Diagrid udstillet

Federal Center South Building 1202

dette er den anden artikel, der fremhæver de innovative designfunktioner i Federal Center South Building 1202. “En værdig indsats: den Innovative brug af Kompositbeton & Tømmergulve på Federal Center South” blev vist i april 2013-udgaven af struktur.

den nyligt afsluttede Federal Center South Building 1202, der tjener som Seattle District hovedkvarter for United States Army Corps of Engineers (USACE), er en avanceret kontorbygning som følge af arkitektonisk, strukturel og konstruktion innovation og samarbejde.

en af de vigtigste funktioner, der gør bygning 1202 så innovativ, er brugen af et diagrid-system ved strukturens udvendige væg. Mens diagrid er et system, der bruges i mange nye bygninger rundt om i verden, repræsenterer dets anvendelse i bygning 1202 en smart løsning til at imødekomme de specifikke krav i dette designbyggeprojekt. Brug af dette unikke strukturelle system styrker bygningen, samtidig med at materialeomkostningerne reduceres og byggeplanen forkortes. Bygning 1202 blev planlagt, designet og bygget på mindre end to og et halvt år og holdt sig inden for det oprindelige byggebudget på 65 millioner dollars.

ud over at være en effektiv løsning på progressive krav til sammenbrud spillede diagrid en vigtig rolle i konkurrencefasen af design-build-projektet, og det var en væsentlig del af bygningens arkitektoniske udtryk og historie.

Diagrid defineret

et diagrid-system består af skrå søjler (diagonaler) og spandrelbjælker (vandrette). Diagrid-systemet til bygning 1202 anvender et 3-etagers modul (fuld bygningshøjde) med bolteforbindelser mellem spandrels og diagonaler. Effektivt er diagrid-systemet en multi-story truss med pin-forbindelser. Dette system skaber en effektiv og iboende overflødig struktur ved at bære tyngdekraftsbelastninger til fundamentet gennem flere belastningsstier.

krav til progressivt sammenbrud

som et US General Services Administration (GSA) projekt var et af de primære krav til Federal Center South Building 1202, at strukturen skulle være designet til at modstå progressivt sammenbrud i tilfælde af et terrorangreb. Progressiv sammenbrud er den uhæmmede spredning af en indledende lokal svigt i andre elementer i strukturen, hvilket til sidst resulterer i sammenbrud af hele strukturen eller en uforholdsmæssigt stor del af den. Eksempler på progressivt sammenbrud inkluderer sammenbruddet af Alfred P. Murrah Federal Building i Oklahoma City, når lokaliserede strukturelle skader forårsaget af en eksplosion spredte sig gennem tyngdekraftsbærende system, hvilket til sidst resulterede i sammenbrud af en stor del af bygningen.

bygning 1202 er designet til kravene i UFC 4-023-03, Design af bygninger til at modstå progressiv sammenbrud. Målet med dette designdokument er at begrænse antallet af tilskadekomne ved at sikre, at bygninger har tilstrækkelig iboende redundans til at modstå katastrofale skader på grund af uforudsigelige begivenheder. Kravene til progressivt sammenbrudsdesign i UFC 4-023-03 gælder kun for bygninger, der er tre etager eller højere. Dette krav på tre etager er baseret på en maksimal ulykkestærskel fastsat af UFC og ikke mekanikken for progressivt sammenbrud.

niveauet for progressivt sammenbrudsdesign er baseret på Belægningskategorien (OC) og bygningsfunktionen. Svarende til OC bestemt ved hjælp af IBC, større risiko er forbundet med tab af strukturer med højere OC. Denne OC dikterer, hvilken metode til progressiv sammenbrudsmodstand der skal bruges i design. De tre metoder til progressiv sammenbrudsmodstand, der er foreskrevet i UFC 4-023-03, er Tie Force-metoden, alternativ sti-metode og forbedret Modstandsmetode (se tabel).

