För att jämföra ThermoPin-systemet och HALFEN:s bärankarsystem med hänsyn till värmeledningsförmåga, tillverkningsprocess och kostnad valdes ett typelement som respektive system skulle dimensioneras för. Typelementet utformades för att uppfylla kraven och rekommendationerna som gäller för de båda systemen. Storleken bestämdes till att vara 3 meters höjd och 5 meters längd, vilket gav en area på 15 kvadratmeter. Typelementets ytterskiva, isolering och bärande innerskiva ansattes till samma tjocklek som de sandwichelement Torps Byggelement tillverkat till Paradisskolan enligt ett exempelelement som syns i Bilaga 6. Enligt exemplet ansattes ytterskivans tjocklek till 80 millimeter, isoleringens tjocklek till 200 millimeter och slutligen innerskivans tjocklek till 150 millimeter. Betongkvalitet i båda skivorna ansattes till C30/37 enligt minimikravet för HALFEN:s bärankarsystem. I ytterskivan ansattes armeringsnät av stålkvalitet B500B bestående av 6 millimeters stänger placerade i ett kvadratiskt rutnät med centrumavstånd 150 millimeter. Detta armeringsnät uppfyller minimikravet på 1,88 kvadratcentimeter per meter som gäller enligt ThermoPin. Enligt Henrik Engström3, VD på Torps Byggelement, användes isolering av typen Kooltherm från tillverkaren Kingspan till Paradisskolans element vilket även ansattes till typelementet.
Vid den manuella dimensioneringen av de båda förbindarsystemen togs enbart hänsyn till belastning orsakad av vindlast samt egentyngd. Avgränsningen gjordes eftersom övriga lasteffekter ansågs för tidskrävande och tekniskt avancerade att beakta. Vindlasten och egentyngden bestämdes separat och redovisas i Bilaga 7. Vindlasten på väggelementet bestämdes enligt Eurokod 1 (Johansson 2019). Orten där typelementet skulle placeras antogs vara i Älmhult och terrängtypen antogs vara av klass tre. Typelementet antogs vara placerat i en byggnad med en högsta höjd på 12 meter. Byggnaden antogs vara helt kubisk vilket medför att förhållandet mellan ena byggnadssidans längd och husets höjd alltid är 1. Placering av typelementet antogs vara sådan att det kan befinna sig både i vindzon D och i vindzon A. Dessa vindzoner ger största tryckande respektive sugande vindlast på väggelementet. Vid bestämning av ytterskivans egentyngd ansattes densiteter för betong och armeringsstål enligt Eurokod 1–1 (SS-EN 1991-1-1/AC:2009). Vid omvandling från karakteristiska laster till dimensionerande användes STR(a) eller STR(b) enligt Johansson (2019) beroende på om den aktuella förbindaren påverkas av variabla laster. Säkerhetsklassen valdes till klass 3.
3.1.2 Dimensionering av ThermoPin-systemet
Den manuella dimensioneringen av ThermoPin systemet delades upp i tre steg. Först dimensionerades antalet förbindare av typ H och typ D var för sig och därefter gjordes en placeringsritning för förbindarna i typelementet enligt de krav och rekommendationer som redovisas i Tabell 1. Dimensioneringsgången redovisas i Bilaga 8. För
systemet kan olika längder på förbindarna väljas för samma väggtvärsnitt. Till
typelementet valdes samma förbindare som använts till exempelelementet i Bilaga 6, det vill säga H330_80 och D465_110. En avgränsning som gjordes vid den manuella dimensioneringen av ThermoPin-systemet var att enbart dimensioneringsvillkor i brottsgränstillståndet beaktades. Denna avgränsning medförde att deformation av typ H-förbindarna samt sprickbredd i ytterskivan ej kontrollerades. Anledningen till
avgränsningen var att kontrollerna i bruksgränstillståndet var otydligt specificerade och ansågs för tekniskt avancerade.
Eftersom typ D-ankarna enbart bär ytterskivans egentyngd beräknades dimensionerande last enligt STR(a). För att beräkna antalet typ D-ankare som krävdes för att uppnå tillräcklig kapacitet dividerades den dimensionerande lasten med bärförmågan vid isoleringstjocklek 200 millimeter för ett typ D-ankare, vilken hämtades från Tabell 3. En kontroll enligt ekvation 4 gjordes för att säkerställa att det valda antalet förbindare har tillräcklig total kapacitet. Denna kontroll gav också genomsnittlig utnyttjandegrad för förbindarna.
