Numerical analysis of cross-laminated timber building under seismic loading : assessment under EN 1998 and NBR 15421 regulations

Abstract

Civil Construction is getting increasingly concerned with decreasing the environmental impact of its activities. Because of that, new materials and techniques are being developed with the main objective of fulfilling housing necessities as well as sustainability. In this way, it is established that the research objective is the assessment of seismic activity in Cross-Laminated Timber structures. This material is considered an engineered timber and is an alternative to accomplish sustainable goals. Its construction is done by means of glued lamellae with different grain directions, orthogonally disposed, making it possible to resist in and out of plane loadings. Alongside that, it brings agility and productivity to the construction process, an important factor in decreasing the costs of the whole project. However, there is still little development of the material in the literature, being recently incorporated into norms and codes, making its implementation easier for designers and will be able to enlarge its application. This research focused on the ability of the structure to dissipate energy through ductility calculations. The goal was to improve the design process and reduce the use of connectors by considering the plastic level to dissipate energy. The analysis was conducted using RFEM software and the numerical model was validated with experimental values found in the literature. It was possible to reach reductions in displacements up to almost 55% when comparing DC1 and DC2 results. Pushover analysis indicated that the proposed building is considered with high ductility behaviour, despite the overdesign it was carried out to the place it was originally proposed. The present study concluded that NBR 15421 has still much to improve its method since it encompasses regions with medium to low seismicity and resulted in the highest displacement values in average due to its lack of energy dissipation consideration. Alongside that, it was performed an alteration in the material of slabs, considering hybrid CLT-concrete to assess performance and it was concluded that the whole design may be benefited from the usage of heavier structure aiming to achieve better levels of comfort.

A Construção Civil está cada vez mais preocupada em diminuir o impacto ambiental de suas atividades. Por causa disso, novos materiais e técnicas estão sendo desenvolvidos com o principal objetivo de atender às necessidades habitacionais e à sustentabilidade. Dessa forma, estabelecese que o objetivo da pesquisa é a avaliação da atividade sísmica em estruturas de Madeira Lamelada Colada Cruzada (MLCC). Esse material é considerado uma madeira engenheirada e é uma alternativa para alcançar metas sustentáveis. Sua construção é feita por meio da colagem de lâminas de madeira com diferentes direções de fibras, dispostas ortogonalmente, o que torna possível resistir a carregamentos dentro e fora do plano. Além disso, ele traz agilidade e produtividade ao processo de construção, fator importante na redução dos custos de todo o projeto. No entanto, ainda há pouco desenvolvimento desse material na literatura, sendo recentemente incorporado em normas e códigos, o que facilita sua implementação por parte dos projetistas e amplia sua aplicação. Esta pesquisa concentrou-se na capacidade da estrutura de dissipar energia por meio da determinação das deformações em patamar plástico. O objetivo é melhorar o processo de projeto e reduzir o uso de conectores, considerando o nível plástico para dissipar energia. A análise foi conduzida usando o software RFEM e o modelo numérico foi validado com valores experimentais encontrados na literatura. Foi possível alcançar reduções nos deslocamentos de até quase 55% ao comparar os resultados de DC1 e DC2. A análise pushover indicou que o edifício proposto possui um comportamento de alta ductilidade, apesar do superdimensionamento originalmente proposto. O presente estudo concluiu que a NBR 15421 ainda tem muito a melhorar em seu método, uma vez que abrange regiões com sismicidade média a baixa e resultou nos maiores valores de deslocamento em média devido à falta de consideração da dissipação de energia. Além disso, foi realizada uma alteração no material das lajes, considerando CLT-concreto híbrido para avaliar o desempenho, e concluiu-se que todo o projeto pode se beneficiar do uso de uma estrutura mais pesada visando alcançar melhores níveis de conforto.