由于全球人口在不断膨胀,住房供给不足已成为全世界主要工业化城市所面临的问题。而多层木框架房屋则成为解决高额土地价值和建造费用的方法。特别是3~5层的木框架房屋因其施工速度和材料花费上的优点成为提供经济住宅的可能。
在美国,大多数城市已经开始转向制造多层木框架房屋,以在有限的城市开发空间中提供更多的居住单元。
目前,多层木框架房屋的普遍使用已不仅仅限于美国和加拿大,在日本、澳大利亚和欧洲,这种房屋也十分流行。
美国的住宅
在美国,木材是首选的住宅建造材料。最近每年都有150万的新住宅建成,其中约75%为单户住宅而25%为多户。而前者中有近90%是采用木框架结构。
近30年来,木框架结构主要用在公寓、汽车旅馆、旅馆和高档住宅。这些建筑从3层到6层不等。
结构上的考虑
木材是从古到今都一直使用的建筑材料,这不仅由于它结构上的性能还因其美学上的价值。木材在顺其纤维方向上有很大的耐力,而垂直方向上则很差。只要正确发挥其性能,木材很少有结构使用上的限制。
与钢结构和混凝土结构相比,木结构有更大的单位重量承载力。木框架自重轻,并且在地震作用下产生较小的惯性力。在多层(多户)木结构住宅中要使用大量的墙以减轻每道墙的荷载。结构上的墙和楼板可传递风或地震产生的水平荷载。
水平荷载
总的来说,木框架结构中特别套有木板的剪力墙和楼板在抵抗风和地震荷载时具有良好的性能。这些墙和楼板在设计的强度范围内具有很好的硬度和强度,同时在逐渐达到最大强度时也能有很大的承载力。此外由于木结构具有很强的延展性,它在被破坏前还会吸收大量的能量。
对过去地震的观察表明,木结构建筑具有良好的抗震性,而其中最有效的工作部分是下拉装置和剪力墙。
那些在现代防震法则出现前建造的木结构房屋受到了较大破坏。受破坏的原因主要包括:短墙缺少支柱或根本没有支柱;房屋因缺少与基础的连接而滑动;为了车库开门而少设置剪力墙(所谓的“软墙”)。
竖向荷载
为了承担在底层的重量荷载,木螺栓(有2x6, 3x4, 或 3x6的尺寸)经常被1个、2个、3个或近距离间隔(例如6英寸/15.24cm)地使用。在结构剪力墙和楼板的近距离钉固构造中3x规格的木螺栓经常被使用。图2是后面要提到的实例三盖茨沃斯(The Gatesworth)的节点细部。5层房屋底层一侧10英尺(304.8cm)窗横梁下方用了8个2x6规格的木螺栓以承受35 000磅(15 890kg)的集中荷载。
在梁柱设计中为了控制墙板和垫板的末端变形尺寸,木螺栓常常使用木纤维正交压缩的材料。因为当纤维变形发生时,托梁、横梁及木螺栓能有较小的总体变形尺寸。
木材收缩
木材干燥后就会收缩。在大多数1、2层的房屋中,即使使用未干的木材,木材收缩的整体影响对基地还是可以适应的。
对于超过3层的木框架房屋,建筑规范要求对木材收缩予以考虑。使用干木材可以尽量减小收缩带来的问题,如建???后开裂和令人头痛的下水管问题。
我们可以通过对墙和地板中的水平木构件(如墙板和地板托梁)的收缩求和来计算整个木房屋的收缩。当把木托梁放在脱开墙而非在墙顶端的金属梁托架上时,房屋的整体收缩影响还能进一步减小。
1990年代末, 工字木托梁和复合木板因其易得性和经济性而被广泛使用。由于它们是在比EMC更低的湿度条件下被制造,所以在使用时只有轻微的膨胀。
当建造自身收缩率不同的多层木结构房屋时,在设计时就要对收缩问题进行考虑。这类建筑包括木框架房屋与砖外皮的结合;与钢框架中庭的结合;与混凝土电梯、楼梯间的结合;与安装在不同湿度条件下的木框架系统的结合。