Typ H-ankarna belastas enbart av variabla lasttyper och därmed blev STR(b) det dimensionerande lastfallet. Vid den manuella dimensioneringen beaktades vindlast som huvudlast. Tryckande vindlast orsakar tryck i ankarna och sugande vindlast orsakar drag i ankarna. Bärförmågan för ett typ H-ankare bestäms enligt tabell 2 med hänsyn till förankringslängden, betongen i ytterskivans hållfasthetsklass och skede. Minsta förankringslängd för H330_80 beräknades till 50 millimeter, dock redovisar tabell 2 endast värden för bärförmågan vid förankringslängd 40 eller 90 millimeter för centriskt drag. Linjär interpolering användes därför för att bestämma bärförmågan. Då betongens hållfasthetsklass skulle beaktas konstaterades att tabell 2 enbart visar bärförmågan vid klass C20/25 och C50/60. Eftersom betongklasser inte följer en linjär skala kunde linjär interpolering ej användas igen. Bärförmågan ansattes därför enligt hållfasthetsklass C20/25. Vid centriskt drag beror bärförmågan på vilket skede elementet befinner sig i. Det skede som gav den lägsta bärförmågan blev dimensionerande. Antalet typ
H-förbindare kunde sedan beräknas genom att dividera den dimensionerande vindlasten med den dimensionerande bärförmågan per förbindare vid tryck respektive centriskt drag. Det belastningsfall som krävde störst antal förbindare blev dimensionerande. Då antalet förbindare bestämts gjordes en kontroll enligt ekvation 1 av den totala kapaciteten vid tryckande respektive dragande belastning. Denna kontroll gav även genomsnittlig utnyttjandegrad för förbindarna.
Placeringen av bärankarna i typelementet gjordes med hjälp av tabell 1. I tabellen finns det krav och rekommendationer på kantavstånd och centrumavstånd för respektive typ av bärankare. För typ D finns det även krav på ett maximalt avstånd till ytterskivans
tyngdpunkt. Detta avstånd avlästes ur Tabell 3 till 5 meter utifrån isoleringstjockleken för elementet och därefter kontrollerades avståndsvillkoret med ekvation 5. Utöver dessa instruktioner togs hänsyn till att skapa symmetri över elementet och placera förbindarna i ett rutnät vilket antogs underlätta vid montage. Om det för att uppfylla ovanstående krav och rekommendationer krävdes att antalet förbindare ändrades gjordes en ökning av antalet.
Den planerade metoden var att med hjälp av programvara för dimensionering av ThermoPin-systemet som rekommenderas av tillverkaren göra en
referens-dimensionering att jämföra den manuella referens-dimensioneringen med. Det visade sig dock att tillgång till programvaran ej var möjligt. Kontakt togs då med ThermoPin-tillverkaren B. T. Innovation och kontaktpersonen där erbjöd sig att göra en dimensionering enligt angivna förutsättningar. Dock lyckades inte tillverkaren leverera dimensioneringen inom tidsramen för detta examensarbete. Som alternativ gjordes slutligen en ritning utifrån den exempelritning från Paradisskolan som redovisas i Bilaga 6. Anledningen till att detta gjordes trots att dimensioneringsförutsättningarna för exempelelementet utöver geometrin är okända diskuteras senare i denna rapport. Metoden för alternativritningen var att beräkna genomsnittligt antal förbindare av respektive typ per kvadratmeter av
exempelelementet. Typelementets area multiplicerades sedan med antalet förbindare per kvadratmeter för att bestämma totalt antal förbindare av respektive typ för typelementet. Förbindarna placerades därefter ut enligt samma principer som vid den manuella dimensioneringen.
3.1.3 Dimensionering av HALFEN:s bärankarsystem
Dimensioneringen av HALFEN delades precis som för ThermoPin upp i tre olika steg där förbindelsebyglarna dimensionerades först, se Bilaga 9. Förbindelsebyglarna överför den horisontella kraften som verkar på elementets ytterskiva vinkelrätt dess plan och som orsakas av vind, temperatur och vidhäftning vid form. Precis som för ThermoPin togs enbart hänsyn till last orsakad av vind och eftersom inga permanenta laster belastar förbindelsebyglarna blev STR(b) med vind som huvudlast dimensionerande i brottstadiet. Typen av förbindelsebygel valdes till SPA-N, då denna variant ansågs vara jämförbar med ThermoPin med hänsyn till montaget. Minsta tillåtna höjd för byglarna beräknades enligt Bilaga 3 och utifrån detta valdes höjden enligt Bilaga 1. Utifrån isoleringens och ytterskivans tjocklek valdes minsta möjliga godstjocklek ur Bilaga 5 vilket resulterade i att vald bygel blev SPA-N-05-320. Eftersom bärförmågan är lägre för en SPA-N-bygel vid tryck än vid drag så dimensionerades bygeln först med hänsyn till tryck. Bärförmågan hämtades ur Bilaga 5 och ansattes till den högsta som kan tillåtas vid tryckande
belastning. Antalet förbindelsebyglar som krävdes för att uppnå kapaciteten beräknades genom att dividera dimensionerande vindlast i brottstadiet med hänsyn till tryck med bärförmågan för en bygel vid tryck. För att säkerhetsställa att antalet SPA-N-byglar som beräknats vid tryck även uppnådde kapaciteten vid drag beräknades dimensionerande dragbelastning per bygel i brottstadiet med hänsyn till vindsug. Kapaciteten för byglarna kontrollerades med ekvation 12 mot högsta tillåtna kraft med hänsyn till drag enligt Bilaga 5.
