Practically oriented development of predimensioning matrices for massive timber and massive timber-concrete-composite floor constructions in mid-rise buildings

Abstract

Massive Holzprodukte für Decken in Wohnbauten bzw. Nutzbauten sind in den letzten Jahren wegen der vielen Vorteile, die sie gegenüber herkömmlichen Lösungen bieten vermehrt zur Anwendung gekommen. Diese Vorteile werden in den ersten Kapiteln dieser Diplomarbeit diskutiert: ökologischer Fußabdruck bzw. CO2 Speichervermögen von Holz, weitgehende EDV-basierte Vorfertigung und Ausführung mit daraus resultierender Verringerung von Bauzeiten, nachwachsendes fast weltweit verfügbares Material mit reduziertem Eigengewicht im Hinblick auf Erdbebengefährdung.Der Stand der Technik von Holz- bzw. Holzbetonverbunddecken und neueste akademische Entwicklungen bilden das nächste wichtige Kapitelpaar. Diese vertiefte Ausarbeitung ist mit einem Kapitel der normativen Anforderungen an Brand-, Schall- und Feuchteschutz unterschiedlicher europäischer Länder (Österreich, Deutschland, Schweiz und Italien) verbunden und bildet das Fundament für die Analysen und Berechnungen, die in den darauffolgenden Kapiteln angeführt sind. Die normativen Anforderungen beziehen sich auf Brandschutz, Schallschutz und Feuchteschutz. Der Kern dieser Diplomarbeit bilden die statischen Berechnungen bzw. Nachweisführungen zweier massiven Holzdeckentypen: eine Brettsperrholzdecke (CLT) bzw. eine Holz-Beton-Verbunddecke (HBV). Die ermittelten Ergebnisse ermöglichen die Vordimensionierung massiver Holzdecken bereits während der Vorentwurfsphase in Anhängigkeit gewisser Randbedingungen, wie die Gebäudenutzung und die erforderliche Brandwiderstandsdauer. Die Vorteile für alle am Projekt beteiligten Planer und Bauherren sind klar, auch weil viele Entscheidungen vom vorhandenen Deckentyp und dessen Abmessungen abhängig sind. Das Ergebnis bilden Vordimensionierungsmatrizen bestehend aus aufgelisteten Paneelen auf der vertikalen Achse sowie Nutzlasten bzw. Eigengewichte und Spannweiten auf der horizontalen Achse. Alle Spannweite-Last-Brettsperrholz Kombinationen die die Gebrauchstauglichkeit (SLS), Tragfähigkeit (ULS) und Tragfähigkeit bei Brand befinden sich in den Tabellen während jener Möglichkeiten, die die Anforderungen nicht erfüllen automatisch eliminiert werden. Alle möglichen Kombinationen sind von ihrem Ausnutzungsgrad und dem Nachweis, der diesen verursacht, charakterisiert. Diese Möglichkeit kann als zusätzliches Element für Entscheidung dienen. Die wirtschaftlichste Konstruktion ist jene mit der geringsten Stärke und der höchsten Ausnutzung; die Ergebnisse werden anhand von Grafiken am Ende der Arbeit aufgezeigt, miteinander verglichen und diskutiert.

In recent years massive timber products are gaining more and more traction as materials for floor constructions in residential and commercial buildings because besides their obvious low ecological impact and CO2 storage, which is positively impacting more and more decision-making processes, it offers many advantages compared to other materials. They shall be mentioned here but are explained in the first pair of chapters of this thesis: vast prefabrication possibilities with consequent reduction of construction times, EDV-based precise planning, dry constructions, light-weight elements for earthquake sensible regions and availability of this regrowing material in most regions worldwide.An analysis of the state-of-the-art of timber and timber-composite floors, as well as recent academic research and developments, form the next salient moment of this thesis. This in-depth review is of relevance, as paired with normative requirements from various European countries such as Austria, Germany, Italy, and Switzerland. It lays the foundation of the statical pre-dimensioning and analysis carried out in later chapters. These requirements, depending on the building's utilisation, mostly regard the building physics aspects, namely fire protection, sound insulation and protection against humidity. The core of this thesis is represented by a statical analysis and pre-dimensioning tool of two different massive timber floors: a CLT panel and a massive TCC floor. Two different types of shear connectors are dimensioned for timber-concrete composite floors, resulting in three different analysed types of decks. This analysis intended to allow pre-dimensioning of floor constructions during the early planning stages given some restricting parameters, such as the building's utilisation and required fire resistance; the advantages for projecting teams and committers are evident since many decisions are related to the type and dimensions of floor constructions. The results are pre-dimensioning matrices with listed possible floor constructions on the vertical axis and load combinations of dead and imposed loads applied on every span on the horizontal axis. This allows to choose from possible solutions, also having their maximum utilisation ratios in regard to the most relevant verification as an additional decision-making tool. The most cost-effective solution is the one with minimal overall depth (as less material is used) and the highest degree of utilisation for a given combination of span and depth. The results are graphically shown, discussed, and compared in the last chapters of this thesis.