Numerical model of moment resisting connection using threaded rods and steel coupling parts in tall timber building

Abstract

WoodSol er et forskningsprosjekt av Sintef og NTNU, hvor målet er å utvikle nye og miljøvennlige løsninger for høye bygninger utført av trekonstruksjoner. Et av delprosjektene er å utvikle rammekonstruksjoner av tre med tilstrekkelig kapasitet mot sideveis belastning, slik at det ikke er behov for skråstag i konstruksjonen. En bjelke-søyle-forbindelse med tilstrekkelig momentstivhet er derfor nødvendig i en slik rammekonstruksjon, og en slik forbindelse er under utvikling på NTNU nå.

I tidligere arbeider er de første numeriske og eksperimentelle forsøkene utført på denne forbindelsen. I denne oppgaven blir det undersøkt ulike teknikker for å lage en forenklet utgave av en eksisterende detaljert og kostbar numerisk modell av forbindelsen. Hensikten er å ha en modell som er tilstrekkelig lite kostbar, samtidig som den er tilstrekkelig nøyaktig, slik at forbindelsen kan brukes i en numerisk modell av en hel bygning, som gjennomgående er bygd opp av rammekonstruksjoner med denne forbindelsen. Den valgte modelleringsteknikken er å benytte et såkalt forbindelsesområde (eng.: connector zone). Det innebærer at tverrsnittsegenskapene endres i et område av bjelken nærmest forbindelsen, slik at denne delen av bjelken etterligner oppførselen til forbindelsen.

Denne teknikken har imidlertid vist seg å ha noen utfordringer med å etterligne oppførselen til forbindelsen eksakt. Hovedårsaken til dette er at eksperimentelle forsøk viser at bøyestivheten er varierende innad i forbindelsesområdet, mens forbindelsesområde i den numeriske modellen har konstante egenskaper langs hele sin utstrekning. Det valgte forbindelsesområde er derfor det som gir de beste resultatene lengre unna forbindelsen, slik at avvik i faktisk deformasjon i bjelken helt nærmest søylen må aksepteres.

I den andre delen av denne oppgaven er en numerisk modell av en rammekonstruksjon utarbeidet. Den består av søyler og bjelker som er forbundet ved den nevnte forbindelsen, og forbindelsesområdet fra den første delen av oppgaven er benyttet for å modellere dette. Hensikten med denne delen er å vise hvordan forbindelsesområder kan enkelt implementeres i en modell av en større bygning. Det har derfor ikke blitt utført noen videre undersøkelser på denne bygningen, men modellen er parametrisert, slik at den kan benyttes som grunnlag for fremtidige numeriske undersøkelser på høye bygninger utført i tre.

WoodSol is a research project by Sintef and NTNU, aiming for new and environmentally friendly solutions for tall timber buildings. Among their projects, one is to develop timber frames which also provide horizontal stabilisation without diagonal stiffeners. A necessary condition is therefore to have an adequate moment-resisting beam-to-column connection, and such a connection is under development at NTNU.

Preliminary numerical and experimental tests have been carried out by earlier works. In this thesis, techniques for making a simplification of a detailed and costly numerical model are investigated, in order to make a model of the connection suitable for a numerical model of an entire tall timber building. The chosen approach is to use connector zones, where the cross-section properties are modified in the beam region located closest to the column, in order to imitate the behaviour of the connection.

Using a connector zone with constant stiffness properties has difficulties imitating the connection precisely. The main reason for this is the varying bending stiffness in the connection zone and the beam located closest to it showed in experimental tests, while the chosen connector zone has constant properties over its length. Thus, the chosen connector zone is the one best representing the connection in the distant part of the beam, hence accepting incorrect deformations in the connector zone.

In the second part of the thesis, a model of the frame of a tall timber building with moment-resisting connections was created. The connector zone from the first part is utilised for connections between columns and beams. The purpose for this model is to show how to use connector zones in a numerical model of an entire building, and there has not been performed further investigations on the building model. The model is parameterised in order to make it easy to implement into a numerical model for a later tall timber building project.