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15.1 Introduction

Stone and wood were the first materials used by man to build shelter, and in the United States wood continues to be the primary construction material for residential and commercial buildings today. In California, for example, wood accounts for 99% of residential buildings [Schierle, 2000]. Design and construction methods for wood currently used by the residential construction industry in North America have developed through a process of evolution and tradition. Historically, these construction methods have been sufficient to provide acceptable performance under seismic loading mainly due to the relatively light weight of wood and the historical high redundancy in single-family housing. However, in recent years architectural trends and societyrsquo;s demands for larger rooms, larger windows, and a more open, airy feel to the structure have resulted in a reduction in the structural redundancy of the typical house, as well as a reduction in symmetry of stiffness and strength that was inherent in traditional structures.

If one were to review the type of structure that was built in the 1930s, 1940s, and even into the 1950s, one would realize that the average house had a pedestrian door, small double-hung windows, and relatively small rooms with lots of walls. If one compares this typical construction to buildings that are being built in the early 2000s, newer buildings have large windows, if not four walls of primarily glass, large great rooms, and often a single room that pierces the first-story ceiling, becoming two stories high and causing a torsional irregularity in the second-floor structure. If one then includes multifamily construction, which includes apartments, condominiums, and townhouses, the structures become fairly stiff and strong in one direction while the orthogonal direction (the side with the windows and the doors to the hallways or patio) become very weak and flexible, due to the lack of structural wall space. In general, modern structures typically have more torsional irregularities, vertical irregularities such as soft stories, and uneven stiffness and strength in orthogonal directions when compared to traditional buildings. As a result, it was observed in the 1994 Northridge earthquake that “most demolished single-family dwellings and multi-family dwellings (as a percentage of existing buildings) were built 1977–1993” [Schierle, 2000].

An additional need for improved understanding of the material and structure used in modern timber buildings is the continued movement toward performance-based design methods and an increased concern over damage. If one considers that the house is the single largest investment that the average person makes in his or her lifetime, it should be no surprise that concern over accumulated damage due to moderate seismic events has begun to be discussed in the context of model building codes. To support the seismic design of timber structures, the wood industry has sponsored the development of the Standard for Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Engineered Wood Construction [American Forest and Paper Association, 1996; American Society of Civil Engineers, 1995]. However, most designers continue to use the National Design Specification (NDSreg;) for Wood Construction and its supplements [American Forest and Paper Association, 1997] for designing wood structures in North America. The NDS is an allowable stress design methodology, while the LRFD is a strength-based design methodology, that is intended to provide a better design for seismic concerns. The NDS has been repackaged into the ASD [Allowable Stress Design] Manual for Engineered Wood Construction [American Forest and Paper Association, 1999].

This section reviews the types of wood products available for use in timber construction, the types of structures that are typically designed and built in North America, the design standards that are available for directing the design process, the industry resources that are available, the performance of wood buildings in recent earthquakes, and some of the restrictions that are placed on wood structures due to issues other than seismic concerns. While the rest of the chapter will focus primarily on strength-based design (i.e., LRFD), the NDS will be referred to from time to time where differences are significant. Since the average design firm continues to use ASD for wood structures, it is important that these differences be highlighted.

15.1.1 Types of Wood-Based Products

There are a wide variety and an increasing number of wood-based products available for use in building construction. While the largest volume of wood-based products includes dimensional lumber, plywood, and oriented strand board (OSB), new composites include structural composite lumber (SCL), I-joists, laminated veneer lumber (LVL), and plastic wood (Figure 15.1). In addition, when large sizes are required, glued-laminated lumber (glulam) and SCL, such as Paralam, can be used. The current trend is to move toward increased use of wood-based composites in building construction. This is due to the increased difficulty in obtaining large sizes of timber because of restrictions on logging and changes in the economic structure of manufacturing. Therefore, designers should become familiar with the SCL, LVL, and glulam when long spans or heavy loads are anticipated. Many of the new composites can be custom manufactured to the size and strength required for a particular application. Designers must obtain the proprietary technical information required to design structures with most of the new composites from the suppliers of the products.

