사례 연구

매사추세츠의 단독 주택

마서스 비니어드 섬 | United States | CRAFT Engineering Studio

Steel

AISC (USA)

Steel-to-timber

Connection

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CRAFT Engineering Studio는 이 단독 주택 프로젝트에서 Selldorf Architects와 긴밀히 협력했습니다. 이 프로젝트는 본관, 차고, 풀 하우스 등 세 개의 건물로 구성됩니다. 개방적인 건축 설계와 지지대 없는 발코니를 갖춘 2층 규모의 본관 건물은 가파른 절벽 위에 위치하여 바다를 내려다보고 있으며, 강풍에 노출되어 수직 및 수평 하중 저항 시스템의 구조 설계 측면에서 수많은 과제를 안고 있습니다. 당초 강구조로 계획되었으나, 건축주와 건축가 모두 주로 목재를 활용한 솔루션으로 전환하기를 원했습니다.

프로젝트 소개

CRAFT는 모든 도면 작업에 REVIT을 활용하고, 광범위한 CAD 파일 공유 및 워크플로우 관리를 통해 이 도구(및 RFEM과의 통합)를 활용하여 구조 해석을 기반으로 구조 모델을 구성할 수 있었습니다.

또한 RFEM에서 연결 설계를 수행하고자 했으나, 이처럼 고도로 복잡한 접합부 설계에는 지원되지 않았습니다. 그래서 IDEA StatiCa로 눈을 돌렸습니다.

사람들은 보통 자체 계산을 구성하기 위해 SolidWorks나 Fusion 360을 사용합니다. 그러나 그에 소요되는 시간과 노력을 간과하는 경우가 많습니다. IDEA StatiCa는 명확하게 정의된 제조 모델링 기능과 연결을 제공하며, 스티프너 요소 측면에서 맞춤형 단면을 생성할 수 있는 유연성도 갖추고 있습니다. 또한 구조 부재에 대한 규정 검토를 수행하기 위한 완벽한 시스템을 제공하여 설계 문제 해결에만 집중할 수 있도록 합니다.

Trevor Chou

프로젝트 엔지니어 – CRAFT Engineering Studio
United States

평균 층고 10 ft(3 m)의 2층 모멘트 프레임은 21 ft(6.4 m)와 14 ft(4.3 m)의 두 스팬으로 구성됩니다.

건축가는 명확한 구조 브레이스나 지지대 없이 발코니 영역을 완전히 개방된 공간으로 남기기 위해 소프트 스토리 구조를 설계했습니다. 이에 따라 팀은 열교 차단 무지지 발코니 프레이밍을 설계해야 했으며, 캔틸레버와 백 스팬을 형성하기 위해 모멘트 프레임과 직교 플리치 빔이 교차하는 대형 다중 LVL 목재 거더를 결합하는 방식을 선택했습니다.

결과적으로 설계된 강재 노드 접합부는 두 직교 축 방향의 힘과 모멘트에 저항하도록 설계되었습니다. 처음에는 중앙 중공 단면 허브를 사용하려 했으나, 박스 단면 벽의 면외 강성 부족으로 인해 모멘트 프레임 거더의 큰 모멘트에 저항하기 어렵다는 것을 발견했습니다.

설계를 재검토해야 했습니다. 다행히 IDEA StatiCa에서 힘이 여러 부재로 전달되는 방식을 시각화할 수 있었기 때문에 더 나은 해결책을 찾을 수 있었습니다. 와이드 플랜지 단면 허브를 선택하기로 결정했는데, 이는 두 직교 축 모두에서 우수한 연속성을 제공하고 부재 간 원활한 힘 전달을 가능하게 합니다.

Trevor Chou

프로젝트 엔지니어 – CRAFT Engineering Studio
United States

강재 접합부는 두 축 방향의 연속성을 유지하면서 허브 중심으로 힘과 모멘트를 보다 직접적으로 전달할 수 있도록 광폭 플랜지 단면으로 재설계되었습니다.

또한 발코니 부재는 건물의 열 경계선을 통해 강재가 연속적으로 관통해야 했기 때문에, 팀은 열 손실 및 결로 위험을 줄이기 위해 맞춤 재료로 제작된 열교 차단 패드를 포함시켰습니다.

프레이밍 부재의 해석 및 설계에는 Dlubal RFEM을, 다양한 재료의 복잡한 연결 설계에는 IDEA StatiCa를 사용했습니다.

IDEA StatiCa는 사용자 정의 재료 및 요소를 생성할 수 있는 유연성과 복잡한 형상을 가진 목재-강재 연결을 위한 템플릿을 제공하여 모델 설정에 필요한 시간을 크게 단축합니다.

Trevor Chou

프로젝트 엔지니어 – CRAFT Engineering Studio
United States

엔지니어링 과제

이 프로젝트에는 수많은 과제가 있었습니다.

앞서 살펴본 바와 같이, 건물이 가파른 절벽 위에 위치하여 전단벽이나 브레이스 없이 강풍에 저항해야 했을 뿐만 아니라, 열교 차단 무지지 발코니가 주 모멘트 프레임에 두 번째 직교 설계 방향을 추가함으로써 상황이 더욱 복잡해졌습니다. 즉, 노드 지점에서 2방향으로 전단력, 축력 및 모멘트 내력을 확보해야 했습니다.

원래 설계는 강구조 시스템으로 구상되었습니다. 따라서 CRAFT는 강구조 건물 유형의 토폴로지를 기반으로 하면서 가능한 한 많은 부분을 구조용 목재와 목재로 구현하는 것을 목표로 작업했습니다.

IDEA StatiCa에서 목재 연결 설계가 지원되지 않았지만, 이 도구는 특정 볼트 위치에서의 출력 힘을 제공할 수 있었습니다. 팀은 이 결과를 사내 설계 스프레드시트(목재 규정 준수 볼트 지압 검토용)로 쉽게 전달하여 힘의 분포를 검증하고 연결부의 구조 설계를 완성할 수 있었습니다.

이를 통해 IDEA StatiCa에서 연결부를 신속하게 프로토타입으로 제작할 수 있었습니다. 볼트 크기, 간격 및 배열 등을 변경하면서, 수정된 볼트 힘을 자체 스프레드시트로 내보내기 위해 쉽게 추출할 수 있었습니다.

Martyn Sheard

수석 프로젝트 엔지니어 – CRAFT Engineering Studio
United States

솔루션 및 결과

2022년에 완공된 마서스 비니어드의 2층 단독 주택은 뛰어난 건축 및 구조 설계의 훌륭한 사례입니다.

IDEA StatiCa 소프트웨어의 활용과 건축가, 열 컨설턴트, 제작업체와의 긴밀한 협력을 통해 CRAFT는 완전한 강구조 프레임을 하이브리드 목재 솔루션으로 성공적으로 전환하여 필요한 강재량을 줄이고 건물 구조를 전통적인 지역 시공 방식에 맞게 유지했습니다.

CRAFT Engineering Studio 소개

뉴욕에 본사를 둔 CRAFT는 전통적 및 비전통적 재료를 사용한 신규 주거, 상업 및 특수 프로젝트의 신축(및 기존 건물 개조)에 대한 구조 엔지니어링 컨설팅 서비스를 제공합니다.

선구적인 구조 엔지니어링 스튜디오인 CRAFT 팀은 구조 엔지니어링과 건축 사이의 지속적인 대화에 열정을 가지고 있습니다. 풍부한 경험과 열린 사고방식을 최첨단 전산 및 해석 도구와 결합하여, CRAFT는 구조 설계에 대한 효율적이고 실용적이며 혁신적인 솔루션을 고객에게 제공할 수 있습니다. 이는 구조 엔지니어링 분야에서 새로운 접근 방식을 찾는 건축가와 디자이너에게 이상적입니다.

프로젝트 엔지니어인 Trevor Chou는 미국 및 중국 건축 규정에 따른 고층 건물 및 상업용 주택의 구조 설계 및 해석 경험을 바탕으로, 건축과 엔지니어링 지식의 통합에 열정을 가지고 있습니다.

Martyn Sheard는 회사의 수석 프로젝트 엔지니어로, 다양한 프로젝트 유형과 규모에 걸쳐 설계 및 프로젝트 관리 분야에서 12년의 경험을 보유하고 있으며, 특히 대형 목재 구조 엔지니어링에 깊은 관심을 가지고 있습니다.

Martyn Sheard와 Trevor Chou는 IDEA StatiCa Excellence Award 2021 소규모 구조물 부문에서 100여 명의 다른 참가자들을 제치고 우승을 차지했습니다.