umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Horizontal natural frequency in a 10 story building: A comparison between CLT and concrete using estimate calculations
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Applied Physics and Electronics.
2018 (English)Independent thesis Basic level (professional degree), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesisAlternative title
Horisontell egenfrekvens i ett 10-våningshus : En jämförelse mellan KL-trä och betong med hjälp av överslagsberäkningar (Swedish)
Abstract [en]

Tall slender buildings are easily set in motion by wind and earthquakes but by estimating the buildings horizontal natural frequencies in the design phase, these motions can be kept within acceptable boundaries. There are many parameters that decides the natural frequency of a building and it can therefore be difficult to calculate it. There are a few ways though to estimate horizontal natural frequencies of tall buildings and two methods have been tested in this report. Both methods give the frequency of a clamped-free cantilever but one of them requires a single degree of freedom system whilst the other handles a multi degree of freedom system. The methods are called SDOF method and MDOF method in this report.

A fictional building was created for this project to be the reference object in the comparison between the two methods SDOF and MDOF. The walls and floors of the building was designed with the support of both an acoustic engineer and a structural engineer to create a realistic building. A building’s natural frequency is dependent of the self-weight, stiffness and height of the building and it was therefore important to design these components with care. The fictional building is called House 1 and is a 10 story, almost square building about 20 m wide and broad and 30 m high.

This report does not only compare the natural frequencies obtained from the two different calculation methods, but it also shows the difference in frequency in timber and concrete structures. Shear walls constitutes the horizontal stabilization system of the fictional building and both a CLT core and a concrete core is designed and compared. It is only the walls that comes in two different versions, the floorings consist of CLT boards for both structures tested.

The horizontal natural frequencies of House 1 were about 2 Hz and 3 Hz for the CLT version and concrete version respectively. It was expected to get frequencies within that range considering the height of House 1. The CLT core having a lower frequency than the concrete core was also expected since concrete is a stiffer material than wood.

To be able to make a fair comparison between the SDOF method and the MDOF method, House 1 was designed with the same dimensions and stiffness on all floors because the SDOF method requires that. The results from the two methods are almost identical with only 0.3 Hz and 0.4 Hz difference for the concrete and CLT respectively.

For a shear wall structure with a consistent stiffness, weight and dimension, any of the two methods can be used to estimate the horizontal natural frequency. However, it is not realistic for a building of 30 m or higher, to have the same dimensions on the load bearing structure on all floors which makes the MDOF method more accurate in more cases than the SDOF method.

Abstract [sv]

Höga slanka byggnader kan sättas i svajande rörelser av vind och jordbävningar, men genom att uppskatta byggnadernas horisontella egenfrekvenser i den tidiga konstruktionsfasen kan dessa rörelser hållas inom acceptabla gränser. Det är många parametrar som bestämmer byggnadens egenfrekvens och det kan därför vara svårt att beräkna den. Det finns dock några sätt att uppskatta horisontella egenfrekvenser hos höga byggnader och två metoder har testats i denna rapport. Båda metoderna ger frekvensen av en fast inspänd konsolbalk men en av dem kräver ett enfrihetsgradsystem medan den andra kan hantera ett system med flera frihetsgrader. Metoderna kallas SDOF-metoden och MDOF-metoden i denna rapport.

En fiktiv byggnad skapades i detta projekt för att vara referensobjekt i jämförelsen mellan de två metoderna SDOF och MDOF. Byggnadens väggar och golv konstruerades med stöd av både en akustiker och en konstruktör för att skapa en realistisk byggnad. Byggnadens egenfrekvens är beroende av byggnadens egenvikt, styvhet och höjd och det var därför viktigt att utforma dessa komponenter med omsorg. Den fiktiva byggnaden kallas House 1 och är en 10 vånings-, nästan fyrkantig byggnad ca 20 m lång och bred och 30 m hög.

Denna rapport jämför inte bara egenfrekvenserna erhållna från de två olika beräkningsmetoderna, den visar även skillnaden i frekvens i trä- och betongkonstruktioner. Skjuvväggar utgör det horisontella stabiliseringssystemet för den fiktiva byggnaden och både en KL-kärna och en betongkärna har utformats och jämförts. Det är bara väggarna som skiljer de två olika versionerna åt, bjälklagen består av KL-skivor i båda fallen.

De horisontella egenfrekvenserna hos House 1 var ca 2 Hz och 3 Hz för KL-version respektive betongversion. Frekvenser inom detta område var väntade med tanke på höjden av House 1. Att KL-kärnan skulle ha en lägre frekvens än betongkärnan förväntades också eftersom betong är ett styvare material än trä.

För att kunna göra en rättvis jämförelse mellan SDOF-metoden och MDOF-metoden, var House 1 utformad med samma dimension och styvhet på alla våningsplan eftersom SDOF-metoden kräver det. Resultaten från de två metoderna är nästan identiska med endast 0,3 Hz och 0,4 Hz skillnad för betong respektive KL.

För en skjuvväggskonstruktion med en kontinuerlig styvhet, vikt och dimension kan båda de två metoderna användas för att uppskatta den horisontella egenfrekvensen. Det är dock inte realistiskt för en byggnad på 30 m eller högre att ha samma dimensioner på den lastbärande konstruktionen på alla våningar vilket gör MDOF-metoden mer korrekt i fler fall än SDOF-metoden.

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 18
Keywords [en]
Horizontal natural frequency, tall timber building, timber structure, CLT, wind induced motion, tall CLT building
Keywords [sv]
Horisontell egenfrekvens, hög träbyggnad, höga trähus, KL-trä, vindinducerade rörelser, högt KL-hus
National Category
Building Technologies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-152131OAI: oai:DiVA.org:umu-152131DiVA, id: diva2:1251690
External cooperation
Tyréns AB
Subject / course
Byggteknik
Educational program
Bachelor of Science Programme in Civil Engineering
Supervisors
Examiners
Available from: 2018-09-28 Created: 2018-09-27 Last updated: 2018-09-28Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1249 kB)1134 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1249 kBChecksum SHA-512
823adb6e88297f7e192cb68481b31862f11c6087a4f052f15c74fa3bd21aa21f40e832ce1ede732453712960684071dc3653c484f7298c6fb590db5f1a291f8b
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Applied Physics and Electronics
Building Technologies

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1134 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 104 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf