IL PIANO “KONZA TECHNO CITY”: CALCOLO E ANALISI STRUTTURALE DEL PROGETTO PRELIMINARE PER IL WELCOME CENTER

blog 10.01.22

AUTHOR: Federica Pacifico

TUTORS: Prof. Giuseppe Crespi, Ing. Devis Sonda

INTERNSHIP: Società Miyamoto International

MASTER: Master in “Progettazione sismica delle strutture per costruzioni sostenibili” a.a 2019/20

 

INTRODUZIONE

Il seguente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di descrivere l’iter di realizzazione del progetto preliminare del “Welcome Center”, opera appartenente ad un complesso più ampio che è quello del Konza Techno City, in termini di progettazione strutturale.

L’iter di formazione della tesi è stato strutturato in tre processi principali:

  • Acquisizione delle generalità alla base del progetto Konza City e delle caratteristiche del sito, in termini di stratigrafia del terreno e parametri sismici (Peak Ground Acceleration); descrizione dell’opera architettonica e quindi scelta del modello strutturale e delle caratteristiche dei materiali dello stesso.
  • Analisi delle azioni agenti sulla struttura, definizione del modello di analisi e relativa modellazione agli elementi finiti; descrizione/commento della risposta sismica modale.
  • Fase di verifica, sia per carichi statici che sismici, degli elementi resistenti che compongono l’opera. Partendo dagli elementi in elevazione e quindi dai solai, alle travi, ai pilastri, per poi giungere alle verifiche in fondazione.

 

CARATTERISTICHE DELL’OPERA

Il Welcome Center si presenta come un grande volume vetrato sovrastato da un’ampia copertura curva e sorretta da colonne che si configurano con una forma ad albero.

Planimetria del Welcome Center

Planimetria del Welcome Center

Dal punto di vista strutturale, l’edificio consta di tre elementi principali:

  • Roof: La grande copertura, dalla forma curva, è costituita interamente da elementi in acciaio, travi principali e secondarie del tipo IPE e colonne CHS che si raffigurano come degli elementi ad albero.
  • Mezzanine: All’interno del Welcome Center si presentano due volumi, speculari tra loro, che si sviluppano per due piani mediante travi e pilastri in c.a. e una struttura controventata in acciaio, in corrispondenza del vano ascensore, che prosegue per tutto lo sviluppo dello stesso.
  • Basement: una piccola porzione del Welcome presenta un piano interrato a quota -4m, che consente di accedere al piano terra del Welcome mediante scala mobile e ascensori. La funzione è quella di mettere in collegamento il tunnel sotterraneo per la futura stazione ferroviaria e il Welcome center. La struttura prevede una soletta in c.a., travi e pilastri in c.a.

L’edificio si inserisce in un contesto con le seguenti caratteristiche geotecniche e sismiche:

La profondità di scavo dovrebbe essere compresa tra 1 e 3 m, a seconda dello spessore dello strato b.c.s.

La capacità portante del terreno lateritico naturale non deve superare i 250 kPa.

Per i terreni lateritici compattati si assume una capacità portante di 200 kPa.

Proprietà meccaniche del terreno:

Peso specifico              g’ = 19 kN/m³

Angolo di attrito           f’ = 34°

Coesione                     c’ = 0 kN/m²    (trascurato cautelativamente)

 

La profondità delle acque sotterranee è di circa 50 m, quindi non possono verificarsi interferenze.

La categoria sismica del suolo è A (suolo rigido).

Stratigrafia e caratteristiche del terreno

Stratigrafia e caratteristiche del terreno

I parametri sismici da utilizzare per la progettazione, in accordo con le caratteristiche tettoniche locali e la sismicità, sono i seguenti:

ag = 0.08 (g)

per un periodo di ritorno Tr = 475 years

Non dovrà essere adottata alcuna amplificazione topografica e stratigrafica in relazione alle caratteristiche topografiche e alla presenza del substrato roccioso pochi metri sotto la superficie.

La mappa di zonizzazione sismica del Kenya mostra che l’area di progetto è classificata come zona VI, a cui corrisponde un’accelerazione approssimativa di 0,5 m/s².

