New timber - steel construction system for improved lateral resistance buildings

Abstract

(Català) A la tecnologia proposada, els elements de fusta s'estableixen de qualsevol manera tradicional o innovadora (per exemple, entramat lleuger o pesat, CLT) i els elements d'acer s'instal·len com a exoestructura. Ambdues parts s'han d'instal·lar de manera que els elements de fusta no es vegin afectats pels efectes laterals (vent i sisme) i els d'acer no es vegin afectats per les càrregues gravitatòries. En altres paraules, l'estructura de fusta suporta la gran majoria de les forces verticals i l'exoesquelet d'acer suporta les forces laterals. Si es compleixen aquestes condicions, el disseny adequat dels elements d'acer pot proporcionar una resistència lateral millorada. Per desenvolupar el nou sistema híbrid que aquesta tesis proposa, un cop ideat, es va començar realitzar càlculs teòrics amb l’objectiu de dimensionar les diferents parts i analitzar la viabilitat del sistema. Per dur a terme aquesta aproximació, es van escollir diversos edificis a escala real (models de laboratori) que altres investigadors van assajar sobre una taula vibrant (Fisher et al., 2001; Christovasilis et al., 2009 i Pei et al., 2010). També un edifici real dissenyat i construït a Nova Zelanda (Milburn, Banks., 2004). Els resultats obtinguts ens van empènyer a desenvolupar el disseny del nou sistema i a analitzar i calcular els cinturons, les cantonades i uns dissipadors d'energia. Com que els resultats encara eren positius, el procés es va estendre als edificis de CLT. A més, per garantir una ductilitat suficient i una fàcil reparació, el dany (en casos sísmics extrems) hauria de sorgir en els elements d'acer dúctil o en les peces de fusta fàcilment reemplaçables. Encara més, els elements de sacrifici (dissipadors d'energia) podrien estar disposats per absorbir la major part de l'energia d'entrada. Durant aquesta investigació s'ha dissenyat i analitzat un dissipador d'energia econòmic que podria instal·lar-se entre l'exoesquelet d'acer i l'estructura de fusta. La seva aplicació en un edifici construït a Nova Zelanda (Milburn, Banks., 2004) va ser analitzada teòricament amb un article amb resultats molt positius publicat a (López-Almansa et al., 2015). Vam sol·licitar sense èxit una subvenció europea per construir i provar una maqueta real. Tot i no aconseguir-ho, vam decidir dur a terme la part experimental d'aquesta recerca amb els recursos disponibles i, finalment, vam construir i provar 2 models a escala reduïda a la taula vibrant del Laboratori d'Enginyeria Sísmica i Geofísica de l'Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Camins, Canals i Ports de Barcelona. Tot i que els factors d'escala no ens permeten extrapolar els resultats numèrics d'aquestes proves, el procés de fabricació dels models i la pròpia prova, suposen una base d'aprenentatge i ens donen un coneixement més profund del sistema híbrid proposat. Comprovem la seva viabilitat i detectem els punts clau a tenir en compte per garantir el seu correcte funcionament. A més, s’han obtingut noves metodologies i criteris de disseny per millorar el comportament i la forma de les peces. Tot aquest coneixement, ens va animar a impulsar el sistema inventat i ens permetrà reduir costos i apropar-nos encara més als objectius desitjats en properes investigacions i treballs. A les pàgines següents trobareu tots els detalls de la recerca resumida anteriorment

