Guide för beräkning av förband i
korslimmade träkonstruktioner
Guideline for calculation of connections in
cross-laminated timber structures
Författare: Mustafa Alhadi, Zijad Shehadeh Handledare: Michael Schweigler, Joan Gikonyo Handledare företag: Daniel Anderson, SÖDRA Examinator: Marie Johansson
Termin: VT20 Kurskod: 2BY04E Ämne: Byggteknik Nivå: Högskoleingenjör
Linnéuniversitet, Fakulteten för teknik
Examensarbete i byggteknik
-inkl. några dimensioneringsexempel
Sammanfattning
Byggsektorn är idag en av de största bidragarna till växthusgaser, för att utsläppen av växthusgaser skall minskas har byggsektorn börjat använda trä som byggnadsmaterial i mer komplexa och högre byggnader. För att bygga trähus som kan konkurrera med byggnader i betong och stål, ställs det hög press på utvecklingen av träprodukter och förståelsen vid dimensionering av trähus. Ett byggnadsmaterial som har blivit populärt under de senaste åren är korslimmat trä.
Korslimmat trä eller KL-trä som det ofta förkortas, är ett byggnadsmaterial bestående av korsvis limmade brädor eller plankor, som tillsammans bildar byggnadselement med hög hållfasthet och styvhet. Användningen av KL-trä har ökat sedan det blev tillåtet år 1995 att uppföra byggnader av trä i fler än två våningar. KL-trä är en österrikisk uppfinning som började användas tidigt på 1990-talet i Österrike och Tyskland, innan det sedan spred sig runt om i världen för att bli ett praktiskt och populärt byggmaterial inom
trähusbranschen. Idag används KL-trä i många olika husbyggnadsprojekt och på grund av sin goda hållfasthet, har användningen av KL-trä i stommar hos till exempel
flerbostadshus, utställningshallar, kontorsbyggnader och skolor ökat. Det byggs redan idag byggnader med bärande stomme av trä med över 20 våningar och det finns planer i framtiden att kringgå denna siffra och bygga ännu högre trähus.
Eftersom KL-trä är ett relativt nytt byggnadsmaterial har viss osäkerhet uppstått bland konstruktörer vid dimensionering, speciellt vid dimensionering av förband. Dagens rekommendationer är otydliga och saknar bra struktur för hur dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner kan gå till. Det saknas även regler i befintliga Eurokod 5 för hur dimensionering av KL-trä kan gå till. Detta medför att konstruktörer och ingenjörer har fått förlita sig på dagens befintliga rekommendationer, framtagna för sågat virke och limträ, för dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner. Genom att studera dagens mest aktuella KL-trähandböcker har en guide, i denna kandidatuppsats, tagits fram för dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner. Till guiden som presenteras i detta arbete har även några dimensioneringsexempel tagits fram.
Litteraturstudien av handböckerna visade att många delar som är viktiga vid dimensionering av träkonstruktioner saknades. I vissa fall rekommenderar KL-trähandböckerna att dimensionering av förbanden skall utföras enligt Eurokod 5. Vid beräkningarna kan således värden antingen hamna på säkra sidan eller i vissa fall på osäkra sidan. Detta beror på KL-träets ortogonala uppbyggnad inte tas hänsyn till i Eurokod 5. Det är därför viktigt att konstruktörer avgör om dimensioneringsvärden framtagna för KL-trä enligt befintliga versionen av Eurokod 5 är rimliga eller ej. Guiden som togs fram i denna kandidatuppsats är tänkt att kunna verka som stöd för konstruktörer vid dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner. Den ska visa stegvis i en pedagogisk och strukturerad ordning hur dimensionering av förband i
KL-träkonstruktioner kan gå till. Förhoppningen är att den framtagna guiden kommer att utvecklas i framtiden och hållas uppdaterad efter nya utgåvor av Eurokod 5, samt att den kan verka som en inspiration till framtagandet av en framtida handbok med en samling av dimensioneringsexempel för dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner.
