Dynamisk analys av höga träbyggnader : Ett faktorförsök

Today high-rise timber buildings are more popular than ever and designers all over the world have discovered the beneficial material properties of timber. In the middle of the 1990’s cross-laminated timber (CLT), was developed in Austria. CLT consists of laminated timber panels that are glued together to form a strong and flexible timber element. In recent years CLT has been on the rise and today it is regarded as a good alternative to concrete and steel in the design of particularly tall buildings. Compared to concrete and steel, timber has lower mass and stiffness. A high-rise building made out of timber is therefore more sensitive to vibration. The vibration of the building can cause the occupants discomfort and it is thus important to thoroughly analyze the building’s dynamic response to external excitation. The standard ISO 10137 provides guidelines for the assesment of habitability of buildings with respect to wind-induced vibration. The comfort criteria herein is based on the first natural frequency and the acceleration of the building, along with human perception of vibration. The aim of this thesis is to identify the important structural properties affecting a dynamic analysis of a high-rise timber building. An important consequence of this study is hopefully a better understanding of the interactions between the structural properties in question. To investigate these properties and any potential interactions a so-called factorial experiment is performed. A factorial experiment is an experiment where all factors are varied together, instead of one at a time, which makes it possible to study the effects of the factors as well as any interactions between these. The factors are varied between two levels, that is, a low level and a high level. The design of a factorial experiment includes all combinations of the levels of the factors. The experiment is performed using the software FEM-Design, which is a modeling software for finite element analysis. A fictitious building is modelled using CLT as the structural system. The modeling and the subsequent dynamic analysis is repeated according to the design of the factorial experiment. The experiment is further analyzed using statistical methods and validated according to ISO 10137 in order to study performance and patterns between the different models. The statistical analysis of the experiment shows that the height of the building, the thickness of the walls and the addition of mass are important in a dynamic analysis. It also shows that interaction is present between the height of the building and the thickness of the walls as well as between the height of the building and the addition of mass. Most of the models of the building does not satisfy the comfort criteria according to ISO 10137. However, it still shows patterns that provides useful information about the dynamic properties of the building. Lastly, based on the natural frequency of the building this study recognizes the stiffness as more relevant than the mass for a building with CLT as the structural system and with up to 16 floors in height.Idag är höga trähus mer populära än någonsin och konstruktörer runtom i världen har upptäckt de fördelaktiga materialegenskaperna hos trä. I mitten på 1990-talet utvecklades korslimmat trä (KL-trä) i Österrike. KL-trä består av hyvlade brädor som limmas ihop för att bilda en lätt och stark träskiva. På senare år har KL-trä varit på uppgång och idag anses materialet vara ett bra alternativ till betong och stål i framför allt höga byggnader. Jämfört med betong och stål har trä både lägre massa och styvhet. En hög träbyggnad är därför mer känslig för vibrationer. En vibrerande byggnad kan leda till obehag för de boende och det är därför viktigt att analysera byggnadens dynamiska respons då den utsätts för yttre belastning. Standarden ISO 10137 ger riktlinjer för att kunna utvärdera komfortkravet för byggnader med avseende på människors känslighet för vibrationer orsakade av vind. Komfortkravet i fråga jämför byggnadens första naturliga egenfrekvens med dess acceleration. Syftet med detta examensarbete är att identifiera de viktiga egenskaperna i en dynamisk analys av en hög träbyggnad. Förhoppningsvis leder det här examensarbetet till en ökad förståelse av samspelseffekterna mellan dessa egenskaper. För att undersöka dessa egenskaper och eventuella samspelseffekter genomförs ett så kallat faktorförsök. Ett faktorförsök är ett försök där alla faktorer varieras tillsammans, istället för en och en, vilket gör det möjligt att studera effekterna av faktorerna samt eventuella samspelseffekter. Faktorerna varieras mellan två nivåer: en låg nivå och en hög nivå. Ett faktorförsök använder sig av samtliga kombinationer av faktorernas nivåer. Försöket utförs med hjälp av programmet FEM-Design, vilket är ett modelleringsverktyg för FE-analys. En fiktiv byggnad modelleras med CLT som stomsystem och en dynamisk analys görs. Försöket analyseras ytterligare med hjälp av statistiska metoder och valideras enligt ISO 10137. Dessa steg upprepas enligt faktorförsöket. Den statistiska analysen av försöket visar att höjden på byggnaden, tjockleken på väggarna samt en ökad massa är viktiga i en dynamisk analys. Den visar också på en samspelseffekt mellan höjden på byggnaden och tjockleken på väggarna, samt mellan höjden på byggnaden och en ökad massa. Merparten av modellerna av byggnaden uppfyller inte komfortkravet enligt ISO 10137. Däremot går det att urskönja mönster som bidrar med viktig information om byggnadens dynamiska egenskaper. Avslutningsvis, baserat på byggnadens naturliga egenfrekvens framhåller den här studien byggnadens styvhet framför dess massa då byggnaden i fråga stabiliseras med KL-trä och har upp till 16 våningar