| dc.description.abstract | Eurokodene inneholder utfyllende informasjon om dimensjoneringsprinsipper og veiledning for betong- og stålkonstruksjoner. For bærende konstruksjoner i tre er det mangler innenfor dimensjoneringsprinsipper og veiledning ved valg av konsept for bæresystem. Manglene skyldes langvarig historisk murtvang og forbud mot bruk av tre i større konstruksjoner som følge av store bybranner i små trehus. De siste tiårene har forbudet mot bruk av tre i mindre og større konstruksjoner blitt hevet i flere land, og bruken av tre som bærende materiale har blitt mer og mer utbredt. På grunn av det langvarige forbudet mot bruk av tre som bærende materiale, har dimensjoneringsprinsipper og konseptuelle løsninger i trekonstruksjoner ikke blitt utviklet i samme grad som for stål og betongkonstruksjoner. I dag vokser industrien for trekonstruksjoner eksponentielt, og dimensjoneringsprinsipper og konsepter utvikles i et svært høyt tempo.
En av hovedutfordringene i trekonstruksjoner er å tilfredsstille bruksgrensetilstanden med tanke på deformasjoner og akselerasjoner. For å bidra til å løse denne utfordringen, tar denne masteroppgaven for seg den dynamiske responsen til halvstive trekonstruksjoner under dynamiske vindlaster. Eurokodene bruker en forenklet metode kalt vindkastmetoden (engelsk: gust factor approach) for å estimere vindlaster og dynamisk respons av konstruksjoner. I denne masteroppgaven blir vindkastmetoden og en teoretisk generalisert vindlastmetode (engelsk: generalized wind load) i tidsdomenet brukt til å estimere vindlaster og dynamisk respons av konstruksjoner. På grunn av forenklinger som er gjort i vindkastmetoden, sammenliknes den med den generaliserte vindlastmetoden.
Basert på vindkastmetoden og den generaliserte vindlastmetoden i tidsdomenet skapes en stor database av den dynamiske responsen til halvstive plane rammer i tre med forskjellige stivhets-, dempings- og masseegenskaper. Trerammene utsettes for ulike vindlaster i form av referansevindhastigheten. Til sammen er mer enn 1 million forskjellige trerammer simulert for forskjellige vindlaster. Dette har resultert i en database som inneholder mer enn 12 millioner simuleringer totalt. Databasen er visualisert i form av histogrammer, og noen generelle observasjoner gjøres. Ikkelineære empiriske uttrykk foreslås for akselerasjonene, deformasjonene og for de naturlige frekvensene, og forskjellene mellom vindkastmetoden og den generaliserte vindlastmetoden i tidsdomenet undersøkes.
I denne masteroppgaven fremsettes og valideres en hypotese om en sigmoidisk oppførsel mellom den naturlige frekvensen og rotasjonsstivheten til knutepunkter. Basert på den observerte oppførselen blir en frekvensreduksjonsfaktor (engelsk: frequency reduction factor) formulert, og en stivhetsindeks for randbetingelsene (engelsk: support rigidity index) til konstruksjonen definert. Stivhetsindeksen for randbetingelsene tar høyde for rotasjonsstivheten til knutepunktene i søylene mot fundamentet. Ved bruk av frekvensreduksjonsfaktoren kan den naturlige frekvensen til halvstive rammer estimeres med en gjennomsnittlig feil på mindre enn 5% innenfor grensene til de simulerte rammene.
Effekten av jevnt og ujevnt fordelt masse i konstruksjonen undersøkes, og resultatene diskuteres for både vindkastmetoden og den generaliserte vindlastmetoden. En forskjell i resultatene mellom de to metodene oppdages i forbindelse med ujevnt fordelt masse i konstruksjonen, og effekten av fordelingen av masse presenteres. For en ujevnt fordelt masse, vil ekstra masse plassert på toppen av konstruksjonen være best med tanke på dynamisk respons for vindlaster. Ved en slik plassering av ekstra masse kan akselerasjonene bli redusert signifikant dersom tilstrekkelige mengder masse blir brukt. | |
| dc.description.abstract | The Eurocodes contain extensive information on the design principles and guidelines for concrete and steel structures. However, there is an information and knowledge gap on the design principles and concepts of load-bearing timber structures. The lack of knowledge comes from the long-standing ban on the use of timber in structural elements worldwide after extensive city-wide fires in small timber structures. However, the use of timber in structural elements is becoming more and more common as the bans on timber structures are lifted. Due to the long-standing ban on timber structures, the design concepts, and principles in the design of such structures have not been developed to the extent of steel and concrete structures. At present, the timber industry is expanding at an exponential rate, and the design principles and concepts are developed at a very fast pace.
One of the main challenges in timber structures is fulfilling the serviceability criteria with respect to deformations and accelerations. To address this challenge, this thesis is directed at the dynamic response of semi-rigid timber structures subjected to dynamic wind loads. The Eurocodes use a simplified method, called the gust factor approach, to estimate the wind loads and the dynamic response. In this thesis, both the gust factor approach and the theoretical time-domain generalized wind load method are used to estimate the dynamic response. Due to the simplifications of the gust factor approach, a comparison of the gust factor approach and the time-domain generalized wind load method is performed.
Based on the gust factor approach and the time-domain generalized wind load method, an extensive database of the dynamic response consisting of semi-rigid timber frames with different stiffness, damping, and mass properties is generated. The timber frames are subjected to different wind loads in terms of the fundamental value of the basic wind velocity. In total, more than 1 million unique timber frames are simulated for different wind loads, resulting in a database consisting of more than 12 million simulations in total. The database is visualized in as histograms, and some general observations are made. Nonlinear regressions are formulated for the accelerations, displacements, and the natural frequency, and the deviations between the gust factor approach and the time-domain generalized wind load are investigated.
In this thesis, a sigmoid relationship between the natural frequency and the connection stiffness is hypothesized, and subsequently validated. Based on the observed relationship, a novel frequency reduction factor is formulated, and a support rigidity index is defined to account for the rotational support stiffness. From the frequency reduction factor, the natural frequency of semi-rigid frames can be predicted with an average error of less than 5% within the simulated range.
The effect of uniform and nonuniform mass distributions in the structure is investigated, and the resulting data are discussed for both the gust factor approach and the time-domain generalized wind load. A deviation between the two methods is discovered in relation to a nonuniform mass distribution, and the effects of the mass distribution are presented and discussed. The optimal location for passive mass is at the top of the structure, where the accelerations can be reduced significantly if sufficient mass is added. | |