Dimensioneringsexemplen som togs fram i detta arbete behandlar två olika förbandsanslutningar bestående av träskruvar och vinkelbeslag. I arbetet togs två dimensioneringsexempel fram för att komplettera guiden. Det ena bestod av en vägg till bjälklaganslutning med vinkelbeslag och vertikala träskruvar och det andra exemplet av två KL-träskivor anslutna genom en lask med långa självborrandeträskruvar.
Abstract
Korrslimmat trä (KL-trä) är ett byggnadsmaterial som har ökat i popularitet och
användning markant inom byggbranschen de senaste åren. Vid dimensionering av trähus är en av de mest komplicerade delarna att dimensionera förbanden. I stommen utgör förbanden en viktig del eftersom de håller ihop byggnaden. Därför är det viktigt att konstruktörer kan utföra säkra och ekonomiska dimensioneringar. Det saknas idag tydliga och pedagogiska guider med dimensioneringsexempel, vilka konstruktörer kan utgå från vid dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner. Genom att granska de mest aktuella KL-trähandböckerna, jämföra dem med varandra och plocka ut de bästa delarna från varje handbok, har en sådan guide tagits fram i detta arbete med kompletterande dimensioneringsexempel. Guiden är tänkt att verka som stöd vid dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner och förhoppningarna är att den i framtiden kan verka som underlag för framtagandet av en handbok med samlingar av stödjande
beräkningsexempel.
Nyckelord: Korslimmat trä (KL-trä), Dimensionerings-guide, Dimensioneringsexempel, Förband
Abstract
Cross-laminated timber (CLT) is a rather new construction material that has increased its popularity and usage significantly within the building industry in the past years. In timber buildings, the connections are one of the most challenging parts to design. Thus, there are high demands put on structural engineers to make a safe and economic design. Today structural engineers have no specific and clear guideline that they can use as help for design of connections in buildings. By reviewing the most common
CLT-handbooks, comparing them with each other, and picking out the best parts from each of the handbooks, a new guideline for design of connections in CLT-structures was
developed in this thesis with complementary design examples. The guidelines main purpose is to act as help for the structural engineer when designing connections in CLT-structures. It is indented that the guideline acts as basis for the development of a future CLT-handbook with a collection of supporting calculation examples.
Keywords: Cross-laminated timber (CLT), Design-guidelines, Calculation examples, Connections, Joints
Förord
Problemet med att det idag saknas bra rekommendationer för dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner har tagits upp av Södra Skogsägarna, som i samråd med
Linnéuniversitetet har tagit fram frågeställningen som har undersökts i denna
kandidatuppsats. Författarna av föreliggande kandidatuppsats har varit lika delaktiga i de olika delarna av arbetet och engagemanget har varit lika stort.
Ett stort tack ägnas till Michael Schweigler, handledare på Linnéuniversitetet, för enastående engagemang, hjälp och sammanhållning under arbetet. Ett stort tack till Joan Gikonyo, handledare på Linnéuniversitetet, för hjälp med dimensioneringsexemplen. Tack till Daniel Anderson från Södra Skogsägarna för bistånd med god information och mycket motivation under arbetet.
Under arbetet har många nya och nyttiga lärdomar tillkommit, vilka vi kommer ha mycket nytta av i fortsatta studier och framtida arbetsliv. Därför är vi evigt tacksamma till våra handledare som har motiverat och inspirerat oss genom hela arbetet.
