A parametric analysis of CLT walls and outrigger structural systems in tall timber buildings
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3021075Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Økt urbanisering og klimafokus har ført til en økning i bygging av høyhus i tre. Tre er et natur-lig materiale som kan bidra til å redusere karbonavtrykket til høyhus, sammenlignet med mertradisjonelle materialer som betong og stål. Selv med tre sitt gunstig miljøavtrykk, er det ofteproblematisk for høyhus i tre å imøtekomme kravene fra bruksgrensetilstanden. På grunn avden lave vekten og den mellomliggende stivheten til tre, er høyhus i tre ofte mer utsatt for storevibrasjoner og horisontalforskyvninger ved belastning fra vind enn tilsvarende bygg i betong ogstål.
Eurokoden inneholder retningslinjer for akseptabel horisontalforskyvninger i trebygg. Disse grensenevarierer ofte fra prosjekt til prosjekt. Standarden, ISO 10137 gir retningslinjer for akseptabelakselerasjon. Beregning av vind-induserte akselerasjoner er komplisert og tidkrevende. I tillegger opplevelsen av vibrasjonene ofte basert på menneskelig oppfatning. Denne masteroppgavenser på problemer knyttet til bruksgrensetilstand for høyhus i tre, og hvordan avstivning kan re-dusere problemet. Avstivningssystem ved bruk av outriggers kan øke styrke og stivhet i høyhus.Kandidatene har valgt å definere høyhus som alle bygg som er 25 meter eller høyere. Studien ergjennomført ved et parameterstudie av plane momentstive trerammer. De momentstive rammene,brukt i analysen, er inspirert av det norske forskningsprosjektet Woodsol.
Studien ble utført gjennom et parameterstudie av plane momentstive rammer på henholdsvis8,10,12,14,16 og 18 etasjer. Det ble utført totalt 291 600 analyser. Analysene ble gjennomførtved hjelp av Python og en tilleggspakke i Python kalt OpenseesPy. OpenseesPy forenkler modell-og simuleringsprosedyrer gjennom integrerte moduler gitt av OpenSees. Plassering av outrigger,plassering av krysslaminerte tre-vegger, geometri på outrigger og aksialstivhet i outriggeren bleoptimalisert i parameterstudiet.
Resultatene har flere interessante aspekter ved seg - for det første ble den optimale plasseringenav krysslaminert tre-vegger, og plassering av outriggers testet for både et enkelt- og et dobbeltoutrigger-system med hensyn til akselerasjon. Konklusjonen for en bygning med et outrigger-system var å plassere outriggeren i etasjen nærmest 1/2 av høyden til bygningen. Konklusjonen forbygninger med to outriggere var å plassere outriggerne i etasjene nærmest 1/3 og 2/3 av høydentil bygningen. En ekstern kjerne av krysslaminert tre-vegger er langt bedre enn et system meden intern kjernestruktur av krysslaminert tre-vegger. Som referanse hadde en 10-etasjers bygningmed en enkelt Outrigger en reduksjon i akselerasjonen på 38,9 %, avdriften mellom etasjene på56,4 % og toppetasjens forskyvning på 58,2 %.
For det andre ble outrigger systemets stivhet og avstivningsgeometri undersøkt. Den optimaleeffektive aksialstivhet ble utledet og satt til 330kN/mm. Effekten av aksialstivheten har vistseg å avta raskt med små økninger av aksialstivhet i elementene. Chevron-avstivningssystemetviste seg å yte bedre i akselerasjon og horisontalforskyvninger sammenlignet med de andre testedeavstivningssystemene i denne masteroppgaven.
Mesteparten av arbeidsmengden ligger innenfor utviklingen av det parametriske analyseverktøyet.For å forstå omfanget av arbeidet er det viktig å gjennomgå verktøyet og dets mange funksjonal-iteter. På grunn av omfanget av koden var det nødvendig å gjøre den tilgjengelig gjennom GitHubi vedlegget. Increased urbanization and environmental factors have led to a surge in the construction of talltimber buildings. Wood is a natural material that reduces the carbon footprint of a structure,compared to more traditional materials such as concrete and steel. Although wood has beneficialenvironmental properties, high-rise timber buildings commonly struggle to fulfill serviceabilityrequirements. Due to the light weight and intermediate stiffness of wood, timber buildings areprone to excessive vibrations and lateral deformations under wind loads.
The Eurocodes proposes some guidelines for acceptable top-floor displacement and interstory drift.However, these limits often vary in different projects. The ISO-standard (ISO 10137) [1] gives someguidelines for acceleration requirements. Wind-induced acceleration is a complex matter; it is alengthy calculation. In addition, the experience of vibrations is based on human perception. Thismaster thesis aims to investigate the serviceability limit state (SLS) issues for tall timber structuresand how outriggers can improve performance. An outrigger system increases a multistory buildingsoverturning stiffness and strength. The authors have chosen to define "tall structures" as allstructures rising above 25 meters. The study is done through a parametric analysis of planarsemi-rigid timber frames. The work is theoretical and does not involve experimental work. Thesemi-rigid frames used in the analysis are inspired by the Norwegian research project Woodsol [2].
The research was carried out with a parametric study of semi-rigid planar frames of 8,10,12,14,16and 18 floors. A total of 291 600 analyzes were performed. The analyze was done through thedevelopment of a routine in Python with the extension package OpenSeesPy. OpenSeesPy is asoftware that facilitates model and simulation procedures through incorporated modules. Theplacement of the outrigger, cross laminated timber core-system, bracing shape and axial stiffnesswas optimized.
The results have some critical takeaways. First, the optimal cross laminated timber core structureand outrigger locations were tested for both a single- and a double outrigger system in terms ofacceleration. The conclusions for a single system were to place the outrigger on the floor closestto the 1/2-height of the building. The conclusion for the double outrigger system was to placethe outriggers on floors closest to the 1/3 and 2/3 floor-level of the building height. A systemwith an external cross laminated timber core system is far better than a system with an internalcross laminated timber core structure. As a reference, a 10-story building with a single outriggerstructure had a reduction in acceleration of 38.9 %, drift between floors of 56.4 %, and displacementof the top floor of 58.2 %.
Second, the stiffness and shape of the bracing system were explored. The optimal effective systemaxial stiffness was derived and set to 330kN/mm. The effect of axial stiffness has been shownto diminish rapidly with small increments of axial stiffness in the members. The chevron bracingsystem was proven to perform better in acceleration, interstory drift, and top floor displacementwith identical members compared to the other bracing systems.Most of the workload lies within the development of the parametric analysis tool.
To understandthe magnitude of the work it is essential to review the tool and its many functionalities. Due tothe extent of the code it was necessary to make it available through GitHub in the appendix.