Examensarbete i byggteknik
Gestaltning och dimensionering
av metallfria knutpunkter
Design of non-metallic timber connections
Författare: Mohammed Alsaadi och Marwa Hilal
Handledare: Marie Johansson Handledare på företag: Ylva Sandin Examinator: Michael Dorn
Termin: VT20
Kurskod: 2BY04E/2BY14E Ämne: Byggteknik
Nivå: Högskoleingenjör/Kandidat Linnéuniversitet, Fakulteten för teknik
Sammanfattning
Det byggs i stor omfattning i Sverige och många nya byggnader har fått kritik för sin estetik. Dessa nya byggnader bidrar till att utforma staden de byggs i och genom att bygga mindre attraktiva byggnader minskar populariteten hos den stad som de nya byggnaderna utformas för. För att en förändring ska ske, måste nya koncept som väcker intresset hos invånarna utvecklas.
Många byggnader använder sig av pelar-balksystem som struktur för byggnaden på grund av att det är enkelt och hållbart. Genom att tillämpa något nytt i systemet kan detta resultera i nyfikenhet och utveckling av byggbranschen.
Tamedia Office Building, en mediakontorsbyggnad i Schweiz har metallfria synliga knutpunkter i sin trästomme, vilket har väckt mycket intresse i sociala medier och arkitekturvärlden. Denna typ av konstruktion har inte tillämpats i Sverige och leder till den huvudsakliga frågan i denna studie som är ”Hur väl lämpar sig metallfria knutpunkter för nutida byggande av träkonstruktioner?”.
Målet med detta arbete är att göra en kunskapsöversikt baserad på befintlig forskning om metallfria knutpunkter, ge förslag till gestaltning för ett möte mellan en pelare och en balk och genomföra en dimensionering av en sådan knutpunkt. Metoderna som användes delades upp i: litteraturundersökning, intervjuer, skissarbete och beräkning. Genom att använda sig av litteraturundersökning och intervjuer skapades en bild av
kravställningarna för en metallfri knutpunkt, vilket ledde till skissarbete för gestaltning av knutpunkt och slutningen dimensionering av den gestaltade knutpunkten.
Endast ett fåtal relevanta forskningsstudier inom området fanns, bland dem fanns studier som visade att metallfria knutpunkter har lägre hållfasthet än vanliga förband, då de har större risker för sprickbildning och brott om de inte förstärks tillräckligt. En
förstärkningsmetod som har använts för Tamedia Office Buildings är att kombinera plywoodskivor med limträ för att öka hållfastheten i knutpunkten.
Resultat visade att det finns en kunskapsbrist i Sverige gällande metallfria knutpunkter, andra länder som Schweiz är mer utvecklade på området samt har accepterat tanken på detta koncept. Resultatet visade även att problemen med hållfasthet leder till stora dimensioner på pelare och balk, men en estetisk fördel kan utvecklas.
Den viktigaste slutsatsen som kan dras av studien är att mer forskning inom området bör genomföras för att metallfria knutpunkter ska börja tillämpas i Sverige.
Abstrakt
Detta examensarbete syftar till att utveckla kunskap om metallfria knutpunkter för att möjliggöra en mer varierad svensk träarkitektur. Den övergripande frågan har varit ”Hur väl lämpar sig metallfria knutpunkter för nutida byggande av träkonstruktioner?”. I teorikapitlet beskrivs fakta om materialet trä, följt av beskrivning av litteratur och tidigare forskning som är relevant för denna studie. Genom en litteraturstudie via universitetets databaser samt intervjuer med en arkitekt, en konstruktör och en möbeldesigner samlades data för gestaltningsprocessen och dimensionering av en knutpunkt i limträ. Resultatet visade att det finns kunskapsbrist i Sverige gällande metallfria knutpunkter, andra länder som Schweiz är mer utvecklade inom området samt har accepterat tanken på detta koncept. Resultatet visade även att frågor kring hållfasthet leder till stora dimensioner för de ingående träelementen, men att en estetisk fördel kan utvecklas. Slutligen diskuteras och analyseras resultaten utefter olika krav som ställts på utseende, hållfasthet och tillverkning.
Nyckelord: Träbyggande, flervåningsbyggnader, metallfria knutpunkter, knutpunkt, förband, limträ, design, träarkitektur.
Abstract
This thesis aims to develop knowledge of non-metallic connections in order to develop and change the Swedish wood architecture as well as wood structures. The main question being "Are metal-free connections suitable for contemporary timber buildings?". In the theory chapter, facts about wood are introduced, followed by literature studies and previous research. Through literature research in the university database and conducting interviews with an architect, a designer and a carpenter, data was collected for the design process and for the calculation of the dimensions for one of the selected glulam
connections. The result showed that there is a lack of knowledge in Sweden regarding non-metallic connections, other countries such as Switzerland are more developed in the area and has accepted the idea of this concept. The result also showed that the lack of strength in wooden connections lead to large dimensions of the timber elements, but an aesthetic advantage can be developed. Finally, the results are discussed and analyzed according to the different requirements set on appearance, durability and
manufacturability.
Keywords: Timber engineering, multi-storey, timber architecture, glulam, non-metallic wood connections, mortise and tenon joint, wood joints.
Förord
Detta examensarbete (15 hp) är utfört vid fakulteten för teknik på Linneuniversitet inom ämnesområdet byggteknik. Arbetet har initierats av RISE Research Institutes of Sweden. Rapporten har skrivits som en del av programmen Byggnadsutformning och
Högskoleingenjör, 180 högskolepoäng. Inom examensarbetet har Marwa Hilal har tagit hand om gestaltningsprocessen av ett antal knutpunkter medan Mohamed Alsaadi har jobbat framför allt med att beräkna och dimensionera en vald knutpunkt.
Vi vill rikta ett speciellt tack till våra handledare Ylva Sandin och Marie Johansson för deras stöd och handledning. Stor tack till respondenter Camilla Schlyter, Roberto Crocetti och Lars Blomqvist som deltagit med sin tid och värdefull information vid intervjuer.
Mohammed Alsaadi & Marwa Hilal Växjö, juni 2020
Innehållsförteckning
1.
Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund och problembeskrivning ... 1
1.2 Syfte och mål ... 2 1.3 Avgränsningar ... 2
2. Teoretiska utgångspunkter ... 3
2.1 Begreppsförklaringar ... 3 2.2 Byggsystem ... 3 2.3 Byggelement ... 4 2.3.1 Korslimmat trä (KL-trä)... 4 2.3.2 Limträ ... 42.4 Träförband – olika typer ... 4
2.5 Tidigare studier kring metallfria förband ... 5
2.5.1 Tamedia Office Building ... 5
2.5.2 Studier med plywood i förbanden ... 6
2.5.3 Brand... 6 2.6 Studier om klossbrott ... 7
3. Metod ... 8
3.1 Litteratursökning ... 8 3.2 Intervjustudie ... 8 3.3 Utformningsprocess ... 83.4 Beräkning och dimensionering ... 10
4. Objektsbeskrivning ... 11
5. Kravställning på förband ... 13
5.1 Genomförande ... 13 5.1.1 Intervjuer ... 13 5.1.2 Litteraturstudie ... 16 5.2 Resultat ... 16 5.2.1 Utseende ... 16 5.2.2 Hållfasthet ... 17 5.2.3 Tillverkning ... 176. Gestaltning av förband ... 19
6.1 Genomförande ... 19 6.2 Resultat ... 19 6.2.1 Förslag 1 ... 19 6.2.3 Förslag 3 ... 21 6.2.4 Förslag 4 ... 226.3 Analys ... 23
7. Dimensionering av valt förband ... 24
7.1 Genomförande ... 24
7.1.1 Laster och lastnedräkning ... 25
7.1.2 Kontroll av pelare, balk och förband ... 25
7.2 Resultat ... 29 7.3 Analys ... 31
8. Diskussion ... 32
8.1 Metoddiskussion ... 32 8.2 Resultatdiskussion ... 329 Slutsatser ... 34
10. Referenslista... 35
11. Bilagor ... 37
1. Introduktion
1.1 Bakgrund och problembeskrivning
I Sverige, precis som många andra länder, finns behov av nybyggnation. Därför har det under de senaste åren uppförts många byggnader för att uppfylla efterfrågan av bostäder men också kontorshus och andra typer av hus i Sverige (Tillväxtanalys 2016). Dessa nya byggnader bidrar till att utforma stadens utseende och hur attraktiv staden blir. Sveriges exteriöra arkitektur har varit undermålig under senaste åren, detta är på grund av bostadsbristen som gör det enkelt att sälja lägenheterna som produceras oavsett
arkitektonisk kvalitet, vilket minskar industrins motivation att utmana sig själv. En studie har även bekräftat att nya områden i Sverige upplevs som tråkiga och likriktade (Granström & Wahlström 2017).