Mustafa Alhadi & Zijad Shehadeh Växjö, 12 Augusti 2020
Innehållsförteckning
1
Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund och problembeskrivning ... 1
1.2 Syfte och mål ... 2 1.3 Avgränsningar ... 2
2
Teoretiska utgångspunkter ... 5
2.1 KL-trähandböcker benämningar ... 5 2.2 KL-trä ... 5 2.3 Förband i KL-träkonstruktioner ... 62.4 Dimensionering av förband enligt olika KL-trähandböcker ... 8
2.4.1 Svenska och österrikiska KL-trähandboken ... 8
2.4.2 Kanadensiska och amerikanska KL-trähandböckerna ... 8
2.4.3 Eurokod 5 och KL-trä ... 9
2.5 Generell dimensionering av KL-träförband ... 10
2.5.1 Skruvar belastade i sidled ... 10
2.5.2 Skruvar belastade axiellt ... 12
2.5.3 Dimensionering av KL-träförband ... 13
3
Metod ... 19
3.1 Litteraturstudie ... 19 3.2 Studiebesök ... 19 3.3 Dimensioneringsexempel ... 194
Genomförande ... 21
4.1 Litteraturstudie ... 214.2 Studiebesök kvarteret Agronomen Växjö ... 21
4.3 Dimensioneringsexempel ... 21
5
Objektbeskrivning-dimensioneringsexempel ... 23
5.1 Dimensioneringsexempel ... 23
5.1.1 Dimensioneringsexempel 1 ... 24
5.2 Dimensioneringsexempel 2 ... 26
5.3 Vanliga anslutningar mellan KL-träelement ... 27
5.3.1 Självborrande träskruvar och vinkelbeslag ... 27
5.3.2 Bjälklag till bjälklaginfästning med skråskruvning ... 28
5.3.3 Infästning i bjälklagsplatta och vägg med skråskruvning ... 28
6
Resultat ... 31
6.1 Resultat från jämförelsen av KL-trähandböckerna och Eurokod 5 ... 31
6.3 Resultat från studiebesök; kvarteret Agronomen Växjö ... 35
7
Analys av resultat ... 37
7.1 Analys av KL-trähandböckerna ... 37
7.2 Analys av beräkningsguide ... 37
8
Förslag ... 39
8.1 Guide för beräkning av KL-träförband ... 39
8.2 Steg 1-Identifiering av laster/krafter ... 39
8.3 Steg 2-Inputparametrar ... 40
8.4 Steg 3-Lastfördelning i förbandet ... 40
8.5 Steg 4-Identifiering av de lastöverförande delarna i förbandet ... 40
8.6 Steg 5-Kontroller ... 41
8.6.1 Steg 5.1-Bestämning av flytmoment och hålkanthållfasthet ... 41
8.6.2 Steg 5.2-Tvärkraftsbärförmåga enligt Eurokod 5 ... 41
8.6.3 Steg 5.3-Kontroll av eventuellt vinkelbeslag ... 41
8.6.4 Steg 5.4-Bestämning av utdragsbärförmåga ... 41
8.6.5 Steg 5.5-Bestämning av tillåtna centrum, änd-och kantavstånd ... 42
8.6.6 Steg 5.6-Bestämning av effektiva antalet förbindare av dymlingstyp ... 42
8.6.7 Steg 5.7-Kontroller för brott i träet ... 42
8.6.8 Steg 5.8-Kontroller i bruksgränstillstånd ... 42
8.6.9 Steg 5.9-Beräkning av förbandets styvhet ... 42
8.7 Steg 6-Justering och optimering av förbandet ... 42
8.8 Steg 7-Justering av förbandets styvhet ... 42
9
Diskussion ... 43
9.1 Diskussion om metoden ... 43
9.2 Diskussion om resultatet ... 43
9.3 Diskussion om arbetets förslag ... 44
10
Slutsatser ... 47
Referenslista ... 49
1 Introduktion
Byggsektorn är idag en av de största bidragarna till utsläpp av växthusgaser. Samhället har insett byggsektorns påverkan på klimatet och åtgärder har börjat läggas fram för att främja utvecklingen av ett hållbart samhälle (Det Udomsap & Hallinger 2020). Ett sätt att minska byggsektorns klimatpåverkan har varit att öka användandet av trä, vilket idag ersätter flera andra byggnadsmaterial samtidigt som byggandet med trä är en del av vägen till ett klimatneutralt samhälle. Bara i Sverige har skogsvolymen fördubblats på ungefär hundra år och avverkningen är idag mindre än tillväxten. I Sverige finns det alltså gott om trä, vilket bidragit till att byggsektorn har varit extra intresserad av att bygga i trä, sett ur ett ekonomiskt- och hållbarhetsperspektiv (Bergkvist, Ekdahl, Gross, Jermer & Johansson 2013).
I Sverige introducerades korslimmat trä (KL-trä) under den senare delen av 1990-talet och under de senaste årtiondena har användningen av KL-trä ökat hastigt (Gustafsson et al. 2017). KL-trä har många goda egenskaper som bidragit till den hastiga ökningen av användandet inom byggsektorn. Några nämnvärda egenskaper är exempelvis lägre energiförbrukning vid framställningen, KL-trä lämnar mindre klimatavtryck än betong och stål och KL-trä har förhållandevis låg vikt i förhållande till sin höga bärförmåga (Hassanieh, Valipour & Bradford 2017).
Inom byggsektorn används KL-trä flitigt till olika byggnadselement, till exempel bjälklag och väggar. För att tillverka ett byggnadselement av KL-trä används vanligtvis brädor eller plankor med tjocklekar mellan 20–60 mm. Brädorna eller plankorna placeras i förhållande till fiberriktningen med en 90 graders vinkel och limmas ihop under högt tryck, till skillnad från vanligt limträ där de istället läggs längs med fiberriktningen. När limmet har torkat sågas KL-träelementen enligt byggarbetsplatsens önskemål. Olika länder och tillverkare använder olika träslag i sin tillverkning av KL-trä. I Sverige är det vanligt att gran och furu används (Gustafsson et al. 2017).
1.1 Bakgrund och problembeskrivning
Svenskans korslimmat trä, KL-trä, eller cross laminated timber, CLT, som det heter på engelska, är ett relativt nytt byggnadsmaterial. Inte förrän sent på 1980-talet började det komma förslag på att hitta nya metoder för att utveckla träet som ett modernt
byggnadsmaterial. Österrikiska forskare arbetade med utvecklingen av trä som ett byggnadsmaterial och sent på 1990-talet uppfann de KL-träet (Gustafsson et al. 2017). Forskningen kring användning av KL-trä som byggnadsmaterial var fortfarande inte särskilt stor eftersom det inte var tillåtet att uppföra byggnader i trä högre än 2 våningar i Europa och Sverige. År 1994 ändrades byggreglerna i Sverige och det blev tillåtet att bygga trähus i fler än 2 våningar. Sedan dess har forskningen utvecklats hastigt kring användandet av trä som byggnadsmaterial (Näringsdepartementet 2004).
I Sverige finns idag en bostadsbrist och därför måste flera tusen bostäder byggas de kommande åren, för att minska bostadsbristen. Samtidigt ställs det krav på byggsektorn att bygga mer hållbart. Ett sätt att uppnå detta är att bygga mer i trä, men brist i kunskap och tekniker om byggande med trä har varit en anledning till att inte fler höga trähus har byggts. Under de senaste åren har forskningen kring KL-trä varit intensiv, men det saknas fortfarande kunskaper inom vissa områden, vilket saktar ner utvecklingen av KL-trä i byggsektorn (Brege, Nord & Stehn 2017).
2
potentialen av trä som byggnadsmaterial där det finns planer på att bygga hus i 14–24 våningar i framtiden (Gustafsson et al. 2017).
