Parametric Study of a Tall Timber Building in Økern Centre

Abstract

I Økern Sentrum er det behov for byplanlegging. Dette inkluderer studie av et høyhus i tre plassert på Økerntunnelen. Tre er antatt å være en bedre løsning for dette formålet på grunn av lav egenvekt. Målet for oppgaven er å konstruere et høyhus i tre uten å overskride tunnelkapasiteten. Struktursystemene undersøkt er horisontalt avstivet med diagonaler. Dette prosjektet er begrenset til å undersøke bruddgrensetilstand, bruksgrensetilstand, brannmotstand og jordskjelvsberegninger for bygget.

Den første delen av rapporten beskriver relevant teori og lastdefinisjoner. Tre som et konstruksjonsmateriale og konstruksjonssystemet til Mjøstårnet er presentert. Laster, dynamikk, vindteori, brann og seismisk prosedyre følger videre. Dynamo og Robot ble brukt for modellering og analyser. Modellen ble designet rektangulært med et fotavtrykk på 19,2x32m. Dekkesystemet var komponert av GL30c (limtre) bjelker og Kerto Q (laminert finer) flenser, mens i alle andre elementer ble limtre brukt.

Et parameterstudie ble utført for å kartlegge respons og akselerasjon av tre-bygningen. Fem modeller ble analysert, hvor tverrsnittsstørrelse, stivhet av knutepunkt, innsetting av masse og avstivningssystem ble variert. Egenfrekvens og masse ble brukt til å beregne akselerasjonene. Noen av parametrene ble kombinert og sjekket for bruddgrensetilstand, bruksgrensetilstand, brann og jorskjelv. Til slutt så ble en portefølje av løsninger presentert.

Den mest utfordrende designkrav var å overkomme vibrasjonskriterie. I kalkulasjoner for akselerasjon ble returperioden satt til 1 år (cprob=0,73). Den mest effektive løsningen for reduksjon av akselerasjon var å ha mer stivhet eller masse, eller begge. Verken jorskjelvs- eller brannkrav så ut til å være kritiske. Dette årsakes lite seismisk aktivitet i Norge, og at store tverrsnitsdimensjoner ble brukt til fordel for brannmotstand.

For ikke å overgå tunnelkapasiteten så måtte totalvekten av bygningen samt reaksjonskraft ved fundamentene være innenfor gitte grenser. Maksimal reaksjonskraft ved nederste søyler var 8768 kN, og den totale vekta av bygningen kunne ikke overgå 7 652 070 kg. På bakgrunn av alle designog vektkriterier, var vi i stand til å muliggjøre 14- og 16-etasjer høyhus ved bruk av tre.

In Økern Centre there is a need for urban development. This includes an investigation of a tall building placed on Økerntunnelen. Wood is believed to be a better option for this purpose due to low self weight. The aim is to have a tall timber structure without exceeding tunnel capacity. The structures studied have a system where diagonals are used for horizontal bracing. This project work is limited to examine ultimate limit state, serviceability limit state, fire capacity and earthquake design of the building.

The first part of the assignment describes applied theory and load definitions. Timber as a construction material and the structural system of Mjøstårnet is presented. Loads, dynamics, wind theory, structural fire and seismic procedure follows next. Dynamo and Robot were used for the modelling and analysis. The structure was modelled as rectangular shape with footprint area on 19,2x32m. Timber decks were made up of GL30c (GLT) beams and Kerto Q (LVL) flanges, with all other elements being glulam bars.

A parametric study was done to map response and accelerations of the timber building. Five models were investigated, with changes made to cross section size, connection stiffness, mass insertion and bracing system. The natural frequency and mass were used to calculate the accelerations. Some combinations of variables were checked for ULS, SLS, fire and seismic design. In the end, a set of final solutions were displayed.

Most challenging design requirement to overcome was the vibration criterion. In acceleration calculations, return period was set to 1-year (cprob=0,73). The most effective way to reduce accelerations was to add stiffness or mass, or both. Neither seismic- nor fire design seemed to be critical. This is because of low seismicity in Norway, and there are used massive cross sections in favour of structural fire.

To avoid exceeding tunnel capacity, the total building weight and base reaction needed to be within the given limit. The maximum base column force was 8768 kN, and the maximum permissible building weight was 7 652 070 kg. Within all design and weight criteria, we were able to design a 14- and 16-storey timber building.