato. Dalla modellazione 3D iniziale con sezioni personalizzate all'analisi non lineare del tempo-storia e al controllo del codice completamente automatizzato, RISA riduce il rischio di errori manuali e accelera il ciclo di progettazione.