Over het project
Het onderwijscentrum in Tallinn is een vier verdiepingen tellend gebouw dat is ontworpen om een verouderde faciliteit te vervangen door een modern, multifunctioneel gebouw. Het gebouw heeft een bruto oppervlakte van 13.566 m², is 18 meter hoog en bevat een combinatie van beton, staal en metselwerk als primaire materialen. Het verticale draagsysteem bestaat voornamelijk uit betonnen kolommen en gemetselde muren, die niet alleen de nodige ondersteuning bieden, maar ook bijdragen aan de algemene stijfheid van het gebouw. Horizontale dragende elementen bestaan voornamelijk uit kanaalplaatvloeren die worden ondersteund door geprefabriceerde balken, waarbij bepaalde secties gebruik maken van in het werk gestorte vlakke platen voor extra ondersteuning.
De vierde verdieping en de dakconstructie laten een verschuiving zien naar staalconstructies, waarbij gebruik wordt gemaakt van stalen kolommen en liggers voor meer flexibiliteit en een lager gewicht. Het gebouw wordt ondersteund door 831 heipalen met een totale lengte van 21.000 meter, wat zorgt voor een stevige fundering ondanks de uitdagende bodemomstandigheden. Het totale volume beton dat in de constructie is gebruikt, exclusief heipalen, bedraagt 3.560 m³ en de stalen onderdelen wegen ongeveer 430.000 kg.
Technische uitdagingen
Een van de belangrijkste uitdagingen in dit project was het ontwerp van een 80 meter lange raatligger. Deze balk moest grote overspanningen op de derde verdieping overbruggen en zorgen voor een open, kolomvrije ruimte volgens de architectonische visie. Naast het dragen van de constructie, moest de balk ook de doorgang van een ventilatiesysteem mogelijk maken.
De complexiteit van de constructie werd verder vergroot door de noodzaak om zes overspanningen te ondersteunen over de gehele bovenste verdieping, met de langste overspanning van 27,5 meter. Bovendien was de laatste overspanning van de balk ontworpen als een uitkraging, die niet alleen naar buiten strekte maar ook een deel van de vloerplaat eronder ondersteunde, wat een aanzienlijke belasting toevoegde.
Na alle inputs te hebben geëvalueerd, stelden projectingenieurs Martin Truuts en Karl Kimmel vast dat een raatligger de optimale oplossing zou zijn. Het ontwerp van de raatligger biedt op natuurlijke wijze openingen voor het kanaalsysteem, terwijl de hoge effectieve hoogte een aanzienlijk draagvermogen mogelijk maakt met een relatief minimaal gebruik van materiaal.
De keuze voor de raatligger was duidelijk de beste optie, maar bracht ook extra uitdagingen met zich mee, met name het waarborgen van de stabiliteit van de constructie tegen zijdelingse torsiebuiging en andere vormen van knikken. Als doorlopende ligger was het stabiliseren van de onderflens in de ondersteunde gebieden essentieel. Normaal gesproken zouden diagonale staven worden gebruikt om dit probleem op te lossen, maar deze oplossing was niet haalbaar vanwege de plaatsing van ventilatiebuizen en architectonische eisen voor de ruimte naast de ligger. Daarom werden "secundaire liggers", loodrecht op de raatligger, gebruikt om de nodige stabilisatie te bieden.
Oplossingen en resultaten
Zoals eerder vermeld werden stabiliteitsproblemen aangepakt door "secundaire liggers" aan de zijkanten van de raatligger te verbinden. Het ontwerp maakte gebruik van de buigstijfheid van de secundaire liggers en breidde deze stijfheid uit naar de onderflens van de raatligger door middel van een robuust verbindingsontwerp. Deze aanpak stabiliseerde de onderflens effectief. In wezen was de verbinding tussen de secundaire en raatliggers zo robuust en stijf dat het ervoor zorgde dat de secundaire liggers in aangrenzende overspanningen als doorlopende liggers functioneerden, waardoor de verdeling van belastingen en interne krachten werd beïnvloed, wat in dit geval ook betekende dat er meer belasting naar de raatliggers werd overgebracht.
Estonia
Om de stabiliteitsproblemen aan te pakken en de stijfheid van de verbindingen op te nemen in het ontwerp, integreerden de ingenieurs de applicaties van IDEA StatiCa - Checkbot, Member en Connection in hun workflow. Ingenieurs Karl Kimmel en Martin Truuts volgden een gestructureerde aanpak:
Global Model Creation: Het proces begon met het maken van een globaal model in Robot Structural Analysis (RSA) software, waarin belastingen en belastingscombinaties werden geïntroduceerd.
