Experimental and numerical assessment of the seismic behaviour of log and cross- Laminated Timber Systems

Abstract

This thesis focuses on the study of the seismic behaviour of two engineered timber construction systems, the first of which, is the log house system - one of the earliest forms of timber construction that is in use even till date, albeit with significant improvements. The second construction system is one of the most recent entrants into the building industry, the cross-laminated timber (CLT) system. The thesis aims at assessing the seismic resistance of the aforementioned systems based on a combined approach of experimental tests and numerical simulations. The focus is more on the CLT system as log houses offer limited scope for flexibility in design and geometry and also pose restrictions with regard to the number of storeys that can be constructed. Full-scale specimens of a log house and CLT house were subjected to a series of seismic tests with peak ground accelerations ranging from 0.07g to 0.5g at the National Laboratory for Civil Engineering (LNEC) in Lisbon, Portugal, as part of the SERIES project on multi-storey timber buildings. Neither of the structures underwent any major damage and remained intact at the end of the tests. Prior to the shaking table tests, quasi-static tests were conducted on the connectors and walls used in the structures. Based on the results of the component and global level testing, threedimensional finite element models of the two structures were developed. In the case of the log house, it was difficult to characterize the behaviour of each of the components that contribute to lateral load resistance and hence only a simple representative model of the structure, whose validity was determined based on linear modal analysis, was developed in SAP2000. For the CLT house, models that could simulate the behaviour of the angle brackets and hold-downs were developed in OpenSees and SAP2000 and their validity was determined by a comparison with the experimental results at both connector and wall levels. The parameters affecting the lateral load resistance of CLT walls such as vertical load, wall length and the presence of openings, were investigated via a sensitivity analysis. An analytical prediction of the lateral load capacity of CLT walls connected to a rigid foundation using connectors with known mechanical properties was made using MATLAB. A 3D finite element model of the CLT building was developed in SAP2000 because its popularity among practising engineers and its user-friendly interface. The validity of the full-scale model was determined by subjecting it to linear and nonlinear analyses. The pushover analyses revealed that the CLT house was quite far from collapse. Finally, some of the factors that can lower the capacity of CLT structures were investigated.

A tese estuda o comportamento sísmico de dois sistemas construtivos em madeira, sendo o primeiro o sistema log-house – uma das mais antigas formas de construir em madeira que sobreviveu até aos dias de hoje, embora com importantes melhoramentos. O segundo sistema estudado é uma das mais recentes evoluções e inovações na área da construção em madeira, a madeira lamelada colada cruzada (MLCC). A tese pretende avaliar o comportamento sísmico dos referidos sistemas construtivos em madeira combinando avaliações experimentais com a modelação numérica. O foco concentra-se nas construções em MLCC já que o sistema log-house apresenta limitações na conceção do espaço arquitetónico e no número de pisos que podem ser construídos. No âmbito de um projeto SERIES dedicado aos edifícios altos em madeira, e usando provetes à escala real, os sistemas de log-house e de MLCC foram submetidos a uma série de ensaios na mesa sísmica do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, em Lisboa. Apesar das acelerações de pico aplicadas de 0.07g a 0.5g, nenhuma das estruturas apresentou danos significativos podendo mesmo ser afirmado que os provetes estavam intactos no final da série de ensaios sísmicos realizados. Previamente aos ensaios na mesa sísmica, realizaram-se ensaios de avaliação do comportamento monotónico e cíclico das ligações e das paredes usadas em ambos os sistemas. Tendo por base os resultados experimentais realizados ao nível dos diferentes componentes (elementos, paredes e ligações), desenvolveram-se modelos numéricos usando o método dos elementos finitos dos dois provetes avaliados. No caso do provete (casa) log-house, perante a complexidade em caracterizar o contributo de cada um dos componentes para a resistência horizontal do sistema, apenas foi desenvolvido no SAP2000 um modelo simplificado calibrado tendo por base a análise linear modal. Já no caso da casa em MLCC, usando o OpenSees e o SAP2000, desenvolveram-se modelos de representação do comportamento das principais ligações (angle brackets e hold-downs), calibrados tendo por base resultados experimentais obtidos em ligações e paredes. Os parâmetros que influenciam a resistência das paredes a ações horizontais, como o nível das cargas verticais, a geometria das paredes e a presença de aberturas foram analisados através de uma análise de sensibilidade. E em resultado, foi apresentado um modelo analítico em MATLAB para a previsão da capacidade lateral de paredes de MLCC ligadas a uma fundação rígida com ligações devidamente caracterizadas. Apesar dos modelos desenvolvidos em OpenSees se terem demonstrado mais eficientes ao nível das ligações e das paredes, o modelo global do provete (casa) foi desenvolvido em SAP200 pela sua maior representatividade junto da comunidade técnica. A validade do modelo à escala real foi determinada tendo por base análises linear e não-linear realizadas e comprovadas pelos resultados experimentais obtidos. As análises pushover realizadas demonstram que o provete estava longe de atingir o colapso. Por fim, investigou-se alguns factores que podem reduzir o comportamento sismo-resistente das estruturas em MLCC.