SteelConnection designAISC (USA)Steel-to-timberConnection

Nhà ở gia đình tại Massachusetts

Đảo Martha's Vineyard

CRAFT Engineering Studio đã phối hợp chặt chẽ với Selldorf Architects trong dự án nhà ở đơn lập này. Dự án bao gồm ba công trình riêng biệt – nhà chính, nhà để xe và nhà bên hồ bơi. Với thiết kế kiến trúc mở và ban công không có cột chống, công trình hai tầng của nhà chính tọa lạc trên một vách đá dốc đứng nhìn ra đại dương, chịu tác động của gió lớn và đặt ra nhiều thách thức trong thiết kế kết cấu của hệ chịu tải trọng đứng và tải trọng ngang. Ban đầu được hình thành bằng thép, cả chủ đầu tư và kiến trúc sư đều mong muốn chuyển sang giải pháp chủ yếu sử dụng gỗ.

Bài viết này cũng có sẵn bằng

Về dự án

Sử dụng REVIT cho toàn bộ công tác vẽ kỹ thuật, chia sẻ file CAD toàn diện và quản lý quy trình làm việc, CRAFT có thể tận dụng công cụ này (cùng với tích hợp RFEM) để cấu hình mô hình kết cấu dựa trên phân tích kết cấu.

Họ cũng muốn thực hiện thiết kế liên kết trong RFEM, nhưng phần mềm này không hỗ trợ thiết kế nút liên kết phức tạp như vậy. Vì vậy, họ đã chuyển sang sử dụng IDEA StatiCa.

Mọi người thường sử dụng SolidWorks hoặc Fusion 360 để thực hiện các tính toán của riêng mình. Nhưng họ thường bỏ qua lượng thời gian và công sức cần thiết. IDEA StatiCa cung cấp các chức năng mô hình hóa sản xuất và liên kết được định nghĩa rõ ràng, cũng như tính linh hoạt để tạo các tiết diện tùy chỉnh về các sườn tăng cứng. Phần mềm cũng cung cấp một hệ thống hoàn hảo để thực hiện kiểm tra tiêu chuẩn trên các cấu kiện kết cấu, cho phép bạn tập trung vào việc giải quyết các vấn đề thiết kế.

Trevor Chou

Kỹ sư Dự án

Với chiều cao tầng trung bình là 10 ft (3 m), khung chịu mô men hai tầng bao gồm hai nhịp 21 ft (6,4 m) và 14 ft (4,3 m).

Kiến trúc sư thiết kế kết cấu tầng mềm nhằm tạo ra không gian hoàn toàn mở cho khu vực ban công mà không có giằng hoặc gối đỡ kết cấu lộ ra ngoài. Do đó, nhóm phải thiết kế hệ khung ban công cách nhiệt không có chống đỡ, trong đó họ chọn kết hợp khung chịu mô men với dầm gỗ LVL nhiều lớp chiều cao lớn giao nhau với các dầm flitch vuông góc để tạo thành các cánh hẫng và nhịp phía sau.

Nút liên kết thép kết quả được thiết kế để chịu lực và mô men theo hai trục vuông góc. Ban đầu, họ muốn sử dụng lõi tiết diện rỗng ở trung tâm nhưng sau đó nhận thấy rằng tiết diện này không đủ khả năng chịu mô men lớn từ dầm khung chịu mô men do độ cứng ngoài mặt phẳng không đủ trong các thành của tiết diện hộp.

Chúng tôi phải xem xét lại thiết kế. May mắn thay, khả năng trực quan hóa cách lực được truyền đến các cấu kiện khác nhau trong IDEA StatiCa đã dẫn chúng tôi đến một giải pháp tốt hơn. Chúng tôi quyết định sử dụng tiết diện chữ I cánh rộng làm nút trung tâm vì nó tạo ra sự liên tục tốt theo cả hai trục vuông góc và cho phép chuyển tiếp lực mượt mà giữa các cấu kiện.

Trevor Chou

Kỹ sư dự án

Nút liên kết thép được thiết kế lại với tiết diện bản cánh rộng để đảm bảo tính liên tục theo cả hai trục, đồng thời đảm bảo truyền lực và mô men trực tiếp hơn đến tâm của lõi.

Ngoài ra, các cấu kiện ban công yêu cầu thép chạy liên tục qua đường cách nhiệt của công trình, vì vậy nhóm đã bố trí tấm cách nhiệt (từ vật liệu tùy chỉnh) để giảm nguy cơ thất thoát nhiệt và ngưng tụ.

Họ sử dụng Dlubal RFEM để phân tích và thiết kế các cấu kiện khung và IDEA StatiCa để thiết kế các liên kết phức tạp với nhiều loại vật liệu.

