lnu.sePublikationer
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Wind-induced vibrations in tall timber buildings: Design standards, experimental and numerical modal analyses
Linnéuniversitetet, Fakulteten för teknik (FTK), Institutionen för maskinteknik (MT). Linnéuniversitetet, Fakulteten för teknik (FTK), Institutionen för byggteknik (BY). RISE, Sweden. (DISA;DISA-SIG)ORCID-id: 0000-0001-8970-7114
2022 (Engelska)Licentiatavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Climate change and densification of cities are two major global challenges. Inthe building and construction industry, there are great expectations that tall timberbuildings will constitute one of the most sustainable solutions. First, verticalurban growth is energy and resource-efficient. Second, forest-based productsstore carbon and have one of the highest mechanical strength to density ratios.If the structural substitution of concrete and steel with wood in high-rise buildingsawakens fears of fire safety issues, engineers and researchers are particularlyworried about the dynamic response of the trendy tall timber buildings.Indeed, due to the low density of wood, they are lighter, and for the same height,they might be more sensitive to wind-induced vibrations than traditional buildings.To satisfy people’s comfort on the top floors, the serviceability design oftall timber buildings must consider wind-induced vibrations carefully. Architectsand structural engineers need accurate and verified calculation methods,useful numerical models and good knowledge of the dynamical properties oftall timber buildings.

Firstly, the research work presented hereby attempts to increase the understandingof the dynamical phenomena of wind-induced vibration in tall buildings andevaluate the accuracy of the semi-empirical models available to estimate alongwindaccelerations in buildings. Secondly, it aims at, experimentally and numerically,studying the impact of structural parameters – masses, stiffnesses anddamping – on the dynamics of timber structures. Finally, it suggests how talltimber buildings can be modeled to correctly predict modal properties and windinducedresponses.

This research thesis confirms the concerns that timber buildings above 15-20stories are more sensitive to wind excitation than traditional buildings with concreteand steel structures, and solutions are proposed to mitigate this vibrationissue. Regarding the comparison of models from different standards to estimatewind-induced accelerations, the spread of the results is found to be very large.From vibration tests on a large glulam truss, the connection stiffnesses are foundto be valuable for predicting modal properties, and numerical reductions withsimple spring models yield fair results. Concerning the structural models of conceptualand real tall timber buildings, numerical case studies emphasize the importanceof accurately distributed masses and stiffnesses of structural elements,connections and non-structural building parts, and the need for accurate dampingvalues.

Abstract [sv]

Klimatförändringar och förtätning av städer är två stora globala utmaningar. Inom bygg- och anläggningsbranschen finns det stora förväntningar på att höga trähus ska utgöra en av de mest hållbara lösningarna. Dels är vertikal förtätning i städer energi- och resurseffektiv, dels lagrar skogsbaserade produkter kol och har dessutom ett av de högsta förhållanden mellan mekanisk styrka och densitet. Om den strukturella ersättningen av stål och betong med trä i höghus väcker farhågor ur brandsäkerhetssynpunkt, är ingenjörer och forskare särskilt oroliga för den dynamiska responsen i de trendiga högre trähusen. På grund av träets låga densitet blir de lättare, och för samma höjd kan de vara känsligare för vindinducerade vibrationer än traditionella byggnader. För att tillfredsställa människors komfort på de översta våningarna måste projektören av höga trähus noga överväga vindinducerade vibrationer i bruksgränstillstånd. Arkitekter och byggnadsingenjörer behöver noggranna och verifierade beräkningsmetoder, användbara numeriska modeller och goda kunskaper om höga träbyggnaders dynamiska egenskaper.

För det första avser detta forskningsarbete att öka förståelsen för den dynamiska effekten av vindinducerade vibrationer i höga byggnader och utvärdera noggrannheten hos de semi-empiriska modeller som finns tillgängliga för att uppskatta byggnadens accelerationer i vindriktningen. För det andra syftar det till att, experimentellt och numeriskt, studera effekterna av strukturella parametrar – massor, styvheter och dämpning – på träkonstruktioners dynamik. Slutligen undersöks hur höga träbyggnader kan modelleras för att korrekt förutsäga modala egenskaper och vindinducerade respons.

