Stabilisation of higher wooden houses in volume building technology

Abstract (Swedish)

Byggnationen av bostadshus med trästomme har enligt Statistiska centralbyrån ökat med 85% efter den senast lägsta uppmätningen 2011. Statistiska centralbyrån menar också att det är bostadshus bestående av 4-8 våningar som byggs mest i Sverige idag. Av denna statistik förutspås det bli en ökning av efterfrågan på bostadshus med 4-8 våningar med trästomme inom den närmsta framtiden.

Tillsammans med Derome Husproduktion AB har en undersökning om dimensioneringen av högre trähus byggda av volymelement genomförts. Det stabiliserande systemet är i detta fall de modulavskiljande väggarna och undersökningen har fokuserat på hur den horisontella lasten i form av vindlast ska tas upp av skjuvväggarna i byggnaden för att i sin tur kunna ta ner lasten till grunden.

Att bygga ett hus av volymelement betyder att moduler (även kallade volymer) produceras på fabrik där de i största mån görs helt färdiga med kakel, golv, köksinredning, badrum etc. När monteringen i fabrik är klar fraktas volymerna på lastbil till byggarbetsplatsen där en lyftkran kan placera volymerna på plats för att därigenom bli till ett färdigt hus. När volymerna är på plats kläs dessa in med en fasad och ett förtillverkat tak lyfts på plats. Idag bygger Derome Husproduktion AB volymhus av trä med en maximal höjd på fyra våningar, men har en önskan om att bygga både sex och åtta våningar. En undersökning har därför genomförts för att ta reda på hur mycket last en byggnad på både sex och åtta våningar utsätts för och hur kapaciteten i dagens fyravåningshus står sig mot dessa laster. Ett redan dimensionerat hus har studerats för att få ett exempel på hur modulerna kan placeras i ett hus. Referensbyggnaden består av två längor med moduler med en gemensam korridor emellan. De stabiliserande skjuvväggarna är de omslutande väggarna av varje modul. All nödvändig information och dimensioner av referensbyggnaden har tillhandahållits av Derome.

Vindlasten har beräknats enligt Eurokod och kapaciteten av skjuvväggarna har beräknats enligt två metoder, Metod A från Eurokod och en elastisk metod från Carling et al (1992). Metod A har använts i större grad i analysen eftersom det är den metod som Eurokod rekommenderar att använda samt att det är den metod som Derome använder idag. Två av väggarna har analyserats med den elastiska metoden för att kunna observera skillnader de två metoderna emellan.

Enligt båda metoderna ska väggarna i ett sexvåningshus, med samma planlösning och vägguppbyggnad som det undersökta fyravåningshuset, klara den horisontella last de utsätts för. Däremot kommer en del av de transversella väggarna i huset inte möta kraven givna i Eurokod på grund av brist på tvärkraftskapacitet, när höjden ökas till ett åttavåningshus.

Skjuvkapaciteten kan ökas med en rad olika parametrar. Exempelvis kan en väl vald placering av öppningarna i väggarna ge högre kapacitet. Kapaciteten av korta väggsegment måste reduceras enligt Metod A och därför ska mängden korta segment reduceras i största mån för att få en högre kapacitet i väggarna. Andra sätt att öka kapaciteten är till exempel att använda klamrar med högre kapacitet eller att se till att krafter kan överföras mellan alla väggar i huset, alltså skapa samverkan mellan väggarna i den tvärgående riktningen av huset. Detta kan göras genom att applicera balkar i korridoren mellan modulerna som är dimensionerade för att klara att föra över lasterna som bildas.