I den aktuella utgåvan av Eurokod 5 (SIS 2004) saknas idag standarder för
dimensionering av KL-träförband. Det finns brist på regler, riktlinjer och kunskap vid dimensionering av konstruktioner i KL-trä. Konstruktörer jobbar idag utifrån standarder för sågat virke och limträ på grund av deras likheter med KL-trä. Dessa har visat sig fungera bra, men det krävs fortfarande att rekommendationer och standarder utvecklas specifikt för KL-träförband och att hänsyn tas till KL-träets ortogonala uppbyggnad vid beräkningar för att få en så noggrann dimensionering som möjligt (Ringhofer, Brandner & Blaß 2018).
Eftersom det saknats en dimensioneringsstandard för KL-träförband har konstruktörer fått förlita sig på rekommendationer från olika länders och företags litteratur för
dimensionering av KL-träförband (Mohammad et al. 2018). För att göra konstruktörer bekvämare i sitt arbete med KL-träförband krävs det att tydliga, pedagogiska och strukturerade guider utvecklas specifikt för dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner.
1.2 Syfte och mål
Syftet är att, med utgångspunkt ifrån olika länders befintliga KL-trähandböcker, ta fram underlag för en guide för dimensionering av förband mellan element i KL-trä.
Målet är att ta fram en guide för dimensionering av de vanligaste typerna av förband mellan KL-träelement med utdrags-och skjuvbelastade skruvar och metallbeslag. Denna guide ska också användas för att dimensionera några typiska KL-träförband som kan användas som beräkningsexempel för konstruktörer. De förband som används som exempel är, se också Figur 1:
• Dragbelastad infästning mellan vägg och bjälklag • Skjuvbelastad infästning mellan vägg och bjälklag, och • Skjuvbelastad bjälklagsskarv med lask.
a) b) c)
Figur 1: Beräkningsexempel: a) Dragbelastad infästning, b) Skjuvbelastad infästning, och c) Skjuvbelastad bjälklagsskarv.
1.3 Avgränsningar
• Det finns en mängd olika handböcker om KL-trä. Olika länder och företag har sina egna versioner. I detta arbete kommer inte alla möjliga KL-trähandböcker
som finns att studeras. Fokus ligger på att studera de handböcker som går att få tag på och som finns tillgängliga på svenska eller engelska.
• Ekvationer till beräkningar hämtas från de KL-trähandböcker som följer Europastandarder.
• Beräkningsexempel kommer inte att tas fram för alla steg som ingår guiden. Ingen byggnad kommer studeras i sin helhet och inga lastnedräkningar kommer att utföras.
2 Teoretiska utgångspunkter
2.1 KL-trähandböcker benämningar
I denna kandidatuppsats har olika KL-trähandböcker använts. De har valts i detta arbete att benämnas efter det land som de tagits fram i. Böckerna är framtagna av ledande trähusorganisationer inom respektive land. Nedan följer förklaringar till dessa KL-trähandböcker och hur de valt att benämnas i detta arbete.
− Svenska KL-trähandboken
Svenskt Trä är en svensk organisation som arbetar med att bredda trämarknaden och öka förståelsen för användning av trä som ett byggnadsmaterial (Svenskt Trä 2019). Svenskt Trä har tagit fram ”KL-trähandboken: fakta och projektering av KL-träkonstruktioner”, vilken är tänkt att bistå som hjälp för konstruktörer vid dimensionering av
KL-träkonstruktioner (Gustafsson et al. 2017). KL-trähandboken från Svenskt Trä kallas för Svenska KL-trähandboken i detta arbete.
− Österrikiska KL-trähandboken
ProHolz är en österrikisk organisation som arbetar med kunskapsspridning kring användningen av trä, bland annat med att sprida kunskap om dimensionering av byggnader i trä och projektering av träbyggnader (ProHolz 2020). De har tagit fram boken ”Cross-Laminated Timber Structural Design: Basic design and engineering principles according to Eurocode”, vilken är deras version av en KL-trähandbok (Wallner-Novak, Koppelhuber & Pock 2014). I detta arbete benämns denna som Österrikiska KL-trähandboken.
