Wood frame solutions for free space design in urban buildings

WOODSOL (Wood frame solutions for free space design in urban buildings) har utviklet konstruksjonsløsninger i tre egnet for industrialisering og bruk i bybebyggelse. Mange av våre mest brukte byggematerialer er ikke bæredyktige med tanke på miljøeffektene. Trematerialer synes å være det eneste relevante byggematerialet som gir positiv effekt på klimaregnskapet. Trematerialer som lagres virker som et karbonlager, og bruk av tre i bygninger medfører at tre-bygg også fungerer som karbonlager, samt at de gjerne har mindre utslipp under produksjon enn andre byggematerialer. Verdens befolkning urbaniseres og gir behov for bygninger med flere etasjer for at ikke byene skal legge beslag på for store arealer og bruke mye ressurser på transport. Byggesystemer basert på tre har ikke hatt samme utvikling som andre byggematerialer, grunnet innføring av murtvang i byene i forrige århundre. Moderne funksjonsbaserte byggeregler gir også anledning til å modernisere bruk av tre i bybebyggelse og å støtte opp under den økende interessen for bruk av mere miljøvennlige byggematerialer. Prosjektet har utviklet løsninger med rammekonstruksjoner i tre og momentstive sammenføyninger som egner seg for by-bygg med 3 til 10 etasjer. Løsningene muliggjør åpen og fleksibel arkitektur med store åpninger i vegger, og uten tett plasserte søyler eller bærevegger. Gulvsystemene baseres på statisk samvirke (kompositt) mellom forskjellige komponenter i tre, og gir bedre egenskaper enn sammenlignbare systemer. En slik løsning gir god inndeling i brann celler, økt stivhet og muliggjør justerbar masse i gulvene, noe som gir bedre komfort egenskaper (mhp vibrasjoner) og bedre lydisolasjon. Gulvløsningene forbedres ytterligere med momentstive forbindelser mellom gulv og vertikalt bærende elementer. Prosjektet har dokumentert de viktigste egenskapene med eksperimentelle undersøkelser og beregninger. En prøveproduksjon av systemet samt en prøveoppstilling (mock-up) har vært gjennomført i samarbeid med Charlottenlund Videregående Skole, Trondheim. Prøveoppstillingen ble brukt til å undersøke de akustiske egenskapene, vibrasjoner og effekten av sammenkoblinger mellom elementene. Det har blitt utviklet dekke-elementer med spennvidde inntil 10 meters spennvidde. Dekkeelementene har bredde 2,4 m slik at de kan fraktes horisontalt på lastebil. Dekke-elementene kan kobles sammen sideveis eller være ukoblet. Vibrasjoner og akustikk har vært de mest sentrale problemstillingene og disse har blitt inngående studert. Resultatene fra mock-up viser at en måleteknikk basert på målte vibrasjonsnivåer til golvelementet kan benyttes til å prediktere av-strålt lyd slik at man ikke må etablere ferdige rom med minimale flankebidrag for å kunne bestemme lydisolerende egenskaper. Dette er verifisert gjennom måling av samme golvelement i SINTEF sitt akkrediterte lydlaboratorium i Oslo. Måleresultatene viser også betydelig positiv effekt av å bruke miljøvennlig fylling med pukk; dette gir god lydisolasjon i kombinasjon med kjente prinsipper for oppbygging av overgolv. Dekkene tilfredsstiller alle krav til styrke, stivhet, nedbøyning, samt vibrasjoner og akustikk. Videre har det blitt utviklet optimaliseringsrutiner for industriell produksjon av dekker som fokuserer på pris og CO2 utslipp, og dette ansees å være et godt utgangspunkt for industriell produksjon. For horisontal avstivning har prosjektet vist at rammesystemer er velegnet opptil 8-10 etasjer avhengig av bygningens horisontale utstrekning. Horisontal avstivning i ett plan kan da utføres med kun momentstive rammer. Rammevirkningen er avhengig av relativt stive søyler og bjelker. I prosjektet ble det valgt å integrere bjelkene inn i dekke-elementene og på denne måten er det oppnådd større rotasjons-stivhet enn det som kan oppnås med tilsvarende bjelker alene. I tillegg blir dekkene på denne måten også stivere med hensyn på nedbøyning og vibrasjoner enn ved en alternativ utforming. Det er også mulig å utnytte rammevirkning i begge horisontale akseretninger, men dette har ikke blitt studert i detalj i prosjektet. Det kritiske elementet i en momentstiv ramme er forbindelsen mellom horisontale og vertikale deler i rammesystemet. Det har vært utført en rekke undersøkelser og eksperimenter på flere alternativer for momentstive forbindelser. Prosjektet har kommet frem til en utforming av en momentstiv forbindelse som er flere ganger stivere enn hva som tidligere er kjent fra litteraturen. Momentforbindelsen består av innskrudde gjengestenger og koblingsdetaljer som muliggjør hurtig montasje på byggeplass. Det er lagt opp til at alle vesentlige koblinger er montert på fabrikk, kun sammenstilling og montasje av elementene skal skje på byggeplass. Eksempelvis trenger ett 2,4 x 10 m dekke kun at to bolter monteres i prefabrikkerte hull i hvert hjørne. Deler av teknologien som er utviklet i prosjektet har vakt betydelig interesse og er allerede tatt i bruk i praktisk prosjektering av trekonstruksjoner.

