Analyse av høye bygninger i krysslaminert massivtre med vertikal forspenning

Abstract

Dagens hensyn til miljø og krav til utslipp har gjort massivtre til ett mer ettertraktet byggemateriale. Dette gjør at det bygges flere høyhus i tre. Tidligere undersøkelser viser at flere av disse høyhusene opplever høyere svingninger under dynamisk vindlast enn tilsvarende bygninger i stål og betong. Dette reduserer komforten som oppleves av brukerne. Hvordan disse bevegelsene er avgjøres av de dynamiske egenskapene til bygget. Øking av modalmasse minker akselerasjonen, og det har vært vanlig å benytte betong i de øverste etasjene for å tilføre masse til konstruksjonen. En annen, relativt ny, løsning er å benytte spennarmering i massivtre, dette blir kalt forspent massivtre. Spennarmeringen føres igjennom utsparingskanaler igjennom senteret av den midtre lamellen langs veggens høyde. Denne oppgaven fokuserer på hvilke effekter bruken vertikal forspenning har på de dynamiske og statiske egenskapene til bygget under vindlast. Dette blir analysert ved å modellere eksempelbygget, Palisaden, i Autodesk Robot. Bygget er blitt modellert både med og uten forspenning, for å analysere forskjellen til de dynamiske og statiske egenskapene. Resultatene tyder på at en forspenningskraft per spennstag på 150 kN vil kraftig redusere akselerasjonen i toppen av bygget. Det ble observert nesten 30 % reduksjon i akselerasjon, fra 0,0385 m/s2 til 0,0200 m/s2 under vind inn fra langsiden av bygget. Sammenliknet med kravene gitt i ISO 10138:2007 gikk bygget fra henholdsvis 70,85 % utnyttelse til 50,10 %. Ved vind inn fra kortside gikk bygget akselerasjonen fra 0,0167 m/s2 til 0,0085 m/s2 , det vil si 49 % reduksjon. For de statiske egenskapene ble det kalkulert liten forskjell i deformasjonene. Det ble derimot høyere platekrefter og platemomenter. De høye platemomentene oppsto rundt forankringen av spennarmeringen, mens de høye platekreftene ble observert i hjørnene til bygget. I veggene ble det ikke observert noen store krefter eller momenter. For begge modeller var alle de beregnede spenningene innenfor kravene.

Today’s focus on environmental construction has made cross-laminated timer (CLT) an attractive construction material, making high-rise timber buildings more common. However, previous research has found the light-weight frame of CLT-structures to oscillate under dynamic wind loads, causing discomfort to inhabitants. These oscillations are a result of poor dynamic properties in the building. One solution to this has been to add concrete slabs in the top levels to counteract the effect of the wind. Another, more recent, solution has been the use of pre-stressed CLT, where steel tendons are placed through the centre of the middle lamella along the height of the wall. This thesis aims at researching this concept further by using finite element analysis. In this work, the focus has been on the effects that pre-stressed CLT walls have on the dynamic and static properties of a structure. An example building, Palisaden, has been modelled in Autodesk Robot, with its actual, existing CLT walls, as well as a variation introducing pre-stressed steel tendons through the walls’ centre. The pre-stressed model was applied a prestressing force of 150 kN. The results from the dynamic analysis show that the acceleration at the top of the building was reduced by nearly 30 %, from 0,0385 m/s2 to 0,0200 m/s2 under wind load on the building’s long side. Compared to the requirements in ISO 10137:2007, these results equal a 70,85 % and 50,1 % utilisation, respectively. With wind load on the short side, the acceleration was reduced from 0,0167 m/s2 to 0,0085 m/s2, or a 49 % reduction. In the static analysis there were minor differences between the results in the two models. The pre-stressed model experienced a slight increase in deformation and plate stresses, especially around the anchor of the tendons or corners of the building. All values were lower than the design criteria.