Eftersom vertikal bärförmåga för HALFEN:s bärankare beror på den horisontella belastningen tillverkades en placeringsritning för systemet innan bärankarna dimensionerandes. Vid placering av HALFEN:s system skapades ett rutnät i vilket förbindelsebyglarna och ankarna placerades i korsningspunkterna. Enligt krav från HALFEN ska ett element minst innehålla två stödjande och ett horisontellt bärankare, vilket antogs vara tillräckligt för typelementet. Tillåtet kantavstånd för
förbindelsebyglarna hämtades från Bilaga 3 och kantavstånd för bärankarna hämtades från Bilaga 2. Vid utplacering togs det hänsyn till rekommendation från HALFEN att centrumavståndet för knutpunkterna i rutnätet ej bör överstiga 1200 millimeter. Förhållandet mellan sidorna i rutnätet behövde också beaktas eftersom det skulle vara
mellan 0,75 och 1,33. Om det för att uppfylla kraven och rekommendationerna krävdes en ändring av antalet förbindelsebyglar gjordes en ökning av antalet. Kravet gällande största tillåtna avstånd till stödjepunkten skulle också tas hänsyn till både för
förbindelsebygeln och bärankaret. Det största tillåtna avståndet till stödjepunkten för förbindelsebyglarna hämtades från Bilaga 5 och bestämdes till 1000 centimeter. För bärankarna hämtades maximiavståndet från Bilaga 4 och bestämdes till 881 centimeter. Avståndet kontrollerades med ekvation 13 för förbindelsebyglarna och ekvation 10 för bärankarna.
De två stödjande bärankarna som antagits dimensionerades med hänsyn till vertikal och horisontell belastning, se Bilaga 10. Bärankarna skulle överföra den vertikala lasten orsakad av egentyngd men även den horisontella lasten orsakad av vind,
temperaturdeformation, jordtryck, krypning och krympning. Horisontell last beräknades i denna rapport enbart med hänsyn till vind. Den dimensionerande lasteffekten beräknades enligt STR(b) med vind som huvudlast. För att beräkna den horisontella lasten som varje bärankare överför behövde belastningsarean bestämmas. Belastningsarean beräknas utifrån placeringsritningen, se rubrik 4.1.2, genom att anta att bärankaret upptar last på en kvadratisk area som sträcker sig halva avståndet till närmaste förbindelsepunkt i
horisontal- respektive vertikalled. Dimensioneringen gjordes med hänsyn till tryckande belastning och stålets hållfasthet enligt ekvation 6. För stålet är bärförmågan för horisontell tryckande kraft och bärförmågan för vertikal kraft lika stora och dessa hämtades ur Bilaga 4. Det konstaterades att dubbelankare SPA-2-09 är lämpligt och utnyttjandegraden beräknades utifrån ekvation 6. Valet av godstjocklek baserades även på vilka dimensioner som finns enligt Bilaga 1. Betongens hållfasthet för det valda ankaret med hänsyn till horisontell respektive vertikal last lästes också av från Bilaga 4 och kapaciteten kontrollerades med ekvation 7. Kontroll av kapaciteten för ett dubbelankare SPA-2-09 vid sugande vindlast och med hänsyn till stålets respektive betongens hållfasthet gjordes därefter. För det första fallet utfördes kontrollen enligt ekvation 8 medan det med hänsyn till betongens hållfasthet utfördes enligt ekvation 9. Även vid dessa kontroller hämtades materialens bärförmågor från Bilaga 4. Slutligen beräknades lämplig höjd för bärankarna enligt Bilaga 2. För det horisontella bärankaret gjordes ingen exakt dimensionering utan det antogs att ett enkelankare med samma godstjocklek och höjd som de stödjande bärankarna skulle vara tillräckligt.
Som en referens utfördes även en dimensionering av HALFEN:s bärankarsystem till typelementet med hjälp av beräkningsprogramvara som HALFEN tillhandahåller till produkten. I programmet skapas en tvådimensionell skiss av sandwichelement, tvärsnittet och vissa andra förutsättningar anges och därefter dimensioneras bärankare och
förbindelsebyglar automatiskt. Som beräkningsstandard valdes systemets tyska DIBt-godkännande (DIBt 2016) då urvalet var begränsat. Typelementets yttermått och tjockleken för skikten angavs i programmet. Beräkningsmetoden för horisontell belastning valdes till förenklad procedur enligt Utescher. Ytterskivans betongkvalitet valdes till C30/37 och dess färg till mörk. Önskad bygeltyp sattes till SPA-N.
Programvaran efterfrågar också dimensionerande vindlast vid tryck respektive drag. För detta ansattes vindlast enligt Bilaga 7 och STR(b) med vind som huvudlast. När
beräkningen startades producerade programmet en placeringsritning, en förteckning över vilka produkter som används samt ett informationsblad med samtliga byglar, belastningen på dessa, bärförmåga, utnyttjandegrad, med mera.