SteelConnection designAISC (USA)Steel-to-timberConnection

บ้านครอบครัวในแมสซาชูเซตส์

เกาะมาร์ธาส์วินยาร์ด

CRAFT Engineering Studio ทำงานร่วมอย่างใกล้ชิดกับ Selldorf Architects ในโครงการที่พักอาศัยสำหรับครอบครัวเดี่ยวนี้ โครงการนี้ประกอบด้วยอาคารสามหลังที่แตกต่างกัน ได้แก่ บ้านหลัก โรงรถ และเรือนสระว่ายน้ำ อาคารบ้านหลักสองชั้นที่มีการออกแบบทางสถาปัตยกรรมแบบเปิดโล่งและระเบียงยื่นไร้เสาค้ำยัน ตั้งอยู่บนหน้าผาสูงชันมองเห็นวิวมหาสมุทร ทำให้ตัวอาคารต้องเผชิญกับลมแรง และก่อให้เกิดความท้าทายหลายประการในด้านการออกแบบโครงสร้างของระบบรับแรงในแนวดิ่งและระบบต้านทานแรงด้านข้าง เดิมทีโครงการนี้ถูกออกแบบให้ใช้เหล็กเป็นโครงสร้างหลัก แต่ทั้งเจ้าของโครงการและสถาปนิกต้องการเปลี่ยนมาใช้โครงสร้างไม้เป็นหลักแทน

บทความนี้มีให้บริการใน

เกี่ยวกับโครงการ

ด้วยการใช้ REVIT สำหรับงานร่างแบบทั้งหมด การแชร์ไฟล์ CAD อย่างละเอียด และการจัดการเวิร์กโฟลว์ CRAFT สามารถใช้ประโยชน์จากเครื่องมือนี้ (และการเชื่อมต่อกับ RFEM) เพื่อกำหนดค่าแบบจำลองโครงสร้างของตนโดยอิงจากการวิเคราะห์โครงสร้าง

พวกเขายังต้องการทำการออกแบบการเชื่อมต่อใน RFEM ด้วย แต่โปรแกรมไม่รองรับการออกแบบจุดต่อที่ซับซ้อนสูงเช่นนี้ พวกเขาจึงหันมาใช้ IDEA StatiCa

โดยทั่วไปแล้ว ผู้ใช้งานมักหันไปใช้ SolidWorks หรือ Fusion 360 เพื่อกำหนดค่าการคำนวณของตนเอง แต่บ่อยครั้งที่มองข้ามเวลาและความพยายามที่ต้องใช้ไปเป็นจำนวนมาก IDEA StatiCa มีฟังก์ชันการสร้างแบบจำลองด้านการผลิตและการเชื่อมต่อที่ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน รวมถึงมีความยืดหยุ่นในการสร้างหน้าตัดที่ปรับแต่งเองได้ในแง่ขององค์ประกอบเสริมความแข็ง นอกจากนี้ยังมอบระบบที่สมบูรณ์แบบสำหรับการตรวจสอบตามมาตรฐานของชิ้นส่วนโครงสร้าง ทำให้คุณสามารถมุ่งเน้นไปที่การแก้ปัญหาด้านการออกแบบได้อย่างเต็มที่

Trevor Chou

วิศวกรโครงการ

ด้วยความสูงเฉลี่ยของชั้นที่ 10 ฟุต (3 เมตร) เฟรมรับโมเมนต์แบบสองชั้นนี้ประกอบด้วยช่วงพาด 2 ช่วง คือ 21 ฟุต (6.4 เมตร) และ 14 ฟุต (4.3 เมตร)

สถาปนิกออกแบบโครงสร้างแบบ soft-story เพื่อให้พื้นที่บริเวณระเบียงเปิดโล่งอย่างสมบูรณ์โดยไม่มีเหล็กค้ำยันหรือส่วนรองรับโครงสร้างที่มองเห็นได้ชัดเจน ดังนั้น ทีมงานจึงต้องออกแบบโครงระเบียงแบบตัดความร้อน (thermally broken) ที่ไม่มีเสาค้ำยัน (un-propped) ซึ่งพวกเขาเลือกใช้วิธีผสมผสานเฟรมรับโมเมนต์เข้ากับคานไม้ multi-LVL ขนาดลึกที่ตัดกับคานแบบ flitch beam ในแนวตั้งฉาก เพื่อสร้างส่วนยื่นและช่วงหลัง

จุดต่อ Node เหล็กที่ได้รับการออกแบบให้ต้านทานแรงและโมเมนต์ในสองแกนตั้งฉาก ในเบื้องต้น พวกเขาต้องการใช้ฮับหน้าตัดกลวงตรงกลาง แต่ภายหลังพบว่าไม่สามารถต้านทานโมเมนต์สูงจากคานเฟรมรับโมเมนต์ได้ เนื่องจากความแข็งนอกระนาบของผนังหน้าตัดกล่องไม่เพียงพอ