I andra länder har efterfrågan utnyttjats till att skapa unika byggnader som attraherar brukare och turister och ger nya uttrycksmöjligheter. Ett exempel på detta är Tamedia Office Building i Zürich, Schweiz, som har blivit beskriven som en unik byggnad som använder sig av metallfria knutpunkter. Byggnaden är gestaltad på ett sätt där förbanden i stommen utformas i trä istället för anslutningar i metall som är vanligare att använda i förband. Denna unika arkitektur har fått beröm i sociala medier och gjort byggnaden populär inom staden och arkitektur världen (Archdaily 2020).
Genom att använda sig av nya koncept för byggnadsutveckling kan nya möjligheter öppna sig. Det är allmänt känt att åsynen av naturen ger hälsofördelar, men även arkitekturen påverkar människan på ett liknande sätt (Seresinhe, Preis & Moat 2017). Neuroforskaren Colin Ellard (2015) förstärker detta med studier som beskriver hur alltför storskaliga och monotona strukturer påverkar oss negativt medan intressanta och välgestaltade byggnader påverkar oss positivt. Att olika områden har olika egenskaper och karaktärer gör att
bebyggelsen anknyter till platsens identitet. Detta har visat sig viktigt för att människan ska kunna identifiera sig med området (Möller & Olsson 2018).
Naturen och skogsnäringen är ekonomiskt betydelsefullt för Sverige och att profilera landet som skogsland och trävaruexporterande land borde vara naturligt (Skogsindustrierna u.å.). Materialet trä som byggmaterial har flera miljöfördelar, då det växer naturligt i ett
ekologiskt kretslopp, är biobaserat och är det enda förnybara materialet inom
byggbranschen (Larsson, Kaiser & Girhammar 2012). Trä är också ett material som är starkt kopplat till äldre svensk byggnadskultur. I det förindustriella byggandet användes material som fanns tillhands i den omedelbara omgivningen. För det skogrika Sverige innebar det att bebyggelsen i de flesta områden präglades av tillgången till barr- och lövträ. Därför borde materialet utnyttjas bättre i dagens arkitektur för att det svenska folket ska ha något att identifiera sig med. En unik byggnad som Tamedia Office Building borde vara en inspirerande förbild för svensk arkitektur. Metallfria knutpunkter borde även tillämpas i Sverige, eftersom denna naturliga skogsestetik som Tamedia Office Building erbjuder hör hemma i Sverige.
Denna typ av arkitektur har ännu inte uppförts i Sverige, en orsak är brist på kunskap. Byggbranschen i Sverige är väldigt traditionell, nya koncept har svårt att hitta utrymme då det nuvarande konceptet fungerar utan större tekniska problem. Detta hindrar utvecklingen av unika byggnader och möjligheten att skapa en mer diversifierad stadsutformning. Att försöka tillämpa metallfria knutpunkter i byggbranschen hade bidragit till att lösa detta samt att förhoppningsvis minska den kritik den svenska arkitekturen fått under de senaste åren.
1.2 Syfte och mål
Det övergripande syftet med det här arbetet är att utveckla kunskaper om metallfria knutpunkter för att möjliggöra en mer varierad svensk träarkitektur och träkonstruktion. Den övergripande frågan har varit ”Hur väl lämpar sig metallfria knutpunkter för nutida byggande av träkonstruktioner?”.
Målen är att:
• Sammanställa befintliga kunskaper om metallfria knutpunkter i vetenskaplig litteratur och hos praktiker verksamma med utformning av träkonstruktioner, • Ge förslag till gestaltning för ett möte mellan en pelare och en balk där
kraftöverföring sker utan användning av metaller,
• Dimensionera den föreslagna knutpunkten för förekommande laster och • Tillföra träarkitekturen nya uttryck - skapa något som har ett nyhetsvärde. Projektets ramar vad gäller tid och kostnader utgör en gräns för hur nära man kan komma dessa mål.
1.3 Avgränsningar
Arbetet avgränsas till att avse en knutpunkt mellan en pelare och en balk i fasad och en knutpunkt mellan pelare och balk centralt beläget, i en kontorsbyggnad med 4 våningar, i Växjö. Förbanden har antagits att verka ledade och alltså inte överföra moment utan endast vertikala och horisontella krafter. I arbetet har förutsatts att byggnaden stabiliseras via en hiss/trapphusschakt och/eller andra stabiliserande element dit samtliga horisontella laster förs via pelar-balk systemet och skivverkan i bjälklaget. Detta stabiliserande system är ej dimensionerat men de horisontella lasterna som ska föras dit via aktuella förband är medräknade. Byggnaden är ej kontrollerad för lastfall kopplade till olycksfall såsom brand och påkörningslast.
2. Teoretiska utgångspunkter
2.1 Begreppsförklaringar
Nedan redovisas en lista på ord och termer för att underlätta läsandet.
Bärförmåga: den maximala hållfasthet som ett bärverkeelement, till exempel en
knutpunkt, har innan det går till brott.
Dymling: cirkulär, ogängad stav om användas vid sammanfogning av virkesdelar. Eurokod: en samling av europeiska konstruktionsstandarder och regler för
dimensionering av olika byggnadsdelar.
Förband: i tekniska sammanhang en sammanfogning av beståndsdelar i en teknisk
anordning.
Knutpunkt: den delen av en konstruktion där två virkesdel möter varandra och
sammanfogas.
KL- trä - Korslimmat trä: byggelement som består av hoplimmade brädor. Brädorna
ligger i 90 graders riktning i förhållande till intilliggande bräda.
Konstruktionsvirke: sågat virke (brädor) som används till bärande konstruktioner.
Limträ: byggelement som består av minst fyra ihoplimmade lameller där fiberriktningen
är parallell med elementets längd.
LVL - Laminated Veneer Lumber: byggelement som består av limmade lager av
träfanér.
Skivverkan: stabiliseringen mot horisontella vindlaster där konstruktionsdelarna upptar
krafter i sitt eget plan.
2.2 Byggsystem
För träkonstruktioner är det vanligt att ett byggsystem består av pelare-balk. Detta system är baserat på ett rutnät av pelare och balkar, som sammansätts med någon form av knutpunkt, normalt med någon typ av stålplåt för att öka hållfastheten.
Träkonstruktioner har många fördelar och en av dem är den lätta vikten jämfört med andra byggelement som exempelvis betong. Eftersom trästommar klassas som en av de lättare konstruktionerna, utgör stabiliseringen ett större problem för stommen.
Horisontella laster kan komma från jordbävningar eller vindlaster. Vindlaster är den huvudsakliga orsaken till horisontella laster i Sverige. I Sverige behöver inte jordbävningar beaktas som horisontella laster
Om konstruktionen inte är tillräckligt stabiliserad kan en horisontell belastning skapa rörelser och deformationen i byggnaden som leder till stora problem för konstruktionen. Högre byggnader kräver högre grad av stabilisering. Byggnader i trä upp till två
våningar använder oftast en av två olika åtgärder, en diagonalstyvning, som består av dragstag i stål eller det utnyttjas skivverkan där träbaserade skivor eller gipsskivor spikas eller skruvas till väggens träregelstomme. Eftersom högre byggnader utsätts för mer horisontell vindlast räcker eventuellt inte åtgärderna som beskrevs ovan för stabiliseringen av stommen. En lösning kan vara att utnyttja trapphus och hisschakt,
detta görs genom att använda dessa byggdelar som stöd för hela byggnaden.
Egenskaperna som gör detta funktionellt är att de byggs oftast med betong som bidrar till en högre grad av stabilisering (Svenskt Trä 2019).
2.3 Byggelement
2.3.1 Korslimmat trä (KL-trä)
Korslimmat trä (KL-trä) är ett byggelement som är uppbyggt av ett flertal skikt av konstruktionsvirke som limmas ihop till skivor. För ökad formstabilitet limmas brädorna med 90 graders riktning i förhållande till brädan i intilliggande skikt. Detta resulterar i ett styvt byggelement som tål stora spännvidder och möjliggör tillverkning av krökta ytor (Svenskt trä 2017). Elementens styvhets- och hållfasthetsegenskaper hos korslimmat trä gör materialet vanligt förekommande inom
flervåningshuskonstruktioner. Enligt KL-trähandbok (2017) klarar KL-träkonstruktioner höga laster och kan därför konkurrera med många traditionella byggmaterial. Vanligt förkommande mått på KL-träskivor är 80–300 mm i tjocklek, 1,20–3,00 m i bredd och upp till 16 m i längd.
2.3.2 Limträ
Denna typ av konstruktionsmaterial består av flera ihoplimmade lameller av
konstruktionsvirke där fiberriktningen går parallellt med virkets längdriktning. På det sättet ges möjligheten att tillverka större och starkare konstruktionselement. Limträ är ett formbart material som varken vrider eller kröker sig (Svenskt trä 2016). Limträ kan tillverkas i olika längder och tvärsnittsmått. Limträelement kan framställas upp till 24 m i längd, upp till 215 mm i bredd och upp till 1200 mm i höjd (Träguiden 2017).
