Federal Center South Building 1202
Dit is het tweede artikel over het innovatieve ontwerp van Federal Center South Building 1202. “A Worthy Wager: The Innovative Use of Composite Concrete & Timber Floors on Federal Center South” werd gepubliceerd in de editie van april 2013 van STRUCTURE.Het onlangs voltooide Federal Center South Building 1202, dat dienst doet als hoofdkwartier van het United States Army Corps of Engineers (USACE), is een state-of-the-art kantoorgebouw dat voortkomt uit architectonische, structurele en bouwinnovatie en samenwerking.Federal Center South Building 1202, het nieuwe hoofdkwartier van het United States Army Corps of Engineers in Seattle, Washington. Met dank aan Benjamin Benschneider.Federal Center South Building 1202, het nieuwe hoofdkwartier van het United States Army Corps of Engineers in Seattle, Washington. Met dank aan Benjamin Benschneider.
een van de belangrijkste kenmerken die Gebouw 1202 zo innovatief maakt, is het gebruik van een diagramsysteem aan de buitenwand van het gebouw. Terwijl de diagrid een systeem is dat wordt gebruikt in veel nieuwe gebouwen over de hele wereld, is het gebruik ervan in gebouw 1202 een slimme oplossing om te voldoen aan de specifieke eisen van dit ontwerp-build project. Door gebruik te maken van dit unieke structurele systeem wordt het gebouw versterkt, terwijl de materiaalkosten worden verlaagd en het bouwschema wordt verkort. Gebouw 1202 werd gepland, ontworpen en gebouwd in minder dan twee en een half jaar, en bleef binnen de oorspronkelijke $65 miljoen bouwbudget.
het diagram was niet alleen een effectieve oplossing voor de vereisten voor progressieve instorting, maar speelde ook een belangrijke rol tijdens de concurrentiefase van het ontwerp-bouwproject en was een belangrijk onderdeel van de architecturale expressie en het verhaal van het gebouw.
diagram gedefinieerd
een diagramsysteem bestaat uit schuine kolommen (diagonalen) en spandrelbalken (horizontaal). Het diagrid-systeem voor gebouw 1202 maakt gebruik van een module van 3 verdiepingen (volledige Bouwhoogte) met boutverbindingen tussen spandrels en diagonalen. Effectief is het diagrid-systeem een truss met meerdere verdiepingen met pin-aansluitingen. Dit systeem creëert een efficiënte en inherent redundante structuur door zwaartekrachtbelastingen via meerdere belastingpaden naar de fundering te dragen.

Canted building ends. Met dank aan Benjamin Benschneider.
Progressive Collapse Requirements
als een project van de US General Services Administration (GSA) was een van de primaire vereisten voor het Federal Center South gebouw 1202 dat ontworpen moest worden om progressieve ineenstorting te weerstaan in het geval van een terroristische aanval. Progressieve ineenstorting is de ongeremde verspreiding van een eerste lokale mislukking naar andere elementen van de structuur, uiteindelijk resulterend in de ineenstorting van de gehele structuur of een onevenredig groot deel ervan. Voorbeelden van progressieve instorting zijn de instorting van het Alfred P. Murrah Federal Building in Oklahoma City, toen gelokaliseerde structurele schade veroorzaakt door een explosie verspreid over het zwaartekracht ladingsysteem, uiteindelijk resulterend in de instorting van een groot deel van het gebouw.
gebouw 1202 is ontworpen volgens de eisen beschreven in UFC 4-023-03, ontwerp van gebouwen om progressieve instorting te weerstaan. Het doel van dit ontwerpdocument is het aantal slachtoffers te beperken door ervoor te zorgen dat gebouwen over voldoende inherente redundantie beschikken om catastrofale schade als gevolg van onvoorziene gebeurtenissen te weerstaan. De eisen voor progressieve ineenstorting ontwerp in UFC 4-023-03 gelden alleen voor gebouwen die drie verdiepingen of groter zijn. Deze drie verhaal eis is gebaseerd op een maximale ongevallendrempel ingesteld door de UFC en niet de mechanica van progressieve ineenstorting.
het niveau van progressive collapse design is gebaseerd op de bezettingsgraad Categorie (OC) en de functie van het gebouw. Vergelijkbaar met de OC bepaald met behulp van de IBC, is een groter risico geassocieerd met het verlies van structuren met een hogere OC. Deze OC bepaalt welke methode van progressieve collapse weerstand moet worden gebruikt in het ontwerp. De drie methoden van progressieve collaps weerstand voorgeschreven in ufc 4-023-03 zijn de Tie Force methode, alternatieve pad methode, en verbeterde weerstand methode (zie tabel).
traditioneel is voldaan aan de eisen voor progressieve instortingsweerstand door gebruik te maken van momentframes of trekbalken aan de buitenkant van het gebouw, of door de grootte van de leden te vergroten om een betere weerstand te bieden. Echter, voor gebouw 1202 werd een diagrid gekozen als het primaire instorting preventie systeem. De diagrid wordt aangevuld door moment frames aan de canted gebouw einden.
het diagrid-systeem is een optimale oplossing om aan de vereisten voor instorting te voldoen, omdat het in wezen een truss met meerdere niveaus is, waarbij de diagonale kolommen fungeren als de webleden en de horizontale spandrels op elke verdieping fungeren als de truss akkoorden. De diagrid module van 3 verdiepingen die wordt gebruikt voor de bouw van 1202 creëert een truss van 3 verdiepingen. Als een van de diagonale kolommen beschadigd raakt tijdens een aanval, kunnen de resterende delen van deze spant zich uitstrekken over gebieden met gelokaliseerde structurele schade.