− Kanadensiska KL-trähandboken
Den kanadensiska organisationen FPInnovations är ett privat forskningsinstitut som arbetar med att globalisera den kanadensiska skogsindustrin (FPInnovations 2020). För att bistå konstruktörer i sin dimensionering av träkonstruktioner har de tagit fram KL-trähandboken ”Canadian CLT Handbook, 2019 Edition. Volume I” (Karacabeyli & Gagnon 2019). I detta arbete har den valts att benämnas som Kanadensiska KL-trähandboken.
− Amerikanska KL-trähandboken
FPInnovations har även tagit fram en KL-trähandbok efter den amerikanska standarden för dimensionering av träkonstruktioner ”CLT handbook: cross laminated timber: U.S Edition” (Karacabeyli & Douglas 2013). Denna benämns som Amerikanska KL-trähandboken i detta arbete.
2.2 KL-trä
I Nordamerika har det varit stor efterfrågan på träprodukter, speciellt KL-träelement som har börjat användas mer inom byggbranschen. I andra länder såsom Kanada pågår det flera studier för att förbättra förståelsen kring egenskaper hos KL-trä, för att det skall kunna används i högre och säkrare byggnader (Shen et al. 2013). KL-träelement består av flera skikt som limmas ihop och bildar en massivträskiva. Skivorna är uppbyggda av limmade och korsvis lagda brädor eller plankor, därav namnet korslimmat trä. KL-träskivor byggs upp av udda antal skiktlager och vanligtvis består dessa av tre, fem, sju
6
har sedan 1990-talet ökat markant under de senaste åren, se Figur 2 (Gustafsson et al. 2017).
Figur 2: Ökningen av användandet av KL-trä sedan det blev tillåtet att använda det i byggnader högre än 2 våningar (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
KL-trä kan tillverkas och utformas i olika storlekar och efter beställarens önskemål med en stor mångsidighet enligt Gustafsson et al. (2017). För att en skiva ska få kallas för ”KL-träskiva” krävs det minst tre skikt av brädor eller plankor limmas ihop. Plankorna eller brädorna placeras vanligtvis i 90 graders riktning i förhållande till de underliggande, se Figur 3. KL-träskivor kan utformas direkt efter ritningen eller specifikationer av beställare. Idag byggs det världen över komplexa KL-träbyggnader med höga höjder, vilka uppfyller samma krav som byggnader i betong och stål (Gustafsson et al. 2017).
Figur 3: Typisk treskikts skiva i KL-trä bestående av brädor eller plankor (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
2.3 Förband i KL-träkonstruktioner
KL-träelement ansluts med andra element via olika förbandstyper, där anslutningen har en viktig roll för konstruktionens bärförmåga, styvhet och stabilitet men även för brand samt ljudutbredning. Enligt Gustafsson et al. (2017) består de vanligaste anslutningarna i en KL-träkonstruktion av självborrande träskruvar och vinkelbeslag. Korrekt
dimensionering av förbanden är viktigt, för att säkerställa att en hög säkerhetsmarginal uppnås och för att undvika att brott uppstår utan förvarning ett så kallat ”sprött brott”. Olika metoder används för att ansluta olika delar av KL-trä och anslutningarna består oftast av förbindare av dymlingstyp dvs. skruvar, spikar, dymlingar, se Figur 4. Dessa
förekommer med olika längder på den gängade delen av halsen respektive släta delen av halsen, vilket påverkar utdragsbärförmågan (Gustafsson et al. 2017).
a) b) c)
Figur 4: Tre typer av dymlingsformade förbindare. a) Ankarspik. b) Träskruv. c) Dymling (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
Även olika typer av plåtbeslag, se Figur 5, i kombination med förbindare av dymlingstyp förekommer (Gustafsson et al. 2017).
