Konseptuell utvikling og optimalisering av komposittdekker i tre

Abstract

Formålet med denne oppgaven har vært å optimalisere et dekkeelement av tre som har konkurransedyktige egenskaper sammenlignet med hulldekker av betong. Dekket skulle optimaliseres for CO2-utslipp gjennom materialvalg og materialeffektivitet. Effekten av å benytte fast innspenning til søyler i dekkets hjørner samt feste flere dekker sammen skulle også utforskes.

I den innledende prosjektoppgaven for denne masteroppgaven ble det gjennomført et litteratursøk. Det la et grunnlag for å kunne sortere ut hva som var uviktig eller mindre gode løsninger, for så å arbeide videre med lovende eller allerede gode løsninger. Deretter ble det utviklet et script som kunne parametrisere variablene for hvilke materialersammensetninger og dimensjoner som skulle bli numerisk analysert i beregningsprogrammet Abaqus, som er benyttet underveis i masteroppgaven. Dette scriptet ble forbedret og kontinuerlig utviklet etterhvert som oppgaven beveget seg fremover i prosessen med å optimalisere dekket.

Etter å ha utforsket ulike opplagerbetingelser og antall sammenkoblede dekker, ble det besluttet å optimalisere et dekkesystem hvor to og to dekker hang sammen. Dekkene ble festet i fire søyler med fast innspenning i ytre hjørner, og støttet opp av bærende bjelker mellom søylene på tverrgående sider. Dette ga særlig gode resultater for vibrasjonskriterier og bidro til at dekkene kunne bli vesentlig slankere.

Etter en grundig optimaliseringsprosess hvor alle variabler sine effekter ble utforsket for dekkene, ble det arbeidet videre med et dekke bestående av limtre i steg og CLT i både topp og bunnflens. Komposittløsningen ga en slank konstruksjon samtidig som det tilfredsstilte alle bruks- og bruddgrensekrav. Bruken av materialene ga også det laveste utslippet av CO2 av de materialene som ble utforsket. Avslutningsvis ble dekket sammenlignet med et hulldekke i betong hvor man kunne se en reduksjon på 82 % i CO2-utslipp med en kostnad på 39,15 kr per kg CO2 spart.

Det har også blitt lagt mye arbeid i å utforske lydegenskaper for dekket og litteratur om emnet. Dette ble gjort fordi tidligere forskning har rapportert stor usikkerhet med hensyn på lydegenskapene til tredekker. Akustikkutfordringene har ofte blitt neglisjert i dimensjoneringen og henvist til som et tema for videre forskning. Denne oppgaven viser at akustikk er et stort og komplekst felt som er vanskelig å predikere med beregninger uten målinger, men presenterer også siste nytt på feltet og relevante funn om tiltak.

Avslutningsvis anbefales det å etablere en utvidelse av scriptet som vil ta for seg optimalisering av hele bygg på tvers av bygningskomponenter. I etterkant av helhetlig optimalisering ville det vært interessant og nødvendig å teste dekkene i et pilotprosjekt. Prosjektet kunne gitt mulighet for å forta lyd- og vibrasjonsmålinger på ferdigbygde dekker i en fysisk konfigurasjon. En fysisk konstruksjon vil gi reelle resultater og viktige erfaringer, samtidig som det reduserer mye av usikkerheten rundt konseptet.

The objective of this masters's thesis has been to optimize a timber composite floor element that has competitive properties compared to the more established concrete hollow-core slabs. The floor elements would be optimized for CO2-emissions through material selection and material efficiency. The effect of using fixed connections to columns to the corners of the elements were to be investigated, as well as connecting several elements together.

In preparation for this master's thesis, a literature search was conducted. It provided a basis for being able to sort out what were unimportant or less fortunate solutions, enabling the thesis to work with promising or already good solutions. A script was then developed that could parameterize the variables for which material compositions and dimensions were to be numerically analyzed in the calculation program Abaqus, which was used during the master's thesis. This script was improved and continuously developed as the work progressed in the process of optimizing the element.

After exploring several connection systems and the number of connected elements, it was decided to optimize elements in a system where two and two elements were connected. Each system was connected to four columns with rigid connection of the outer corners, and supported by load-bearing beams between the columns along the transverse sides. This yielded particularly good results regarding vibration criteria and contributed to the elements being significantly slimmer.

After a thorough optimization process where all variables' effects were explored for the elements, work continued on a composite element consisting of glulam in webs and CLT in both the top and bottom flange. The composite structure gave a slim construction whilst satisfying all serviceability and yielding strength requirements. This use of the materials also gave the lowest emissions of CO2 of the materials explored. Finally, the element was compared with a hollow-core concrete slab where an 82 % reduction in CO2 emissions was conducted with a cost saving of 39.15 NOK per kg CO2.

A lot of work has also been put into exploring the sound properties of the element and literature on the subject. This was carried out due to previous research reporting great uncertainty regarding the sound properties of timber floor elements. The acoustic challenges have often been neglected in the designing and referred to as a topic for further research. This thesis shows that acoustics is a large and complex field that is difficult to predict with calculations without real life measurements, but also presents the latest findings on the field and relevant findings on measures.

A possible extension to this project would be to consider optimizations of entire buildings across the various building components. Such an optimization would then be tested in a pilot project. The project could provide an opportunity to perform sound and vibration measurements on constructed elements in a real configuration. A physical construction would give real results and provide important experience, as well as complement the theoretical and simulated findings.