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Mappa di zonizzazione sismica del Kenya e accelerazione approssimativa del suolo

Mappa di zonizzazione sismica del Kenya e accelerazione approssimativa

 

Spettro di risposta elastica e parametri sismici dell’edificio

Spettro di risposta elastica e parametri sismici dell’edificio

 

MODELLO DI ANALISI

Il Welcome Center Facility, in termini di risposta strutturale, può essere analizzato per blocchi separati, essendo composto da tre elementi indipendenti tra loro:

  • Una struttura di copertura con elementi in acciaio – Roof;
  • Due soppalchi con telaio in cemento armato che sostengono una porzione di struttura in acciaio nella parte sommitale – Mezzanine;
  • Una parte interrata in c.a. che sarà collegata alla galleria con la futura stazione ferroviaria – Basement.

Gli elementi adottati per schematizzare i pilastri e le travi sono di tipo “asta” monodimensionali dotati di rigidezza flessionale secondo due direzioni e rigidezza assiale.

Gli elementi non strutturali sono stati rappresentati unicamente in termini di massa, considerandoli come carichi lineari e/o distribuiti applicati secondo la loro posizione, in linea con quanto previsto dalla normativa.

Il Basement non è stato modellato, sono state condotte delle analisi con metodi semplificati e calcoli manuali.

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Modello FEM 3d del Roof e Mezzanine

Modello FEM 3d del Roof e Mezzanine

 

CONCLUSIONI

Le analisi condotte confermano la validità delle scelte progettuali, infatti, come si evidenzia tutte le verifiche risultano soddisfatte.

 

 

FOR INTERNATIONAL STUDENTS:

INTRODUCTION

The following dissertation aims to describe the implementation process, in terms of structural design, of the “Welcome Centre”’s preliminary project that is part of a larger complex called Konza Techno City.

The thesis is developed in tree main processes.

  • Acquisition of the basic generalities of the Konza City project and site characteristics, in terms of soil stratigraphy and seismic parameters (Peak Ground Acceleration); description of the architectural characteristics and therefore choice of the structural model and materials.
  • Analysis of the actions that act on the structure, definition of the analysis model and its finite elements modelling; description/comment of the modal seismic response.
  • Verification phase of the static and seismic loads, and of the resistant elements. According to this scheme: elevation elements, floors, beams, pillars, and then foundation.

 

BUILDING FEATURES

The Welcome Centre is a big glazed volume with a curved roof supported by columns similar to trees.

The building has three main structural elements:

  • Roof: made of steel IPE beams and CHS columns
  • Mezzanine: inside the Welcome Centre there are two specular volumes on two levels made of reinforced concrete beams and pillarsi in collaboration with a braced steel structure, that run along the elevator
  • Basement: a small part of the Welcome has a basement at the level -4m, that is connected to the floor level trought steirs and elevators. The structure in entirely in reinforced concret.

The builging is located in a context with the following geotechincal and seismic features:

The depth of excavation should be between 1 and 3 m, depending on the thickness of the bcs.

The lateric soil’s bearing capacity sould not exceed 250 kPa.

The capacity of 200 kPa is assumed for compacted lateric soil.

Mechanical properties:

Specific weight            g’ = 19 kN/m³

Friction angle              f’ = 34°

Cohesion                     c’ = 0 kN/m²    (conservatively neglected)

 

The depth of groundwater is about 50m, so no interference can occur.

The seismic soil category is A (rigid soil).

The seismic parameters to be used for the design in accordance with the local tectonic features and seismicity are the following ones:

 

ag = 0.08 (g)

for a return period Tr = 475 years

No topographic and stratigraphic amplification shall be adopted in relation to the topographic features and the presence of the bedrock few meters below the surface.

The seismic zoning map of Kenya shows that the project area is classified has zone VI, that correspond an approximate acceleration of 0,5 m/s².

 

ANALYSIS MODEL

The Welcome Center Facility, could be analysed in terms of structural functioning thought three independent blocks:

  • A roof composed by steel structural elements – Roof;
  • Two mezzanines with a reinforced concret frame that support a portion of the steel structure at the top. – Mezzanine;
  • A basement in reinforced concret will be connected trought the gallery to the future railway statione- Basement.

The elements adopted to schematize the pillars and beams are of a single-dimensional “rod” type equipped with flexional stiffness in two directions and axial stiffness.

Non-structural elements have been represented only in terms of mass, considering them as linear and/or distributed loads applied according to their position, in line with the provisions of the legislation.

Basement has not been modeled, analyses have been conducted with simplified methods and manual calculations.

 

CONCLUSIONS

The analyzes carried out confirm the validity of the design choices, in fact, as can be seen, all the checks are satisfied.

 

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