Federal Center South Building 1202
Detta är den andra artikeln som belyser de innovativa designfunktionerna i Federal Center South Building 1202. ”En värdig satsning: den innovativa användningen av Kompositbetong & Trägolv på Federal Center South” presenterades i April 2013-utgåvan av STRUCTURE.
den nyligen avslutade Federal Center South Building 1202, som fungerar som Seattle District huvudkontor för United States Army Corps of Engineers (USACE), är en toppmodern kontorsbyggnad som härrör från arkitektonisk, strukturell och konstruktion innovation och samarbete.
Federal Center South Building 1202, det nya huvudkontoret för United States Army Corps of Engineers i Seattle, Washington. Med tillstånd av Benjamin Benschneider.
en av de viktigaste funktionerna som gör byggnad 1202 så innovativ är användningen av ett diagridsystem vid konstruktionens yttervägg. Medan diagrid är ett system som används i många nya byggnader runt om i världen, är dess användning i byggnad 1202 en smart lösning för att uppfylla de specifika kraven i detta designbyggnadsprojekt. Att använda detta unika strukturella system stärker byggnaden samtidigt som materialkostnaderna minskar och konstruktionsschemat förkortas. Byggnad 1202 planerades, designades och byggdes på mindre än två och ett halvt år och stannade inom den ursprungliga byggbudgeten på 65 miljoner dollar.
förutom att vara en effektiv lösning på progressiva kollapskrav spelade diagrid en viktig roll under tävlingsfasen av design-build-projektet och det var en viktig del av byggnadens arkitektoniska uttryck och historia.
Diagrid definierad
ett diagridsystem består av sluttande kolumner (diagonaler) och spandrelbalkar (horisontaler). Diagrid-systemet för byggnad 1202 använder en 3-våningsmodul (full bygghöjd) med skruvförband mellan spandrels och diagonaler. Effektivt är diagrid-systemet ett fackverk med flera våningar med stiftanslutningar. Detta system skapar en effektiv och inneboende redundant struktur genom att bära tyngdkraftsbelastningar till fundamentet genom flera belastningsvägar.
kantad byggnad slutar. Med tillstånd av Benjamin Benschneider.
krav på progressiv kollaps
som ett us General Services Administration (GSA) – Projekt var ett av de primära kraven för Federal Center South Building 1202 att strukturen skulle utformas för att motstå progressiv kollaps i händelse av en terroristattack. Progressiv kollaps är den oinhibiterade spridningen av ett initialt lokalt misslyckande med andra delar av strukturen, vilket så småningom resulterar i kollaps av hela strukturen eller en oproportionerligt stor del av den. Exempel på progressiv kollaps inkluderar kollapsen av Alfred P. Murrah Federal Building i Oklahoma City, när lokaliserad strukturell skada orsakad av en explosion spridd över hela gravitationsbelastningssystemet, vilket så småningom resulterar i kollaps av en stor del av byggnaden.
byggnad 1202 är utformad enligt kraven i UFC 4-023-03, design av byggnader för att motstå progressiv kollaps. Målet med detta designdokument är att begränsa antalet skadade genom att se till att byggnader har tillräcklig inneboende redundans för att motstå katastrofala skador på grund av oförutsebara händelser. Kraven för progressiv kollapsdesign i UFC 4-023-03 gäller endast byggnader som är tre våningar eller högre. Detta krav på tre våningar är baserat på en maximal olyckströskel som fastställts av UFC och inte mekaniken för progressiv kollaps.
nivån på progressiv kollapsdesign baseras på Beläggningskategorin (OC) och byggnadsfunktionen. I likhet med OC bestämd med IBC är större risk förknippad med förlust av strukturer med högre OC. Denna OC dikterar vilken metod för progressiv kollapsmotstånd som ska användas i design. De tre metoderna för progressivt kollapsmotstånd som föreskrivs i UFC 4-023-03 är Tie Force-metoden, alternativ Vägmetod och förbättrad Motståndsmetod (se tabell).
traditionellt har krav på progressivt kollapsmotstånd uppfyllts genom att använda momentramar eller slipsbalkar på utsidan av byggnaden eller genom att öka medlemsstorlekarna för att ge förbättrat motstånd. För byggnad 1202 valdes dock ett diagram som det primära kollapsförebyggande systemet. Diagrammet kompletteras med momentramar vid de snedställda byggnadsändarna.
diagrid-systemet är en optimal lösning för att uppfylla krav på kollaps eftersom det i huvudsak är ett fackverk på flera nivåer, med diagonala kolumner som fungerar som webbmedlemmar och de horisontella spandrelsna på varje våning som fungerar som fackverk ackord. Den 3-vånings diagrid-modulen som används för att bygga 1202 skapar en 3-vånings truss. Om någon av de diagonala kolumnerna skadas under en attack kan de återstående delarna av detta fackverk sträcka sig över områden med lokal strukturell skada.
typisk skruvförband.
Diagrid användning som potentiellt Sidokraftmotståndssystem
de lutande kolumnerna i diagrammet är representativa för hängslen i en stagad ram. Av denna anledning undersöktes diagridsystemet ursprungligen för användning som byggnadens laterala system. Det finns emellertid nackdelar när man använder diagrammet som sidosystemet. En stagad ram är utformad för att ge och sprida energi under en seismisk händelse. Som det primära gravitationsbelastningssystemet för byggnadens utsida kunde de sluttande kolumnerna inte tillåtas ge efter under en seismisk händelse. Följaktligen kräver byggkoden att system som fungerar som både de primära gravitations-och sidokraftmotståndssystemen är utformade för att förbli elastiska under en seismisk händelse. Därför måste responsmodifieringsfaktorn, R, ligga i intervallet 1,0 till 1,5 för att uppnå väsentligen elastiskt beteende.
vid schematiskt Stadium analyserades diagrammet för byggnad 1202 och konstruerades för seismiska krafter associerade med denna elasticitetsnivå. För en R av 1.0, medlemsstorlekar var rimliga, bara något större än de som krävs för att förebygga kollaps, och maximala drivningar var inom kodkraven. Antalet bultar som krävs för anslutningar ökade emellertid avsevärt när designöverstyrningsfaktorer beaktades. Att använda skruvförband så mycket som möjligt föredrogs av entreprenören för att upprätthålla ett snabbt tillverkningsschema och spara kostnader i samband med full penetrationssvetsar. Arbetskostnaderna i samband med det ökade antalet bultar som krävdes för att låta diagrid-systemet också uppfylla de laterala systemkraven mildrade effektivt kostnadsfördelen med att ha ett dubbelt system. I slutändan fattades beslutet att förlita sig på betongskjuvväggar vid trappkärnorna som sidosystem för byggnaden, vilket gör att både sido-och gravitationssystemen kan optimeras både vad gäller prestanda och kostnad.
Diagrid system.
Diagrid erektion.
Byggnadsbesparingar
vid projektets början utvecklade laget ett progressivt kollapsmotståndsschema med momentramar för att jämföra med diagrid-systemet. Detta moment frame-alternativ bestod av 3-vånings ögonblicksramar vid byggnadens omkrets på en 22-fots vikmodul. Från tidiga studier var det tydligt att diagrid-systemet gav större besparingspotential för projektet när det gäller fundament, material och tillverkning.
stiftelser
byggnad 1202 ligger intill Duwamish River på extremt fattiga markar, vilket kräver att byggnaden stöds på drivna stålrörhögar. Dessa högar sträcker sig vanligtvis 150 till 170 fot under klass för att nå ett kompetent lagerlager. I moment frame-schemat krävs en enda hög vid varje moment frame-kolumn eller var 22: e fot. Däremot använder diagrid-systemet en 44-fots vikmodul, vilket innebär att par av lutande diagonala kolumner möter betyg varje 44-fot. Därför skulle momentet ramschema ha krävt dubbelt så många högar vid byggnadens omkrets.