typische boutverbinding.
Diagrid gebruik als Potential laterale Force Resistance System
de schuine kolommen van het diagrid zijn representatief voor beugels in een verstevigd frame. Om deze reden werd het diagrid systeem in eerste instantie onderzocht voor gebruik als het laterale systeem van het gebouw. Er zijn echter nadelen bij het gebruik van de diagrid als het laterale systeem. Een verstevigd frame is ontworpen om energie op te wekken en af te voeren tijdens een seismische gebeurtenis. Als het primaire zwaartekracht dragende systeem voor de buitenkant van het gebouw, de schuine kolommen kon niet worden toegestaan om te buigen tijdens een seismische gebeurtenis. Daarom schrijft de bouwcode voor dat systemen die zowel de primaire zwaartekracht als de zijdelingse krachtweerstand vormen, zo ontworpen moeten zijn dat ze elastisch blijven tijdens een seismische gebeurtenis. Daarom is de respons modificatiefactor, R, vereist om in het bereik van 1.0 tot 1.5 te zijn om hoofdzakelijk elastisch gedrag te bereiken.
in de schematische fase werd het schema voor gebouw 1202 geanalyseerd en ontworpen voor seismische krachten die met dit elasticiteitsniveau samenhangen. Voor een R van 1.0, lid maten waren redelijk, slechts iets groter dan die nodig zijn voor instorting preventie, en maximale drifts waren binnen de code eisen. Het aantal bouten dat nodig is voor verbindingen nam echter aanzienlijk toe wanneer rekening werd gehouden met factoren die het ontwerp te sterk maken. Het zoveel mogelijk gebruik van boutverbindingen had de voorkeur van de aannemer om een snel fabricageschema te handhaven en kosten te besparen in verband met lassen met volledige penetratie. De arbeidskosten in verband met het toegenomen aantal bouten die nodig waren om het diagrid-systeem ook aan de laterale systeemvereisten te laten voldoen, verzachtten effectief het kostenvoordeel van het hebben van een duaal systeem. Uiteindelijk werd gekozen voor betonnen dwarsdoorsneden bij de trapkernen als laterale systeem voor het gebouw, waardoor zowel de laterale als de zwaartekracht systemen geoptimaliseerd konden worden, zowel in termen van prestaties als kosten.

schema.