a) b)
Figur 5: Två typer av vanliga plåtbeslag. a) Spikplåtsvinkelbeslag, används vanligtvis i samband med spikar. b) Vinkelbeslag, används vanligtvis i samband med skruvar (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
Det finns inga dimensioneringsstandarder som talar om hur anslutningar i KL-trä skall utformas i exempelvis anslutningar som består av skruvar, dymlingar, spikar,
vinkelbeslag. Det är dock viktigt att konstruktören utför korrekta dimensioneringar för att anslutningarna ska klara av de laster som stommen utsätts för (Ceallajgh & Harte 2019). Enligt Hossain, Popovski och Tannert (2018) är det viktigt att hitta enkla
förbandsmetoder för att skapa en smidigare montering på byggarbetsplatsen. Samtidigt måste förbanden klara de krav som ställs på dem i mån av styrka, styvhet och eventuell skjuvning och böjning av förbanden (Hossain, Popovski & Tannert 2018). Frangi och Muster (2020) menar att förbanden mellan KL-träelementen är konstruktionens svagaste punkt och de anser därför att det är viktigt att dimensioneringen utförs korrekt och att goda säkerhetsmarginaler uppnås.
Ett förband ska genom en noggrann utformning klara av att överföra krafter genom antingen ledade eller momentstyva knutpunkter. Konstruktören ska beräkna de krafter som påverkar förbandet för att få en noggrann dimensionering (Träguiden 2017a). Vid uttorkning kan det bildas sprickor i virket som orsakas av för stora inre spänningar som uppstår på grund av att träets draghållfasthet vinkelrätt mot fiberriktningen är liten. Således måste fukt och krympning beaktas vid dimensionering. På grund av KL-träets ortogonala uppbyggnad är det viktigt att ta hänsyn till att infästningar i ändträ inte sker parallellt med fiberriktningen och att förankringslängderna inte är för korta. Förbandens anslutning i förhållande till fiberriktningen har således stor betydelse för
utdragsbärförmågan (Träguiden 2017b).
Konstruktioner bestående av, till exempel limträbalkar och pelare är flexibla. KL-trä däremot har hög styvhet, tvärkraftsbärförmåga och tryckmotstånd vinkelrät mot KL-träskivans plan. KL-trä är därför inget material som är bra på att överföra deformationer och krafter mellan elementen. All överföring av krafter sker i förbanden. Det är därför
8
2.4 Dimensionering av förband enligt olika KL-trähandböcker
Trä är ett material med tre vinkelräta huvudaxlar, ett så kallat ortortopt material. Träets ortortopa uppbyggnad påverkar styvhets- och styrkeegenskaperna beroende på vilken riktning som träet skall dimensioneras i (Heyden, Dahlblom, Olsson & Sandberg 2017). Utöver träets ortortopa uppbyggnad måste, även som tidigare nämnt, KL-träetsortogonala uppbyggnad beaktas. Placering av förbindare av dymlingstyp kan således göras i olika riktningar. Beroende på om infästningen görs i sidan av plattan, i kanten eller snett in måste hänsyn till detta tas vid dimensionering. Detta skapar osäkerhet vid dimensionering och för att öka kunskapen av dimensionering av KL-trä har således ett flertal länder tagit fram sina versioner av KL-trähandböcker (Hossaina, Popovski & Tannert 2018).
2.4.1 Svenska och österrikiska KL-trähandboken
Den svenska trähandboken baserar sina beräkningsmetoder för träförband i KL-träelement på empiriska provningsresultat. Beräkningsmetoderna är anpassade till den befintliga Eurokod 5 (Gustafsson et al. 2017). Vid dimensionering av träskruvförband i KL-träelement förekommer olika brottmoder och följande bör följaktligen kontrolleras enligt Gustafsson et al. (2017):
• Skruvförbandet skjuvas av på grund av tvärkrafter. • Utdragsbrott uppstår i förbandet.
• Skjuvning och utdragning samverkar.
• Brott uppstår i skruv, dymling, vinkelbeslag, osv på grund av skjuvning och dragning.
• Tryck vinkelrät mot KL-träskivans fiberriktning.