2.4 Träförband – olika typer
För att få en bättre förståelse för hur en knutpunkt fungerar är det nödvändigt att skaffa sig en bakgrundskunskap kring vad en knutpunkt är, vilka typer av knutpunkter det finns och vad skillnaden är mellan de olika typerna. Sammanfogning av virkesdelar kan delas upp i tre olika typer (Svenskt Trä 2019).
Traditionella träförband: användes förr vid timring av hus. Sammanfogningen sker
genom att utföra ett hål på det ena virkesstyckena och en tapp på det andra vilka sedan sammanfogas som ett pussel. Denna typ av förband har väldigt begränsad förmåga att överföra laster, den fungerar mestadels som tryck- och skjuvkraftöverföring mellan elementen.
Mekaniska förband: är en av de vanligaste sammanfogningsteknikerna över hela
världen. Virkesdelarna sätts samman med hjälp av förbindare som spik, dymling och skruv. Krafterna i sådana förband överförs genom anliggningstryck mellan trä och metallförbindare vilket sedan förs via förbindaren över till nästa del där det överförs som anliggningstryck. Genom denna typ av förband kan drag, tryck- och skjuvkrafter överföras mellan elementen.
Limmade förband: används vid uppbyggnad och sammanfogning av enskilda
konstruktionselement som KL- trä, limträ och LVL. Huvudsakligen överförs
skjuvspänningar av denna typ av förband. Det används dock sällan för att foga samman olika element då det ställer höga krav på kvalitet vid utförande. Det gör att man i Sverige i princip inte tillåter limning på byggplats.
2.5 Tidigare studier kring metallfria förband
Det var i litteraturen svårt att hitta exempel på metallfria förband, det enda exempel som gick att hitta var Tamedia Office Building. Litteraturstudierna utökades därför till att utforska andra typer av metallfria förband för att studera positiva och negativa aspekter av denna typ av förband såsom; förstärkning, brand och brottmoder som kan tänkas uppstå.
2.5.1 Tamedia Office Building
Tamedia Office Building är en kontorsbyggnad som tillhör ett mediaföretag i Zürich, Schweiz. Träkonstruktionen är i stor utsträckning projektets viktigaste innovation. Ur teknisk och miljömässig synvinkel är trästrukturen en unik konstruktion för denna typ av kontorsbyggnad och det faktum att konstruktionselementen är synliga ger också en mycket speciell karaktär och hög kvalité till byggnadens atmosfär. Denna unika design utformades med hjälp av den mycket berömda arkitekten Shigeru Ban och med hjälp av träkonstruktören Hermann Blümer lyckades de skapa detta mästerverk till byggnad (Archdaily 2020).
Genom att använda sig av ett konstruktionssystem som är helt utformat i trä får man ur arkitektonisk synvinkel ett unikt utseende från insidan såväl som från utsidan. Enligt Roberto Crocetti1 är knutpunkten gestaltad genom att två balkar ansluts mot pelaren på vardera sida som fästs sedan ihop med en gigantisk dymling, se figur 1. Knutpunkten förstärks med hjälp av plywoodskivor för att öka hållfastheten. Designen av
knutpunkten är rund till formen, detta hjälper att minska sprickbildningen.
Figur 1: Konstruktionen av knutpunkten för Tamedia Office Building. (publicerad med tillstånd av Herman Blümer).
2.5.2 Studier med plywood i förbanden
I en studie av Chang et al. (2011) utfördes ett nytt koncept för balk till balkanslutningar, där användning av plywoodskiva, i stället för en stålplåt, mellan balkarna tillämpades. Plywooden fästes till balken med hjälp av ekdymlingar. Försöken utfördes för att bestämma minsta kantavstånd till dymling och minsta avståndet mellan dymlingarna parallellt med fiberriktningen. Testresultaten visar att denna typ av anslutning kräver ett minimalt avstånd på 2,5×diametern för att uppvisa full funktion, men minst
3,5×diametern som ändavstånd krävs för att förhindra brott i plywoodkanterna. För minimalt avstånd mellan dymlingarna parallellt med fibrerna krävs 3,5×diametern för att ge full funktion i anslutning. Genom användning av formler som hänvisas i studien kunde en uppskattning av den karaktäristiska belastningsförmågan för anslutningarna beräknas. Fler försök bör utföras för att undersöka det minsta kantavståndet samt avstånd mellan raderna vinkelrätt mot fiberriktningen så att alla geometriska krav för anslutningar av plywood med metallfria fästningspunkter kan fastställas.
I en studie av Werner Åström (2019) undersöktes olika anslutningsdesignlösningar för stora träfackverk tillverkade av konstruktionsvirke. Fokus låg på anslutningar av plywood, hur olika förstärkningstekniker och hur materialkombinationer påverkar bärförmågan och duktiliteten. Målet var att ge en bättre förståelse för hur
konstruktionsvirke kan användas som delar i ett fackverk.
I Sverige används spikplåtar i stål i takstolar. Dessa spikplåtar pressas på plats i en fabrik för att säkerställa en god passform. Genom att använda plywood som
kraftöverförande skiva kan monteringen göras på byggplatsen i högre grad och därmed lösa vissa problem rörande transport av stora element. En annan fördel är att
plywoodskivor är billigare än spikplåtar. Tanken bakom att använda björkplywood som skiva är att dess höga täthet leder till en högre bäddhållfasthet, jämfört med till exempel gran eller furufanér. Björk har emellertid dåligt motstånd mot röta och är därför endast lämpligt för väderskyddade strukturer (Werner Åström 2019).
I Werner Åströms studie utfördes försöken som dragförsök på överlappsskarvar med björkplywood, björkplywood förstärkt med aluminium eller med stålplåtar. Försöken delades upp i sex grupper med tre prover i vardera gruppen vilket resulterade i totalt 18 tester. De material som ingick i testet inkluderar laskar av björkplywood, stål och aluminiumplåt och reglar av konstruktionsvirke. Skruv som fästdon användes i fem av de testade förbanden, och lim användes för ett av förbanden. Resultatet visade att det limmade förbandet gav ett sprött brottbeteende i jämförelse med resterande fem förbanden som visade ett mer duktilt brottbeteende. Det upptäcktes dock en minskning av duktiliteten för de förband där aluminiumplåt användes i kombination med
björkplywood. Kapaciteten för de förband där aluminium användes ökade med 12–17 %. Användningen av armeringsskruv visade ej på någon signifikant ökning av kapaciteten, dock minskade spridningen både vad gäller styvhet och kapacitet när armeringsskruv användes.
2.5.3 Brand
Flera av de studier som rör metallfria knutpunkter behandlar deras fördelar och egenskaper vid brand. En studie av Buchanan (2002) har visat att användning av metalliska delar till anslutningar av träkonstruktioner orsakar att värme leds snabbare till träet och förkolningsprocessen startar. En annan studie där ett brandmotståndstest genomfördes på flera sorters förband, bland annat bulldog brickor, sprickförhindrande ringar, skruvförband och spikförband, visade att dessa anslutningar med metalliska delar
kunde motstå brand i högst 20 minuter (Carling 1989). I en experimentell studie av Brandon et al. (2015) bestämdes termiska egenskaperna och mekanisk prestanda för anslutningar av trä när de utsätts för hög temperatur. Resultatet bekräftade studien av (Carling 1989), d.v.s. att värme leds snabbare i anslutningar med metalliska delar. Värmen som leds ökar kolbildningen runt den metalliska delen i anslutningen.
2.6 Studier om klossbrott
I en studie av Johnsson (2004) förklaras hur klossbrott i träförband kan inträffa. Studien baseras på laboratorieexperiment där totalt 86 stycken träförband testades för att studera klossbrott närmre och skapa en ny beräkningsmodell. I studien analyserades
spänningstillståndet och förbindarnas placering. Resultaten visade att brott kan inträffa antingen som ett dragbrott eller genom att förbindargruppen skjuvas ut. Resultatet visade att om avstånden mellan spikarna ökas minskar risken för klossbrott. Det
övergripande målet av studien var att undvika spröda brott och premiera duktila med en beräkningsmodell. Mått på duktiliteten utvecklades som ett verktyg för att hjälpa konstruktörer att utforma starka och duktila träförband. Avslutningsvis beskrevs rekommendationer för spikavstånd och spikplacering i syfte att undvika klossbrott.
3. Metod
I detta kapitel redovisas de metoder som använts i denna studie. De metoder som användes var litteratursökning och en intervjustudie som låg till grund för utformningsprocessen som sedan övergick i en dimensioneringsfas.
3.1 Litteratursökning
För att samla fakta om materialet trä och träförband genomfördes en litteraturstudie via universitets databaser och internet för att ge en bättre förståelse för ämnet och vilka egenskaper trä har. Till det användes databaserna Scopus2, Google Scholar3 och DiVA4.
I litteraturen söktes svar på följande frågor:
• Finns det i litteraturen beskrivningar av möten mellan horisontella balkar och vertikala pelare? Eller är det andra typer som behandlas (som exempelvis längdskarvar mellan dragbelastade delar eller annat)?