Denna forskningsuppsats bekräftar farhågorna om att träbyggnader över 15-20 våningar är mer känsliga för vindexcitation än vanliga byggnader med betong- och stålstomme. Några lösningar föreslås för att mildra detta vibrationsproblem. När det gäller jämförelsen av modeller från olika standarder för att beräkna vindinducerade accelerationer visar sig spridningen av resultaten vara mycket stor. Från tester på ett stort limträfackverk visar sig förbandsstyvheterna vara viktiga för att förutsäga modala egenskaper och numeriska reduktioner med enkla fjädermodeller ger rättvisande resultat. När det gäller de strukturella modellerna av konceptuella och verkliga höga träbyggnader, betonar numeriska fallstudier vikten av exakt fördelade massor och styvheter hos byggnadselement, förband och icke-strukturella byggnadsdelar, samt behovet av exakta dämpningsvärden.

Abstract [fr]

Le changement climatique et la densification des villes sont deux défis mondiaux majeurs. Dans le domaine de la construction, les bâtiments en bois de grande hauteur sont perçus comme l'une des solutions les plus durables. D'une part la croissance urbaine verticale est économe en énergie et en ressources, d'autre part les produits forestiers stockent le carbone et ont l'un des rapports résistance mécanique/densité les plus élevés. Si la substitution structurelle du bois au béton ou à l’acier dans les immeubles de grande hauteur suscite des craintes pour les problèmes de sécurité incendie, les ingénieurs et les chercheurs s'inquiètent particulièrement de la réponse dynamique des immeubles en bois de grande hauteur à la mode. En effet, du fait de la faible densité du bois, ils sont plus légers, et à hauteur égale, ils pourraient être plus sensibles aux vibrations induites par le vent que les immeubles traditionnels. Pour satisfaire le confort des personnes aux étages supérieurs, la conception des bâtiments en bois de grande hauteur doit tenir compte judicieusement des vibrations induites par le vent. Les architectes et les ingénieurs en structure ont besoin de méthodes de calcul précises et vérifiées, de modèles numériques utiles et d'une bonne connaissance des propriétés dynamiques des bâtiments en bois de grande hauteur.

Premièrement, les travaux de recherche présentés ici tentent d’approfondir la compréhension des phénomènes dynamiques des vibrations induites par le vent dans les immeubles de grande hauteur et d'évaluer la précision des modèles semi-empiriques disponibles pour calculer les accélérations dans la direction du vent. Deuxièmement, ils visent à étudier expérimentalement et numériquement les impacts des paramètres structuraux – masses, rigidités et amortissements – sur la dynamique des structures bois. Finalement, ils suggèrent comment modéliser les bâtiments en bois de grande hauteur pour prédire correctement les propriétés modales et les réponses induites par le vent.

Cette thèse de recherche confirme les inquiétudes selon lesquelles les bâtiments en bois de plus de 15-20 étages sont plus sensibles à l'excitation du vent que les bâtiments traditionnels en béton armé ou en acier, et des solutions sont proposés pour atténuer ce problème vibratoire. Concernant la comparaison de différentes méthodes normalisées pour estimer les accélérations induites par le vent, la grande dispersion des résultats n'est pas négligeable. À partir d'essais expérimentaux sur un grand poteau-treillis en lamellé-collé, les rigidités de connexion s’avèrent importantes pour prédire les propriétés modales et les réductions numériques avec de simples modèles à ressort donnent des résultats acceptables. Concernant la précision des modèles structuraux de bâtiments en bois de grande hauteur conceptuels ou réels, des études de cas numériques soulignent l'importance des répartitions exactes des masses et des rigidités des éléments structuraux, des connexions et des éléments de construction non structuraux, ainsi que la nécessité de valeurs d'amortissement précises.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Växjö: Linnaeus University Press, 2022. , s. 82
Serie
Lnu Licentiate
Nyckelord [en]
Tall Timber Building, Wind-Induced vibration, Along-Wind Acceleration, Modal Analysis, Forced Vibration Test, Finite Element Model Reduction, Truss, Semi-Rigid Connection
Nyckelord [fr]
Bâtiment en Bois de Grande Hauteur, Vibration Induite par le Vent, Accélération Parallèle au Vent, Analyse Modale, Test de Vibration Forcée, Réduction de Modèle aux Eléments finis, Poteau Treillis, Connexion Semi-Rigide
Nyckelord [sv]
Hög Trähus, Vindinducerad Vibration, Acceleration Längs med Vinden, Modalanalys, Forcerat Vibrationstest, Finita Element Modellreduktion, Fackverk, Halvstyva Förband
Nationell ämneskategori
Husbyggnad
Forskningsämne
Teknik, Maskinteknik; Teknik, Byggteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:lnu:diva-112927ISBN: 978-91-89709-10-2 (tryckt)ISBN: 978-91-89709-11-9 (digital)OAI: oai:DiVA.org:lnu-112927DiVA, id: diva2:1659201
Presentation
2022-06-09, N1017, Hus N, Växjö, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Tillgänglig från: 2022-05-19 Skapad: 2022-05-19 Senast uppdaterad: 2023-04-06Bibliografiskt granskad
Delarbeten
1. Dynamical properties of a large glulam truss for a tall timber building
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Dynamical properties of a large glulam truss for a tall timber building
2018 (Engelska)Ingår i: Presented at the 2018 World Conference on Timber Engineering, Seoul, Republic of Korea, August 20-23, 2018, 2018, artikel-id S747Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Abstract [en]