traditionelt er krav til progressiv sammenbrudsmodstand opfyldt ved at bruge momentrammer eller bindebjælker udvendigt på bygningen eller ved at øge medlemsstørrelser for at give forbedret modstand. Til bygning 1202 blev en diagrid imidlertid valgt som det primære system til forebyggelse af sammenbrud. Diagrid suppleres med momentrammer ved de kantede bygningsender.

diagrid-systemet er en optimal løsning til at opfylde krav til forebyggelse af sammenbrud, fordi det i det væsentlige er et bindingsværk på flere niveauer, hvor de diagonale søjler fungerer som baneelementer og de vandrette spandrels på hver etage fungerer som truss akkorder. Det 3-etagers diagrid-modul, der bruges til bygning 1202, skaber en 3-etagers truss. Skulle nogen af de diagonale søjler blive beskadiget under et angreb, kan de resterende dele af denne truss spænde over områder med lokal strukturel skade.

Diagrid brug som potentielt lateralt Kraftmodstandssystem

diagridens skrå søjler er repræsentative for seler i en afstivet ramme. Af denne grund blev diagrid-systemet oprindeligt udforsket til brug som bygningens laterale system. Der er dog ulemper ved anvendelse af diagrid som lateralsystem. En afstivet ramme er designet til at give og sprede energi under en seismisk begivenhed. Som det primære tyngdekraftsbærende system til bygningens ydre kunne de skrå søjler ikke få lov til at give efter under en seismisk begivenhed. Derfor kræver bygningskoden, at systemer, der fungerer som både den primære tyngdekraft og laterale kraftmodstandssystemer, er designet til at forblive elastiske under en seismisk begivenhed. Derfor kræves responsmodifikationsfaktoren, R, at være i området fra 1,0 til 1,5 for at opnå i det væsentlige elastisk opførsel.

på skematisk stadium blev diagrid til bygning 1202 analyseret og designet til seismiske kræfter forbundet med dette elasticitetsniveau. For en R af 1.0, medlemsstørrelser var rimelige, kun lidt større end dem, der kræves til forebyggelse af sammenbrud, og maksimale drift var inden for kodekravene. Imidlertid steg antallet af bolte, der kræves til forbindelser, markant, når design overstyrkningsfaktorer blev overvejet. Brug af bolteforbindelser så meget som muligt blev foretrukket af entreprenøren for at opretholde en hurtig fabrikationsplan og spare omkostninger forbundet med fuld penetrationssvejsninger. Arbejdsomkostningerne forbundet med det øgede antal bolte, der var nødvendige for at give diagrid-systemet mulighed for også at opfylde de laterale systemkrav, mindskede effektivt omkostningsfordelen ved at have et dobbelt system. I sidste ende blev det besluttet at stole på betonforskydningsvægge ved trappekernerne som det laterale system for bygningen, hvorved både laterale og tyngdekraftssystemer kunne optimeres både med hensyn til ydelse og omkostninger.

Konstruktionsbesparelser

ved projektets begyndelse udviklede teamet et progressivt kollaps modstandsskema ved hjælp af momentrammer for at sammenligne med diagrid-ordningen. Denne moment frame-mulighed bestod af 3-etagers momentrammer ved bygningens omkreds på et 22-fods bugtmodul. Fra tidlige undersøgelser var det klart, at diagrid-ordningen gav det større besparelsespotentiale for projektet med hensyn til fundamenter, materialer og fabrikation.

fundamenter

bygning 1202 ligger ved siden af Duvamish-floden på ekstremt dårlig jord, hvilket kræver, at bygningen understøttes på drevne stålrørbunker. Disse bunker strækker sig typisk 150 til 170 fod under klasse for at nå et kompetent lejelag. I moment frame-skemaet kræves en enkelt bunke i hvert øjeblik rammesøjle eller hver 22.fod. I modsætning hertil anvender diagrid-systemet et 44-fods bugtmodul, hvilket betyder, at par skrå diagonale søjler opfylder klasse hver 44-fod. Derfor ville momentrammeskemaet have krævet dobbelt så mange bunker ved bygningens omkreds.

