Seismic analysis of a multi-story timber-concrete building with focus on reusability

Abstract

The production of structural elements used in the construction industry is responsible for large parts of the global carbon dioxide production. Facilitating future reuse and implementation of reused elements should be an essential part of designing buildings. Reusing hollow core slabs is barely introduced in niche projects, but a recently published standard describes a standardized process to ensure the quality of reusable elements. By combining these with environmentally friendly materials like timber, the GHG emissions can be reduced. This thesis investigates the dynamic behavior of an 8-story reference building designed with moment-resisting timber frames, CLT wall panels, and hollow core slabs through numerical modal analysis. In addition to pinned and rigid beam-to-column connections are four different connections from previous researches implemented in the model using rotational springs. Results from the modal analysis show that when timber connections with low rotational stiffness are implemented, the building has a torsional mode as the fundamental mode. Two torsional modes are present when considering the number of modes necessary to reach 90% mass participation ratio in each main direction. As the rotational stiffnesses of the connections are increased, the first torsional mode is shifted to a higher frequency mode. Modal response spectrum analysis according to the Eurocode 8 is performed for all connection-cases using Complete Quadratic Combination. For a building located in a low-seismicity area, interstory drift and member capacity utilization are within limits for all connection-cases. The reuse potential of the components in each timber connection is discussed, evaluating the complexity of the connection, and the necessary man hours to assemble and disassemble the connection. The traditional bolted connection is found to offer the highest flexibility and reuse potential.

Produksjon av bærende elementer brukt i bygg- og anleggsbransjen står for store deler av den globale karbondioksidproduksjonen. Tilrettelegging for fremtidig ombruk og implementering av ombrukte elementer burde være en viktig del i prosjekteringen av bygninger. Ombruk av hulldekker er anvendt i nisjeprosjekter, men nylig publiserte standarder beskriver behandlingsprosesser som skal sikre kvaliteten av ombrukbare elementer. Kombinasjonen av disse med andre miljøvennlige materialer, som tre, kan redusere klimagassutslippene. Denne oppgaven ser på den dynamiske oppførselen til et 8-etasjers bygg med momentstive rammer, CLT vegger og hulldekke som etasjeskiller gjennom numerisk analyse. I tillegg til rotasjonsfritt og helt momentstivt knutepunkt blir fire ulike bjelke-søyle forbindelser fra tidligere forskning implementert i modellen og undersøkt ved bruk av rotasjonstive fjærer. Resultatene viser at når forbindelser med lav rotasjonsstivhet implementeres i modellen er byggets første mode en torsjonsmode. Ved oppnåelse av 90% modal masse i de to globale hovedretningene er to torsjonsmoder innkludert. Ved å øke rotasjonsstivheten flyttes første torsjonsmode fra første mode til moder med høyere frekvens. Modal respons spektrum analyse etter Eurokode 8 er gjennomført for alle situasjoner ved bruk av komplett kvadratisk kombinasjon. For en bygning i områder med lav seismisk aktivitet er verken forskyvningene i bygget eller kapasiteten til elementene overskridet for alle forbindelsene. Ombrukspotensialet til komponentene i alle forbindelsene er diskutert, og en evaluering av kompleksiteten og arbeidstimer knyttet til montering og demontering av forbindelsen er gjort. Den tradisjonelle boltede forbindelsen tilbyr størst fleksibilitet og høyest ombrukspotensiale.