When designing a tall timber building, the accelerations due to wind loads are in many cases decisive. The parameters governing the dynamic behaviour of the building are the structure’s stiffness, damping and mass together with the loads. The first two parameters are not well-known during the serviceability limit state of timber structures generally and of timber connections specifically.

In this study, dynamical properties of a large glulam truss, a part of the vertical and horizontal structural system in a residential six-storey timber building, are estimated from measurements made in the manufacturing plant. The timber members of the truss are joined with slotted-in steel plates and dowels. Forced vibrational test data are used to extract the dynamical properties. Finite element (FE) models, supported by the experimental results, were developed and simulations, to study the influence of the connection stiffnesses on the total behaviour, were performed. The vibration test results of measurements made on separate structural parts give valuable input to model timber structures and better possibilities to simulate the dynamic behaviour of tall timber buildings as well as the load distribution in wooden structures in the serviceability limit state.

Nyckelord
Vibrational testing, experimental modal analysis, stiffness and damping, timber joints, slotted-in steel plates with dowels connection
Nationell ämneskategori
Husbyggnad
Forskningsämne
Teknik, Byggteknik; Teknik, Skog och träteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:lnu:diva-76789 (URN)2-s2.0-85058173513 (Scopus ID)
Konferens
2018 World Conference on Timber Engineering, Seoul, Republic of Korea, August 20-23, 2018
Projekt
Tall Timber Buildings – concept studies
Forskningsfinansiär
Swedish Research Council for Environment, Agricultural Sciences and Spatial Planning, 942-2015-115
Tillgänglig från: 2018-07-11 Skapad: 2018-07-11 Senast uppdaterad: 2022-05-19Bibliografiskt granskad
2. Reduced and test-data correlated FE-models of a large timber truss with dowel-type connections aimed for dynamic analyses at serviceability level
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Reduced and test-data correlated FE-models of a large timber truss with dowel-type connections aimed for dynamic analyses at serviceability level
2022 (Engelska)Ingår i: Engineering structures, ISSN 0141-0296, E-ISSN 1873-7323, Vol. 260, artikel-id 114208Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

The rise of wood buildings in the skylines of cities forces structural dynamic and timber experts to team up to solve one of the new civil-engineering challenges, namely comfort at the higher levels, in light weight buildings, with respect to wind-induced vibrations. Large laminated timber structures with mechanical joints are exposed to turbulent horizontal excitation with most of the wind energy blowing around the lowest resonance frequencies of 50 to 150 m tall buildings. Good knowledge of the spatial distribution of mass, stiffness and damping is needed to predict and mitigate the sway in lighter, flexible buildings. This paper presents vibration tests and reductions of a detailed FE-model of a truss with dowel-type connections leading to models that will be useful for structural engineers. The models also enable further investigations about the parameters of the slotted-in steel plates and dowels connections governing the dynamical response of timber trusses.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Elsevier, 2022
Nyckelord
tall timber structure, glulam truss, mechanical connection, dowel-type fastener, wind-induced vibration, modal testing, dynamic properties, connection stiffness, serviceability, FE-model reduction
Nationell ämneskategori
Husbyggnad Arkitekturteknik
Forskningsämne
Teknik, Byggteknik; Teknik, Maskinteknik; Teknik, Hållbar byggd miljö
Identifikatorer
urn:nbn:se:lnu:diva-111023 (URN)10.1016/j.engstruct.2022.114208 (DOI)000794203700002 ()2-s2.0-85128704705 (Scopus ID)2022 (Lokalt ID)2022 (Arkivnummer)2022 (OAI)
Forskningsfinansiär
Vinnova, 2018-04976
Tillgänglig från: 2022-03-28 Skapad: 2022-03-28 Senast uppdaterad: 2023-04-06Bibliografiskt granskad
3. Comparative study of wind-induced accelerations in tall timber buildings according to four methods
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Comparative study of wind-induced accelerations in tall timber buildings according to four methods
2021 (Engelska)Ingår i: WCTE 2021, World Conference on Timber Engineering, Santiago, Chile, 9 - 12 August, World Conference on Timber Engineering, WCTE , 2021Konferensbidrag, Publicerat paper (Refereegranskat)
Abstract [en]