Integratie van BIM-koppeling: Karl gebruikte vervolgens de BIM-link om de gehele constructie, inclusief de interne krachten van alle belastingscombinaties, te importeren in IDEA StatiCa Checkbot.
Ontwerp van verbindingen en berekening van stijfheid: In IDEA StatiCa Connection werden individuele verbindingen ontworpen en werd de stijfheid van deze verbindingen berekend. Deze stijfheid werd vervolgens opnieuw ingevoerd in het RSA-model en beïnvloedde het buigmomentdiagram van de raatligger en het gedrag van de bijbehorende kolommen.
Modelleren van elementen: Het model werd vervolgens helemaal opnieuw gemaakt in IDEA StatiCa Member. Alle balken werden gemodelleerd als "geanalyseerde balken", met gebruik van schaalelementen voor gedetailleerde weergave. Verbindingen werden gemodelleerd en toegewezen aan de juiste verbindingen, en kritische belastingen werden toegepast op het model voor de uiteindelijke analyse.
Analyse van leden: In IDEA StatiCa Member werden knikvormen en corresponderende kritische knikfactoren bepaald door middel van een lineaire knikanalyse. Aan de kritische knikvormen werden vervolgens initiële imperfecties toegekend en verder geanalyseerd met behulp van "Geometrically and Materially Nonlinear Analysis with Imperfections" (GMNIA). Dit proces hielp bij het identificeren van zwakke punten in het ontwerp, waardoor noodzakelijke aanpassingen mogelijk werden. Deze stappen waren iteratief, waarbij elke cyclus het ontwerp verfijnde om de stabiliteit en prestaties te verbeteren.
Karl en Martin analyseerden ongeveer zes knikvormen, waarbij ze zich voornamelijk richtten op globale knikvormen, omdat er weinig lokale knikvormen aanwezig waren. Ze pakten potentiële lokale knikproblemen in het ontwerp aan door verstijvers in te bouwen.
Resultaten: Nadat het ontwerp was verfijnd, bevestigde de GMNIA-analyse dat de vervormingen, spanningen en plastische vervormingen van het uiteindelijke ontwerp acceptabel waren.
Dubbele controle en verificatie: Om de nauwkeurigheid te garanderen werden de interne krachten vergeleken tussen RSA en IDEA StatiCa Member.
Estonia
De ingenieurs maakten gebruik van de mogelijkheden van de IDEA StatiCa Member-toepassing, te beginnen met lineaire knikanalyse (LBA) en overgaand naar geometrische en materieel niet-lineaire analyse met onvolkomenheden (GMNIA), het meest geavanceerde analysetype voor statische belasting. In GMNIA worden alle potentiële imperfecties - zoals variërende plaatdikte, uitlijning, restspanningen, materiaalafwijkingen en verkeerde uitlijning van ondersteuningen - voorgesteld door equivalente geometrische imperfecties. Deze onvolkomenheden worden ingesteld met behulp van knikmodusvormen berekend door LBA, waarbij de gebruiker de maximale amplitude van de knikmodusvorm voor de onvolkomenheid selecteert.
Daarnaast gebruikte ingenieur Karl Kimmel de IDEA StatiCa Member-toepassing voor de Fire Design Analysis van de liggers, waarbij hij alle mogelijkheden van de tool benutte om ervoor te zorgen dat de constructie aan alle brandveiligheidseisen voldeed. Deze uitgebreide analyse hielp de prestaties van de liggers onder brandomstandigheden te bevestigen, waardoor het algehele ontwerp verder werd versterkt.
Conclusie
Het nieuwe onderwijscentrum in Tallinn is een bewijs van de kracht van geavanceerde constructietechniek en innovatief ontwerp. Door gebruik te maken van de mogelijkheden van IDEA StatiCa was het ingenieursteam van EstKonsult in staat om belangrijke uitdagingen te overwinnen en een robuuste, flexibele en moderne faciliteit op te leveren die voldoet aan de behoeften van de gemeenschap. Dit project laat het belang zien van het gebruik van geavanceerde hulpmiddelen en technieken in combinatie met innovatief engineering-denken in de bouwtechniek om ambitieuze architectonische visies te realiseren en de veiligheid en functionaliteit van complexe constructies te garanderen.