Horisontalstabilisering av småhus i trä: en jämförelse av dimensioneringsmetoder

Abstract

In the last ten years, the number of building permits applied for houses with timber frame structure has more than doubled. Today, there is no general requirement to establish horizontal capacity, but is something that can be demanded and that many structural engineers have occasionally experienced as problematic. The design phase can then be time-consuming, where solutions for determining capacity against wind loads can become expensive and complicated, which does not always receive a positive response from production. Against this background, there is a general interest among both structural engineers and production to evaluate appropriate approaches to meet the interests of both parties.

The purpose of the work is to establish a more optimal approach by examining the available calculation methods. The aim is to determine what strengths and weaknesses the methods entail and under what conditions the methods are suitable.

The case study includes a literature study, survey study and calculations where a reference object is the basis for the analysis. The object in question is a long and narrow two-floor single family house that consists of a prefabricated wooden frame and is situated in Bunkeflostrand, south of Malmö. The area is close to the sea and is at times very exposed to wind. To meet the requests of future residents, the floor plan is open, and most openings are located on the gables, which leads to few stabilizing walls. As this type of house is becoming more common and the object in question may become a standard house for similar establishments, it is of interest to study.

Through the survey study, information and experiences are gathered from structural engineers and house manufacturers to get a background on how the industry responds to the problem. The respondents' answers form a basis for some choices and assumptions in further analysis. In the thesis, different design methods are evaluated for calculating the shear resistance of a wooden frame. The methods that are analyzed and compared are Method A and Method B according to Eurocode 5, elastic design according to Gyproc's manual 7 and plastic design according to A. Girhammar and B. Källsner. A finite element method modeling is performed to investigate if and how the method can possibly be implemented when calculating an object's horizontal capacity.

The analysis is divided into two parts which are referred to as Study 1 and Study 2. In the first part, the calculation methods are investigated based on the choice of board material and screw distance to reach a degree of utilization as close to 100% as possible. The different methods cost outcomes are compiled and compared. Furthermore, the shear resistances according to all methods are evaluated under the same assumption to get an idea of how the methods differ. In the second part, a number of changes in geometry are made to examine how the horizontal capacity of the reference object is affected.

The results show that the plastic method with full anchoring gives approximately 20% higher shear capacity compared to the recommended method in Eurocode 5, Method A, as stabilizing boards above and below openings can be used for stabilization. As the choice of board material is the largest cost-driving factor, this gives approximately 30% lower cost than Method A. Lowering the reference object's height from 8.5 m to 7.0 m gives the most advantageous outcome as the wind load is reduced and approximately 50% higher degree of utilization is obtained compared to Study 1. The horizontal capacity regarding Method A, Method B, and elastic method is higher when full board widths are used. Plastic design with partial anchoring gives a higher shear capacity when continuous wall lengths are obtained since a plastic shear flow can be built up over a longer distance. Furthermore, plastic design is not recommended if openings are placed close to each other as the capacity in boards above and below openings must be greatly reduced.

Abstract (Swedish)

De senaste tio åren har antalet sökta bygglov för småhus med träregelstomme mer än fördubblats. I dagsläget finns inget allmänt krav att säkerställa horisontalkapacitet för småhus men är något som beställaren kan efterfråga och som många konstruktörer någon gång upplevt problematiskt. Projekteringsfasen kan bli tidskrävande där lösningar för att fastställa kapacitet mot vindlast blir dyra och komplicerade vilket inte alltid får ett positivt bemötande från produktionen. Med bakgrund av detta finns ett allmänt intresse hos både konstruktörer och produktion att utvärdera lämpliga tillvägagångssätt för att möta båda parters intressen.

Examensarbetet utvärderar olika dimensioneringsmetoder för beräkning av en träregelstommes horisontella bärförmåga. Syftet med arbetet är att fastställa ett mer optimalt tillvägagångssätt genom att undersöka tillgängliga beräkningsmetodiker. Målet är att undersöka vilka styrkor och svagheter metoderna medför samt under vilka förutsättningar de lämpar sig.

Fallstudien inkluderar litteraturstudie, enkätstudie samt beräkningar där ett referensobjekt ligger till grund för analysen. Objektet är ett långsmalt kedjehus i två plan som består av en prefabricerad träregelstomme och är beläget i Bunkeflostrand söder om Malmö. Området ligger nära havet och är i perioder mycket vindutsatt. För att möta framtida boendes önskemål är planlösningen öppen och majoriteten av dörrar och fönster är placerade på gavlarna vilket leder till få stabiliserande väggar. Då denna typ av hus blir alltmer vanlig och objektet i fråga kan komma att bli ett standardhus för liknande etableringar är det av intresse att studera.

Genom enkätstudien inhämtas information och erfarenheter från konstruktörer och småhustillverkare för att få en bakgrund till hur branschen bemöter problematiken. Respondenternas svar ligger till viss grund för val och antaganden i vidare analys. I examensarbetet utvärderas olika dimensioneringsmetoder för beräkning av en träregelstommes horisontella bärförmåga. Metoderna som analyseras och jämförs är Metod A och Metod B enligt Eurokod 5, elastisk dimensionering enligt Gyprocs handbok 7 och nyanserad plastisk dimensionering enligt A. Girhammar och B. Källsner. En enklare FEM-modellering genomförs för att undersöka hur och om metoden kan implementeras vid beräkning av ett objekts horisontella bärförmåga.

Analysen delas upp i två delar vilka benämns som Studie 1 och Studie 2. I den första delen undersöks beräkningsmetoderna baserat på val av skivmaterial samt skruvavstånd för att nå en utnyttjandegrad så nära 100% som möjligt. De olika metodernas kostnadsmässiga utfall sammanställs och jämförs. Vidare utvärderas samtliga metoders horisontella bärförmåga under samma antagande för att få en bild av hur metoderna skiljer sig åt. I den andra delen genomförs sex geometriändringar för att undersöka hur referensobjektets horisontella bärförmåga påverkas.

Resultatet visar att nyanserad plastisk metod med full förankring ger ungefär 20% högre horisontell bärförmåga jämfört med den rekommenderade metoden i Eurokod 5, Metod A, då skivor över och under öppningar kan nyttjas stabiliserande. Då val av skivmaterial är den största kostnadsdrivande faktorn ger detta ungefär 30% lägre kostnad än Metod A. Att sänka referensobjektets höjd från 8,5 m till 7,0 m ger det mest fördelaktiga utfallet då vindlasten sänks väsentligt och cirka 50% lägre utnyttjandegrad erhålls jämfört med Studie 1. I Metod A, Metod B samt elastisk metod erhålls högst horisontell bärförmåga då fulla skivbredder används. Vid nyanserad plastisk dimensionering med partiell förankring erhålls en bättre horisontell bärförmåga vid kontinuerliga vägglängder där ett plastiskt skjuvflöde kan byggas upp under en längre sträcka. Vidare rekommenderas inte plastisk dimensionering om öppningar är placerade tätt intill varandra då kapaciteten i skivor ovan och under öppningar måste reduceras kraftigt.

• author: Stilgård, Alice and Bender, Amanda
• supervisor: Eva Frühwald Hansson
• organization: Division of Structural Engineering
• alternative title: Horizontal stabilization of wooden houses - a comparison of wooden houses
• course: VBKM01 20221
• year: 2022
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: horisontalstabilisering, skjuvbärförmåga, småhus i trä, skivverkan, vindlast, partiell förankring, full förankring, nyanserad plastisk dimensionering, Metod A, Metod B, elastisk metod, horisontell bärförmåga, träregelstomme, vindstabilisering
• report number: TVBK-5290
• ISSN: 0349-4969
• language: Swedish
• additional info: Industrihandledare: Martin Heinegård; Examinator: Jonas Niklewski
• id: 9085272
• date added to LUP: 2022-06-08 10:26:08
• date last changed: 2022-06-10 10:26:02