เราต้องกลับมาทบทวนการออกแบบใหม่ โชคดีที่ความสามารถในการมองเห็นภาพว่าแรงสามารถถ่ายเทไปยังชิ้นส่วนต่างๆ ได้อย่างไรใน IDEA StatiCa ทำให้เราได้แนวทางแก้ไขที่ดีกว่า เราตัดสินใจใช้ hub แบบหน้าตัดปีกกว้าง (wide flange) เนื่องจากช่วยสร้างความต่อเนื่องที่ดีเยี่ยมในทั้งสองแกนตั้งฉาก และทำให้การถ่ายเทแรงระหว่างชิ้นส่วนเป็นไปอย่างราบรื่น

Trevor Chou

วิศวกรโครงการ

จุดต่อเหล็กได้รับการออกแบบใหม่โดยใช้หน้าตัดปีกกว้าง (wide flange) เพื่อรักษาความต่อเนื่องในทั้งสองแกน พร้อมทั้งรับประกันการถ่ายแรงและโมเมนต์ไปยังจุดศูนย์กลางของฮับได้โดยตรงมากขึ้น

นอกจากนี้ ชิ้นส่วนระเบียงยังต้องการให้เหล็กวิ่งต่อเนื่องผ่านแนวตัดความร้อนของอาคาร ทีมงานจึงเพิ่มแผ่นตัดความร้อน (thermal break pad) ที่ทำจากวัสดุที่ปรับแต่งเป็นพิเศษ เพื่อลดความเสี่ยงจากการสูญเสียความร้อนและการควบแน่น

พวกเขาใช้ Dlubal RFEM ในการวิเคราะห์และออกแบบชิ้นส่วนโครงสร้าง และใช้ IDEA StatiCa ในการออกแบบการเชื่อมต่อที่ซับซ้อนซึ่งมีวัสดุหลายชนิด

IDEA StatiCa มีความยืดหยุ่นในการสร้างวัสดุที่กำหนดเองและชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตซับซ้อน รวมถึงแม่แบบสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างไม้กับเหล็ก ซึ่งช่วยลดเวลาที่ต้องใช้ในการตั้งค่าโมเดลได้อย่างมาก

Trevor Chou

วิศวกรโครงการ

ความท้าทายทางวิศวกรรม

โครงการนี้มีความท้าทายหลายประการ

ดังที่เราได้ทราบไปแล้วว่า อาคารนี้ไม่เพียงตั้งอยู่บนหน้าผาสูงชันและต้องสามารถต้านทานแรงลมแรงสูงโดยไม่มีผนังรับแรงเฉือนหรือเหล็กค้ำยัน แต่เพื่อเพิ่มความซับซ้อนยิ่งขึ้น ระเบียงแบบตัดความร้อนที่ไม่มีเสาค้ำยันยังทำให้เกิดทิศทางการออกแบบตั้งฉากที่สองเพิ่มเข้ามาในเฟรมรับโมเมนต์หลัก นั่นหมายความว่าความสามารถในการรับแรงเฉือน แรงตามแนวแกน และโมเมนต์ต้องได้รับการต้านทานใน 2 ทิศทางที่จุด Node

การออกแบบดั้งเดิมถูกคิดขึ้นในรูปแบบระบบเหล็ก ดังนั้น CRAFT จึงทำงานกับรูปแบบอาคารประเภทเหล็ก โดยมีเป้าหมายที่จะทำให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วยไม้โครงสร้างและไม้

แม้ว่าการออกแบบการเชื่อมต่อไม้จะไม่ได้รับการรองรับโดย IDEA StatiCa แต่เครื่องมือนี้สามารถให้ค่าแรงผลลัพธ์ที่ตำแหน่งสลักเกลียวเฉพาะได้ จากนั้นทีมงานสามารถโอนผลลัพธ์เหล่านี้ไปยังสเปรดชีตออกแบบภายในของตนเองได้อย่างง่ายดาย (สำหรับการตรวจสอบการรับแรงแบกทานของสลักเกลียวตาม Code ไม้) เพื่อยืนยันการกระจายของแรง แล้วจึงทำการออกแบบโครงสร้างของการเชื่อมต่อให้เสร็จสมบูรณ์

This meant we were able to rapidly prototype the connections in IDEA StatiCa Module การเชื่อมต่อ – changing the bolt size, spacing and array arrangements etc. – and to then easily get out revised bolt forces for export to our own spreadsheets. Let me translate the full sentence properly into Thai: การนี้ทำให้เราสามารถสร้างต้นแบบการเชื่อมต่อได้อย่างรวดเร็วใน IDEA StatiCa Module การเชื่อมต่อ – โดยเปลี่ยนขนาดของสลักเกลียว ระยะห่าง และรูปแบบการจัดเรียง ฯลฯ – จากนั้นจึงสามารถดึงค่าแรงในสลักเกลียวที่ปรับปรุงแล้วออกมาเพื่อส่งออกไปยังสเปรดชีตของเราเองได้อย่างง่ายดาย