SteelConnection designAISC (USA)Steel-to-timberConnection

Einfamilienhaus in Massachusetts

Martha's Vineyard Insel

CRAFT Engineering Studio arbeitete eng mit Selldorf Architects an diesem Einfamilienhaus zusammen. Das Projekt besteht aus drei verschiedenen Gebäuden – dem Haupthaus, der Garage und dem Poolhaus. Mit einem offenen architektonischen Entwurf und einem nicht abgestützten Balkon steht das zweigeschossige Haupthaus auf einem steilen Felsen mit Blick auf den Ozean, was es starken Winden aussetzt und zahlreiche Herausforderungen hinsichtlich der tragwerksbezogenen Bemessung der vertikalen und horizontalen Lastabtragsysteme mit sich bringt. Ursprünglich in Stahl konzipiert, wünschten sowohl der Auftraggeber als auch der Architekt eine überwiegend aus Holz bestehende Lösung.

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Über das Projekt

Mit REVIT für alle Zeichnungsarbeiten, umfangreichem CAD-Datenaustausch und Workflow-Management konnte CRAFT das Werkzeug (und seine Integration mit RFEM) nutzen, um ihr Strukturmodell auf Basis der statischen Berechnung zu konfigurieren.

Sie wollten auch ihren Verbindungsentwurf in RFEM durchführen, was jedoch für ein derart hochkomplexes Verbindungsdesign nicht unterstützt wurde. Daher wandten sie sich an IDEA StatiCa.

Normalerweise greifen die Leute auf SolidWorks oder Fusion 360 zurück, um ihre eigenen Berechnungen zu konfigurieren. Dabei wird jedoch oft übersehen, wie viel Zeit und Mühe das kostet. IDEA StatiCa bietet sehr gut definierte Modellierungsfunktionen für die Fertigung und Anschlüsse sowie die Flexibilität, individuelle Schnitte in Form von Versteifungselementen zu erstellen. IDEA StatiCa bietet auch ein perfektes System für die Überprüfung von Bauteilen, so dass Sie sich ganz auf die Lösung von Konstruktionsproblemen konzentrieren können.

Trevor Chou

Projekt Ingenieur

Mit einer durchschnittlichen Geschosshöhe von 10 ft (3 m) besteht das zweigeschossige Momentenrahmentragwerk aus zwei Feldern von 21 ft (6,4 m) und 14 ft (4,3 m).

Der Architekt entwarf eine Soft-Story-Struktur, um im Bereich des Balkons einen vollständig offenen Raum ohne sichtbare Aussteifungen oder Stützen zu schaffen. Das Team musste daher thermisch getrenntes, ungestütztes Balkongebälk bemessen und entschied sich für eine Kombination aus Momentenrahmen und tiefen Mehrschicht-LVL-Holzträgern, die mit orthogonalen Flitch-Trägern gekreuzt wurden, um Kragarm- und Rückspannweiten zu bilden.

Der resultierende Stahlknotenverbindung wurde so bemessen, dass Kräfte und Momente in zwei orthogonalen Achsen aufgenommen werden können. Ursprünglich sollte ein zentrales Hohlprofil als Knotenpunkt verwendet werden, was sich jedoch als ungeeignet erwies, da die hohen Momente aus dem Momentenrahmenträger aufgrund unzureichender Biegesteifigkeit der Kastenprofil-Wandungen nicht aufgenommen werden konnten.

Wir mussten den Entwurf neu überarbeiten. Dank der Möglichkeit, in IDEA StatiCa zu visualisieren, wie die Kräfte auf die verschiedenen Stäbe übertragen werden können, kamen wir zu einer besseren Lösung. Wir entschieden uns für eine Nabe mit breitem Flanschquerschnitt, da sie eine große Kontinuität in beiden orthogonalen Achsen schafft und einen reibungslosen Kraftübergang zwischen den Stäben ermöglicht.

Trevor Chou

Projekt Ingenieur

Der Stahlknoten wurde mit einem Breitflanschprofil neu bemessen, um die Kontinuität in beiden Achsen zu gewährleisten und gleichzeitig eine direktere Übertragung von Kräften und Momenten zum Zentrum des Knotenpunkts sicherzustellen.

Darüber hinaus mussten die Balkonbauteile die thermische Trennlinie des Gebäudes durchlaufen, weshalb das Team eine Wärmedämmplatte (aus einem angepassten Material) einbaute, um das Risiko von Wärmeverlusten und Kondensation zu reduzieren.

Sie verwendeten Dlubal RFEM zur Berechnung und Bemessung der Tragwerksbauteile sowie IDEA StatiCa zur Bemessung komplexer Verbindungen in verschiedenen Materialien.