• Om knutpunkter mellan horisontella balkar och vertikala pelare behandlas, ger i så fall litteraturen riktlinjer om hur mötena lämpligen utformas och hur de kan dimensioneras för förekommande laster?
• Vilka frågor behandlar studierna? Vad tar de upp som viktiga aspekter av att utforma metallfria förband?
Sökorden som användes var b.la. all timber connection, wood joints, metallic free joints, pelare och balk, mortise and tenon joints, non-metallic wood connection, knutpunkt och träförband.
3.2 Intervjustudie
För att få en djupare inblick inom ämnet och hur personer som har erfarenhet i industrin ser på detta ämne intervjuades tre personer. De intressenter som valdes ut för intervjuer var Arkitekt Camilla Schlyter5för att besvara frågor gällande gestaltning och Professor Roberto Crocetti 6för att besvara frågor gällande dimensionering av en metallfri knutpunkt och vad som behöver kontrolleras. Slutligen intervjuades forskare Lars Blomqvist7 som har en bakgrund inom möbelsnickeri där han fick berätta om
möjligheten att tillverka en metallfri knutpunkt i Sverige. Intervjuerna baserades på ett fåtal huvudfrågor för att få igång konversationen och för att kunna styra tillbaka till ämnet om någon svävade ut. Det gav respondenterna stor frihet att berätta om sitt perspektiv och ta upp sådant som de upplevde som mest relevant. Svaren från respondenterna spelades in, vilket respondenterna var medvetna om, och sammanfattades efter avslutad intervju.
3.3 Utformningsprocess
En utformningsprocess genomfördes för att komma fram till en tilltalande form som sedan kunde dimensioneras (se kapitel 3.4). Processen beskrivs med stöd av förklaringar och begrepp från Ulf Janson doktorsavhandling Vägen till verket (1998).
Utformningsprocessen för byggnader enligt Jansson är ett växelspel mellan uppslag och utforskning. I processen får arkitekten ett uppslag där det menas den idén som verkar
2 https://www.scopus.com/. 3 https://www.scholar.google.com/.
4 http://www.diva-portal.org/smash/search.jsf?dswid=443.
5 Digital intervju via Teams med Camilla Schlyter 2020-04-28 och 2020-05-20. 6 Telefonintervju med Roberto Crocetti 2020-04-15.
lovande att lösa en uppgift. Uppslagen utforskas genom att lösningens egenskaper, utvecklingsmöjligheter och effekter undersöks. Janson beskriver även att det ofta finns en drivande föreställning med i processen, en föreställning som genererar idéer och utformningar. Den drivande föreställningen kan ge det första uppslaget om en möjlig lösning men kan också generera idéer i hela processen. Samspelet mellan drivande föreställning, uppslag och utforskning är ackumulerande och icke-linjär, närmast en spiralformig process som tas om flera gånger och ger nya uppslag och utforskning av idéer, se figur 2. Dessa omtagningar sker med nya, bredare och fördjupade resultat och stödjer sig på erfarenheter som gjorts under processens gång. Janson beskriver det som att ackumulationen innebär en anrikning.
En beskrivningsmodell med en anrikande, spiralformig struktur laborerar inte med uppfattningar om en rad kopplade aktiviteter med olika etiketter. Det är här överhuvudtaget inte fråga om en modell med avskilda stadier, eftersom utforskningen av ett uppslag inte är ett avskilt moment efter uppslagets uppritande. Uppslagets framställning och utforskningen av det, kan tvärtom vara en samtidig aktivitet; arkitekter reflekterar ofta kring vad de gör medan de gör det – de tänker i ritandet.
(Janson 1998, s. 187, 4:e raden nedifrån).
Processen med att utforma en metallfri knutpunkt i detta arbete genomfördes i enlighet med den Janson beskriver: det skedde ett växelspel mellan uppslag och utforskning. Processen var inte linjär utan framställning av förslag och utforskande av dem skedde till stora delar samtidigt. Det fanns en drivande föreställning i det här arbetet som kan beskrivas som ”ett tekniskt välfungerande förband som uppfyller kraven på estetiken”. Att förbandet ska vara metallfritt var givet av uppgiften och underförstått, men det som genererade uppslagen var strävan efter en god teknisk funktion med tanke på
trämaterialets egenskaper. Flera uppslag uppstod och utforskades. Fyra av dem redovisas i kapitel 6.
Figur 2: En grafisk tolkning av utformningsprocessen som den beskrivs i ord av Janson (1998). Utformningsprocessen rymde ett antal arbetsmoment där de viktigaste var:
informationssökning, intervju, skissarbete, urval av skissade förslag och
gestaltningsfas. Momenten hade en viss kronologisk ordning men var inte renodlade faser i den meningen att ett moment avslutades innan nästa tog vid. De pågick delvis parallellt. Nedan beskrivs dessa moment i detalj:
Informationssökning: En viktig del av studien var informationssökning och
inhämtande av kunskap om med de olika förbandstyper och i vilka sammanhang de används. ökningen omfattade både litteratursökningen som nämns ovan och sökning efter inspiration på internet.
Intervju: En praktiserande arkitekts erfarenheter och perspektiv togs (som nämnts
ovan) in genom intervjuer med Camilla Schlyter 8, grundare och ägare till Schlyter/Gezelius arkitektkontor och med mångårig erfarenhet av att arbeta med trämaterialets specifika förutsättningar. Ett viktigt syfte med intervjun var att ta del av erfarenheter och få svar på frågor som inte kan hittas i publicerade vetenskapliga studier.
Skissarbete: En naturlig del i utformningsprocessen med sitt växelspel mellan uppslag
och utforskning var det praktiska skissande på olika förslag som ledde till den slutliga gestaltningen.
Urval: Ett urval av skissade förslag gjordes för att begränsa det antal förslag som
presenteras.
Visualisering: Processen avslutades med en gestaltningsfas. Till denna fas användes
programvaran Revit för att utföra detaljritningarna.
3.4 Beräkning och dimensionering
För att kontrollera bärförmågan hos det föreslagna förbandet genomfördes en dimensionering i enlighet med Eurokod (SIS 1990, 1993-1-5, 1995-1-2). De punkter som behövde kontrolleras för förbandet identifierades tillsammans med Professor Roberto Crocetti9. Programvaran Mathcad användes för att utföra beräkningarna. Eurokod samt bokserien Dimensionering av träkonstruktioner del 1–3 (Svenskt Trä 2019) användes för beräkning av dimensionerande laster samt resterande kontroller som utfördes, dessa kontroller beskrivs under kapitel 7.
8 Digital intervju via Teams med Camilla Schlyter 2020-04-28 och 2020-05-20. 9 Telefonintervju med Roberto Crocetti 2020-04-15.
4. Objektsbeskrivning
För att kunna utföra som en lastberäkning som ska verka på knutpunkten, valdes en fyravånings kontorsbyggnad som byggnaden där knutpunkterna kommer att verka, kontorshuset är inte verkligt och placerades i Växjö för att kunna utföra realistiska beräkningar. Byggnaden är avsett utföras med en pelar-balkstomme i limträ GL32c och med KL-träbjälklag. Byggnaden anses stabiliserad av ett hisschakt och eller stabiliserande väggar i byggnaden, dessa är dock inte dimensionerade. De horisontella laster som förs genom de aktuella elementen är dock inräknade, se figur 3 nedan.
Figur 3: 3D skiss över kontorsbyggnaden.
Eftersom att trä har mindre hållfasthet än till exempel betong och stål, valdes en spännvidd av fyra meter i byggnadens långa sida, medan den korta sidan delas upp i spännvidderna sex och åtta meter, se figur 4 nedan för en visuell beskrivning.
Figur 4: Planritning över kontorsbyggnadens pelar-balksystem Genom att studera inspirationsexemplet Tamedia Office Building märks det att våningshöjden är lite högre än normala kontorshus vilket framhäver byggnadens träkonstruktion och ger ett estetiskt tilltalande utseende på systemet. Med tanke på att
knutpunkten i detta arbete kommer att utformas med fokus på estetik bestämdes en högre våningshöjd för att framhäva knutpunkterna, se figur 5.
Figur 5: Sektionsritning över kontorsbyggnadens långsida.
För att kunna gestalta och dimensionera knutpunkterna för kontorsbyggnaden, behöver en lastnedräkning genomföras. De anslutningar som är högst belastade är knutpunkten mellan pelare-balk i nedersta våningen. Anslutningen längst ned i byggnaden blir mest belastad eftersom pelarna längst ner i byggnaden kommer bära hela byggnadens belastning. Efter lastnedräkning bestämdes att dimensionering och gestaltning skulle genomföras förband 1 och 2 som visas i figur 6.
Figur 6: 3D skiss över kontorsbyggnaden med markeringar av valda knutpunkter som skall dimensioneras. Anledningen till att dessa två knutpunkter valdes är för att knutpunkt nummer 1 kommer belastas direkt med vindlast vilket skapar ett moment i pelaren vilket måste kontrolleras. Knutpunkt nummer 2 kommer att ha störst vertikal belastning vilket kräver en kontroll för bärförmågan.