FIGURE 15.1 Prefabricated I-joists with laminated veneer lumber flanges and structural panel webs. One experimental product has (A) a hardboard web; the other two commercial products have (B) oriented strandboard and (C) plywood webs. (From U.

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15.1 简介

石头和木材是人类最先用于建造庇护所的材料，而且在今天的美国，木材仍是住宅和商业建筑的主要建筑材料。例如，在加利福尼亚州，木制住宅建筑占比达到99% [Schierle, 2000]。北美住宅建筑业目前所使用的木结构设计和建设方法是在传承和演变的过程中发展起来的。纵观历史，这些建设方法足以在结构遭遇地震荷载作用时提供可靠的保证，主要是因为木材相对较轻，以及独立户住宅建设时的冗余结构。然后，现代的建筑趋势以及社会对更大开建、更大窗户和更开放、更通风结构的追求，导致典型房屋的冗余结构减少，以及传统结构固有的刚度和强度对成型降低。

回顾建造于二十世纪三四十年代甚至午是年代的建筑，会发现，一般的房屋都有人行门，小小的双悬窗，开间相对较小，墙壁相对较多。把这种典型的建筑与二十一世纪初建造的建筑进行比较，新的建筑有着大大的窗户，四面都是玻璃幕墙，大大的枋间。而且有时底层的一个枋间穿透了一层天花板，达到两个结构层的高度，导致二层结构出现了扭转不规则。有时一栋建筑含有私人公寓、公共公寓和联排别墅，那么该建筑结构在一个方向上非常坚固，而与之垂直的方向（带窗户和通向走廊或者露台的门的一侧）由于缺少结构墙的约束，变得非常脆弱。一般来说，与传统建筑相比，现代建筑通常具有更多的扭转不规则、竖向不规则（如软弱层），以及相互垂直方向上的刚度和强度不均匀。因此，在1994年的北岭地震中观察到“大多数被拆除的独户住宅和多户住宅（占现有建筑物的相当比重）建于1977年~1993年 [Schierle, 2000]。

为了更好的了解现代木结构建筑中所使用的材料和结构形式，需要继续向基于性能的设计方法进行探索，以及更多的关注结构的损害情况。如果人们认为房子时普通人一生中最大的一笔财富，那么在模型建筑规范下讨论考虑中震对结构造成的累积破坏也不足为奇了。为了支持木结构的抗震设计，木业赞助了工程木结构荷载和抗力系数设计标准（LRFD)的制定[美国林业和造纸协会，1996；美国土木工程师协会，1995]。然而，大多数设计师任然使用国家木结构设计规范（NDSreg;）及其附录[美国森林与造纸协会，1997]来设计北美的木结构。NDS是一种许用应力设计方法，而LRFD是一种基于强度的设计方法，旨在为地震问题提供更好的设计。NDS已被重新包装到ASD[工程木结构许用应力设计]手册中[美国林业与造纸协会，1999]。

本节回顾了可用于木结构的木制品类型、通常在北美设计和建造的结构类型、可用于指导设计过程的设计标准、可用的行业资源、木结构在近期地震中的性能、以及由于地震以外的问题而对木结构施加的一些限制。虽然本章的其余部分将主要集中在基于强度的设计(即LRFD)上，但在差异很大的地方会不时提到NDS。由于普通设计公司继续使用ASD处理木结构，因此突出这些差异是很重要的。

15.1.1木质产品的种类

可用于建筑建设的木质产品种类繁多，数量也在不断增加。最大数量的木基产品包括立体木材、胶合板和定向刨花板(OSB)，而新型复合材料包括结构复合木材(SCL)、工字形托梁、层压单板(LVL)和塑料木材(图15.1)。此外，当需要大尺寸时，可以使用胶合板和SCL，如Paralam。目前的趋势是在建筑中更多地使用木质复合材料。这是由于伐木限制和制造业经济结构的变化，获得大尺寸木材的难度增加。因此，当预期的是大跨度或重载时，设计人员应该熟悉SCL、LVL和集成材。许多新的复合材料可以定制成特定应用所需的尺寸和强度。设计师必须从产品供应商那里获得大多数新复合材料结构所需的专有技术信息。

