Über das Projekt
Das Baugrubenverbausystem (SOE) besteht aus Stahlbeton-Schlitzwänden (D-Wänden), die durch ein innenliegendes Stahlaussteifungssystem miteinander verbunden sind. Es ist eine temporäre Struktur, mit der sich der dauerhafte unterirdische Stationskasten errichten lässt, in dem die U-Bahn verkehrt und hält. Im Mittelpunkt stehen hier die Bemessung und der Nachweis der vorgefertigten Stahlanschlüsse, aus denen diese temporäre Aussteifung besteht.
Die Stahlplattenelemente entsprechen CAN/CSA G40.20-13 / G40.21-13, Güte 350W, und die Rohrstreben entsprechen ASTM A252M-19 Grade 3. Wo geschraubte Verbindungen zum Einsatz kommen, werden hochfeste Schrauben nach ASTM A490M verwendet. Der Stahl wird sowohl vor Ort als auch teilweise im Ausland gefertigt und anschließend zur Montage und zum Aufbau zur jeweiligen Baustelle geliefert. Grounded Engineering ist der verantwortliche Ingenieur (Engineer of Record, EoR) für zwei Standorte und für die Detailplanung der Verbindungen an dem weiteren Standort zuständig.
Ingenieurtechnische Herausforderungen
Der seitliche Erddruck auf das SOE-System wurde mithilfe scheinbarer Erddruckdiagramme ermittelt, um repräsentative Bemessungshüllkurven festzulegen. Diese Hüllkurven wurden zusammen mit den folgenden Bedingungen verwendet, um die Bemessungskräfte der Verbindungen für Normalkraft, Querkraft und Biegemoment festzulegen:
- Hydrostatischer Druck
- Konstruktionsauflasten
- Frosteinwirkung und Temperatureffekte
- Verkehrsdecks und Portalkranlasten
- Außergewöhnliche Lasten
- Exzentrische Lasten
Die innenliegende Aussteifung trägt erhebliche Normalkräfte ab, wodurch die Verbindungen zwischen den Aussteifungsbauteilen und den Schlitzwänden stark beansprucht werden. Grounded Engineering entwickelte die ersten Entwürfe mithilfe der Technischen Mechanik sowie der Regelungen von CSA S16, CSA S6, CSA A23.3 und AISC, soweit anwendbar. Diese Methoden lieferten eine verlässliche Abschätzung der Tragfähigkeit der Verbindungen in erster Näherung, vereinfachen jedoch ihrer Natur nach das tatsächliche Verhalten der Verbindung.
Durch das Zusammenspiel aus komplexer Geometrie, hohen Lasten und der Interaktion zwischen Stahl und Beton ließen sich mehrere Effekte von Hand nur schwer genau erfassen. Dazu zählen Spannungsumlagerungen, Spannungskonzentrationen, die Biegeweichheit der Platten, Abhebekräfte, der dreidimensionale Lastfluss, die Steifigkeit der Verbindung und die lokale Stabilität. Hinzu kam eine vorgegebene Konstruktionsexzentrizität von 50 mm, die zusätzliche Momente und Verformungen verursachte, die sich mit herkömmlichen Handberechnungen nicht leicht erfassen lassen.
Die Bauausführbarkeit brachte eine weitere Ebene hinzu. Die Verbindungsbaugruppen sind groß und komplex, daher mussten Fertigungstoleranzen, Montagefreiräume und mögliche Kollisionen überprüft werden. Und weil sich die Bedingungen vor Ort während der Konstruktionsphase laufend änderten, benötigte das Team eine schnelle Möglichkeit, Ausführungszustände zu betrachten und praktikable Instandsetzungslösungen zu erarbeiten, wenn sich etwas änderte.
Lösungen und Ergebnisse
Zur Bearbeitung dieser Verbindungen nutzte Grounded Engineering IDEA StatiCa Connection für die Stahlverbindungen und übertrug die Betonseite in IDEA StatiCa Detail. In Connection erfasste die komponentenbasierte Methode der finiten Elemente (CBFEM) die Platten, Schweißnähte, Schrauben und die Verankerung der Aussteifung in der Schlitzwand. Detail wurde anschließend verwendet, um den Stahlbetonbereich nachzuweisen, in dem diese Kräfte in die Wand eingeleitet werden.
Die CBFEM-Analysen ergänzten die herkömmlichen Berechnungen, ohne sie zu ersetzen. Sie erfassten Verhalten, das die Handrechenverfahren nur näherungsweise abbilden konnten, darunter dreidimensionale Lastpfade, Plattenverformungen, Abhebekräfte, das Verhalten der Schweißnähte und die Interaktion zwischen dem Stahl und dem Stahlbeton. Die Konstruktionsexzentrizität von 50 mm wurde direkt in die Modelle eingebaut, sodass die mit diesem Versatz verbundenen Sekundäreffekte und Verformungen der Verbindungen explizit untersucht werden konnten.
Hervorzuheben ist, dass die Analyse das ingenieurmäßige Urteil des Teams nicht ersetzt hat. Sie gab dem Team zusätzliche Sicherheit bei den Bemessungsannahmen und zeigte Bereiche auf, in denen einzelne Komponenten der Verbindungen optimiert werden konnten. Das endgültige Bemessungspaket spiegelte diese Balance wider: 115 Seiten Handberechnungen, ergänzt durch 81 Seiten IDEA StatiCa-Ausgaben.
Auch bei der Bauausführbarkeit halfen die 3D-Modelle. Die Möglichkeit, die gesamte Verbindungsbaugruppe dreidimensional zu betrachten, erlaubte es dem Team, mögliche Kollisionen zu erkennen und Montagetoleranzen zu prüfen, bevor etwas auf die Baustelle gelangte. Wenn sich während der Konstruktionsphase Ausführungszustände oder Änderungen vor Ort ergaben, konnten diese schnell bewertet werden. So ließ sich feststellen, ob Instandsetzungsmaßnahmen erforderlich waren, und die Auswirkungen auf den Zeitplan blieben gering.
Zur Koordination wurden die Verbindungsmodelle nach IFC und DWG exportiert, sodass sie zusammen mit den übrigen Projektdaten in Revit verwendet werden konnten. Dadurch hatten das Planungs-, das Zeichnungs- und das Konstruktionsteam für jede Verbindung eine gemeinsame 3D-Referenz, an der sie arbeiten konnten. Genau hier werden Fehler und unnötige RFIs häufig frühzeitig erkannt.
Grounded Engineering merkte zudem an, dass die Software nur ein Teil der Geschichte war. Vom ersten Kickoff bis zur laufenden technischen Unterstützung blieb das IDEA StatiCa Team reaktionsschnell und engagiert im Projekt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung auf Grundlage von Nutzerfeedback machte die Software im Verlauf der Bemessung zu einem wertvollen Partner.