Dekke-elementer med inntil 10 meters spennvidde som tilfredsstiller alle krav til styrke, stivhet, nedbøyning, samt vibrasjoner og akustikk er utviklet. Optimalisering av fysiske egenskaper samt pris og CO2 utslipp er et godt utgangspunkt for industriell produksjon. Rammesystemer er egnet opptil 8-10 etasjer avhengig av bygningens horisontale utstrekning. Det kritiske elementet er forbindelsen mellom horisontale og vertikale deler i rammesystemet. En utforming av en momentstiv forbindelse som består av innskrudde gjengestenger og koblingsdetaljer er utviklet. Tre-materialer kan lettere settes i svingninger. Fokus på bruksegenskaper som horisontale vibrasjoner av bygningskroppen, vertikale vibrasjoner av gulv samt akustikk har bidratt til at bransjen har fått større fokus på disse viktige egenskapene og metoder har blitt utviklet og gjort kjent. Ingeniører og arkitekter fått ett nye verktøy i sin redskapskasse, noe som forbedrer mulighetene for fremtidsrettede og miljøvennlige bygg.

The main objective is to develop industrialized structural solutions, based on moment resisting wooden frames, for use in urban buildings having five to ten stories open architecture. A growing potential for use of environmentally friendly building materials in urban buildings is addressed. An open and flexible architecture requires floors without closely spaced columns or walls, which accommodates large openings. A major limitation of wooden systems is the span length of the floors; the four to six meters spans of joisted floors are not suitable. Timber-concrete composite floors have many of the required qualities. The separation into fire compartments becomes easier, both stiffness and mass of the floors will increase, thus improving comfort properties such as vibration and sound insulation. The effectiveness of such a flooring system can be further improved by the introduction of moment resisting connections between floors and columns. These connections may also reduce the need for other horizontal stabilization systems, thus providing a larger degree of architectural freedom by absence of closely spaced columns or walls. The goal of the project is to develop a practical building system with necessary documentation of all relevant properties. The basic ideas and approaches for structural systems and components are the following - Moment resisting frames (MRFs) including prefabricated couplings (MRCs). - Prefabricated timber-concrete composite floors ( TCC) - Assembly and geometric tolerances The most critical challenges are related to structural, safety and comfort properties of the developed structural system, and the following issues will be studied: - Serviceability aspects; stiffness, deformation and vibrations - Safety requirements and performance - Acoustic properties and solutions. Sound insulation of floors, walls and flanking transmission. Effects of MRFs and coupling details - Fire safety concept and rating of the structural system.