A Parametric Study of Tall Timber Buildings

Abstract

DynaTTB er et forskningsprosjekt som fokuserer på den dynamiske responsen til høye trehus påvirket av laster i bruksgrensetilstanden. Et av målene til prosjektet er å identifisere effekten ulike stivhets-, masse- og dempningsparametere har på den dynamiske responsen av bygget. Det meste av arbeidet med oppgaven har vært dedikert til utvikling av en parametrisk elementmodell. Modellen er programmert i Python og brukes med elementprogrammet Abaqus. Modellen er definert av mange ulike parametere relatert til geometri, masse, stivhet og demping i både fundament, konstruksjonsdeler, knutepunkt osv. Alle disse parameterne er samlet i en Microsoft Excel fil for å gjøre oppsettet av modellen brukervennlig.

Den parametriske modellen er deretter brukt for å modellere Mjøstårnet, som med en høyde på 85,4 m er verdens høyeste trehus. En sensitivitetsstudie er gjennomført der sensitiviteten til de tre fundamentale frekvensene for endringer i et utvalg stivhetsparametere er målt. Noen av parameterne som viser seg å ha størst påvirkning er den vertikale stivheten til fundamentene, den aksielle stivheten til knutepunkt i de diagonale avstiverne og stivheten i de ytre veggelementene. På den andre siden er stivheten til gulvdekkene og rotasjonsstivheten til fundamentene blant parameterne som viser seg å være relativt uviktige.

Parameterne som sensitivitetsstudien viser at er viktigst blir deretter inkludert i en enkel modelloppdateringsprosedyre, der målet er å finne verdier av parameterne som gir like resultater som målingene av det eksisterende bygget. Tre ulike gjennomkjøringer er presentert og resultatene er diskutert.

Til slutt er den oppdaterte modellen av Mjøstårnet brukt til å demonstrere mulighetene det parametriske scriptet har for å utføre vindlastanalyser i henhold til Eurokoden. En parameterstudie er utført der ulike demping og vindrelaterte parametere er modifisert. Videre er den resulterende akselerasjonen studert. Resultatene er sammenlignet med målinger og anbefalte grenseverdier.

DynaTTB is a research project dedicated to the response of tall timber buildings under service loads. One of the objectives for the project is to identify the effects of different stiffness, mass and damping parameters on the dynamic response of the structure. The main part of this thesis has been dedicated towards the development of a parametric finite element model. The model is programmed in Python and is intended for use with the finite element software Abaqus. The model offers a variety of different parameters related to geometry, mass, stiffness and damping of both the foundation, structural members, connections etc. All of which are gathered in a Microsoft Excel file to make the setup user-friendly.

The parametric model is then used to model Mjøstårnet, which at 85.4 m is the tallest timber building in the world. A sensitivity study is conducted where the sensitivity of the three fundamental frequencies for changes in a variety of different stiffness parameters is measured. Some of most important parameters are found to be the vertical foundation stiffness, axial stiffness of connections in the bracing system and the stiffness of the exterior wall panels. On the other hand, the stiffness of the floors and the rotational stiffness of the foundations are among the parameters found to be relatively unimportant.

The parameters found to be most important in the sensitivity study are then included in a simple model updating routine where the aim is to find the values of the parameters that yields the same model output as measured in real life. Three different runs are presented and the results are discussed.

Finally, the updated model of Mjøstårnet is used to demonstrate the capabilities of the script to perform wind load analyses after the Eurocode. A parameter study is performed where different damping and wind-related parameters are modified and the acceleration response is studied. The results are compared with on-site measurements and recommended threshold values.