En numerisk analyse av demping i trekomponenter med momentstive forbindelser ved bruk av dynamisk analyse i et gitt tidsområde

Abstract

I denne oppgaven har det blitt sett på hvilke parametere som påvirker dempingsegenskapene, og hvilke komponenter som bidrar mest til en trekonstruksjons globale demping. Til å evaluere dette har programvaren Abaqus blitt brukt til å utføre parametriske studier for to konstruksjonssystemer: en limtrebjelke og en rammekonstruksjon.

Arbeidet med oppgaven kan deles inn i fire hoveddeler. Til å begynne med ble det gjort en litteraturstudie hvor nødvendig teoretisk kunnskap innenfor konstruksjonsdynamikk ble opparbeidet. Her ble det i tillegg sett på oppbygningen av en rammekonstruksjon fra et tidligere eksperimentelt forsøk. Videre ble konstruksjonssystemene modellert i Abaqus. Limtrebjelken ble modellert som et linjeelement, og for rammekonstruksjonen ble søylene modellert som linjeelementer mens dekkene ble modellert som ett skallelement. De parametriske studiene ble så gjennomført ved å utføre numeriske analyser for de to konstruksjonssystemene. Videre ble det opprettet en referansemodell for hvert av systemene, slik at man kunne isolere effekten av de ulike parameterne og komponentene. Verdiene som ble satt for disse baserte seg på erfaringstall.

I de parametriske studiene ble det testet ulike verdier for komponentenes dempingstall, samt parametere som lengde, skjærdeformasjon på bjelken, bøyestivhet i dekkene og fjærstivhet til forbindelsene. På bakgrunn av noen hundre numeriske analyser ble det observert at frekvensen til systemene økte når parametere som skjærdeformasjon ikke ble hensyntatt, bøyestivhetene økte og fjærstivheten ble høyere. Frekvensen ble derimot redusert ved økende lengde og høyere densitet. For dempingsfaktoren ble det observert at forbindelsene bidro mest til systemenes globale demping. Dempingen i forbindelsene stod for et bidrag på 88 \% av den globale dempingen i begge konstruksjonssystemene. Materialdempingen til bjelken og dekkene stod for et bidrag på 10 \% i sin tilhørende konstruksjon, mens søylene hadde tilnærmet ingen bidrag i rammekonstruksjonen. Videre ble det observert at parameterne som påvirket konstruksjonenes stivhet hadde størst innvirkning for hvordan den globale dempingen endret seg.

Totalt sett vil en rammekonstruksjon i større grad være relaterbar til mer komplekse konstruksjonssystemer enn en limtrebjelke. Dette gjorde det utfordrende å dra en konklusjon som gjelder generelt for en trekonstruksjon. Resultatene har likevel gitt en innsikt i hvilke parametere som har betydning for dempingsegenskapene, og hvilke komponenter som står for de største bidragene til en trekonstruksjons globale demping.

In this thesis, the parameters affecting the damping properties of a timber construction were examined, and the components contributing most to the global damping of a timber construction were investigated. To evaluate this, the software Abaqus was used to perform parametric studies for two construction systems: a glued-laminated timber beam and a frame construction.

The work on the assignment can be divided into four main parts. Initially, a literature review was conducted to acquire necessary theoretical knowledge in structural dynamics. Additionally, the structure of a frame construction from a previous experimental study was examined. Subsequently, the construction systems were modeled in Abaqus. The glued-laminated timber beam was modeled as a wire element, and for the frame construction, the columns were modeled as wire elements while the decks were modeled as one shell element. The parametric studies were then conducted by performing numerical analyses for the two construction systems. Furthermore, a reference model was created for each system, allowing the isolation of the effect of the various parameters. The values set for the parameters were based on empirical data.

In the parametric studies, various values were tested for the damping coefficients of the components, as well as parameters such as length, shear deformation of the beam, bending stiffness of the decks, and spring stiffness of the connections. Based on several hundred numerical analyses, it was observed that the frequency of the systems increased when parameters such as shear deformation were not considered, bending stiffness increased, and spring stiffness became higher. However, the frequency decreased with increasing length and higher density. For the damping ratio, it was observed that the connections contributed most to the global damping of the systems. The damping in the connections accounted for a contribution of 88\% of the global damping in both construction systems. The material damping of the beam and the decks accounted for a contribution of 10\% each in their respective construction, while the columns had virtually no contribution in the frame construction. Furthermore, it was observed that the parameters affecting the stiffness of the constructions had the greatest impact on how the global damping changed.

Overall, a frame construction will be more relatable to larger constructions than a glued-laminated timber beam. This made it challenging to draw a conclusion that applies generally to a timber construction. Nevertheless, the results have provided insight into which parameters are significant for the damping properties of a timber construction and which components contribute the most to the global damping of a construction.