ForestValue - Dynamic Response of Tall Timber Buildings under Service Load

Alle høye bygg utsatt for vindbelastning vil i noen grad svaie og svinge. Vanligvis er bevegelsene små og de merkes ikke av hverken tilskuere eller av personer inne i bygget. Slike svingninger medfører ikke noen fare for at bygget skades på noen måte, men personer som oppholder seg i bygget kan føle ubehag. Ubehaget arter seg omtrent som bilsyke, små gjentatte svingninger kan medføre tendens til kvalme. Enkelte personer registrerer bevegelser, for eksempel ved at en pendel-lampe beveger seg, og derfor føler seg utrygg. Dette øker sensitiviteten for svingninger. Det er stor individuell forskjell på hvor sensitiv man er for slike svingninger. På samme måte som det er forskjell mellom fjæring og støtdempere på biler, så er det også være betydelig forskjell på byggverk. Generelt er det slik at form, høyde, stivhet og masse for et byggverk bestemmer om bygget har tendens til ubehagelige svingninger. Byggematerialene har forskjellig egenvekt, stivhet og dempningsegenskaper, noe som gir forskjell i svingetendens. Lette byggverk er generelt lettere å sette i svingninger enn tunge bygg. Imidlertid har dempningen i byggverket mye å si, dette virker som støtdempere i bygget. Høye byggverk i stål- eller trekonstruksjoner blir som lette bygg å regne i denne sammenhengen og dermed må svingeproblematikken vies stor oppmerksomhet. Horisontale svingninger forårsaket av vindbelastning er kanskje hovedutfordringen ved bygging av høye trehus i dag. I prosjektet har en rekke høye trebygninger, bygget i Europa i løpet av de siste ti år, blitt undersøkt for denne problematikken. Byggene har blitt utsatt for kontrollerte tvangs-svingninger for å bestemme byggenes egenskaper med hensyn på svingetendens. Parallelt med dette har typiske bygningskomponenter og sammenføyninger blitt karakterisert laboratorier med hensyn på stivhet og dempningsegenskaper. Målet var å utvikle en beregningsmodell som kan brukes til å sikre at høye byggverk i tre ikke utformes på en måte som kan medføre ubehagelige svingetendenser. I prosjektet er det utført forsøk med påtvungne svingninger på totalt åtte byggverk (UK Frankrike, Sverige, Slovenia og Norge). I Norge ble en forsøksserie utført med påtvungne svingninger på det 18 etasjers høye bygget «Mjøstårnet» i Brumunddal. Dette er vel det største bygget i verden hvor slike forsøk er gjennomført. Forsøkene ble utført i september/oktober 2021 som et samarbeid mellom NTNU og University of Exeter, UK. NTNU har også installert langtids overvåking av Mjøstårnet og foretatt «ambient vibration tests» med aktuell vindbelastning over en 3-års periode, avsluttet i 2022. I tillegg har prosjektet ved NTNU også gjennomført målinger på to høybygg i tre i Tromsø (10 og 13 etasjer CLT bygg). Disse målingene ble utført med den aktuelle vindbelastning (ambient vibration tests), over en periode på nesten et halvt år i 2020. I 2022 har NTNU gjennomført forsøk på 5 tilnærmet like CLT bygg med 9 etasjer (Moholt 50/50) i Trondheim. I Norge har prosjektet samlet inn data for egenfrekvenser, svingemoder og dempningsparametere for i alt 8 trebygg mellom 9 og 18 etasjer. Numeriske simuleringsmodeller for alle de testede byggene er utviklet og de eksperimentelle dataene er brukt til kalibrering og verifisering av modellene. Det er utarbeidet to typer numeriske modeller for byggene, ett sett med meget detaljert modellering mest for vitenskapelige studier, og ett sett med forenklede modeller egnet for bruk i praktisk prosjektering av nybygg. Det er fremgangsmåten og valg av parametere ved modellering av vibrasjoner som er hovedresultatet av den norske delen av prosjektet, og resultatene er enten publisert eller er under publisering i vitenskapelige tidsskrifter. Prosjektresultatene vil også bli presentert og publisert på Verdenskonferansen på Trekonstruksjoner i Oslo i juni 2023 (WCTE 2023)

Det norske prosjektet er en del av et større internasjonalt «ForestValue» prosjekt med fem partnerland. Omtalen her begrenser seg til den norske delen av prosjektet. En samlet rapport som dekker det internasjonale prosjektet, er vedlagt under «særskilt rapportering». Prosjektet har fjernet det meste av den tidligere usikkerheten rundt vibrasjoner grunnet vind eksponering på høye trehus. I alt 8 høye trehus (9 – 18 etasjer) bygd i Norge har blitt instrument og målt over lengre tid før de innsamlede data har vært etterbehandlet. På denne måten har egenfrekvenser, svingemoder, akselerasjoner og dempningsforhold blitt fastlagt for alle byggene. Alle målte data er, eller vil snart bli, publisert i anerkjente tidsskrifter. Det innsamlede målte grunnlaget har også blitt benyttet som en kilde til utvikling og validering av numeriske modeller for alle byggene. Det har vært lagt vekt på å utvikle enkle FEM modeller som sammen med anbefalte verdier for stivheter, massefordeling og dempningsparametere, er velegnet for praktisk bruk. Det har også vært gjennomført eksperimentelle undersøkelser av store knutepunkter med dybelforbindelser (som benyttet i Mjøstårnet). Hensikten med disse har vært å bestemme stivheter og energidissipasjon ved syklisk belastning. Disse forsøkene er ganske unike, både pga sitt stor parameterområde og protokoll for gjennomføring. Bare om lag halvparten av publiseringene har blitt tilgjengelige så langt, resten er enten under review eller vil bli publisert i forbindelse med World Conference on Timber Engineering 2023, som vil bli arrangert i Oslo 19-22. juni 2023. I alt 19 masterstudenter har utført sin masteroppgave direkte tilknyttet dette prosjektet. Av disse har 8 arbeidet med numeriske modeller, 6 studenter har vært delaktige i instrumentering og behandling av instrumenterte og målte byggverk, mens 5 studenter har gjennomført laboratorieforsøk. Det ligger en betydelig effekt av kompetansespredning i dette, og flere nyutdannede studenter har vært med å gjennomføre evalueringer av svingninger på planlagte byggeprosjekter. PhD student Saule Tulebekova har vært PhD student på dette prosjektet, og vil levere inn sin PhD avhandling og disputere første halvår 2023. Totalt sett mener vi at vi har fått mere ut av prosjektet enn forventet. De målte data fra aktuelle byggverk og gjennomførte laboratorieforsøk vil trolig ha lang levetid og bli hyppig benyttet som referanser. Det har i ettertid vist seg at våre labforsøk også er nyttige i modellering og evaluering av trebruer.

The research hypothesis is that it is possible to create computational models for Tall Timber Buildings, based on system identification and calibration of advanced Finite Element (FE) models. This will be underpinned by data from full-scale tests of a number of representative mid-to-high rise timber buildings in Norway, Sweden, France, Slovenia and UK. The project plan will utilize unique horizontal electro-dynamic sliding shakers from the University of Exeter (UK) and CSTB (France) to perform vibrational tests and use the data to estimate Frequency Response Functions (FRFs). This unique approach will enable thorough identification of the structural systems for TTBs. Additionally, more detailed laboratory testing will be performed on both structural connections, as well as non-structural components, to identify the cause of and quantify the vibration energy dissipation. Finally, both sets of experimental data will be integrated to calibrate FE-models serving as the basis for a new generation of modelling guidelines, to calculate wind sway response of TTBs for their vibration serviceability at the design stage. The in-situ measurements, using forced vibrations, will be preceded by relatively short ambient vibration tests (AVT) to enable optimum shaker positioning within the building. Laboratory experiments will analyse the basis of stiffness and damping characteristics, identifying models of components, connections and sub-assemblies, subsequently combining the characteristics with advanced numerical FE models. The numerical models will be project deliverables, together with the dynamic response characteristics for the tested TTBs. Collectively, this research will enable improved and more reliable designs for TTBs, taking account of the effects of wind and drawing on information contained in the subsequently produced Design Guideline for TTBs.