Utöver det att väggarna måste kunna motstå den horisontella last som uppstår, undersöks även risken för stjälpning av byggnaden och behovet av förankring av moduler. Både för ett sex- och åttavåningshus finns det en risk för att längorna av moduler kommer att välta och antingen behövs bättre anslutningar mellan längorna av moduler eller en förankring ner i grunden för att motstå stjälpning. Det är modulerna längst ut i kanterna på huset som kommer påverkas mest av de sugande krafter som uppstår på huset och en dimensionering av hur stor kapacitet kopplingarna, från resten av huset till dessa moduler måste ha, har därför genomförts. Även kopplingarna mellan de översta och näst översta modulerna har dimensionerats för att säkerställa att de lyftande vindlasterna på taket är lägre än egentyngden av modulerna.

Sammanfattningsvis bedöms det som möjligt att öka byggnadshöjden till sex våningar med bibehållen planlösning och vägguppbyggnad men med en åtgärd för att minska risken för stjälpning medan det krävs större ansträngningar, till exempel genom flytt av öppningar, annan vägguppbyggnad och anslutningar med högre kapacitet mellan vissa moduler för att en ökning av byggnadshöjden till åtta våningar ska vara möjlig.

Abstract

The construction of residential buildings with timber as load-bearing system has according to Statistics Sweden increased with 85% since 2011, which is the latest low point of the collected data. Statistics Sweden also shows how residential buildings consisting of 4-8 storeys are, in Sweden, the most built type of house today. Of these statistics, 4-8- storey residential buildings made with timber as load-bearing system predicts to be more requested in the near future.

Together with Derome Husproduktion AB, an investigation about how to design higher timber buildings with volume building technology has been performed. The bracing system for buildings made of modules (also called volumes) are shear walls, which are all the outer walls of every module, and the investigation has focused on how the horizontal wind load will be carried by the shear walls, and further down to the foundation.

Volume building technology means that volumes are produced at a factory where the modules are in the greatest extent completed with tiles, floor, kitchen fitments, bathroom etc. When the assembling of the modules is completed, the modules are transported by a truck to the building site and a crane can place the modules in the right spot to create a complete building. When the modules are in place, a facade and a roof are attached to the outside of the modules. Today, Derome Husproduktion AB builds houses with volume building technology with a maximum height of four storeys, but there is a desire to build both six and eight storeys as well. An investigation has been done to ascertain the amount of load a building of both six and eight storeys can be exposed to and how the capacity of a four-storey building stands against these loads. An already designed building is investigated to get an example of how the modules can be placed in a building. The investigated building consists of two structures made of modules with a corridor in between. The stabilising shear walls are the enclosing walls of every module. All the necessary data and dimensions of the building been provided by Derome.

The wind load has been designed according to Eurocode and the capacity of the shear walls has been designed with two methods, Method A from Eurocode and an elastic method from Carling et al (1992). Method A has been used to a greater extent in the analysis since it is the method that Eurocode recommends, and it is the method that Derome uses today. Two of the walls have been analysed with the elastic method to be able to observe the differences between the two methods.

According to both methods, all the walls in a six-storey building with the same floor plan and wall set-up as the investigated four-storey building, will hold for the horizontal loads it is exposed for. However, some of the transverse walls will fail to meet the requirements given by the Eurocode due to a lack of shear capacity when the height of the building is increased to eight storeys.

The capacity of the shear walls can be increased through several parameters. For example, the location of the openings in the walls, a well-chosen location increases the capacity of the wall. The number of short segments should be kept low since the capacity of short segments has to be reduced according to Method A. Other ways to increase the capacity is for example to use staples with greater capacity or to make sure that forces can be transmitted through all walls in the building, especially the transverse walls. This can be done by applying beams in the corridor between the structures which are designed to carry the loads from one structure to the other.

In addition to which the walls need to resist the horizontal loads created by the wind load, the risk of tilting and the need for anchoring of modules are also analysed for the building. Both for a six- and eight-storey building there is a risk for tilting of the structures and connections between the structures or anchoring of the structure to the ground is necessary. It is the modules closest to the gables that will be affected the most of tension loads created on the building, and a design of how much the connectors between these modules and the rest of the buildings will have to resist, has been done. The connections between the top modules and the modules below are also analysed to secure that the up-lifting wind load is not greater than the self-weight of the top modules.