materialbesparingar
diagrid-systemet resulterar i cirka 30% besparingar i ståltonnage jämfört med ett moment-ramsystem. Dessa besparingar manifesteras till stor del i spandrels, som främst blir spännings – /kompressionselement när de diagonala kolumnerna äventyras. Spandrelbalkarna i ett traditionellt momentramsystem måste motstå mycket större böjkrav för att spänna över skadade kolumner, vilket kräver större, tyngre spandrelsektioner.
erektion och tillverkning
Kpff kände igen det gamla axiomet ”tid är pengar” och arbetade med Sellen Construction för att föreslå en enkel ”tilt-up” – metod för att upprätta diagrammen. I denna sekvens monterades par av sluttande kolumner medan de var på marken och svetsades ihop vid spetsen för att bilda en triangulär enhet, som sedan lutades in på plats. De horisontella spandrelsna flögs sedan in och bultades in på plats. Denna sekvens gjorde det möjligt för diagrammen, och därmed hela stålskelettet, att byggas på relativt kort tid.
jämfört med en momentram kräver ett diagridsystem mycket färre svetsade anslutningar. För byggnad 1202 finns det 19 apex-anslutningar där fältsvetsning behövs. Skruvförband används vid alla andra spandrel till diagonala kolonn anslutningar. Som jämförelse skulle moment frame – schemat som studerades av teamet ha krävt totalt 108 fulla penetrationssvetsar vid alla anslutningar mellan spandrels och kolumner-mer än fem gånger som krävs för diagrid-systemet.
konferensrum vid kantad ände. Med tillstånd av Benjamin Benschneider.
arkitektoniskt uttryck
ett av de viktigaste tidiga designbesluten från projektgruppen var att få byggnadens struktur exponerad för den västra flodvända utsikten så mycket som möjligt för att upprepa kårens uppdragsbeskrivning ”Building Strong”. Diagrammet, till sin natur som ett starkt diagonalt element som står i kontrast till de ortogonala linjerna i golv, väggar och fönster, är ett nyckelelement i detta uttryck. Designteamet modulerade byggnaden så att diagrid naturligt slutade med en backslope i det sydvästra hörnet och en outslope i det nordvästra hörnet som en kontrapunkt. Dessa snedställda ändar av byggnaderna skapar ljusa kontors-och konferensrum med vidsträckt utsikt över Duwamish River. Diagrammet är vitmålat för att hjälpa till att sprida både naturligt och konstgjort ljus inuti byggnaden, men också för att vara tydligt synligt genom det yttre glaset. Byggnadens rostfria skinn skalas tillbaka vid huvudingången för att helt exponera diagrammet och skapa en formell Ingångsportal.
diagrid-systemet gjorde det också möjligt att uppnå byggnadens unika Oxbow-form, vilket hämtade inspiration från den historiska slingrande vägen för Duwamish River intill platsen. Smidiga övergångar genom de krökta delarna av byggnaden underlättas med diagrammet genom att använda en tangentiell variation vid varje våningslinje. Detta gör det möjligt för den yttre huden att enkelt övergå genom u-formens hörn, vilket resulterar i ett jämnare utseende. Även om användningen av sluttande kolumner resulterar i en liten förlust av golvyta direkt under kolonnen, skapar diagrammet unika och dynamiska inre utrymmen.
sammanfattning
diagrammet representerar en effektiv lösning på progressiva kollapskrav och hjälper till att skapa en ikonisk identitet för Building 1202. Framgången med detta design-build-projekt är en hyllning till det tidiga samarbetet mellan arkitekten, ingenjören och entreprenören.
projektgrupp
ägare: General Services Administration (GSA)
hyresgäst: United States Army Corps of Engineers (USACE) Seattle District
strukturell & Civilingenjör: KPFF Consulting Engineers
entreprenör: Sellen Construction
arkitekt: ZGF Architects, LLP