图15.1 预制工字形托梁，带有单板木法兰和结构板腹板。一个实验产品有(A)硬纸板网；另外两个商业产品有(B)定向纤维板和(C)胶合板网。(来自美国农业部。1999年。木材手册：作为工程材料的木材，农业手册72，林产品实验室，美国农业部，威斯康星州麦迪逊。)

15.1.2结构类型

木结构可分为两大类：

1. 大体积木建筑包括运动场、体育馆、音乐厅、博物馆、写字楼和停车场等建筑物。这些较重的结构通常设计为能够承受更高水平的载荷，因此设计时通常要考虑使用胶合板木材、单板层积材、结构复合木材或类似产品的大截面木材。由于结构的冗余度较低，这些类型的结构需要相当高的工程水平来确保结构的安全性能。
2. 轻型框架结构是目前北美最多的木结构建筑。这些类型的建筑包括一户和两户住宅(图15.2)、公寓、联排别墅、酒店和其他轻型商业建筑。这类结构是高度冗余和不确定的，目前还没有计算机分析工具来提供对这些结构的详细分析。

轻型框架结构的建筑模数为2英寸。公称尺寸的木材，尺寸范围从2times;4到2times;12。虽然设计规范有包括2times;14的几何参数，但如此大的尺寸的可用性是值得怀疑的。然后，由2times;维度木材组成的框架格子通常覆盖有板材产品，包括胶合板、OSB、纤维板、石膏、灰泥或其他保温型产品(图15.2)。轻质框架系统由荷载分配元件护套，然后通过屋顶和楼板传递水平荷载，并通过墙壁传递竖向荷载，构成了侧向力抵抗系统(图15.3)。这导致了高度冗余和不确定的结构，在地震荷载下具有良好的性能历史。随着现代建筑趋势的发展，冗余度的减少导致需要更多的结构工程来确保良好的性能。

轻型框架结构可以分为两大类：完全设计和规范设计。目前，采用力学设计方法的设计要求是在国际建筑规范(IBC)[国际规范理事会，2000a]或国家防火协会NFPA 5000建筑规范[国家防火协会，2002]中提出的。强制性的建造要求载于“国际住宅规范”[国际规范理事会，2000B]，它取代了“美国建筑官员协会(CABO)一户和两户住宅规范”[美国建筑官员协会，1995年]。IRC允许完全设计和规范设计与规范设计的混合。换言之，一幢主要根据IRC的规定规则设计和建造的建筑物，可以有合理设计的元素，以消除结构因形式而出现的不规则性等情况。就荷载确定而言，IRC和IBC有一致的抗震规定。

图15.2 木质轻型框架结构示意图。(来自联邦紧急事务管理署。1988年。建筑物潜在地震危险的快速目视筛选：手册，FEMA 154，FEMA，华盛顿特区。)

图15.3横向抗力系统。通过屋顶和楼板传递水平荷载，通过墙壁传递竖向荷载。

15.1.3设计标准

设计标准可以分为两类。一个是性能要求，通常包含在建筑规范中；另一个是提供该性能所需的设计方法，包括在设计标准中。在北美，对于工程系统，建筑物通常由IBC或NFPA 5000管理。IRC提供了性能要求和方法，以提供一户和两户住宅结构所需的抗力。美国现有的所有标准建筑规范，加上ASCE-7：建筑和其他结构的最小设计荷载[美国土木工程师学会，1990]，其抗震设计要求都基于NEHRP《新建筑和其他结构的地震法规建议规定》[建筑地震安全委员会，2000a]。

