Analyse av påvirkningen betongpåstøp og horisontal oppspenning har på bøyestivhets- og vibrasjonsegenskapene til kantstilte massivtredekker

Abstract

Byggenæringen er nødt til å tilpasse seg for å overholde stadig mer krevende krav til energi, miljø og kvalitet for sine prosjekter. Globalt står bygg for 32 % av all energibruk (Larsen, 2019). Tre i Norge er et kortreist og fornybart materiale som også binder karbon i konstruksjonens levetid. De siste årene har markedet hatt en økt etterspørsel av tre som konstruksjonsmateriale i større konstruksjoner. Det er fortsatt utfordringer knyttet til bruk av tredekker over lengre spenn, blant annet komfortkriterier som nedbøyning og vibrasjon. Det ses derfor på konfigurasjoner av massivtredekker i kombinasjon med andre materialer som for eksempel betong og stål for å løse denne problematikken.

Rapporten tar for seg to kantstilte massivtredekker med betongpåstøp og horisontal oppspenning i dekkenes lengderetning. I arbeidet kartlegges det hvordan bøyestivheten til massivtredekkene påvirkes av betongpåstøpen og oppspenningen. Det måles hvilken grad av samvirke som oppstår mellom betongen og treet uten bruk av mekaniske forbindere før og etter oppspenning. Rapporten ser også på hvordan oppspenningen påvirker forskyvningen i buttskjøtene. Det ses også på hvordan dekkenes vibrasjonsegenskaper lar seg påvirke av betongpåstøpen, og den horisontale oppspenningen. Det ses på dekkenes egenfrekvens, akselerasjon og dempingsrate under de tre ulike konfigurasjonene, massivtredekker, massivtredekker med betongpåstøp og oppspente massivtredekker med betongpåstøp.

Datagrunnlaget for rapporten samles inn gjennom praktiske fullskala tester. Testene er gjennomført på to kantstilte massivtredekker med buttskjøter. Dimensjonene på begge dekkene er 2,35 m x 6,96 m. Det er gjennomført nedbøyningstester under jevnt fordelt last og punktlast, samt vibrasjonstester som omfatter gangtester og impulstester. Testene ble utført på massivtredekkene før betongen ble støpt, 31 dager etter at betongen ble støpt og etter at massivtredekkene med betong ble spent opp i dekkets lengderetning.

Resultatene fra vibrasjonsanalysen settes opp mot de eksisterende kravene for vibrasjon i Eurokode 5, samt kravene under utvikling i utkastet til nye Eurokode 5.

Fullskala testene viser at betongen tilfører dekkene gode bøyestivhetsegenskaper, og bøyestivheten økes med over 528 % for begge dekkene. Samvirket måles til henholdsvis 81,6 % og 80,1 % for massivtredekkene med betongpåstøp. Bøyestivheten til dekkene reduseres med opptil 16,1 % etter oppspenningen. Det er grunn til å tro at dekkene vil trenge mekaniske forbindere for å opprettholde en god bøyestivhet, da samvirket ser ut til å falle. Etter oppspenning indikerer resultatene mindre forskyvninger i buttskjøtene. Betongpåstøpen gir liten endring i dekkenes egenfrekvens, men reduserer topp akselerasjonen med over 80 % for begge dekkene. Etter oppspenningen av dekkene øker dekkenes toppakselerasjon med opptil 47,5 %.

De beregnede dempingsratene antyder en økning ved påføring av en betongpåstøp, og faller noe etter oppspenning. Dataene for dempingsratene regnes imidlertid til å være for upålitelige til å trekke noen konklusjon.

The construction industry must adapt to meet increasingly demanding energy-, environmental- and quality-requirements for its projects. Globally construction accounts for 32 % of all energy use (Larsen, 2019). Wood is a material that is renewable and is also easily accessible in Norway. In recent years, the market has had an increased demand for wood as a construction material in larger constructions. There are still challenges associated with using wooden floors over longer spans, including comfort criteria such as deflection and vibration. This thesis examines configurations of solid wood floors in combination with other materials such as concrete and steel to solve this problem.

This report deals with solid wood floors with concrete slabs and horizontal tensioning in the longitudinal direction of the floors. The work examines how the stiffness of the solid wood floors is affected by the concrete slab and tensioning. In this report, the degree of composite action that occurs between the concrete and the timber without the use of mechanical connectors before and after tensioning is measured. This report also examines how the tension affects the displacement in the butt joints. It is also looked at how the floors' vibration properties can be influenced by the concrete slab, and the horizontal tensioning. The vibration tests are carried out to find out the floors' eigenfrequency, acceleration and damping rate under the three different configurations.

The dataset for this report is collected through practical full-scale tests. The tests have been carried out on two solid wood floors with butt joints. The dimensions of both floors are 2.35 m x 6.96 m. There are two different test configurations, deflection tests which include evenly distributed loads and point loads, as well as vibration tests which include walking tests and impulse tests. The tests were performed on the solid wood floors before the concrete was cast, 31 days after the concrete was cast and after the solid wood floors with concrete were tensioned in the longitudinal direction of the floors.

The results of the vibration analysis are compared to the existing vibration requirements in Eurocode 5, as well as the requirements under development in the draft of the new Eurocode 5.

The full-scale tests show that the concrete gives the floors good stiffness properties, and the stiffness increases with over 528 % for both floors. The composite action is measured to be 81.6 % and 80.1 % respectively for the solid wood floors with concrete slabs. The floor stiffness is reduced after the tensioning by up to 16,1 %. There is reason to believe that the floors will need mechanical connectors to maintain a good stiffness, as the composite action seems to decrease with time and loads. After the tensioning, the results indicate less displacements in the butt joints. The concrete slab gives little change in the floors eigenfrequency but reduces the peak acceleration by over 80 % for both floors. After tensioning the floors, the top acceleration of the floors increases by up to 47,5 %.

The calculated damping rates indicate an increase after the application of a concrete slab and fall somewhat after tensioning. However, the data for the damping rates is considered to be too unreliable to draw any conclusion.