(Español) En la tecnología propuesta, los elementos de madera se colocan de cualquier manera tradicional o innovadora (por ejemplo, entramado ligero o pesado, CLT) y los elementos de acero se instalan como una exoestructura. Ambas partes se instalarán de tal manera que los elementos de madera no se vean afectados por los efectos laterales (viento y sismo) y los de acero no se vean afectados por las principales cargas gravitatorias. Es decir, la estructura de madera soporta la gran mayoría de las fuerzas verticales y el exoesqueleto de acero soporta las fuerzas laterales. Si se cumplen estas condiciones, el diseño adecuado de los miembros de acero puede proporcionar una resistencia lateral mejorada. Para desarrollar el nuevo sistema híbrido propuesto, una vez concebido, se comenzó a realizar cálculos teóricos con el objetivo de dimensionar las diferentes partes y analizar la viabilidad del sistema. Para llevar a cabo esta aproximación se probaron varios edificios a escala real (modelos de laboratorio) ensayados sobre una mesa vibratoria (Fisher et al., 2001; Christovasilis et al., 2009 y Pei et al., 2010) y un edificio real diseñado y construido en Nueva Zelanda (Milburn, Banks., 2004). Los resultados obtenidos nos impulsaron a desarrollar el diseño del nuevo sistema y a analizar y calcular los cinturones, las esquinas y los disipadores de energía. Como los resultados seguían siendo positivos, el proceso se extendió a los edificios de CLT. Además, para garantizar una ductilidad suficiente y una fácil reparación, los daños (en condiciones de terremotos extremos) deben producirse en las barras de acero dúctil o en las piezas de madera fácilmente reemplazables. Aún más, los elementos de sacrificio (disipadores de energía) podrían estar dispuestos a absorber la mayor parte de la energía de entrada. Durante esta investigación también se ha diseñado y analizado un disipador de energía económico que podría instalarse entre el exoesqueleto de acero y la estructura de madera. Se analizó teóricamente su aplicación en un edificio construido en Nueva Zelanda (Milburn, Banks., 2004) con un resultado positivo publicado por los autores en (López-Almansa et al., 2015). Solicitamos sin éxito una subvención europea para construir y probar un modelo a escala real. A pesar de no haberlo obtenido, decidimos realizar la parte experimental de esta investigación con los recursos disponibles y finalmente, construimos y probamos 2 modelos a escala en la mesa vibratoria del "Laboratori d'Enginyeria Sismica i Geofísica" de la "Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Camins, Canals i Ports de Barcelona". Aunque los factores de escala no nos permiten extrapolar los resultados numéricos de estas pruebas, el proceso de elaboración de los modelos y la prueba en sí, suponen una base de aprendizaje y nos dan un conocimiento más profundo del sistema híbrido propuesto. Comprobamos su viabilidad, así como detectamos los puntos clave a tener en cuenta para garantizar su correcto funcionamiento. Además, se han obtenido nuevas metodologías y criterios de diseño para mejorar el comportamiento y la forma de las piezas. Todo este conocimiento, nos animó a impulsar el sistema inventado y nos permitirá reducir costes y acercarnos más y mejor a los objetivos deseados en nuestras investigaciones y trabajos. En las siguientes páginas encontrará todos los detalles de la investigación resumida anteriormente.

(English) In the proposed technology, the timber elements are set in any traditional or innovative way (e.g., light or heavy frame, CLT) and the steel elements are installed as an exostructure. Both parts shall be installed in such a way that the timber members are rather unaffected by the lateral effects (wind and seismic) and the steel ones are pretty untouched by the major gravity loads. In other words, the timber structure withstands the vast majority of vertical forces and the steel exoskeleton supports the lateral forces. If these conditions are fulfiled, the proper design of the steel members can provide an improved lateral resistance. To develop the proposed new hybrid system, once it was conceived, it began to be theoretical calculate with the aim to size the different parts and analyse the feasibility of the system. To carry out this approximation several full-scale buildings (lab models) tested on a shaking table (Fisher et al., 2001; Christovasilis et al., 2009 and Pei et al., 2010) and a real building designed and built in New Zeeland (Milburn, Banks., 2004) were chosen. The obtained outcomes kept pushing us to develop the design of the new system and to analyse and calculate the belts, corners and energy dissipators. As the results were still positive, the process was extended to CLT buildings. Moreover, to ensure sufficient ductility and easy repairability, failure (under extreme seismic events) should arise either in ductile steel members or in straightforwardly replaceable timber parts. Yet more, sacrifice elements (energy dissipators) might be disposed to absorb most of the input energy. In addition, an economical energy dissipator have been designed and analysed during this research such could be installed between the steel exoskeleton and the timber structure. Its application on a building built in New Zealand (Milburn, Banks., 2004) was theoretically analysed with a positive outcome paper published by the authors in (López-Almansa et al., 2015). We applied without success to a European grant to build and test a real scale model. Despite we did not obtained, we decided to carry out the experimental part of this research with available resources and finally, we built and tested 2 scaled models in the shaking table of the “Laboratori d’Enginyeria Sismica i Geofísica” of “Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de Camins, Canals i Ports de Barcelona”. Although scale factors do not allow us to extrapolate the numerical results of these tests, the making process of the models and the test themselves, suppose a learning base and give us a deepest knowledge of the hybrid proposed system. We check its feasibility as well as detected the key points to be considered in order to guarantee its correct performance. In addition, new methodologies and design criteria to improve the behaviour and shape of the parts, had been obtained. All this knowledge, encouraged us to promote the invented system and will allow us to reduce costs and get closer targets in our future research. In the next pages you will find all the details of the research summarized above.