Assessments of vibrational properties of timber joist floors

Abstract

Timber joist floors, being light weight structures and having low natural frequencies, are especially vulnerable towards both structural vibration and sound transition through the structure. Vibrations are a serviceability problem, and of increasing importance as large timer structures become more common. At the same time there is a want for large open spaces and longer spans, which is a challenge for light-weight materials such as glue lam joists. The purpose of this thesis is to investigate current approaches used in design and verification of timer joist floors. Today, no standard method is agreed upon, and several different approaches exist. The current standards investigated in this thesis mainly considers the fundamental frequency and stiffness of the floor, and only partially considers the effect of the mass of the system. This may lead to significant annoyance of the user. The basis for the thesis is a typical timber joist floor used in residential buildings, currently being produced by a producer of element residential buildings. A reference floor based on information from this producer is investigated, as well as two other floor models, having different properties. Current methods will be compared and discussed, as well as the effect of the stiffness and mass of the floor. Lastly, measures on how to improve the vibrational properties in a timer joist floor is briefly disused. The results of the comparison of the code based methods show that the current code based methods only to some extent are suitable for investigation of light weight, high frequency floors. Due to the high frequency, the mass requirement is disregarded. Not all of the code based methods investigated make use of a mass requirement. It is shown that transient floor response is more crucial than the steady state response, as resonance due to walking will not occur. The vibrational performance of a floor can be increased by increasing the transversal stiffness, but the effect of this improvement is limited when investigating the floors using the code based methods. A numerical analysis should be performed to fully investigate the effect of transversal stiffening of light weight floors.

Lette konstruksjoner med lave egenfrekvenser, som etasjeskillere i tre er spesielt utsatt for både strukturvibrasjoner og at lyd overføres gjennom konstruksjonen. Vibrasjoner er et problem for bruksgrensetilstanden i en konstriksjon, som blir stadig viktigere ettersom store trekonstruksjoner blir vanligere. Store og åpne rom krever større spenn på bjelker, noe som er utfordrende for lette materialer som limtredragere. Hensikten med denne oppgaven er å undersøke nåværende metoder som benyttes innen utforming og verifisering av etasjeskillere i tre. I dag eksisterer det ingen standard metode til dette formålet, det finnes flere forskjellige tilnærminger. De nåværende standardene som undersøkes i denne avhandlingen vurderer hovedsakelig fundamentalfrekvens og gulvets stivhet. De tar bare delvis høyde for massen til systemet, og fokuserer på faren for resonans i gulvet fremfor kortvarig akselerasjonsrespons. Dette kan føre til at akselerasjonen i gulvet på grunn av for eksempel støt fra helen under gang blir et problem. Grunnlaget for avhandlingen er et typisk gulv av limtrebjelker, produsert som et elementgulv av en elementhusprodusent i Norge. Et referansegulv basert på informasjon fra denne produsenten undersøkes, og brukes som utgangspunkt for videre vurderinger av de ulike verifikasjonsmetodene. Nåværende metoder og effekten av stivhet og masse til gulvet blir sammenlignet og diskutert. Til slutt blir tiltak som kan bidra til å forbedre vibrasjonsegenskapene i etasjeskilleren kort diskutert. Resultatene av sammenligningen av de kodebaserte metodene viser at nåværende metoder kun i noen grad er egnet for undersøkelse av lette gulv med høy egenfrekvens. På grunn av den høye frekvensen blir massekravet ikke tatt med i dagens metoder. Noen av de kodebaserte metodene som er undersøkt bruker ikke massekrav i det hele tatt, bland annet metodene brukt i Norge i dag. Det er vist at forbigående gulvrespons er mer avgjørende enn faren for resonans i gulvet. Vibrasjonsytelsen til et gulv kan økes ved å øke den transversale stivheten, men effekten av denne forbedringen er begrenset når man undersøker gulvene ved hjelp av kodebaserte metoder. En numerisk analyse bør utføres for å fullt ut undersøke effekten av tverrgående avstivning av lettvektsgulv.