Dimensjonering og modellering av høye trehus

Abstract

Byggebransjen er i konstant utvikling, og for at byggebransjen skal holde følge med utviklingen i verden, med økende klimagassutslipp og stadig større forbruk, så må det utvikles innovative og mer miljøvennlige løsninger. De siste årene har det vært et økende ønske om å bytte ut konstruksjonsmaterialer som stål og betong, med treverk. Selv om trevirke er et mer miljøvennlig materiale, oppstår det utfordringer med tanke på bæreevne. Oppgaven baserer seg på et forskningsprosjekt som handler om nettopp innovativ og miljøvennlig bygging. I prosjektet undersøkes det om det lar seg gjøre å konstruere trehus opp til åtte etasjer med bindingsverkselementer. Det er i dag ingen slike bindingsverkshus i åtte etasjer i Norge, noe som gjør det vanskelig å kontrollere funnene i oppgaven. Om prosjektet lykkes, vil lette og ressurseffektive trehus også kunne bli bygget i urbane strøk, hvor det er vanskelig å utkonkurrere mer miljøfiendtlige bygg. Forskningsprosjektet handler også om mulighetene i å bruke parametrisk design for å effektivisere kompleks elementproduksjon. Trehus av denne høyden konstrueres det flere av i dag, men disse er ofte konstruert med limtrebjelker i en fagverksmodell, eller tre i kombinasjon med stål. Fordelen med bindingsverk er at det er mer miljøvennlig og ressurseffektivt. Ved å bruke elementer vil også hele byggeprosessen effektiviseres. Analyseprogrammet FEM-Design ble tatt i bruk tidlig i prosjektfasen hvor gruppemedlemmene først måtte lære seg programmet. Videre ble flere typer modeller utarbeidet, og ulike avstivningssystem ble testet. Konstruksjonen i modellene baserte seg på en IFC-modell levert av Veidekke Eiendom. Denne modellen hadde også blitt brukt av SWECO Norge AS, som i 2019 vurderte noen av utfordringene i forskningsprosjektet nevnt over. Det ble vurdert både konstruksjonsprinsipper (Østvold, 2019) og brannegenskaper (Isaksen, 2019). Disse rapportene ble mye av utgangspunktet for oppgaven, og funnene i dem ble bygget videre på ved hjelp av FEM-Design og håndberegninger. Dimensjoneringsgrunnlaget er basert på at bygget skal stå i Trondheim kommune i et boligområde nært sentrum. Det er allerede et lignende bygg rent estetisk, som er satt opp av Veidekke Eiendom på Lilleby. Det ble undersøkt tre forskjellige metoder for avstivning under modelleringen, hvorav to av disse var basert på SWECO Norge AS sine forslag. De to første modellene er bygget opp av veggskiver som er gjennomgående for hele konstruksjonen, hvor den ene modellen er konstruert med en ekstra ønskevegg. Den tredje modellen ble bygget opp som en bindingsverksmodell. Denne ble mer utsatt for horisontale laster, da den er konstruert kun med bjelkelag, stendere og avstivende veggskiver. Noen av utfordringene med FEM-Design var at de hadde ikke nøyaktig de komposittene som ville blitt brukt i praksis. Men det ble brukt kompositter med like egenskaper og kapasiteter. Resultatene viste at det vil være mulig å konstruere ett åtte-etasjes trehus med bindingsverkselementer. Dimensjonene som gruppen kom fram til vil ha god nok kapasitet, og elementene er produserbare i dagens produksjonslinjer hos Støren Treindustri AS.

The construction industry is constantly evolving, and for the industry to keep up with a constantly evolving world, with ever-increasing greenhouse gas emissions and pollution, innovative and sustainable solutions must be implemented. Timber is one of the materials companies are aspiring to exchange steel and concrete with. Even though timber is a more environmentally friendly material, it still does not match some of the other materials in terms of capacity and price. The thesis is based on a research project that covers both innovation and eco-friendly construction. The project investigates whether it is possible to construct wooden buildings up to eight floors, using only timber framing elements. As of May 2021, no buildings of this type in exists in Norway, making it hard to validate the results of the thesis. The research project also examines the possibilities of using parametric design to make production of complex timber framing elements easier. In today’s market, tall wooden constructions most often consist of glued laminated timber in a truss model, or timber in combination with other materials. The benefits of using timber framing are mostly environmental, but elements of this type can also help streamline the entire construction process. The use of FEM-Design for modeling and analysis was implemented early in the project Besides learning to use the program properly, the group created several models, and finally tested different bracing systems against each other. The models were based on an IFC-model created by Veidekke Eiendom. The building in the IFC-model is situated in Trondheim municipality, in a residential area close to the city center. This became the basis for the dimensioning process. The IFC-model has also been previously used by SWECO Norge AS, which in 2019 assessed some of the challenges in the research project mentioned above. Both construction principles (Østvold, 2019), and fire properties (Isaksen, 2019) were assessed by SWECO Norge AS. The reports became the starting point of the thesis, and the group continued to build on the finds in the report using FEM-Design and hand calculations. We further inspected three different methods, in which two of these was based on SWECO Norge AS’ suggestions. The first two models are constructed with wall panels which spans throughout the entire building. One of the two models were also constructed with a desired extra wall panel. The third model was constructed using the timber-frame method. This last model was more exposed to horizontal loads, because of it being constructed only using, joists, wall studs and bracing wall panels. Some of the challenges in using FEM-Design was that the program was missing realistic composites that would have been used in building. It was substituted using composites with similar properties and capacities. The results showed that it would be possible to construct an eight-story building using only timber frame elements. The dimensions that the group found will have good enough capacity in the given situation, and the elements can be produced in the current production lines at Støren Treindustri AS.