Long-Span Brettstapel Roof Structures: A Parametric Design Approach

Abstract

Bakgrunn: Tre har økt i popularitet som et konstruksjonsmateriale de siste årene, på grunn av et økt fokus på klimaendringer og materialets status som miljøvennlig. I en tid hvor digitalisering gjennomsyrer byggebransjen er kunnskap om hvordan det komplekse materialet kan modelleres avgjørende, og forskning på dette området kreves fremdeles. Massivtre åpner for bruk av tre til flere konstruktive formål. Men, de sammensatte tre-elementene kompliserer den digitale modelleringsprosessen ytterligere.

Formål: Denne studien er en todelt undersøkelse av (1) hvordan Norsk Massivtres kantstilte massivtre-element, "Brettstapel", kan utnyttes til å skape takkonstruksjoner med lange spenn over 20 meter, (2) hvordan tre generelt, og massivtre spesielt, kan bli modellert og utforsket digitalt.

Metode: Norsk Massivtres Brettstapel element, og ulike takkonstruksjoner bestående av denne, er modellert og analysert ved hjelp av parametrisk design-verktøy og tradisjonelle CAD-programmer. De utforskede takkonstruksjonene er som følger: skrå og flate underspente tak, foldede W-tak og skråtak med Brettstapel-bjelker. En teoretisk sammenligning av Brettstapel og kryss-laminert tre (CLT) er gjennomført for å få kunnskap om Brettstapel's potensiale som materiale for takplater.

Resultat: En digital modell av Brettstapel med FEM 3D solide elementer gir en tilfredsstillende simulering av responsen. Forenklede parametriske modeller, ved bruk av FEM skall-elementer, indikerer et potensiale for takkonstruksjonene med lange spenn. Ved å ta begrensninger og feilkilder med i betraktningen, er det de underspente takkonstruksjonene som virker mest lovende. Sammenlignet med CLT har Brettstapel fordeler i forhold til annet arealmoment og rulleskjær.

Konklusjon: Resultatene indikerer at massivtres anisotropi og geometriske kompleksitet må tas i betraktning gjennom volumetrisk FEM-modellering for å gi nøyaktige resultater. Hjelpemidler innen parametrisk design kan utnyttes til å gi informasjon om geometri og konstruktivt potensiale. Men, de parametriske modellene er for forenklede til å gi detaljert konstruktiv informasjon. Resultatene i denne studien kan være nyttige for både fremtidig forskning og for den kommersielle industrien.

Background: Timber has gained popularity as a structural material in recent years, due to increased focus on climate change and its eco-friendly credentials. In an age where digitalization permeates the building industry, knowledge on how to model the complex material is pivotal, and research on this topic is still required. Massive timber has emerged in the industry as a way to expand timber's structural applications. However, the compound elements further complicate the digital modeling process.

Objective: This study is a twofold investigation of (1) how Norsk Massivtre's massive timber element, the Brettstapel, can be utilized for long-span roof structures exceeding 20 meters, (2) how timber in general, and massive timber in particular, can be investigated in the digital environment.

Method: Norsk Massivtre's Brettstapel, and long-span roof structures involving the Brettstapel, are modeled and analyzed using parametric design tools and traditional CAD software. The investigated roof structures are the pitched and flat under-spanned roofs, the folded W-roof, and a pitched roof with Brettstapel beams. A theoretical comparison between the Brettstapel and cross-laminated timber (CLT) is conducted to elucidate Brettstapel's potential as a material for roof plates.

Results: A digital model of the Brettstapel with FEM 3D solid elements give a satisfactory simulation of its behavior. Simplified parametric models, using FEM shell elements, indicate a potential for the long-span roof structures. Taking limitations and sources of error into account, the under-spanned structures seem most promising. Compared to CLT, the Brettstapel has advantages regarding the second moment of inertia and rolling shear.

Conclusion: The results indicate that the anisotropy and geometric complexity of massive timber must be taken into account through volumetric FEM-modeling to provide accurate results. The parametric environment can be utilized to provide information regarding geometry and structural potential. However, the parametric models are too limited to give detailed structural information. The findings in this study can be useful both for future research and the commercial industry.

Keywords: Massive timber, Brettstapel, Parametric design