美国现行的所有模型建筑规范要么认可基于强度的设计的LRFD标准[美国林业与造纸协会，1996；美国土木工程师学会，1996]，要么认可NDS[美国林业与造纸协会，1999；美国土木工程师协会，1995]，用于工程木结构的许用应力设计。为了与LRFD设计手册的内容统一，NDS已被纳入ASD木结构手册[美国森林与造纸协会，1999年]。在此手册中，所有可用于木结构设计和建造的木质结构产品都可供设计者使用。LRFD标准的大部分规定与NDS或ASD手册中使用的规定类似。不同之处在于，ASD设计方法基于工作应力或许用应力来确定其要求，而LRFD手册则基于额定强度值来确定其设计值。这两种设计方法也使用不同的荷载组合。由于NEHRP条款要求使用基于强度的设计方法，本章将重点介绍LRFD。

除了ASD和LRFD手册外，设计者还可以使用大多数与木材行业相关的行业协会可用的行业文件。其中一些参考文献包括“木材建造手册”[美国木材建造学会，1994]、“胶合板设计规范”[APA，1997]和“工程木结构指南”[APA，2001]。“木材建造手册”[美国木材建造学会，1994]为设计者提供了使用胶合板建造和相关问题的指导，如重型木材连接件、梁的开槽和钻孔，以及拱门和其他弯曲构件的设计。胶合板设计规范及其附录对胶合板和其他结构板产品的使用提供了指导，特别是对于非典型应用，如胶合板箱梁、折板屋顶，以及将产品沿薄弱方向跨越支座。《工程木结构指南》是一份综合文档，提供了有关如何对结构板产品进行评级和标记、楼板和屋顶系统的设计以及剪力墙和横隔板的许用应力设计的设计值的信息。其他文件和指导可从各种行业协会获得，如美国林业和造纸协会、APA、工程木材协会、加拿大木材理事会、美国木桁架委员会、桁架板研究所、西部木制品协会、南方林产品协会等。

虽然相对较高的结构的设计和施工在技术上是可以实现的，但典型的建筑规范将轻型框架结构和重木结构的使用限制在低层建筑中。轻框架建筑和大体积木结构建筑都被归类为易燃材料。然而，大体积木建筑可以被归类为耐火建筑，根据大多数建筑规范，可以建造高达五层的建筑。轻型框架结构通常限于四层。然而，如果建筑中包括喷水灭火系统，有一个允许更多层的轻型框架的举措。

15.2木材原料

一般来说，从结构的角度来看，木材可以被认为是一种相对易碎的材料。木材是一种粘弹性和各向异性的天然材料，但通常被认为是正交各向异性材料。木材有一种细胞形式，可以增强对水的吸湿性或亲和力。一般来说，从结构工程的角度来看，木结构可以被认为类似于超筋的钢筋混凝土，人们可以考虑将木结构建筑设计为具有超筋的钢筋混凝土构件的建筑，这些构件通过延性连接连接起来。

人们需要区分木材和原木。在本章中，木材被认为是人们可以理想化为完美材料的小而清晰的样品。另一方面，由于树木生长或木材制造的条件不同，木材的尺寸通常与建筑中使用的尺寸相同，并且具有节状、纹理坡度、劈裂和格纹等生长特性。这些生长特征导致木材原料和木材的性能有很大差异。它们还提供了结构工程师或设计师需要注意的材料的固有弱点。

由于木材是一种天然材料，具有吸湿性和粘弹性，某些环境最终使用条件会影响材料的长期性能。其中一些变量包括含水率、尺寸稳定性、弯曲强度、刚度和载荷持续时间。这些变量中的每一个都将单独处理。

