Vzdělávací centrum v Tallinnu

O projektu

Vzdělávací centrum v Tallinnu je čtyřpodlažní stavba, která má nahradit zastaralé zařízení moderní multifunkční budovou. Budova se rozkládá na hrubé ploše 13 566 m², je vysoká 18 metrů a jako primární materiály obsahuje kombinaci betonu, oceli a zdiva. Svislý nosný systém se skládá převážně z betonových sloupů a zděných stěn, které nejen poskytují potřebnou podporu, ale také přispívají ke globální tuhosti budovy. Vodorovné nosné prvky se skládají především z dutých jádrových desek podepřených prefabrikovanými nosníky, přičemž některé sekce využívají monolitické ploché desky pro dodatečnou konstrukční podporu.

Čtvrté podlaží a střešní konstrukce představují posun směrem k ocelové konstrukci s použitím ocelových sloupů a nosníků pro zvýšenou flexibilitu a snížení hmotnosti. Budova je podepřena 831 piloty o celkové délce 21 000 metrů, které zajišťují pevné základy i přes náročné půdní podmínky. Celkový objem betonu použitého v konstrukci bez pilot činí 3 560 m³ a ocelové komponenty váží přibližně 430 000 kg.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Architektonická vizualizace vzdělávacího centra}}}\]

Technické výzvy

Jednou z hlavních výzev v tomto projektu byl návrh 80,70 metrů dlouhého prolamovaného nosníku. Tento nosník musel pokrýt rozsáhlá rozpětí ve třetím patře, čímž byl zajištěn otevřený prostor bez sloupů podle architektonické vize. Kromě podpory strukturální integrity velkých otevřených prostor musel nosník také pojmout průchod ventilačního systému skrz jeho konstrukci.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Řez na prolamovaném nosníku v softwaru IFC reader}}}\]

Technická složitost byla dále zvýšena potřebou unést šest polí v celém nejvyšším patře, přičemž nejdelší rozpětí dosáhlo 27,49 metru. Konečné rozpětí nosníku bylo navíc navrženo jako konzola, která se nejen vysunula ven, ale také podpírala část podlahové desky pod ní, což přidávalo značné zatížení a vyžadovalo pečlivou strukturální analýzu a návrh.

Po vyhodnocení všech vstupů projektanti Martin Truuts a Karl Kimmel rozhodli, že optimálním řešením by byl prolamovaný nosník . Konstrukce prolamovaného nosníku přirozeně poskytuje otvory pro průchod potrubního systému, zatímco jeho vysoká efektivní výška umožňuje značnou nosnost při relativně minimálním použití materiálu.

Volba prolamovaného nosníku byla jednoznačně nejlepší volbou, ale také přinesla další výzvy, zejména při zajištění stability konstrukce proti klopení a jiným formám vzpěru. Jelikož se jedná o spojitý nosník, byla nezbytná stabilizace spodní příruby v podepřených oblastech. K řešení tohoto problému by se obvykle používala diagonální omezení, ale toto řešení nebylo proveditelné kvůli umístění ventilačních trubek a architektonickým požadavkům na prostor sousedící s nosníkem. Výsledkem bylo, že "sekundární nosníky", kolmé na prolamovaný paprsek, byly použity k zajištění potřebné stabilizace.

Řešení a výsledky 

Jak již bylo zmíněno dříve, problémy se stabilitou byly vyřešeny připojením "sekundárních nosníků" ke stranám prolamovaného nosníku. Konstrukce využila ohybovou tuhost vedlejších nosníků a rozšířila tuto tuhost na spodní pásnici prolamovaného nosníku prostřednictvím robustní konstrukce spoje. Tento přístup účinně stabilizoval spodní přírubu. Spojení mezi vedlejšími a prolamovanými nosníky bylo v podstatě tak robustní a tuhé, že způsobilo, že sekundární nosníky v sousedních polích fungovaly jako spojité nosníky, čímž ovlivnily rozložení zatížení a vnitřních sil, což v tomto případě také znamenalo přenos většího zatížení na prolamované nosníky.

Aby vyřešili problémy se stabilitou a začlenili tuhost spojů do návrhu, integrovali inženýři do svého pracovního postupu sadu aplikací IDEA StatiCa – Checkbot, Member a Connection. Inženýři Karl Kimmel a Martin Truuts postupovali podle strukturovaného přístupu:

Tvorba globálního modelu: Proces začal vytvořením globálního modelu v softwaru Robot Structural Analysis (RSA), kde byla zavedena zatížení a kombinace zatížení.

