Analyse av høge KL-trebygg med ulik grad og plassering av vertikal forspenning

Abstract

Med dagens utfordringar knytt til klima og miljøaspektet i verda er det viktigare enn nokon gong å tenke berekraftig, spesielt i byggebransjen, og å bruke tre som konstruksjonsmateriale er eit av tiltaka ein kan gjere. Noreg har lang tradisjon med å bruke tre som konstruksjonsmateriale, men utfordringa no er å bygge høge bygg i tre utan å hamne utanfor komfortkrava. Tre er eit veldig lett materiale og vil på grunn av dette lettare svinge ut i toppen av bygget. Dagens høge trebygg er derfor stort sett ein kombinasjon av massivtre og betong i dei øvste etasjane for å auke vekta og dermed stivleiken, men dagens måte å produsere sement på gjer betong til eit lite klimavenleg materiale.

Målet med denne oppgåva er derfor å sjå på korleis det er mogleg å bruke oppspent spennstål i kablar gjennom massivtreveggane for å oppnå betre stivleik i toppen av bygget utan at det blir for store spenningar i nedste del av bygget. I tillegg ser ein også på reaksjonskrefter og toppakselerasjon etter eigenfrekvensen, og samanlikna til slutt med funn i ei oppgåve om det same frå 2018; «Analyse av høye bygninger i krysslaminert massivtre med vertikal forspenning» (Rooth, 2018)

Måten dette blei gjennomført på var å bruke analyseprogrammet FEM-Design på ein litt forenkla modell av eit referansebygg i massivtre. Det blei laga ni ulike modellar, ein utan oppspenning og åtte med ulik plassering av spennstålkablar. Nyttelaster, snølast og vindlaster er like i alle modellane og kvar spennstålkabel har ei 150 kN oppspenningskraft knytt til seg. Det blei gjennomført både statisk og dynamisk analyse av modellane.

Resultat frå analysane gjort i FEM-Design viste at det var dei tre modellane som har spennstålkablar i ei rett linje frå fundamentet til toppen av modellen som hadde best resultat på reduksjon i horisontal translasjonsforskyving. Reduksjonen i forskyving i dei tre modellane er på over 50 % i både x og y-retning i forhold til horisontal forskyving i modellen utan oppspenning. Dei hadde omtrentleg same resultatverdiar for platekrefter og moment, toppakselerasjon, globale moment og reaksjonskrefter i FX og FY. Det som skil dei tre modellane frå kvarandre er reaksjonskreftene i FZ, kor det er store ulikheitar på grunn av korleis spennstålkablane er delt opp gjennom bygget, og då viser det seg at modellen med spennstålkabelar som strekk seg frå fundamentet til toppen av bygget er den som gir best resultat.

Samanlikninga med oppgåva frå 2018 viser at det er store ulikheiter i resultata. Noko ulikheiter var forventa då modellane og lastkombinasjonane ikkje blei heilt identiske, men ulikheitene i resultata var mykje større enn forventa. Det er vanskeleg å seie for sikkert kva som kan vere årsaka til desse store ulikheitene i resultata.

With today's challenges linked to climate change and environmental aspects in the world, it is more important than ever to think sustainably, especially in the construction industry, and using wood as a construction material is one of the measures that can be taken. Norway has a long tradition of using wood as a construction material, but the challenge now is to build tall buildings in wood that fits within the comfort criteria. Wood is a very light material and, because of this, will fluctuate easier at the top of the building. Today's tall wooden buildings are therefore mostly a combination of solid wood and concrete on the upper floors to increase the weight and thus the rigidity, but the current way of producing cement makes concrete a material that is not very climate friendly.

The aim of this thesis is therefore to look at how it is possible to use post-tension steel cables through the solid wood walls to achieve better rigidity at the top of the building without causing excessive tension in the lower part of the building. In addition, it is also looked at reaction forces and peak acceleration according to the natural frequency, and then compared with findings in a thesis on the same topic from 2018; «Analysis on tall cross laminated timber buildings with vertical post-tensioning.» (Rooth, 2018)

The way this was carried out was to use the analysis program FEM-Design on a slightly simplified model of a reference building of solid wood. Nine different models were made, one without post-tension and eight with different positions of the post-tension steel cables. Payload, snow load and wind load are the same in all models and each post-tension steel cable has a 150 kN tensioning force attached to it. Both static and dynamic analysis of the models was carried out.

Results from the analyzes carried out in FEM-Design showed that it was the three models that have post-tension steel cables in a straight line from the foundation to the top of the model that had the best results in terms of reduction in horizontal translational displacement. The reduction in displacement in the three models is over 50% in both the x and y directions compared to horizontal displacement in the model without post-tension. They had approximately the same result values for plate forces and moment, peak acceleration, global moment and reaction forces in FX and FY. What separates the three models from each other are the reaction forces in FZ, as there are large differences due to how the post-tension steel cable is divided up through the building. That shows that the model with post-tension steel cables that stretch from the foundation to the top of the building is the one which gives the best results.

The comparison with the thesis from 2018 shows that there are large differences in the results. Some differences were expected as the models and load combinations were not completely identical, but the differences in the results were much greater than expected. It is difficult to say exactly what could be the cause of these large differences in the results.