erectie van Diagrid.
Bouwbesparingen
bij het begin van het project ontwikkelde het team een progressief instortingsweerstandschema met behulp van momentframes, om te vergelijken met het diagramschema. Dit moment frame optie bestond uit 3 verdiepingen tellende moment frames aan de gebouwomtrek op een 22-voet bay module. Uit de eerste studies bleek dat het diagramschema het grotere besparingspotentieel voor het project bood op het gebied van funderingen, materialen en fabricage.
funderingen
gebouw 1202 is gelegen naast de Duwamish River op zeer arme gronden, waardoor het gebouw moet worden ondersteund op aangedreven stalen buizen palen. Deze palen meestal uit te breiden 150 tot 170 voet onder rang om een bevoegde lagerlaag te bereiken. In het moment frame regeling, een enkele stapel is vereist op elk moment frame kolom, of elke 22 voet. In tegenstelling, het diagrid systeem maakt gebruik van een 44-voet bay module, wat betekent dat paren van schuine diagonale kolommen voldoen aan rang elke 44-voet. Daarom zou het moment frame regeling twee keer zoveel palen aan de omtrek van het gebouw nodig hebben.
materiaalbesparing
het diagramsysteem resulteert in een besparing van ongeveer 30% in tonnage van staal in vergelijking met een momentframesysteem. Deze besparing manifesteert zich grotendeels in de spandrels, die voornamelijk spanning/compressie leden worden wanneer de diagonale kolommen gecompromitteerd raken. De spandrelbalken in een traditioneel momentframesysteem moeten veel grotere buigvereisten weerstaan om over beschadigde kolommen te kunnen spanen, waardoor grotere, zwaardere spandrel-secties nodig zijn.
erectie en fabricage
Kpff erkende het oude axioma” tijd is geld “en werkte samen met Sellen Construction om een eenvoudige” kantelmethode ” voor te stellen voor het opzetten van de diagrids. In deze volgorde werden paren van schuine kolommen gemonteerd terwijl op de grond en aan de top aan elkaar gelast om een driehoekig samenstel te vormen, die vervolgens werd gekanteld op zijn plaats. De horizontale spandrels werden vervolgens ingevlogen en vastgeschroefd op hun plaats. Deze volgorde maakte het mogelijk om de diagrids, en dus het gehele stalen skelet, in een relatief korte tijd op te bouwen.
in vergelijking met een momentframe heeft een diagrid-systeem veel minder lasverbindingen nodig. Voor gebouw 1202 zijn er 19 apex aansluitingen waar veldlassen nodig is. Boutverbindingen worden gebruikt bij alle andere spandrel naar diagonale kolomverbindingen. Ter vergelijking, het moment frame schema bestudeerd door het team zou hebben vereist een totaal van 108 volledige penetratie lassen bij alle verbindingen tussen spandrels en kolommen – meer dan vijf keer zoals vereist voor het diagramsysteem.

conferentiezaal aan canted end. Met dank aan Benjamin Benschneider.
Architectuuruitdrukking
een van de belangrijkste vroege ontwerpbeslissingen van het projectteam was om de structuur van het gebouw zoveel mogelijk bloot te leggen aan het uitzicht op de westelijke rivier, om de missie van het korps van “Building Strong”te herhalen. Het diagrid, door zijn aard als een sterk diagonaal element dat contrasteert met de orthogonale lijnen van vloeren, wanden en ramen, is een sleutelelement van deze uitdrukking. Het ontwerpteam moduleerde het gebouw zodat de diagrid op natuurlijke wijze eindigde met een backslope op de zuidwestelijke hoek en een outslope op de noordwestelijke hoek als contrapunt. Deze gekantelde uiteinden van de gebouwen creëren licht gevulde kantoor-en vergaderruimtes met een weids uitzicht op de Duwamish rivier. De diagrid is overal wit geschilderd om zowel natuurlijk als kunstlicht in het gebouw te verspreiden, maar ook om duidelijk zichtbaar te zijn door de buitenbeglazing. De roestvrijstalen huid van het gebouw wordt terug geschild bij de hoofdingang om de diagrid volledig bloot te leggen, waardoor een formeel toegangsportaal ontstaat.
het schema maakte het ook mogelijk om de unieke Oxbow-vorm van het gebouw te bereiken, die geïnspireerd was op het historische kronkelende pad van de Duwamish River grenzend aan de site. Soepele overgangen door de gebogen delen van het gebouw worden vergemakkelijkt met de diagrid door gebruik te maken van een tangentiële variatie op elke vloerlijn. Hierdoor kan de buitenhuid gemakkelijk overschakelen door de hoeken van de U-vorm, wat resulteert in een gladder uiterlijk. Hoewel het gebruik van schuine kolommen resulteert in een klein verlies van vloeroppervlak direct onder de kolom, creëert de diagrid unieke en dynamische binnenruimtes.
samenvatting
het diagram is een effectieve oplossing voor de vereisten voor progressieve instorting en helpt bij het creëren van een iconische identiteit voor gebouw 1202. Het succes van dit ontwerp-build project is een eerbetoon aan de vroege samenwerking tussen de architect, ingenieur en aannemer.▪
projectteam
eigenaar: General Services Administration (GSA)
huurder: United States Army Corps of Engineers (USACE) Seattle District
structureel & civiel ingenieur: KPFF Consulting Engineers
Aannemer: sellen Construction
Architect: ZGF Architects, LLP