Potensial for utkraging av hele etasjer i massivtre

Abstract

Ettersom massivtrekonstruksjoner har blitt en mer vanlig del av dagens byggemetode, har det vært et stort fokus på hvor høyt det er mulig å bygge. I den senere tid har arkitekter fattet interesse og etterspurt kompetanse på utkraging av hele etasjer i massivtre – og hvilket uforløst potensial som ligger i massivtreet for slike konstruksjoner. Den arkitektoniske friheten handler ikke bare om hvor langt man kan nå, men også fleksibilitet og valgfrihet – slik at det er mulig å plassere åpninger i konstruksjonen til f.eks. vinduer og balkonger.

Som en konsekvens av dette, danner det seg fire grunnleggende problemstillinger for denne studien: (1) Hvor langt kan man krage ut en etasje av massivtre? (2) Hvilken betydning har valg av elementtype for utkragerlengden? (3) Hvordan påvirker hulltaking muligheten for utkraging? (4) Hvilke parametere er begrensende for utkragerlengden?

I arbeidet med å besvare problemstillingene er det tatt utgangspunkt i en case fra Arkitektur- og Designhøgskolen i Oslo. Ved å studere og forenkle en modul av eksempelbygget i denne casen, har det blitt laget 72 modeller i Autodesk Robot Structural 2015 Professional for FE-analyse. Forstudien fra AHO ga nyttige arkitektoniske innspill og en forståelse om hvordan arkitekter tenker omkring etasjehøye utkragere i massivtre. Studien baserer seg på tre-mot-tre-forbindelser uten bruk av stål i sammenføyninger.

Resultatene fra analysene viser at en utkraget etasje i massivtre har stor styrke og stivhet. Dette gjør at en etasje teoretisk sett tåler en utkragning opp mot 16.5 m. Dog forutsetter dette at kapasiteten til den største begrensningen for lengden, trykkspenninger i overgang fasade/utkrager, økes og at konstruksjonen ikke har åpninger.

Hulltaking til f.eks. vinduer bidrar også til å begrense utkragerlengden. Ved å plassere en åpning i mest ugunstige posisjon, vil deformasjonene øke med 20 %. Økes i tillegg høyde og/eller bredde på åpningen, øker også deformasjonene. Det viste seg at åpningens høyde har en større innvirkning på deformasjonene enn åpningens bredde. Resultatene tilsier at det er store muligheter for å kunne ta ut store åpninger i utkragerens ende, til bruk til glass eller balkong.

Den praktiske maksimale utkragerlengden for et femsjikts-element vil være 4.5 meter. Da er det tatt utgangspunkt i den mest ugunstige sammenføyningsmetoden for utkrageretasjen, med hensyn til kontakttrykkspenninger. Ved å velge en sammenføyningsmetode som inneholder bruk av stål, vil denne utkragerlengden kunne økes betraktelig.

As buildings made out of Cross-Laminated Timber (CLT) have become more common, there has been a strong focus on how high it is possible to build with CLT. In recent years, architects have begun to show an interest in CLT, and there is a demand of more expertise in the architectural potential of completely cantilevered floors made of CLT-panels. Architectural freedom is not only about how far it is possible to extend a floor outside the façade but also the flexibility regarding placement and size of openings for windows, balconies, etc.

In this thesis, four fundamental research questions are studied: (1) How far is it possible to cantilever a story built out of CLT? (2) What impact does the choice of element type have for the length of the cantilever? (3) How do the openings for windows etc. affect the length of the cantilever? (4) Which parameters limit the length of the cantilever?

These questions are evaluated using a case study of a fictive building with cantilevered floors obtained from The Oslo School of Architecture and Design in Norway. The case study provides useful architectural input in how architects work with CLT in their design process. By simplifying the architectural model, 72 Finite Element (FE) models are made for analysis in Autodesk Robot Structural 2015 Professional. This thesis is based on wood-to-wood connections between panels without the use of steel.

The results from the FE-analysis show that a cantilevered story using CLT panels has great strength and stiffness, i.e. a story of CLT can theoretically be cantilevered up to about 16.5 meters. This presumes that the capacity compressive strength perpendicular to the grain in the transition between the facade and the cantilever is increased, and that the wall panels do not have any openings.

Openings limit the potential length of the cantilever. By placing an opening in the most unfavorable position, the deformations will increase by 20 %. In addition, If the height and/or width of the opening are increased, the deformations will also increase. The results showed that the height of the opening have a greater impact on the deformations than the width of the opening. The study also shows that there are great opportunities to take out large openings in the end of the cantilever to use as glass facades or balconies.

When using the most unfavorable way of connecting the wall and floor elements, in regards of compression perpendicular to the grain, the maximum length of the cantilevered story will be approximately 4.5 meters for a five-layer CLT element. By selecting a joining method that, e.g., includes the use of steel, the length of the cantilever can be increased significantly.