IDEA StatiCa có tính linh hoạt để tạo vật liệu tùy chỉnh và các cấu kiện với hình học phức tạp, cùng các mẫu cho liên kết gỗ - thép, giúp giảm đáng kể thời gian cần thiết để thiết lập mô hình.

Trevor Chou

Kỹ sư dự án

Thách thức kỹ thuật

Dự án này đặt ra rất nhiều thách thức.

Như đã đề cập, không chỉ công trình nằm trên đỉnh vách đá dốc và cần có khả năng chịu gió lớn mà không có tường chịu cắt hay giằng, mà để phức tạp hơn, ban công cách nhiệt không có chống đỡ còn tạo ra phương thiết kế vuông góc thứ hai so với khung chịu mô men chính – nghĩa là khả năng chịu lực cắt, lực dọc và mô men cần được đảm bảo theo 2 phương tại các nút.

Thiết kế ban đầu được hình thành như một hệ thống thép. Vì vậy CRAFT đang làm việc với hệ kết cấu kiểu thép với định hướng thực hiện càng nhiều càng tốt bằng gỗ kết cấu và gỗ tự nhiên.

Mặc dù thiết kế liên kết gỗ không được IDEA StatiCa hỗ trợ, phần mềm vẫn có thể cung cấp lực đầu ra tại các vị trí bu lông cụ thể. Nhóm có thể dễ dàng chuyển các kết quả này sang bảng tính thiết kế nội bộ (để kiểm tra chịu lực ép mặt bu lông theo tiêu chuẩn gỗ) nhằm xác minh sự phân bố lực và hoàn thiện thiết kế kết cấu cho liên kết.

Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể nhanh chóng tạo mẫu thử các liên kết trong IDEA StatiCa – thay đổi kích thước bu lông, khoảng cách và cách bố trí mảng bu lông, v.v. – và sau đó dễ dàng xuất lực bu lông đã được điều chỉnh sang bảng tính của chúng tôi.

Martyn Sheard

Kỹ sư Dự án Cấp cao

Giải pháp và Kết quả

Hoàn thành vào năm 2022, ngôi nhà đơn lẻ hai tầng tại Martha's Vineyard là một ví dụ ấn tượng về thiết kế kiến trúc và kết cấu xuất sắc.

Thông qua việc sử dụng phần mềm IDEA StatiCa và hợp tác chặt chẽ với kiến trúc sư, chuyên gia tư vấn nhiệt và nhà chế tạo, CRAFT đã thành công chuyển đổi toàn bộ khung thép thành giải pháp gỗ lai, giảm lượng thép cần dùng và giữ cho kết cấu công trình phù hợp với phong cách thi công truyền thống của địa phương.

Về Craft | Engineering Studio

Có trụ sở tại New York, CRAFT cung cấp dịch vụ tư vấn kỹ thuật kết cấu trong thi công các công trình mới (và cải tạo các công trình hiện hữu) bao gồm nhà ở, thương mại và các dự án đặc biệt với vật liệu truyền thống và phi truyền thống.

Là một studio kỹ thuật kết cấu có tầm nhìn, nhóm CRAFT đam mê cuộc đối thoại liên tục giữa kỹ thuật kết cấu và kiến trúc. Kết hợp kinh nghiệm và tư duy cởi mở với các công cụ tính toán và phân tích hàng đầu, CRAFT có thể cung cấp cho khách hàng các giải pháp thiết kế kết cấu hiệu quả, thực tiễn và sáng tạo – lý tưởng cho các kiến trúc sư và nhà thiết kế đang tìm kiếm các phương pháp tiếp cận mới trong lĩnh vực kỹ thuật kết cấu.

Với vai trò Kỹ sư Dự án, Trevor Chou mang đến kinh nghiệm thực hiện thiết kế và phân tích kết cấu cho các tòa nhà cao tầng và nhà ở thương mại (theo tiêu chuẩn xây dựng Mỹ và Trung Quốc), đồng thời đam mê tích hợp kiến thức về kiến trúc và kỹ thuật.

Martyn Sheard là Kỹ sư Dự án Cấp cao tại công ty với mười hai năm kinh nghiệm trong thiết kế và quản lý dự án trên nhiều loại hình và quy mô dự án khác nhau, đặc biệt quan tâm đến kỹ thuật kết cấu gỗ khối lớn.

Martyn Sheard và Trevor Chou đã trở thành người chiến thắng hạng mục Kết cấu quy mô nhỏ trong IDEA StatiCa Excellence Award 2021, vượt qua 100 thí sinh khác trong hạng mục kết cấu quy mô nhỏ để giành chiến thắng.