Integrace BIM Link: Karl poté pomocí BIM propojení importoval celou konstrukci, včetně vnitřních sil všech kombinací zatížení, do IDEA StatiCa Checkbot.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Model importovaný do Checkbotu s vnitřními silami}}}\]

Návrh přípoje a výpočet tuhosti: V IDEA StatiCa Connection byly navrženy jednotlivé spoje a byla vypočtena tuhost těchto spojů. Tato tuhost byla poté znovu zavedena do modelu RSA, což ovlivnilo diagram ohybového momentu prolomeného nosníku a chování souvisejících sloupů.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Návrhy přípojů použité v modelu v členské aplikaci}}}\]

Modelování členů: Model byl poté znovu vytvořen od nuly v aplikaci IDEA StatiCa Member. Všechny nosníky byly modelovány jako "analyzované prvky" s použitím prvků skořepiny pro detailní reprezentaci. Spoje byly namodelovány a přiřazeny k příslušným spojům a na model byla aplikována kritická zatížení pro finální analýzu.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Různé pohledy na model v členské aplikaci}}}\]

Analýza prutů: V IDEA, STATICa Member, tvary vzpěru a odpovídající kritické faktory vzpěru byly identifikovány pomocí lineární analýzy boulení. Kritickým tvarům vybočení byly poté přiřazeny počáteční imperfekce a dále analyzovány pomocí geometricky a materiálově nelineární analýzy s imperfekcemi (GMNIA). Tento proces pomohl identifikovat slabá místa v návrhu, což umožnilo nezbytné úpravy. Tyto kroky byly iterativní, přičemž každý cyklus vylepšoval design, aby se zvýšila stabilita a výkon.

Karel a Martin analyzovali přibližně šest tvarů boulení, přičemž se zaměřili především na globální tvary boulení, protože bylo přítomno jen málo lokálních tvarů boulení. Řešili potenciální lokální problémy s boulením v návrhu začleněním výztuh, aby je odstranili.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Průhyby na prutech z analýzy GMNIA}}}\]

Výsledky: Jakmile byl návrh zdokonalen na uspokojivou úroveň, analýza GMNIA potvrdila, že deformace, napětí a plastické namáhání konečného návrhu jsou přijatelné.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Vizualizace deformace při zatížení}}}\]

Dvojitá kontrola a ověření: Pro zajištění přesnosti byly vnitřní síly porovnány mezi RSA a IDEA StatiCa Member, což poskytlo dvojitou kontrolu výsledků.

Inženýři využili možnosti aplikace IDEA StatiCa Member, počínaje analýzou lineárního boulení (LBA) a pokračovala geometricky a materiálově nelineární analýzou s imperfekcemi (GMNIA), což je nejpokročilejší typ analýzy pro statické zatížení. V GMNIA jsou všechny potenciální nedokonalosti – jako je měnící se tloušťka plechu, nerovnost, zbytková napětí, nehomogenity materiálu a vychýlení podpěr – reprezentovány ekvivalentními geometrickými imperfekcemi. Tyto imperfekce se nastavují pomocí tvarů režimu zborcení vypočítaných pomocí nástroje LBA, přičemž uživatel pro danou nedokonalost vybere maximální amplitudu tvaru režimu zborcení.

Inženýr Karl Kimmel navíc použil aplikaci IDEA StatiCa Member pro požární analýzu nosníků a využil všech možností tohoto nástroje k zajištění toho, aby konstrukce splňovala všechny požadavky na požární bezpečnost. Tato komplexní analýza pomohla potvrdit výkonnost nosníků v podmínkách požáru, což dále posílilo celkový návrh.

Závěr 

Projekt nového vzdělávacího centra v Tallinnu je důkazem síly pokročilého stavebního inženýrství a inovativního designu. Díky využití schopností IDEA StatiCa byl inženýrský tým společnosti EstKonsult schopen překonat významné výzvy a dodat robustní, flexibilní a moderní zařízení, které splňuje potřeby komunity. Tento projekt ukazuje, jak je důležité používat nejmodernější nástroje a techniky v kombinaci s inovativním inženýrským myšlením ve stavebnictví k dosažení ambiciózních architektonických vizí a zajištění bezpečnosti a funkčnosti složitých konstrukcí.