As a summery, it is considered possible to raise the height of the building to six storeys with the same floor plan and wall set-up but with an adjustment to reduce the risk for tilting while greater efforts are needed, for example through relocation of openings, a different wall set-up and connections with a greater capacity between some modules to make it possible to raise the building to eight storeys.

Popular Abstract (Swedish)

Populariteten att bygga trähus ökar i Sverige idag enligt statistiska centralbyrån. Ett sätt att bygga trähus, som både är snabbt och relativt billigt, är att bygga hus av volymer. Tänk dig ett hus uppbyggt av stora klossar som placeras bredvid och ovanpå varandra. Idag bygger Derome sådana hus med en höjd upp till fyra våningar men en undersökning visar att det går att bygga sex våningar med samma teknik, dock krävs förbättringar av modulerna för att kunna bygga åtta våningar.

Att bygga ett hus med volymbyggnadsteknik innebär att volymer, också kallade moduler, först byggs ihop på fabrik. Dessa moduler är som stora rätblock där golv, tak, innerväggar, kakel, badrum, köksinredning och fönster sätts på plats i fabriken. När modulerna är klara transporteras de till byggarbetsplatsen och där kan de monteras ihop för att bli till ett lägenhetshus som bilden nedan visar. Av dessa går det att skapa lägenheter med mellan 1–4 rum och med allt ifrån 28–88 kvm per lägenhet i Deromes byggsystem.

En ökad popularitet att bygga hus med trä syns i Sverige och med det måste kunskapen om att kunna bygga högre med trä ökas. Att bygga med volymbyggnadsteknik gör att byggtiden förkortas, arbetsförhållandena förbättras, resurserna används mer effektivt och byggnaden utsätts i mindre grad för regn och vind under byggtiden då mycket av byggtiden sker inne på fabriken. I och med dessa positiva egenskaper är volymhus ett bra alternativ vid byggande av lägenhetshus. Statistiska centralbyrån menar att hus med 4–8 våningar byggs mest i Sverige idag och om hus i dessa höjder ska kunna göras med volymer måste en design tas fram för att modulhusen ska kunna klara av att motstå den högre vindlasten som blir när husen blir högre.

I det tillhörande examensarbetet har ett redan designat hus av Derome studerats. Beräkningarna för kapaciteten av väggarna i huset har gjorts och jämförts med vindlasten som verkar på ett hus med 4, 6 och 8 våningar. Undersökningen har fokuserat på hur byggnaden ska klara av vindlasten samt om det finns moduler i byggnaden som måste förankras till resten av huset och även om huset måste förankras i grunden för att inte välta.

Undersökningen visar att det är först när huset blir åtta våningar som några av väggarna i den tvärgående riktningen av huset kommer att kollapsa på grund av för liten kapacitet. Väggens kapacitet kan förbättras något genom att minska på mängden öppningar (för t.ex. dörrar), en smart placering av nödvändiga öppningar eller smalare moduler vilket leder till fler väggar per breddmeter hus.

Resultaten i undersökningen kan vara en början till en utredning för vilka olika delar av modulhusen som måste förbättras för att de ska kunna byggas med högre byggnadshöjd. Förhoppningsvis kommer detta gynna modulbyggandet och i förlängningen leda till lägre bostadspriser och fler bostäder av klimatsmarta material.

• author: Gipperth, Ebba
• supervisor: Eva Frühwald Hansson; Joakim Seldert
• organization: Division of Structural Engineering; Department of Building and Environmental Technology
• course: VBKM01 20201
• year: 2020
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Volume building technology, Timber, Horizontal stabilisation, Shear walls
• publication/series: TVBK-5274
• report number: TVBK-5274
• ISSN: 0349-4969
• language: English
• additional info: Examinator: Jonas Niklewski
• id: 9022722
• date added to LUP: 2020-06-26 10:15:18
• date last changed: 2020-06-26 10:15:18