materialebesparelser

diagrid-systemet resulterer i cirka 30% besparelser i ståltonnage sammenlignet med et momentrammesystem. Denne besparelse manifesteres stort set i spandrels, som primært bliver spændings – /komprimeringselementer, når de diagonale søjler bliver kompromitteret. Spandrel-bjælkerne i et traditionelt momentrammesystem skal modstå meget større bøjningskrav for at spænde over beskadigede søjler, hvilket kræver større, tungere spandrel-sektioner.

erektion og fabrikation

Kpff anerkendte Det Gamle “time is money”-aksiom og arbejdede med Sellen Construction for at foreslå en simpel “tilt-up” – metode til opførelse af diagrids. I denne rækkefølge blev par skrå søjler monteret, mens de var på jorden og svejset sammen ved toppen for at danne en trekantet samling, som derefter blev vippet ind for at placere. De vandrette spandrels blev derefter fløjet ind og boltet ind på plads. Denne sekvens tillod diagraderne, og derfor hele stålskelettet, at blive rejst på relativt kort tid.

sammenlignet med en momentramme kræver et diagrid-system langt færre svejsede forbindelser. Til bygning 1202 er der 19 spidsforbindelser, hvor feltsvejsning er nødvendig. Bolteforbindelser bruges på alle andre spandrel til diagonale søjleforbindelser. Til sammenligning ville momentrammeskemaet, der blev undersøgt af holdet, have krævet i alt 108 fuld penetrationssvejsninger ved alle forbindelser mellem spandrels og søjler – mere end fem gange som krævet for diagrid-systemet.

arkitektonisk udtryk

en af de vigtigste tidlige designbeslutninger fra projektteamet var at få bygningens struktur udsat for den vestlige flodvendte udsigt så meget som muligt for at gentage korpsets missionserklæring om “bygning stærk”. Diagrid, i sagens natur som et stærkt diagonalt element, der står i kontrast til de ortogonale linjer af gulve, vægge og vinduer, er et nøgleelement i dette udtryk. Designteamet modulerede bygningen, så diagrid naturligt sluttede med en bagskråning på det sydvestlige hjørne og en skråning på det nordvestlige hjørne som et kontrapunkt. Disse skrå ender af bygningerne skaber lyse Kontor-og konferencelokaler med flot udsigt over Duvamish-floden. Diagrid er malet hvidt overalt for at hjælpe med at sprede både naturligt og kunstigt lys inde i bygningen, men også for at være fremtrædende synlig gennem den udvendige rude. Bygningens rustfrie stålskind skrælles tilbage ved hovedindgangen for fuldt ud at udsætte diagrid, hvilket skaber en formel indgangsportal.

diagrid-ordningen gjorde det også muligt at opnå bygningens unikke Oksebue-form, der hentede inspiration fra den historiske bugtende sti i Duvamish-floden ved siden af stedet. Glatte overgange gennem de buede dele af bygningen lettes med diagrid ved at anvende en tangentiel variation ved hver etagelinie. Dette gør det muligt for den udvendige hud let at overgå gennem hjørnerne af U-formen, hvilket resulterer i et glattere udseende. Selvom brugen af skrånende søjler resulterer i et lille tab af gulvareal direkte under søjlen, skaber diagrid unikke og dynamiske indvendige rum.

Resume

diagrid repræsenterer en effektiv løsning på progressive krav til sammenbrud og hjælper med at skabe en ikonisk identitet til bygning 1202. Succesen med dette designbyggeprojekt er en hyldest til det tidlige samarbejde mellem arkitekten, ingeniøren og entreprenøren.

projektteam

ejer: General Services Administration (GSA)

lejer: United States Army Corps of Engineers (USACE) Seattle District

strukturel & Civilingeniør: KPFF Rådgivende Ingeniører

entreprenør: Sellen Construction

arkitekt: GGF arkitekter, LLP