含水率是设计者在设计木结构时需要考虑的最重要的变量之一。对木质建筑的任何检查都应含有用商业市场上可买到的标准水分计测试含水率的检测。含水率的定义是：给定木材中的水分重量除以该构件处于烘干状态的木质材料的重量。含水率几乎影响木材的所有机械性能。人们可以认为木材类似于海绵，当水分从干燥状态被吸收时，它就会进入材料的各个细胞的壁上。在某种程度上，这些壁会变得饱和，然后任何额外的水都会储存在细胞的管腔中。壁面饱和的点称为纤维饱和点。不同树种的纤维饱和点不同，甚至同一树种的纤维饱和点也不同，但变化范围在23%到35%之间。对于大多数一般应用，平均纤维饱和点通常假定为30%。

木材的含水率直接影响木材的尺寸恒定。人们可以假设在烘干状态和纤维饱和点之间，收缩或膨胀随着含水率的变化呈线性变化。一旦达到纤维饱和点，水分含量的任何额外增加只会增加构件的空气空间中的水分，而不会影响构件的尺寸部分。人们可以使用诸如“木材手册”[美国农业部，1999]等资源中提供的收缩系数来估计单个木材构件的尺寸稳定性或尺寸变化。然而，人们通常可以假设垂直于颗粒方向(径向或切向)的收缩可能是显著的，而平行于颗粒的收缩可以认为是可以忽略不计的。这就是为什么在很深的地方(即使只有12英寸)连接会受到钢板的约束。由于木材干燥时会收缩，而钢材和将木材固定在钢材上的连接件阻止了木材的移动，导致木材裂开。

水分含量的改变，不仅仅是简单的改变垂直于颗粒的尺寸。受约束的木材构件，受到含水率变化的影响，可能会导致构件变形。一般翘曲问题可能包括由于连接的约束而劈开木材，或者纹理相互垂直的木构件可能会导致构件弯曲、翘曲或杯形。杯形常见于铺设在横截面上的生长轮朝向树中心朝上的木材面板。从结构的角度来看，所有的扭曲响应都会产生不利影响，而且很多都会引起适用性问题。由于尺寸变化对木材的直线度和力学性能的影响，强烈建议设计者指定并要求木结构使用不可替代的干燥材料。

木材的抗弯强度也受含水率的影响。纤维饱和点以下的含水率每降低1%，弯曲强度就会增加4%。虽然构件的截面积也会因收缩而减小，但干燥的加固效果明显大于截面积减小的效果。刚度也随着含水率的降低而增加，同样，材料硬化的影响大于收缩导致的横截面减小的影响。这就是为什么建议木结构使用干燥的材料建造，这些材料在其使用寿命内将保持干燥。在建造和使用材料时，材料内的含水率变化越小，发生的收缩就越少，这样，设计者在设计时才可以使用最大弯曲和刚度值。

本节要考虑的最后两个变量与粘弹性属性有关。因为木材，确切的说是因为木材的粘弹性，随着时间的推移，它往往会徐变，并且对强度也有载荷效应的持续时间。徐变是在承受恒定载荷的粘弹性材料中发生的挠度的持续增加。对于安装时干燥并在使用过程中保持干燥的木材，徐变效应可能会导致弹性挠度在一年内增加50%。但是，如果材料在安装时未经过调味并在使用过程中干燥，则挠度可能会比弹性变形增加100%。最后，如果水分在其生命周期内在不同的水分之间循环，挠度可以增加到初始弹性变形的200%。木材和原木的一个明显区别是，原木在任何时候都会受到含水率的影响，而木材只受较高等级的含水率的影响。这就是为什么选择结构级木材比3级木材受到的影响更大，设计手册在应用湿气效应或潮湿使用系数之前对最小强度进行了检查。

负荷持续时间是一个变量，在LRFD和ASD手册中都有直接说明。负荷持续系数CD是基于美国林产品实验室20世纪50年代的实验结果。这条曲线通常被称为麦迪逊曲线。它构成了LRFD和ASD手册中规定的基础。在这两种设计方法中，处理负载持续时间的方式有一个显著的不同。在LRFD中，基准时间被设置在5到10分钟之间的持续时间。此持续时间与CD为1.0

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