Ulike løsninger for horisontal avstivnings effekt på den dynamiske responsen i høye hus

Abstract

Det bygges i dag flere og flere høyhus med bæresystem i tre. Og høyden på trehusene øker. En av hovedutfordringene med høye trehus finnes i bruksgrensetilstand, og er akselerasjoner forårsaket av vindlast. Svaiing i de øverste etasjene kan føre til at menneskene som oppholder seg der føler ubehag og kan bli kvalme. De dynamiske egenskapene til byggene er avgjørende for hvordan disse bevegelsene blir, og større forståelse for hvordan ulike parametere påvirker er viktig for utviklingen. Det er ulike metoder for avstivning mot vindlast i de bygde og planlagte høye trehusene. Dette gir utgangspunkt for problemstillingen til denne masteroppgaven. Målet med oppgaven er å se på hvordan ulike metoder for økt stabilitet av høye trehus påvirker menneskers opplevelse, gjennom å se på bevegelser forårsaket av dynamiske laster. Oppgaven er delt opp i to deler. En teoretisk del som behandler grunnleggende dynamikk, dynamiske egenskaper i høye trehus og metoder for å øke stabiliteten i høye trehus. Videre er det en modelleringsdel hvor et case bygg blir modellert. Bygget har 17 etasjer og er 66m høyt. Det er modellert 25 modeller som er delt inn i seks ulike metoder for å endre den dynamiske responsen til bygningen. Resultatene for hver metode sammenlignes med kravet til komfort, for bevegelser forårsaket av vindlast, gitt av ISO 10137. Det er ingen av modellene som oppnår kravet til komfort i et boligbygg. For trehuset i denne oppgaven vil en metode alene ikke være nok til å oppnå kravet. Det finnes mange måter å kombinere metodene på, og det må til for at casebygningen skal oppnå kravet. Økt masse er den mest effektive metoden. Dette gjelder for bygninger med en egenfrekvens på under 1 Hz. Økt masse senker både akselerasjonen og egenfrekvensen, og det er fordelaktig for egenfrekvenser under 1 Hz. Plassering av massen er også avgjørende, hvor det mest fordelaktige er å ha mest mulig masse i toppen av bygningen. Økt stivhet er effektivt for å senke akselerasjonen, men det fører til økt egenfrekvens. For bygg med en egenfrekvens under 1 Hz øker kravet til akselerasjon ved økende egenfrekvens. Flere av metodene for å øke stivheten kan kombineres, og valg av metode er avhengig av hvilke krav som stilles til fleksibilitet av innvendige planløsninger. Å endre forbindelser fra leddede til stive vil gi en økt stivhet, og kan være et godt alternativ for å øke stivheten ytterligere, men alene vil det ikke gi god nok stivhet for et høyt trehus. Diagonaler i limtre gir høy stivhet til bygningen og egner seg godt til bygninger som krever høy fleksibilitet i innvendig planløsning. Skiver i form av skjærvegger i massivtre eller betong gir økt stivhet, og både antall vegger og plassering er avgjørende for den totale stivheten. Å ha en sentral kjerne med skjærvegger som inneholder heis-/trappesjakt er en god plassering for å oppnå en fleksibel planløsning. Og ved å ha kjernen i betong vil bygget få lavere akselerasjon og lavere egenfrekvens, noe som vil føre bygget nærmere kravet til komfort. For leilighetsbygg med mange ulike enheter er innvendig skjærvegger en god løsning.

Currently there is trend to use timber as the main structural material to construct high-rise buildings. One of the main challenges when constructing multi-storey buildings in timber is the serviceability limit state, especially concerning the acceleration level on the top floor caused by wind-induced vibrations. As the use of timber as the primary structural material in tall buildings increases, a better understanding of the parameters that affect the dynamic response of these buildings are imperative in structural design. The main contemporary structural solutions for improving the dynamic response of tall timber structures are to include a stiff concrete core or to increase the mass by applying layers of concrete within individual floor elements. However, within these solutions, there seems to be no general principles used in their application and as a result, many different solutions can be found in built and designed timber buildings today. The aim of this thesis is to investigate how the distribution of mass and stiffness influences the wind-induced vibrations in tall timber buildings. The thesis is divided into two parts. The first, theoretically based, explores theories on dynamic behavior and dynamic response in tall timber building, as well as the different solutions for improving the dynamic response. The second part is composed of a case study and a Finite Element modelling of a tall timber building. The case study examines a 17-storey building; using twenty-five different models, divided into six different solutions for improving the dynamic response are analyzed. Three different solutions for increased stiffness are analyzed, glulam trusses, CLT shear walls, and moment resisting frames with rigid connections. The results are compared to the vibration criteria for human comfort given by ISO 10137. The thesis concludes that out of all the different modeled configurations, none of the solutions by itself fulfills the require comfort criteria stipulated by ISO 10137. More than one solution for improving the dynamic response needs to be combined to fulfill the criteria. The results show that for a building with a first resonance frequency lower than 1 Hz, the most effective solution is to increase the mass. However, the distribution of this mass is also crucial. The added mass lowers both the acceleration and the natural frequency. If instead the stiffness is increase, this has a strong effect on the acceleration, but it also increases the natural frequency. When the frequency is lower than 1 Hz, the criteria for acceleration increases with increased frequency. Rigid connection give the least reduction of the acceleration. Glulam trusses and CLT shear walls are both effective methods to increase the stiffness of a tall timber building. The give different opportunities for flexibility within the interior layout and openings in the facade. Which is a major consideration factor when a method is chosen. A concrete core will lower the acceleration more than a core in CLT, and is an effective solutions for improving the dynamic response of a tall timber building.