Seismic analysis of multistorey hybrid buildings

Abstract

Each cubic meter of timber added to a structure or a building accounts for an emission reduction of around 700-1000 kg1 CO2. This environmental advantage, in addition to increased interest in high-rise timber buildings and improved timber technologies, gives multistorey hybrid buildings of steel-timber and concrete-timber a more solid position in the Norwegian housing market. The benefits of prefabricated timber materials include a higher construction speed and efficiency, in addition to earthquake resistance, have led to timber construction establishing a more prominent role in building construction. Even though this position still is smaller than concrete and steel, and needs to overcome obstacles such as fire safety regulations and higher construction costs, building with timber is quickly gaining momentum. The additional costs associated with using timber will become less significant when the environmental aspects of a housing development gain more consideration.

The purpose of this thesis is to draw attention to some of the advantages adding timber has in terms of energy dissipation when subjected to earthquake-induced forces. This will be verified by analyzing different models and materials common in Norwegian construction.

The introductory part refers to the natural phenomenon of earthquakes and how Norway has been affected by it. The theory section deals with the dynamic aspects including systems with various degrees of freedom and the requirements from Eurocode 8, in addition to Norwegian National Annex. The methodology part of thesis deals with the calculation methodology used to determine the lateral forces a structure must resist in order to remain within a linearly elastic range of deformation without collapsing. Model analysis investigates the role of including timber elements in a seismic design, and how the ductility and strength provided by this material in a hybrid building is adequate. Finally, the result and conclusion section discusses the different results produced by various software packages and hand calculations.

For hver kubikkmeter treverk som blir lagt i en konstruksjon eller ett bygg, oppnås utslippsreduksjon på rundt 700-1000 kg CO2. Dette, i tillegg til vekst av interesser innen høyhus av tre, og forbedret dimensjoneringsteknologi, gir fleretasjes hybridbygninger av stål-massivtre og betong-massivtre en mer solid posisjon i den norske byggebransjen. Fordelen ved bruk av prefabrikkerte massive trelementer, oppnåelse av raskere byggetid og effektivitet på byggeplass, i tillegg til bedre jordskjelvmotstand har vært viktige for å nå denne posisjonen. Selv om massivtre har liten markedsandel i forhold til stål og betong, og hindringer som branntekniske begrensninger og høye byggekostnader, utbygging av nye trehus finner raskere enn noen gang sitt momentum. Ekstra kostnader ved bruk av tremateriale vil bli mindre avgjørende når miljøaspekter ved utbygging av trebygg blir enda viktigere.

Formålet med denne oppgaven er å rette fokus på noen av fordelene som oppnås ved bruk av massivtre i form av energidissipasjonsevne når de blir utsatt for jordskjelvinduserte krefter. Dette skal verifiseres ved analysering av flere modeller og materialer som er vanlig å bygge med i Norge.

Introduksjonsdelen omtaler blant annet fenomenet jordskjelv og hvordan Norge har blitt påvirket av dette. Teoridelen omhandler dynamikk, systemer med ulike frihetsgrader og kravene fra Eurokode 8, med tilhørende Nasjonalt tillegg. Metodologi omhandler beregningsmetoden som brukes til å finne horisontalkraft bygg må motstå for å forbli i et lineært elastisk område av deformasjon uten å kollapse. Analysedelen vil gjøre rede for hvor godt massivtre reduserer de seismiske kreftene, og at duktiliteten og styrken som tilbys i en hybridbygning er tilstrekkelig. Til slutt i resultat og diskusjonsdelen oppsummeres analysen, og vurderinger blir presentert.