The height and the market share of multi-story timber buildings are both rising. During the last two decades, the Architectural and Engineering Construction industry has developed new reliable solutions to provide strength, structural integrity, fire safety and robustness for timber structures used in the mid- and high-rise sectors.According to long-time survey and lab experiments, motion sickness and sopite syndrome are the main adverse effects on the occupants of a wind sensitive building. For tall timber buildings, wind-induced vibrations seem to be a new critical design aspect at much lower heights than for traditional steel-concrete buildings. To guarantee good comfort, the horizontal accelerations at the top of tall timber buildings must be limited. Two methods in the Eurocode for wind actions (EN1991-1-4), procedure 1 in Annex B (EC-B) and procedure 2 in Annex C (EC-C), provide formulas to estimate the along-wind accelerations. The Swedish code advises to follow a method specified in the National Annex to the Eurocode (EKS) and the American ASCE 7-2016 recommend another method.

This study gives an overview on the background of the different methods for the evaluation of along-wind accelerations for buildings. Estimated accelerations of several tall timber buildings evaluated according to the different methods are compared and discussed. The scatter of the accelerations estimated with different codes is big and increases the design uncertainty of wind induced response at the top of tall timber buildings.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
World Conference on Timber Engineering, WCTE, 2021
Nyckelord
Tall timber buildings, serviceability, wind loads, dynamical response, along-wind peak acceleration, wind-induced vibrations, comfort, building code
Nationell ämneskategori
Husbyggnad Arkitekturteknik
Forskningsämne
Teknik, Byggteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:lnu:diva-106188 (URN)2-s2.0-85120725506 (Scopus ID)
Konferens
WCTE 2021, World Conference on Timber Engineering, Santiago, Chile, 9 - 12 August
Forskningsfinansiär
Vinnova, 2018-04976Forskningsrådet Formas, 2018-04976Energimyndigheten, 2018-04976
Tillgänglig från: 2021-08-19 Skapad: 2021-08-19 Senast uppdaterad: 2023-06-21Bibliografiskt granskad
4. Tall timber buildings: a preliminary study of wind-induced vibrations of a 22-storey building
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Tall timber buildings: a preliminary study of wind-induced vibrations of a 22-storey building
2016 (Engelska)Ingår i: Proceedings of the World Conference on Timber Engineering (WCTE 2016): August 22-25, 2016, Vienna, Austria / [ed] J. Eberhardsteiner, W. Winter, A. Fadai, M. Pöll, Vienna: Vienna University of Technology , 2016Konferensbidrag, Publicerat paper (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

During the last years the interest in multi-storey timber buildings has increased and several medium-to-high-rise buildings with light-weight timber structures have been designed and built. Examples of such are the 8-storey building “Limnologen” in Växjö, Sweden, the 9-storey “Stadthouse” in London, UK and the 14-storey building “Treet” in Bergen, Norway. The structures are all light-weight and flexible timber structures which raise questions regarding wind induced vibrations. This paper will present a finite element-model of a 22 storey building with a glulam-CLT structure. The model will be used to study the effect of different structural properties such as damping, mass and stiffness on the peak acceleration and will be compared to the ISO 10137 vibration criteria for human comfort. The results show that it is crucial to take wind-induced vibrations into account in the design of tall timber buildings.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Vienna: Vienna University of Technology, 2016
Nyckelord
Deformation, dynamic properties, stabilisation, sway, wind loads
Nationell ämneskategori
Husbyggnad
Forskningsämne
Teknik, Byggteknik; Teknik, Maskinteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:lnu:diva-56569 (URN)2-s2.0-85011003349 (Scopus ID)978-3-903039-00-1 (ISBN)
Konferens
World Conference on Timber Engineering (WCTE 2016), August 22-25, 2016, Vienna, Austria
Projekt
Tall Timber Buildings
Forskningsfinansiär
Forskningsrådet Formas, 942-2015-115
Anmärkning

Ej belagd 20161019

Tillgänglig från: 2016-09-19 Skapad: 2016-09-19 Senast uppdaterad: 2022-05-19Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(14478 kB)728 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 14478 kBChecksumma SHA-512
21d64f1d5045103e4717b50a7475b50742eb11bc7cae4111804437e56ce4acb6b025e3b0b42f44965cac5b426b4531f63df1ccb416aa59fb7b29e25bcae89c7a
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Landel, Pierre
Av organisationen
Institutionen för maskinteknik (MT)Institutionen för byggteknik (BY)
Husbyggnad

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 744 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

isbn
urn-nbn

Altmetricpoäng

isbn
urn-nbn
Totalt: 625 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf