Timber Concrete Composite floors with Cross Laminated Timber - Structural behavior & Design

Abstract (Swedish)

På grund av den ökade miljö- och klimatmedvetenheten har övergången till förnybara material påskyndats, och detsamma gäller intresset för träbyggande. Med att bygga högt i trä kommer dock ett flertal konstruktionsmässiga utmaningar, där en av utmaningarna är dynamik på grund av träets låga egenvikt jämfört med andra mer konventionella byggnadsmaterial. Vissa av dessa utmaningar kan avhjälpas med införandet av samverkansbjälklag, där ett betongskikt appliceras ovanpå och kopplas samman med trätvärsnittet, vilket ökar böjstyvheten och förbättrar bjälklagets dynamiska egenskaper.

Trots att samverkansbjälklag är vanligt förekommande i Europa är kunskapen kring samverkansbjälklag begränsad inom svensk byggindustri. Detta faktum ligger till grund för detta examensarbete, som undersöker beräkningsmetodik och strukturellt verkningssätt hos samverkansbjälklag bestående av betong och korslimmat trä (KL-trä) där både analytiska beräknings-metoder samt FE-modellering behandlas. Fokus kommer att ligga på samverkanstvärsnitt med KL-trä bestående av fem lamellskikt och med skuvförbindare i form av skruv och grovnot.

Gamma-metoden är en vanligt förekommande dimensioneringsmetod för KL-trä upp till och med fem lamellskikt. Denna metod kan modifieras så att den är tillämpbar även för samverkanstvärsnitt med 5-skikts KL-trä, där betongskiktet ses som ett sjätte skikt med en eftergivlig koppling till KL-trätvärsnittet. Två sådana modifierade beräkningsmetoder som kan hantera samverkanstvärsnitt med ett 5-skikts KL-trä är den ekvivalenta gamma-metoden och den utökade gamma-metoden. Båda metodernas beräkning av böjstyvheten hos ett samverkansbjälklag har visat sig överensstämma väl mot FE-modellering och labbtester. Den utökade gamma-metoden har en mer stabil teoretisk grund jämfört med den ekvivalenta gamma-metoden, och är därför den rekommenderade analytiska beräkningsmetoden. Den förenklade beräkningsmetoden i den ekvivalenta gamma-metoden kan teoretiskt ifrågasättas, och därav rekommenderas denna metod endast användas till preliminära beräkningar i tidiga skeden.

Följande slutsatser kan dras gällande det strukturella verkningssättet hos ett samverkansbjälklag:
- Skjuvförbindarna ska koncentreras till områden där skjuvflödet är stort, d.v.s. nära upplagen för optimal prestanda.
- Ökande andel bärande trä i den longitudinella riktingen av KL-träbjälklaget ökar böjstyvheten hos samverkansbjälklaget som helhet.
- Betongskiktets E-modul ökar samverkansbjälklagets böjstyvhet. Betongens egentyngd är dock hög och därmed ska tjockleken på betongskiktet med fördel hållas nere för att uppnå ett optimalt förhållande mellan låg egentyngd och hög böjstyvhet.

Abstract

Due to the increasing environmental awareness, the transition pace to renewable materials has increased, and the use of timber in construction is no exception. However, using timber in high rise building applications comes with structural challenges, e.g dynamic issues originating from timber being lightweight compared to conventional building materials. Some of the structural challenges with timber can be resolved by the implementation of Timber Concrete Composites (TCC), which increases the effective bending stiffness by adding a concrete layer connected to the underlying timber floor. Furthermore, the higher self-weight of concrete contributes to improved dynamic performance.

Despite the fact that the TCC floor is a versatile and quite common structural design solution in Europe, the TCC knowledge in the Swedish construction industry is limited. The main scope of the thesis is to raise this knowledge of TCC by studying the structural behavior and develop applicable design methods. Both analytical design methods and FE-modelling are addressed. The content is limited to TCC floors with a 5-layer Cross-Laminated Timber (CLT) section, with use of notches or screws as shear connectors.

In CLT design, the Gamma method is commonly used and applicable to a CLT layup up to 5 layers. This method can, by a slight modification, be applicable for TCC sections with a 5-layer CLT as well. The concrete layer on top is regarded as an additional longitudinal layer, flexibly connected to the CLT section. The Equivalent gamma method and the Extended gamma method are two modified versions of the conventional Gamma method, valid for TCC floors with 5-layer CLT sections. Each method determines the effective bending stiffness accurately, compared to FE-modelling and laboratory test results. The Extended gamma method has a more solid theoretical base compared to the Equivalent gamma method, and is considered the recommended design method. The simplified methodology of the Equivalent gamma method is theoretically questionable, hence its recommended use is for preliminary calculations only.

The following concluding remarks can be drawn from the analysis of the structural behavior of TCC floors:
- The shear connectors should be concentrated to areas of high shear flow, i.e. close to support, for optimal structural performance.
- An increased ratio of timber in the longitudinal, load-bearing direction of the CLT section increases the effective bending stiffness of the TCC.
- The concrete layer increases the effective bending stiffness due to the high Young's modulus. However, the high density of concrete entails a thin concrete layer thickness to achieve a light-weight and structural efficient TCC system, and the decisive optimisation factor is the ratio of mass-to-effective bending stiffness, m/EI.

Popular Abstract (Swedish)

Efterfrågan på miljövänliga träbyggnader är hög men också följt av byggtekniska utmaningar. En lösning på dessa är samverkansbjälklaget där trä och betong sammankopplas, vilket medför en klimatsmart och tekniskt effektiv lösning för golv i träbyggnader.

Examensarbetet presenterar en helt ny metod samt en justerad befintlig metod för hur man kan beräkna bärförmågan för golv med ett lager betong sammankopplat med en underliggande träskiva med korsvis lagda och hoplimmade träplankor. Denna träskiva kallas korslimmat trä. Med dessa beräkningsmetoder och med ett beräkningsprogram kan samverkansbjälklagets beteende studeras i detalj och slutsatser kan dras om hur de ingående materialen bör anpassas för att maximera golvets bärförmåga. Det mest häpnadsväckande resultatet visar att tjockleken på betongen kan vara betydligt lägre än tidigare rekommendationer.

Byggindustrin står för en betydande del av världens koldioxidutsläpp och med en kraftigt ökande klimatmedvetenhet rider träbyggandet framgångsrikt på denna våg och ses som ett stort och viktigt steg på vägen mot en kraftig reducering av byggindustrins negativa klimatpåverkan. Detta eftersom trä är ett förnyelsebart och miljövänligt byggnadsmaterial med goda byggtekniska egenskaper.

Med trä kommer dock ett antal byggtekniska utmaningar. En utmaning är den lätta vikten hos trä, vilket orsakar problem för träbyggnader gällande bland annat svängningar, vibrationer och ljud som måste hanteras. Ett lager betong ovanpå en korslimmad träskiva är en byggtekniskt effektiv lösning på detta problem eftersom tyngden på golvet ökar, vilket minskar oönskade vibrationer och svängningar samt isolerar mot ljud. Utöver ökad tyngd medför betonglagret även att golvets bärförmåga förbättras eftersom materialen är sammankopplade och dess egenskaper därmed är bättre utnyttjade, vilket ger möjlighet till öppna och luftiga planlösningar. Genom att använda denna typ av golv utvidgas användningsområdet för träbyggandet som successivt blir en allt större utmanare till andra mer konventionella samt icke förnybara byggnadsmaterial.

I dagsläget råder dock kunskapsbrist kring samverkansbjälklag i den svenska byggindustrin men även internationellt. Hur bör man räkna på dessa golv? Hur stor del av golvets tjocklek bör vara trä respektive betong? Hur kopplar man effektivt ihop de två materialen? Detta är exempel på viktiga frågor som berörs och besvaras i detta examensarbete.

• author: Forsberg, Albin and Farbäck, Filip
• supervisor: Jonas Niklewski; Frida Tjernberg
• organization: Division of Structural Engineering; Department of Construction Sciences
• course: VBKM01 20201
• year: 2020
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: timber concrete composite, TCC, floors, cross-laminated timber, CLT, structural behavior, design methods, Gamma method, Equivalent gamma method, Extended gamma method, RFEM, first natural frequency, serviceability limit state, ultimate limit state
• publication/series: TVBK-20/5279
• report number: TVBK-20/5279
• ISSN: 0349-4969
• language: English
• additional info: Examinator: Eva Frühwald Hansson
• id: 9016949
• date added to LUP: 2020-06-15 08:42:43
• date last changed: 2020-06-15 08:42:43