Dramsvegen Panorama – Modal dynamics in tall CLT buildings

Abstract

Som følge av miljøfordelene ved å bygge med trevirke har det de siste ti årene vært en betydelig økning interessen for å bygge høyhus i tre. Et av materialene som har gjort det mulig å bygge såpass høyt, er krysslaminert trevirke (CLT). Dette er et relativt nytt massivtre-produkt, og antallet høye bygninger laget av CLT er derfor begrenset. På grunn av dette er kjennskapen til de dynamiske egenskapene fortsatt usikre, og hvordan man best skal modellere slike bygg er heller ikke fullstendig utforsket.

Hovedmålet med denne masteroppgaven er derfor å undersøke de dynamiske egenskapene til to CLT-bygg i Tromsø ved å bruke en operasjonell modal analyse (OMA) kalt frekvensdomene dekomposisjon (FDD). De to bygningene ble utstyrt med akselerometre, og akselerasjonsdata ble samlet inn våren 2021. Disse målingene er analysert, og ut i fra dette er de naturlige frekvensene, svingeformene og dempningsforholdene funnet.

I tillegg er en parametrisk elementmodell utviklet i Abaqus ved å bruke diskrete festemidler kalt connectors til å modellere sammenføyningene mellom CLT-elementer. Stivheten i disse connectorene kontrolleres av to globale parametre: aksialt stivhets-forholdstall (ASR) og glidnings-stivhetsforholdstall(SSR). Demping i forbindelser dekkes ved å definere to globale dempingsparametre for viskøs demping i forbindelser. Én dekker demping i aksialdeformasjon i festemidler, den andre dekker demping for glidning i forbindelser.

En parameteroptimalisering av modellene er også gjennomført for å studere hvordan modellen responderer på ulike parametersammensetninger, samt for å vurdere validiteten til modelleringsteknikken. Hver av modellene ble kjørt med ulike sammensetninger av ASR og SSR, for å få resultatene så like de målte verdiene som mulig. Dette førte til konklusjonen at modelleringsteknikken klarer å reprodusere de ønskede modale verdiene for begge bygningene. Samtidig tyder det på at det å skulle bruke metoden for å predikere de modale egenskapene til andre bygg er mer usikker, ettersom det å bytte om på de optimaliserte stivhets-forholdstallene for de to bygningene ikke fører til gode resultater.

Due to the environmental benefits of timber as a building material, there has in the last decade or so, been a significant rise in the popularity and interest in timber for construction of tall buildings. One popular timber product in modern projects is Cross laminated timber, CLT. This is a relatively new engineered wood product, and the number of tall CLTbuildings are very limited. Consequently, the dynamic properties of CLT-structures and how to model the buildings accurately and practically is not thoroughly understood.

The main goal of this thesis is therefore to investigate the modal properties of two CLTbuildings in Tromsø by using an operational modal analysis (OMA) -procedure called frequency domain decomposition (FDD). Acceleration data from the two buildings taken in the spring of 2021 was made available, and from this, the natural frequencies, mode shapes and damping ratios are found.

In addition to this, a parametric finite element model was developed in Abaqus, by using discrete fasteners called connectors to model the joints between the CLT-plates. The stiffness of the connections are controlled by two global parameters: axial stiffness ratio (ASR) and sliding stiffness ratio (SSR). Damping in the connections is implemented by defining two global viscous damping values, similar to the stiffness parameters, where one covers damping in the axial deflection of connections, and the other covers damping in the sliding of connections.

A parameter optimization of the models is performed to investigate the performance and validity of the modeling scheme. Each model is run with different combinations of ASR and SSR, in order to match the results from the data analysis as closely as possible. This led to the conclusion that the modeling approach is able to reproduce the desired frequencies for both buildings. However, the use of the method to predict the dynamic properties of a building is more uncertain, because the interchange of the optimized stiffness ratios of the two buildings does not yield very good results.