5. Kravställning på förband
Utformningsprocessen genererar (som beskrivits i kapitel 3.3) ett antal olika sätt att lösa uppgiften att utforma ett metallfritt förband. För att göra det möjligt att utvärdera de olika uppslagen har krav på förbanden formulerats. Detta kapitel utgör en närmare beskrivning av hur kraven har utarbetats.
5.1 Genomförande
5.1.1 Intervjuer
5.1.1.1 Camilla Schlyter
Vid två möten med Camilla Schlyter10och 11 diskuterades nedanstående frågor, vid det
första mötet ställdes samtliga fem frågor. Vid ett andra uppföljande möte fördjupades diskussionen kring fråga 1 och 3. Camilla Schlyter har stor erfarenhet av
gestaltningsprocesser för träkonstruktioner. Hon har också omfattande kunskaper om industriella framställningsprocesser.
1. Kan du beskriva hur en gestaltningsprocess går till, vad är viktigt att tänka på?
Gestaltningsprocessen börjar ofta med en idé om ett rum man vill skapa. Frågan som uppstår är ”hur gör man det?”. Man kan även utgå från en form man tycker om och vill använda. Det finns oftast en formvilja, eller formintresse. Formviljan kan triggas av olika saker. Det kan vara något utifrån kommande som kombinerar sig med någon inre vilja.
På en följdfråga om det finns någon litteratur som beskriver vad arkitekten gör när den skapar tog Camilla upp bland annat Ulf Jansons Vägen till verket (1998). Camilla tog också upp att gestaltningsprocesserna i arkitekturutbildningarna i stora delar tränas i en slags lärlingssituation och dialog. Det är denna dialog som är det viktiga (snarare än teoretiska modeller av processer). Studenten arbetar med idéer och en lärare/kritiker frågar typiskt efter ”Vad vill du åt?”.
2. Vilka former tycker du är bäst när det gäller gestaltning av metallfria knutpunkter i trä?
Att välja form när det gäller just metallfria knutpunkter beror mycket på
materialvalet. Väljer man KL-trä, till exempel, är det spännande att kunna dra nytta av materialets egenskaper, d.v.s. KL-träets styvhet och tålighet som möjliggör tillverkning av krökta ytor.
När man jobbar med proportioner och möjligheter utifrån materialet ger det en balans i gestaltningen. Omvänt blir det inte vackert om man inte har känslan och förståelsen för vilket material man arbetar med. Det blir ett designkriterium att jobba med materialegenskaperna. Det gäller att gå med materialet när man gör det man ska göra. Man skulle kunna tro att möjligheterna begränsas av materialets förutsättningar men egentligen ökar de eftersom man har något att förhålla sig till. Att bolla
begränsningarna mot formviljan eller formintresset ger det arkitektoniska uttrycket. Det föder också ett ökat intresse för vad som är möjligt, allteftersom man utforskar ett material så expanderar dess möjligheter.
10 Digital intervju via Teams med Camilla Schlyter 2020-04-28. 11 Digital intervju via Teams med Camilla Schlyter 2020-05-20.
3. Hur beskriver en arkitekt om en gestaltning är fin eller ful? Finns det någon regel man går efter?
Regeln, enligt Camilla är enkel: fint är när en gestaltning uppfyller en funktion.
4. Är det viktigt att fortsätta utveckla byggandet av större träprojekt?
Ja, självklart. Materialet trä har flera miljöfördelar som byggmaterial då den växer naturligt i ett ekologiskt kretslopp, är biobaserat och är det enda förnybara materialet inom byggbranschen. Trä är dessutom ett vackert och levande material som blir vackrare med tiden.
5. Varför har man alltid haft svårt att bygga, till exempel, ett kontorshus med en metallfri stomme?
I Sverige har vi brist på kunskaper när det gäller att bygga högre hus, flervåningshus med trästomme. Bristen är en följd av bland annat den lagstiftning som infördes år 1874, där det blev förbjudet att använda trä som stommaterial i byggnader med fler än två våningar. Förbudet släpptes efter drygt hundra år, under denna tid låg fokuset på materialen stål och betong till höga byggnader.
5.1.1.2 Roberto Crocetti
Vid mötet med Roberto Crocetti12 diskuterades nedanstående frågor, samtliga fyra frågor
ställdes. Roberto Crocettijobbar som ingenjör och professor vid KTH och har breda kunskaper inom området träkonstruktioner.
1. Hur känner du kring metallfria knutpunkter?
Roberto inledde med att själv ställa frågan om vad vitsen är med metallfria förband i jämförelse med till exempel sådana där stålplåtar ingår. Roberto menade att det inte finns tillräckligt många studier som kan ge argument till varför metallfria förband eller knutpunkter skulle vara bättre när det gäller att klara lastbärningen, dock kan ett argument vara de estetiska fördelar metallfria knutpunkter kan ha. Detta sagt, så håller kanske inte detta argument om knutpunkten är gömd eller estetiskt
otillfredsställande eftersom hållfasthetsegenskaperna är bättre hos metall. Roberto nämnde att det i byggnader som inte ska leda elektrisk ström, som till exempel radiotorn, kan vara intressant med metallfria knutpunkter.
2. Vilken metod skulle du gissa att ingenjören som arbetade med Tamedia Office Building använde?
Roberto berättade att han inte har funnit många studier kring metallfria förband, men att det ändå finns några studier för mindre trädymlingar. Trädymlingarna kallas ”wood pegs” och är endast 20–30 millimeter i diameter. Detta kan inte ha varit mycket till hjälp eftersom Tamedia Office Building har en helt annan typ av
träförband, som, bland annat, är betydligt större. Därför tror Roberto att de måste ha utfört försök för att ta fram hållfasthetsvärden. Roberto förklarar även att han genom att studera en bild på en av knutpunkterna för Tamedia Office Building har kunnat sluta sig till att de har skruvlimmat plywood för att förstärka hålkanterna. Utan den förstärkningen hade knutpunkten inte tagit lika mycket last.
3. Hur dimensionerar man dessa stora knutpunkter?
Reglerna som finns i Eurokod gäller knutpunkter med metall, därför är det svårt att hitta en ekvation som stämmer helt för metallfria knutpunkter. Det blir problem när det gäller att bedöma hållfastheten och risken för brott vid stora laster berättar Roberto. Speciellt behöver man kunna bedöma om hålkantshållfasthet blir för liten.
4. Varför tror du att man i Sverige inte har använt sig av metallfria knutpunkter när man har gjort det i Schweiz?
I Sverige är det mycket stelare i tillämpningen av normer. Om en utformning inte finns med i normer är det i Schweiz mer liberalt, ett företag kan testa och visa att det fungerar och få det godkänt av myndigheten. I Sverige är det en svårare och
krångligare process att pröva något nytt inom byggsektorn säger Roberto. 5.1.1.3 Lars Blomqvist
Lars Blomqvist13 är forskare vid RISE och har bred bakgrund från möbelformgivning och träsnickeri. I ett spontant möte med honom diskuterades dels möjligheten att tillverka de skissade förslagen i Sverige, dels vilka förband inom möbeldesign som kunde användas till ett möte mellan pelare och balk i ett kontorshus.
1. Vilka olika förbandstyper används mest inom möbeldesign?
De vanligaste typerna är dymlade förband, tappförband och sockerlådssinkning.
2. Kan du nämna några svagheter och styrkor för varje typ?
Dymlade förband: Typen är vanlig inom möbeldesign men skulle inte fungera för ett
möte mellan pelare-balk då den är väldigt svag och dymlingarna kan skjuvas av så småningom, se figur 7.
Figur 7: Dymlade förband.
Tappförband: Detta är ett av de vanligaste sätten att sammanfoga två trädelar och
det har använts sedan många år tillbaka runt om i hela världen. Ett sådant förband är snyggt, starkt och stabilt och kan lika bra fungera till möbeldesign som till ett möte mellan en pelare och en balk i en byggnad. Enda nackdelen om den ska användas till ett pelare-balkmöte är att det är svårt att tillverka knutpunkterna i Sverige då det inte finns tillgång till CNC maskiner med tillräckligt hög precision, se figur 8.
Figur 8: Tappförband.
Sockerlådssinkning: Detta är en avancerad snickerimetod. Små pusselbitar huggs ut
på två olika sidor som sedan passas ihop. En sådan sammanfogning är väldigt stark men är för avancerad att använda i ett pelare-balkmöte i en byggnad, se figur 9.
Figur 9: Sockerlådssinkning.
5.1.2 Litteraturstudie
Enligt Smardzewski (2002) fortsätter tappförband att användas i stor utsträckning idag, trots utvecklingen av andra sätt att fästa konstruktionselement. Viktiga generella faktorer som påverkar bärförmågan för tappförband är: tappens längd, bredd och tjocklek, förbandets passform (eventuellt glapp mellan tapphålets sidor och tappen), form på tapp och tapphål och träslagets egenskaper.
Någon godkänd designformel som tar hänsyn till dessa aspekter har inte utvecklats. Lämpliga studier som ökar kunskapen om effekterna av dessa faktorer har dock genomförts. En studie genomförd av Milham (1949) visade att högsta kapacitet uppnås när en låg tolerans mellan tapp och tapphål uppnås. Sparkes (1968) visade att fyrkantiga och runda tappförband var lika effektiva, men att en fyrkantigt avslutad tapp och ett runt avslutat tapphål hade 15% mindre kapacitet än förband med matchande tapp och tapphål. En studie av Erdil (2005) visade att tappens längd har en direkt koppling till förbandets styrka. En minnesregel brukar vara att vid höga krav på hållfastheten ska längden på tappen vara ca 5 gånger tjockleken. En studie av Tankut (2005) visade att styvhet och styrka på fogen beror på bredden av tappen.
5.2 Resultat
5.2.1 Utseende
Intervjun med Camilla Schlyter14 hade tydliggjort att estetik är subjektivt och att det inte
är meningsfullt att formulera generella krav på hur ett förband ska se ut för att vara vackert.
Däremot kan man formulera ett grundläggande krav på en väl gestaltad miljö. Det handlar mycket om att ha människan och material i fokus med syfte att förstärka och ge tyngd till de estetiska värdena i arkitekturen. För ett kontorshus som det är fråga om här, där människor ska vistas och arbeta, är det viktigt att rummen har etablerade proportioner, det vill säga mått som kommer att upplevas och utnyttjas på bäst sätt. Utformningen av förbandet får inte leda till dimensioner som gör att rummets proportioner vållar obehag eller blir opraktiska.
14
Utöver detta är det viktigaste kravet på förbandets utseende i detta arbete att det ska tillfredsställa författarens subjektiva uppfattning om vad som är vackert. Författarens formvilja har varit runda former. Detta är dels för att runda former ser häftiga ut, dels för att dessa är utmanande att gestalta och skapa.
Ytterligare ett krav på utseendet, som följer direkt av projektets mål, är att det gestaltade och dimensionerade förbandet ska tillföra träarkitekturen nya uttryck.
5.2.2 Hållfasthet
Det generella kravet på hållfastheten är att pelare och balk ska kunna uppta de krafter de utsätt för och att föra krafter till förbandets, som då måste utformas för att klara av belastningen som leds genom förbandet. Förutsättningarna för konstruktionen är att pelar-balksystemet utförs med ledade knutpunkter.
Detta gör att förbandet utsätts för tre huvudsakliga krafter som förbandet måste klara: överföring av vertikala krafter ovanifrån samt tvärkrafter och horisontella krafter från balken, se figur 10.
Figur 10: Knutpunkten kommer att utsättas för tre typer av belastning: normalkraft (N) ovanifrån, tvärkraft (V) från balken och en horisontell kraft (H) från det stabiliserande systemet.
De hållfasthetskriterier som då bli viktiga att kontrollera är:
• Vertikal kraft – risk för stora deformationer vid höga krafter vinkelrätt fibrerna. • Tvärkraft – tillräcklig skjuvarea i balken för klara belastningen och eventuella
försvagningar på grund av minskning av tvärsnitt.
• Horisontell kraft – risk för drag/skjuvkrafter vid sammanfogning.
5.2.3 Tillverkning
Kravet för tillverkningen är ett utförande av hög noggrannhet. I nuläget ses tillverkningen av ett metallfritt förband inte som realistisk i Sverige, åtminstone är det intrycket som fåtts efter intervjuerna. Kunskapen och erfarenheten hos den svenska snickaren är förmodligen inte hög nog för att klara av ett detaljerat utförande av knutpunkten. I länder
N
som Schweiz har maskiner utvecklats för att kunna uppnå den noggrannhet som krävs för att få det att funka. Sverige har inte tillgång till tillräckligt avancerade maskiner vilket gör tillverkningen av sådana knutpunkter svår att realisera.
6. Gestaltning av förband
6.1 Genomförande
Ett skissarbete påbörjades med utgångspunkt i ett möte mellan balk-pelare. Inspirationen till ett första uppslag till lösning erhölls via en avancerad informationssökning på Google15, där
en tilltalande form hittades, se figur 11 längst till vänster. Uppslaget bearbetades genom att undersöka hur den tänkta knutpunkten uppfyllde flera tekniska krav och författarens egen formvilja, d.v.s. vad författaren själv tycker är fint och fult. Under resultatavsnittet
presenteras fyra uppslag i form av skissade förslag med sina för- och nackdelar listade. Ett slutligt förslag kommer sedan att dimensioneras se under kapital 7.
Figur 11: Illustration över gestaltningsprocessen. Gestaltningen på bilden längs till vänster är inspirerad av Forestryforum (2013).
6.2 Resultat
6.2.1 Förslag 1
Till förslaget valdes förband av typen tapp och tapphål där såväl balk, som pelare, tapp och tapphål har fyrkantig form. Pelare (a) är utformad med en fast tapp, i motsvarande pelare (b) har det skurits ett hål. Balken (c) fästs i pelare (a) som sedan sammansätts med pelare (b), se figur 12.
Fördel: Utseendemässigt stark form. Sammansatt kommer förbandet att vara i stort sett osynligt.
Nackdel: Sprickor i balkänden eller eventuellt tapp. Denna typ av knutpunkt kan fungera väl inom möbelindustrin där lasterna är inte lika stora som i en kontorsbyggnad. De horisontella laster som kan komma att verka på balken, bedöms riskera att bli för stora för tappen, vilket kan leda till brott i tappen eller att änden av tappen spricker upp då det är inte lika stor träyta som för resten av balken. Horisontell belastning på balkänden vid tapphålet riskerar att leda till klossbrott.
Formen innebär att balk (c) minskas till 1/3 vid pelaren. Detta är en betydande nackdel eftersom stora deformationer vid tryck vinkelrätt fibrerna riskeras. Trä har lägre hållfasthet för tryck vinkelrätt fibrerna än parallellt fibrerna.
Anledning till at gå vidare: efter intervjun med Lars Blomqvist16 påpekades risken för
sprickbildning i balken och tappen. Utöver det går utformningen på förslag 1 emot
15 https://www.google.com/.
författaren egen formvilja då den föredrar runda former för dess estetik. Ett nytt uppslag hade fåtts och därför beslutades det att gå vidare med skissandet och utforska en ny knutpunkt. Se förslag 2 nedan.
Figur 12: Skiss över förslag 1. 6.2.2 Förslag 2
En rundad gestaltning utforskades som nästa uppslag till lösning av tappförbandet. Pelare (a) fästs i pelare (b) med hjälp av den runda tappen. Balken har ett rektangulärt tvärsnitt men är rundad i ändarna och förs över tappen genom det cirkulära hålet som skurits i balken, se figur 13. Tappen sträcker sig lite över balken för att kunna ta upp pelarens belastning direkt istället för att belasta balken.
Fördel: utseendemässigt har knutpunkten en rolig gestaltning som signalerade en styrka. Då formen upplevs som potentiellt nyskapande estetiskt. Utformningen kan dessutom bidra till en behaglig känsla för de som vistas i kontorshuset. Pelarens runda form skapar en öppenhet i rummet därför att skarpa kanter försvinner.
Nackdel: den rundade delen i balken är väldigt känslig för brott och infästningen till pelaren är svag, då den är fäst på ett sätt som gör att balkens dimension blir väldigt liten. En annan nackdel är, som för föregående förslag, vinkelrätt belastning på balkänden som leder till brott eftersom hållfastheten är låg vinkelrätt fibrerna.
Anledning till att gå vidare: efter intervjun med Camilla Schlyter17 påpekades nackdelen med en sådan utformning. Balken blir känslig för knäckningar när knutpunkten utsätts för
vinkelrätt belastning. I och med att det bestämdes det att gå vidare med utformningsprocessen och ett nytt uppslag hade skapats. Se förslag 3.
17 Digital intervju via Teams med Camilla Schlyter 2020-04-28.
(a) (b)
Figur 13: Skiss över förslag 2. 6.2.3 Förslag 3
Efter analys av de föregående knutpunkter gestaltades en knutpunkt som undviker nackdelarna till en viss gräns, se figur 14. Pelare (a) fästs i pelare (b) med hjälp av den ellipsformade tappen. Pelarnas tvärsnitt och balkarnas ändar har formen av en ellips. Anledningen till detta är delvis estetiska skäl men även praktiska. Genom att skapa en elliptisk form på pelaren kan tappytan förstoras, genom denna ändring kan tappen ta upp all belastning från pelaren. Detta gör att balken inte utsätts för vinkelrät belastning som eliminerar problemen som följer med det. Tappen sträcker sig lite över balken för att kunna ta upp pelarens belastning direkt istället för att belasta balken.
Fördel: estetisk stark sammansättning, fin och unik form som verkar uppfylla kraven på att tillföra arkitekturen ett nytt uttryck, då det inte är vanligt att utforma pelare med en
ellipsform.
Nackdel: formen ser ostabil ut, tappen verkar för liten för att ta all last, detta kan leda till att tappen krossas. Risk finns även för balken att skjuvas av om den utsätts för hög belastning. Anledning till att gå vidare: efter intervjun med Roberto Crocetti18 påpekades risken för
klossbrott vid högre laster på balken. Ett nytt uppslag hade fåtts därefter och nytt förband hade skissats. Se förslag 4.
Figur 14: Skiss över förslag 3. 6.2.4 Förslag 4
Baserat på för och nackdelar i ovanstående förslag gestaltades en pelare i ellipsform med tapp i samma form, se figur 15. Pelare (a) fästs i pelare (b) med hjälp av den ellipsformade tappen. Balken har ett rektangulärt tvärsnitt med en ellipsformad ände och följer samma form som pelaren. Tappen görs också något högre än balken för att uppta vertikala tryckkrafter direkt pelare-pelare utan att belasta balken.
Figur 15: Skiss över förslag 4.
Fördel: Balken slipper att ta emot vinkelrät belastning. Större tappyta som ger mer tryckkapacitet för pelare.
Nackdel: Svagheterna är att när horisontell kraft ska föras över från balk till tapp så riskeras två brott i balkänden, se figur 16. Det reducerade snittet i balken dras sönder (brottyp 1) eller
(a) (b)
den delen bortanför tappen skjuvas bort och leder till klossbrott (brottyp 2). Detta går att lösa genom att öka dimensionen på balken eller ändra storleken av tappen.
Anledning till att icke gå vidare: för att begränsa studien, avslutades utformningsprocessen med förslag 4. Utformningen uppfyller det generella kravet på hållfasthet då pelare och balken är utformade på det viss att kunna uppta de krafter de utsätts för. En fullständig dimensionering är utförd under kapitel 7 för att få fram om knutpunkten klarar av belastningen som leds genom knutpunkten.
Figur 16: Brottmoder som kan förekomma i balkänden. Figuren illustrerar brottyperna principiellt. (I förslag 4, figur 15, har balken ett tapphål som är ovalt längs balkens längdriktning istället för som här tvärs balkens
längdriktning men samma principiella brottyper behöver beaktas).
6.3 Analys
Utformningsprocessen skedde på det vis som beskrevs av Ulf Jansons avhandling Vägen till verket (1998). Hela framställningsprocessen av de olika förslagen inträffade samtidigt och var icke linjära. Denna process förklarades av Ulf Janson (1998) som ett växlande processen mellan uppslag och utforskning. Uppslagutvecklingen genom hela skissarbetet har i sin tur tydliggjort sambandet mellan de olika kraven som ställs på utseendet i en byggnad. Genom att gestalta förbandet med avrundade former, se figur 13, 14 och 15, skapas
möjlighet till en behaglig rumsupplevelse då blicken inte kan fästas i ett hörn. Detta påverkar i sin tur avläsningen av dimensionerna. Solljuset kan dessutom vandra fritt kring sådana former då det inte skapas samma möjlighet till kontraster som för rektangulära former vilket leder i sin tur till känsla av öppenhet. Utformningen uppfyller även författarens formvilja och den subjektiva uppfattning om vad som är vackert.
För att kunna öka effektiviteten i planlösningen, delades pelarna med ett 4 meters avstånd på byggnadens långa sida och med 6 och 8 meters avstånd i byggnaden korta sidan. Detta har, tillsammans med våningshöjd på 3,7 meter, resulterat till en rumshöjd som möjliggör byggnadens användbarhet, dagsljus och utsikt. Detta är även påvisat i studien av
neuroforskaren Colin Ellard (2015) där det visas att välgestaltade byggnader kan ha stor påverkan på hur människor som vistas i kan trivas och må.
Att utforma en knutpunkt som klarar av den belastningen som knutpunkten utsätts för, har varit en viktig förutsättning att betrakta. Knutpunkterna i figur 12, 13, 14 och 15 är dessutom ledande och därför överför de inte moment i förbandet.
7. Dimensionering av valt förband
Förbandet som skall dimensioneras beslöts till att följa formen av förslag fyra i
gestaltning skedet i materialet limträ GL32c, se figur 15. Förbandet har dimensionerats för att fungera i det nedersta bjälklaget i den fyra-våningsbyggnad som beskrivs i kapitel 4. Byggnaden kommer att vara utsatt för snölast, vindlast och nyttig last på bjälklagen Byggnadsdelarna som beräkningarna är fokuserade på är markerade i figur 17.
Beräkningarna utfördes för att bestämma dimensioner för knutpunkter, balkar och pelare som klarar av all belastning som kan inträffa kontorshuset, se figur 21 för resultatet av förbandet med de dimensionerande måtten som klarar av all belastning.
Figur 17: Stomsystem med inringade element och knutpunkter som dimensioneras, dimensionering sker dock av elementet ett steg in i konstruktion för att ha maximal påkänning.
Markeringarna i figur 17 är skapade för en visuell förklaring, medan under beräkningarna som utfördes användes byggdelarna som är placerade längre in i byggnaden för att få den maximala lasten, detta är eftersom byggdelarna i fasad saknar belastning på ena sidan.
7.1 Genomförande
Beräkningarna omfattar i steg 1 en lastnedräkning för att beräkna de krafter som påverkar de enskilda byggnadselement på nedre planet, både balkar och pelare. Därefter har beräkningar utförts gällande kontroll för olika brottmöjligheter för tapp, pelare och balk. Kontrollerna genomfördes för:
• böjnings- och skjuvkontroll för balkar, • bärförmågan och knäckningen av pelare, • tryckkapacitet, skjuvhållfasthet för tapp, • hålkantbrott i balken.
Vid beräkningar har MathCad PTC använts då programmet underlättar för beräkningar av denna typ. Med MathCad är det möjligt att sammanställa ett dokument med beräkningar samt förklarande texter och bilder. Den fullständiga beräkningen för laster och
dimensionering av de valda elementen återfinns i bilaga 1.
7.1.1 Laster och lastnedräkning
Första steget var att bestämma lasterna som verkar på byggnaden. Lasterna som verkar på kontorshuset delas upp i variabla och permanenta laster. Variabla lasterna består av vindlast, snölast och nyttig last medan permanenta laster består av egentyngden av de olika byggdelarna. För att få en bättre förståelse över hur lasterna verkar på knutpunkten visas var samtliga laster verkar i byggnaden i figur 18.
Andra steget gick ut på att beräkna variabla lasternas storlek, detta gjordes med hjälp av formelsamlingen ¨Utdrag ur Eurokod 0 och 1¨ (Johansson 2018). Snölasten bestäms efter ort och taklutning, i detta fall orten Växjö och en taklutning på 4 grader. Detta gav en maximal snölast på ungefär 1,7 kN/m2. För att bestämma vindlast behövs Växjös
referensvindhastighet som är 24 m/s samt terrängtypen av området som antags till terrängtypen IV. Med en höjd på cirka 21 m erhölls ett karakteristiskt vindtryck på 0,54 kN/m2. Den nyttiga lasten var 2,5 kN/m2för kontorslokaler.
Därefter utfördes en lastnedräkning för hur lasterna kombineras och leds ned till
byggdelarna som skall räknas på, se figur 18, som beskriver delarna av kontorshuset som beräkningarna kommer att beröra. Detta görs för att sedan bestämma de maximala karakteristiska krafter som kommer att verka på elementen längst ner i byggnaden. Olika byggdelar påverkas olika av laster, till exempel har pelare 1, som placeras intill fasaden, en horisontell vindlast vilken måste tas hänsyn till medan pelare 2 endast är utsatt för vertikala laster. Lastytan av de olika lasterna påverkar även storleken på kraften som verkar i de valda punkterna. Eftersom pelare 2 belastas med en större lastyta än pelare 1 kommer den vertikala kraften vara större. För att kombinera lasterna användes lastkombinationen STR(b), se bilaga 1.
Det utformade förbandet är gjort så att den övre pelaren endast vilar på tappen i mitten av pelaren under och ingen last förs från den övre pelaren till balkarna. Förbanden antas också fungera som leder vilket innebär att de endast överför vertikala laster från balkarna till pelarna och horisontella laster från vindlasterna från en balk till tapp och därefter över till nästa balk. Förbandet antas därmed inte utsättas för någon momentbelastning.
7.1.2 Kontroll av pelare, balk och förband
För balkarna räknades nyttiga lasten i kombination med egentyngden av bjälklaget som den totala lasten som verkar på balkarna, se figur 19. Genom att identifiera lasterna kan den karakteristiska lasteffekten i form av tvärkraft och moment för respektive balk räknas fram. Med hjälp av detta kan både skjuvning och böjningen av balkarna kontrolleras. Formeln för dimensionerande tvärkraftkapacitet:
𝑉𝑅𝑑 = (𝐴 ⋅ 𝑓𝑣,𝑑)/1,5 (1)
Formeln för dimensionerande böjmomentkapacitet:
Genom att dividera den karakteristiska kapaciteten med den dimensionerande fås en utnyttjandegrad. Om utnyttjandegraden överstiger 1,0 misslyckas balken med att klara av belastningen. Kapitel 9 i bilaga 1 visar detaljerade beräkningar av skjuvning och böjning av balkarna.
Figur 19: Skiss över lastfördelning på balk 1 och 2.
Genom att bestämma lasterna som verkar på pelarna, se figur 20 som visar krafterna som verkar på pelarna, kan kontrollen för både knäckning och bärförmåga utföras för
respektive pelare. I detta fall så antas den övre pelaren att stå på tappen, vilken då för över all kraft från högre liggande bjälklag till pelaren. Ingen del av lasten antas gå via balken. För pelare 2 användes formeln för den dimensionerande bärförmågan vid tryck parallellt med fiberriktningen:
𝑁𝑐,0,𝑑= 𝑓𝑐,0,𝑑⋅ 𝐴 ⋅ 𝑘𝑐 (3)
Denna formel tar även hänsyn till knäckning av pelaren. För pelare 1 måste vindlasten tas hänsyn till och därmed används en kombinationsformel för både dimensionerande bärförmågan och momenten som har formeln:
𝑀𝑅𝑑 = 𝑤𝑦⋅ 𝑓𝑚,𝑦,𝑑 (4)
Se kapitel 6 i bilaga 1 för detaljerad beräkning av pelarnas bärförmåga.
Denna metod valdes eftersom att trä har en mycket mindre hållfasthet när det gäller belastning vinkelrätt fiberriktningen. Genom att använda tappen för att föra vidare belastningen riskerar balken inte att få denna typ av belastning på sig. Figur 20 visar lastfördelningen mellan tapp och pelare.
Eftersom tappen kommer att omges av balkens ände, tas ingen hänsyn till risken för knäckning av tappen. För tapp 2 (se figur 17) ökar belastningen då lastytan är större, se kapitel 5 i bilaga 1 för en fullständig beräkning av tryckkapaciteten av tapparna.
Figur 20: Laster som verkar på pelare.
Eftersom tappen innebär en försvagning av pelaren motsvarande en hakbalk måste även detta snitt kontrolleras för tvärkraft orsakad av horisontell last, dvs horisontell
stödreaktionen från vindlasten. Detta kontrolleras genom att anta att tappen och pelaren är utformade som en balk med ett urtag. Skjuvspänningen beräknades för cirkulär tvärsnitt och jämfördes med Eurokod 5 (SIS 1996-1-2) skjuvhållfasthet. Detta är eftersom Eurokod 5 har inte utvecklat någon formel för elliptiskt tvärsnitt. Formeln för att kontrollerna tappens skjuvhållfasthet ser ut enligt följande:
𝜏 = 4𝑉/3𝐴 ≤ 𝑘𝑣⋅ 𝑓𝑣 (5)
Kapitel 10 i bilaga 1 visar den detaljerade beräkningen av tappens skjuvhållfasthet. Genom att använda tappsystem kan risk för brott förekomma i knutpunkten. När den horisontella kraften ska föras över från balk till tapp kan två brott inträffa i balken vilka kan benämnas som en typ av klossbrott, se figur 15 för typer av brott som kan
förekomma.
Första typen av brott sker genom att det reducerande snittet i balken dras sönder. Eurokod 5 har ingen formel som kontrollerar denna typ av brott i trä eller för elliptisk form. En
överslagsberäkning genomfördes, den beräkningen är dock osäker och behöver studeras vidare om den skall tillämpas. Formeln innebär att den dimensionerande kraften för balken (horisontell stödreaktion) skall vara mindre än draghållfastheten i arean mellan tapp och balkände:
Den andra typen av brott sker genom att delen bortanför tappen skjuvas bort. Även för denna typ saknas en ekvation i Eurokod 5 att följa. Därför togs fram en ny ekvation som i första fallet. Brottkriteriet innebar att den karakteristiska kraften (horisontell stödreaktion) som verkar på balken skall vara mindre än skjuvhållfasthet i skjuvarean som består av pelarens area subtraherat med tappens area:
𝑉𝐸𝑑 ≤ ((𝑠𝑘𝑗𝑢𝑣𝑎𝑟𝑒𝑎) ⋅ 𝑓𝑣𝑑)/1,5 (7)
I kapitel 10 av bilaga 1 finns en detaljerad beräkning av dessa klossbrott.
Alla kontroller som användes hämtades från ¨Dimensionering av träkonstruktioner del 1¨ (Svenskt Trä 2019) förutom kontrollerna för tappen som gjordes som överslag. Med hjälp av alla dessa kontroller kan dimensioner för pelare, balk och tapp väljas för att sedan
kontrolleras.
7.2 Resultat
Resultat av beräkningarna av de dimensionerande lasterna som verkar på pelare, balk och tapp beskrivs i tabell 1. Se figur 17 för placeringen av punkt (1) och (2).
Tabell 1: Resulterande krafter och moment som verkar på de olika delarna.
- Punkt (1) Punkt (2)
Lasteffekten för pelare, 𝑁𝐸𝑑 479 kN 560,6 kN
Dimensionerande bärförmåga för pelare, 𝑁𝑅𝑑 879,3 kN 879,3 kN
Lasteffekten för tvärkraften, 𝑉𝐸𝑑 47,1 kN 62,8 kN Dimensionerade tvärkraften för balk, 𝑉𝑅𝑑 141,7 kN 141,7kN
Lasteffekten av moment, 𝑀𝐸𝑑 70,6 kNm 125,5 kNm
Dimensionerande moment för balk, 𝑀𝑅𝑑 149 kNm 149 kNm Lasteffekten av tryckkapacitet för tapp 348 kN 407,8 kN Dimensionerande tryckkapacitet för tapp 701,3 kN 701,3 kN
Efter genomförande av alla kontroller i bilaga 1, bestämdes de slutliga måtten som klarar av all belastning på balk, pelare och tapp, se tabell 2 som förklarar storleken av de olika byggdelarna.
Tabell 2: Dimensionerande måtten för balk, pelare och tapp i kontorsbyggnaden.
Beståndsdelar: Balk Pelare Tapp
Med dessa dimensioner blir det en längd på 35 mm mellan tappen och kanten av pelaren, se Figur 21. Genom att dividera värdet för lasteffekten med den dimensionerande bärförmågan fås utnyttjningsgrad för de olika delarna. Detta värde beskriver hur stor del av den
dimensionerande bärförmågan som kommer utnyttjas.
Figur 21: 3D skiss över tvärsnittet av tappen i pelaren med måtten som klarar av lasten enligt beräkningar. Tabell 3 visar utnyttjandegraden mellan de lasteffekt och bärförmåga för de olika
kontrollerna som utfördes, se bilaga 1 för detaljerad beräkning av alla kontroller.
Tabell 3: Utnyttjandegrad för respektive kontrollerad punkt i beräkningarna som framgår i bilaga 1.
- Utnyttjandegrad Punkt (1) Utnyttjandegrad Punkt (2) Tryckkapacitet för tapp 49,6% 58,2%
Bärförmåga + horisontell last för pelare 56,3% 63,8%
Skjuvhållfasthet för tapp 98,5% -
Skjuvning av balk 32,2% 44,3%
Böjning av balk 47,4% 84,2%
Klossbrott mellan tapp och balk (1) - 19,8%
7.3 Analys
För att klara belastningen som verkar på knutpunkten får utnyttjandegraden inte överstiga 100%. Tappen utsätts för mycket horisontell last från balken vilket leder till den högsta utnyttjandegraden på 98,5% (tappen antas vara ett urtag i en balk). Detta brott är det som avgör balkens dimension. En minskning på sträckan mellan tapp och pelarsida minskar
utnyttjandegraden, dock kan detta leda till större risk för klossbrott eftersom ett mindre avstånd mellan balkände och hålkant ökar utnyttjandegraden för klossbrott.
Typen av brott som identifierades för klossbrott kan jämföras med studien av Johnsson (2004) där samma typ av klossbrott studeras för många förbindare med både ett dragbrott och ett skjuvbrott. För detta fall gjordes dock en tillämpning med en stor tapp istället för en tillämpning med många förbindare.
Resultatet från studien av Werner Åström (2019) visade att användning av lim minskade risken för sprödbrott. Detta kan vara en lösning också för denna knutpunkt, då limmet kan ha funktionen som en typ av förstärkning i tappsystemet.
De överslagsberäkningar som utförts här för förbandet räcker däremot inte. För att
säkerställa att denna typ av knutpunkt fungerar måste även tester i laboration utföras för att se om knutpunkter klarar av lasterna eller inte. Genom att skapa ett liknande förband och belasta med samma typ av laster som beräknades i denna studie kan klossbrottet kontrolleras, men även eventuellt andra typer av brott kan upptäckas.
