A parametric analysis of CLT walls and outrigger structural systems in tall timber buildings

Abstract

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 mer tradisjonelle materialer som betong og stål. Selv med tre sitt gunstig miljøavtrykk, er det ofte problematisk for høyhus i tre å imøtekomme kravene fra bruksgrensetilstanden. På grunn av den lave vekten og den mellomliggende stivheten til tre, er høyhus i tre ofte mer utsatt for store vibrasjoner og horisontalforskyvninger ved belastning fra vind enn tilsvarende bygg i betong og stål.

Eurokoden inneholder retningslinjer for akseptabel horisontalforskyvninger i trebygg. Disse grensene varierer ofte fra prosjekt til prosjekt. Standarden, ISO 10137 gir retningslinjer for akseptabel akselerasjon. Beregning av vind-induserte akselerasjoner er komplisert og tidkrevende. I tillegg er opplevelsen av vibrasjonene ofte basert på menneskelig oppfatning. Denne masteroppgaven ser 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 er gjennomført 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 henholdsvis 8,10,12,14,16 og 18 etasjer. Det ble utført totalt 291 600 analyser. Analysene ble gjennomført ved 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 ble optimalisert i parameterstudiet.

Resultatene har flere interessante aspekter ved seg - for det første ble den optimale plasseringen av krysslaminert tre-vegger, og plassering av outriggers testet for både et enkelt- og et dobbelt outrigger-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 for bygninger med to outriggere var å plassere outriggerne i etasjene nærmest 1/3 og 2/3 av høyden til bygningen. En ekstern kjerne av krysslaminert tre-vegger er langt bedre enn et system med en intern kjernestruktur av krysslaminert tre-vegger. Som referanse hadde en 10-etasjers bygning med en enkelt Outrigger en reduksjon i akselerasjonen på 38,9 %, avdriften mellom etasjene på 56,4 % og toppetasjens forskyvning på 58,2 %.

For det andre ble outrigger systemets stivhet og avstivningsgeometri undersøkt. Den optimale effektive aksialstivhet ble utledet og satt til 330kN/mm. Effekten av aksialstivheten har vist seg å avta raskt med små økninger av aksialstivhet i elementene. Chevron-avstivningssystemet viste seg å yte bedre i akselerasjon og horisontalforskyvninger sammenlignet med de andre testede avstivningssystemene 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 GitHub i vedlegget.

Increased urbanization and environmental factors have led to a surge in the construction of tall timber 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 beneficial environmental properties, high-rise timber buildings commonly struggle to fulfill serviceability requirements. Due to the light weight and intermediate stiffness of wood, timber buildings are prone 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 some guidelines for acceleration requirements. Wind-induced acceleration is a complex matter; it is a lengthy calculation. In addition, the experience of vibrations is based on human perception. This master thesis aims to investigate the serviceability limit state (SLS) issues for tall timber structures and how outriggers can improve performance. An outrigger system increases a multistory buildings overturning stiffness and strength. The authors have chosen to define "tall structures" as all structures rising above 25 meters. The study is done through a parametric analysis of planar semi-rigid timber frames. The work is theoretical and does not involve experimental work. The semi-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 8,10,12,14,16 and 18 floors. A total of 291 600 analyzes were performed. The analyze was done through the development of a routine in Python with the extension package OpenSeesPy. OpenSeesPy is a software that facilitates model and simulation procedures through incorporated modules. The placement of the outrigger, cross laminated timber core-system, bracing shape and axial stiffness was optimized.

The results have some critical takeaways. First, the optimal cross laminated timber core structure and outrigger locations were tested for both a single- and a double outrigger system in terms of acceleration. The conclusions for a single system were to place the outrigger on the floor closest to the 1/2-height of the building. The conclusion for the double outrigger system was to place the outriggers on floors closest to the 1/3 and 2/3 floor-level of the building height. A system with an external cross laminated timber core system is far better than a system with an internal cross laminated timber core structure. As a reference, a 10-story building with a single outrigger structure had a reduction in acceleration of 38.9 %, drift between floors of 56.4 %, and displacement of the top floor of 58.2 %.

Second, the stiffness and shape of the bracing system were explored. The optimal effective system axial stiffness was derived and set to 330kN/mm. The effect of axial stiffness has been shown to diminish rapidly with small increments of axial stiffness in the members. The chevron bracing system was proven to perform better in acceleration, interstory drift, and top floor displacement with identical members compared to the other bracing systems. Most of the workload lies within the development of the parametric analysis tool.

To understand the magnitude of the work it is essential to review the tool and its many functionalities. Due to the extent of the code it was necessary to make it available through GitHub in the appendix.