IDEA StatiCa bietet die Flexibilität, benutzerdefinierte Materialien und Bauteile mit komplexen Geometrien sowie Vorlagen für Holz-Stahl-Verbindungen zu erstellen, was den Aufwand für die Modelleinrichtung erheblich reduziert.

Trevor Chou

Projektingenieur

Ingenieurtechnische Herausforderungen

Die Herausforderungen bei diesem Projekt waren vielfältig.

Wie bereits erläutert, stand das Gebäude nicht nur auf einem steilen Felsvorsprung und musste hohen Windlasten ohne Schubwände oder Aussteifungen standhalten, sondern der thermisch getrennte, ungestützte Balkon führte zusätzlich eine zweite orthogonale Bemessungsrichtung zum Hauptmomentrahmen ein – das bedeutet, dass Querkraft-, Normalkraft- und Momentenkapazität in zwei Richtungen an den Knotenpunkten aufgenommen werden mussten.

Der ursprüngliche Entwurf war als Stahlsystem konzipiert. CRAFT arbeitete daher mit einer stahlbautypischen Gebäudetopologie mit dem Ziel, so viel wie möglich in Holz und Konstruktionsholz auszuführen.

Obwohl Holzverbindungsdesigns von IDEA StatiCa nicht unterstützt wurden, konnte das Werkzeug Ausgangskräfte an bestimmten Schraubenpositionen liefern. Das Team konnte diese Ergebnisse dann problemlos in ihre hauseigene Bemessungstabelle (für normkonforme Lochleibungsnachweise nach Holzbaunormen) übertragen, um die Kraftverteilung zu überprüfen und anschließend die Verbindungsbemessung abzuschließen.

Dies bedeutete, dass wir in der Lage waren, die Verbindungen in IDEA StatiCa schnell als Prototyp zu erstellen, indem wir die Schraubengröße, den Abstand und die Anordnung der Felder usw. änderten - und dann einfach die überarbeiteten Schraubenkräfte für den Export in unsere eigenen Tabellenkalkulationen ausgeben.

Martyn Sheard

Senior Projekt Ingenieur

Lösungen und Ergebnisse

Das 2022 fertiggestellte zweigeschossige Einfamilienhaus auf Martha's Vineyard ist ein beeindruckendes Beispiel für herausragendes architektonisches und tragwerksbezogenes Design.

Durch den Einsatz von IDEA StatiCa und die enge Zusammenarbeit mit dem Architekten, dem Wärmeberater und dem Stahlbauer gelang es CRAFT, einen vollständigen Stahlrahmen in eine hybride Holzlösung weiterzuentwickeln, den Stahlanteil zu reduzieren und die Konstruktion des Gebäudes im Einklang mit der traditionellen lokalen Bauweise zu halten.

Über Craft | Engineering Studio

Mit Sitz in New York bietet CRAFT Beratungsleistungen im Bereich Tragwerksplanung für den Neubau (und die Umgestaltung bestehender) Wohn-, Gewerbe- und Sonderprojekte in traditionellen und nicht-traditionellen Materialien an.

Als visionäres Ingenieurbüro ist das CRAFT-Team leidenschaftlich an der fortlaufenden Wechselwirkung zwischen Tragwerksplanung und Architektur interessiert. Durch die Verbindung von Erfahrung und Aufgeschlossenheit mit modernsten Berechnungs- und Analysewerkzeugen ist CRAFT in der Lage, seinen Kunden effiziente, praxisnahe und innovative Lösungen für die Tragwerksplanung anzubieten – ideal für Architekten und Designer, die neue Ansätze in der Tragwerksplanung suchen.

Als Projektingenieur bringt Trevor Chou seine Erfahrung in der Tragwerksplanung und -berechnung für Hochhäuser und Wohngebäude (nach US-amerikanischen und chinesischen Baunormen) ein und ist leidenschaftlich daran interessiert, sein Wissen aus Architektur und Ingenieurwesen zu verbinden.

Martyn Sheard ist leitender Projektingenieur im Unternehmen und verfügt über zwölf Jahre Erfahrung in Entwurf und Projektmanagement bei einer breiten Palette von Projekttypen und -größen, mit besonderem Interesse an der Bemessung von Massivholztragwerken.

Martyn Sheard und Trevor Chou wurden Gewinner der Kategorie „Kleinmaßstäbliche Tragwerke" beim IDEA StatiCa Excellence Award 2021 und setzten sich dabei gegen 100 weitere Teilnehmer in dieser Kategorie durch.