O projekcie
System obudowy wykopu (SOE) składa się ze żelbetowych ścian szczelinowych (ścian D), połączonych wewnętrznym stalowym układem rozporowym. Jest to konstrukcja tymczasowa, która umożliwia wykonanie docelowej podziemnej komory stacji, w której przebiega trasa metra i znajdują się perony. Przedmiotem opracowania jest projektowanie i weryfikacja prefabrykowanych połączeń stalowych, z których zbudowany jest ten tymczasowy układ rozporowy.
Elementy blachowe ze stali spełniają wymagania CAN/CSA G40.20-13 / G40.21-13, gatunek 350W, a rury rozporowe spełniają wymagania ASTM A252M-19, gatunek 3. Tam, gdzie zastosowano połączenia śrubowe, wykorzystano śruby wysokiej wytrzymałości zgodne z ASTM A490M. Stal jest produkowana zarówno lokalnie, jak i w niektórych przypadkach za granicą, a następnie dostarczana na każdą budowę w celu montażu. Grounded Engineering pełni funkcję projektanta wiodącego (Engineer of Record, EoR) w dwóch lokalizacjach i odpowiada za szczegółowe opracowanie połączeń w pozostałych.
Wyzwania inżynierskie
Poziome parcie gruntu na system SOE wyznaczono na podstawie wykresów parcia pozornego, aby określić reprezentatywne obwiednie obliczeniowe. Obwiednie te, wraz z poniższymi oddziaływaniami, posłużyły do ustalenia sił obliczeniowych w połączeniach: siły osiowej, siły ścinającej i momentu zginającego:
- Ciśnienie hydrostatyczne
- Obciążenia naziomu w trakcie budowy
- Oddziaływanie mrozu i efekty termiczne
- Obciążenia od pomostów komunikacyjnych i suwnic bramowych
- Obciążenia wyjątkowe
- Obciążenia mimośrodowe
Rozpory wewnętrzne przenoszą duże siły osiowe, co oznacza, że połączenia między elementami rozporowymi a ścianami szczelinowymi są silnie obciążone. Grounded Engineering opracował wstępne projekty z wykorzystaniem mechaniki inżynierskiej oraz przepisów CSA S16, CSA S6, CSA A23.3 i AISC, tam gdzie miały zastosowanie. Metody te dały wiarygodną wstępną ocenę nośności połączeń, jednak z natury upraszczają rzeczywiste zachowanie połączenia.
Złożona geometria, duże obciążenia i interakcja między stalą a betonem sprawiły, że kilka zjawisk trudno było określić metodami ręcznymi. Do tej kategorii należą redystrybucja naprężeń, koncentracje naprężeń, podatność blach, siła podważająca, trójwymiarowy przepływ sił, sztywność połączenia oraz stateczność lokalna. Dodatkowo narzucony mimośród wykonawczy 50 mm wprowadzał momenty i odkształcenia, które trudno uwzględnić w konwencjonalnych obliczeniach ręcznych.
Kolejną warstwę złożoności stanowiła wykonalność. Zespoły połączeń są duże i skomplikowane, dlatego należało sprawdzić tolerancje wykonawcze, luzy montażowe oraz potencjalne kolizje. Ponieważ warunki na placu budowy zmieniały się w trakcie robót, zespół potrzebował szybkiego sposobu analizy konfiguracji powykonawczych i opracowywania praktycznych rozwiązań naprawczych w przypadku zmian.
Rozwiązania i rezultaty
Do analizy tych połączeń Grounded Engineering wykorzystał IDEA StatiCa Connection dla złączy stalowych, a część żelbetową przeniósł do IDEA StatiCa Detail. W Connection metoda CBFEM (Component-Based Finite Element Method) posłużyła do analizy blach, spoin, śrub oraz zakotwienia rozpór w ścianie szczelinowej. Następnie w Detail zweryfikowano strefę żelbetową, w której te siły są wprowadzane do ściany.
Analizy CBFEM uzupełniły tradycyjne obliczenia, a nie je zastąpiły. Uwzględniły zachowanie, które metody ręczne mogły jedynie przybliżyć, w tym trójwymiarowe ścieżki przepływu sił, odkształcenia blach, siłę podważającą, zachowanie spoin oraz interakcję między stalą a betonem zbrojonym. Mimośród wykonawczy 50 mm został wprowadzony bezpośrednio do modeli, dzięki czemu efekty drugiego rzędu i odkształcenia połączeń związane z tym przesunięciem można było przeanalizować jawnie.
Warto zaznaczyć, że analiza nie zastąpiła osądu inżynierskiego zespołu. Zapewniła zespołowi większą pewność co do przyjętych założeń projektowych i wskazała obszary, w których poszczególne komponenty połączeń można zoptymalizować. Ostateczny pakiet projektowy odzwierciedlał tę równowagę: 115 stron obliczeń ręcznych uzupełniono 81 stronami wyników z IDEA StatiCa.
Modele 3D pomogły także w kwestii wykonalności. Możliwość analizy całego zespołu połączenia w trzech wymiarach pozwoliła zespołowi wychwycić potencjalne kolizje i sprawdzić tolerancje montażowe, zanim jakikolwiek element trafił na plac budowy. Gdy w trakcie budowy pojawiały się warunki powykonawcze lub modyfikacje wprowadzane w terenie, zmiany te można było szybko ocenić, co pomagało ustalić, czy potrzebne są działania naprawcze, przy jednoczesnym ograniczeniu wpływu na harmonogram.
Na potrzeby koordynacji modele połączeń wyeksportowano do formatów IFC i DWG, aby można je było zaimportować do Revit wraz z pozostałymi danymi projektu. Dzięki temu zespoły projektowe, rysunkowe i wykonawcze miały wspólny trójwymiarowy punkt odniesienia dla każdego połączenia, co często pozwala wcześnie wychwycić błędy i uniknąć zbędnych zapytań RFI.
Grounded Engineering zauważył również, że oprogramowanie było tylko częścią sukcesu. Od początkowego spotkania rozpoczynającego współpracę, przez bieżące wsparcie techniczne, zespół IDEA StatiCa pozostawał responsywny i zaangażowany w projekt, a dalszy rozwój oprogramowania, napędzany opiniami użytkowników, sprawił, że stało się ono wartościowym partnerem w trakcie projektowania.