Den österrikiska KL-trähandboken är baserad på samma empiriska provningsresultat som den svenska och följer även den befintliga Eurokod 5. Beräkningsmetoderna i den österrikiska KL-trähandboken är såldes i stora drag identiska med den svenska (Wallner-Novak, Koppelhuber & Pock 2014). I svenska och österrikiska KL-trähandböckerna finns ekvationer för beräkning av hålkanthållfasthet och utdragsbärförmåga, vilka tagits fram genom utförandet av olika experiment genomförda av Blaß och Uibel (2007). I
experimenten användes huvudsakligen KL-trä av konstruktionsvirke C24 med den karakteristiska densiteten 350 kg/m3. Beräkningsmetoderna som togs fram är således anpassade till KL-trä av konstruktionsvirke C24 för att ekvationerna skall gälla (Blaß & Uibel 2007).
Det går antingen att beräkna dimensioneringsvärden enligt dessa beräkningsmetoder framtagna av Blaß och Uibel (2007) eller använda karakteristiska dimensioneringsvärden framtagna av tillverkare baserade på deras egna provningsresultat (Gustafsson et al. 2017). För att vidare beräkna förbandets dimensionerande bärförmåga används Johansens teori enligt Eurokod 5, kapitel 8.2 (SIS 2004). Beräkning av KL-träförbandets
dimensionerande bärförmåga i samband med Eurokod 5 och på grund KL-träets
ortogonala uppbyggnad, ger dimensioneringsvärden på den säkra sidan enligt Gustafsson et al. (2017).
2.4.2 Kanadensiska och amerikanska KL-trähandböckerna
2.4.2.1 Kanadensiska KL-trähandboken
Kanadensiska KL-trähandboken har i sina beräkningsmetoder använt empiriska provresultat framtagna av Uibel och Blass (2007), likt den svenska och österrikiska handboken. Ekvationerna i den kanadensiska handboken är dock anpassade efter deras
egen standard, CSA 086, för dimensionering av träkonstruktioner (Karacabeyli & Gagnon 2019). Ekvationerna för dimensionering av träförband i den kanadensiska
KL-trähandboken skiljer sig därför jämfört med de svenska och österrikiska handböckerna. Men eftersom beräkningsmetoderna är framtagna enligt samma provförsök ger de näst intill identiska dimensioneringsvärden med ursprungsekvationerna enligt Karacabeyli och Gagnon (2019).
Enligt Mohammad et al. (2018) har inte den kanadensiska standarden, CSA O86, tagit fram några nya ekvationer för dimensionering av förband i KL-trä. Befintliga ekvationer för hålkanthållfasthet och utdragsbärförmåga enligt den kanadensiska standarden multipliceras i stället med en faktor Jx, för att få värden som liknar de som fås med
ursprungsekvationerna. Mohammed et al (2018) testade att stoppa in olika värden i de befintliga ekvationerna för hålkanthållfasthet och utdragsbärförmåga av Uibel och Blass (2007) och jämföra dessa med de anpassade ekvationerna i den kanadensiska standarden. Det visade sig att värden från de olika ekvationerna inte gav särskilt stora skillnader (Mohammad et al. 2018).
2.4.2.2 Amerikanska KL-trähandboken
I Amerika används standarden National Design Specification (NSD) för dimensionering av KL-trä. Vid dimensionering av KL-trä med hjälp av NSD används ekvationer för hålkanthållfasthet och utdragsbärförmåga för konstruktionsvirke. Hänsyn tas dock till brädornas riktningar i KL-träskivan för att få korrekta dimensioneringsvärden
(Mohammad et al. 2018).
2.4.3 Eurokod 5 och KL-trä
Eurokod 5 är europastandarden för dimensionering av konstruktioner i trä där det nu finns en pågående revidering som bland annat uppstod för att nyttjare ansåg att det fanns för många brister med den befintliga eurokoden enligt Stepinac, Manuel Cabrero,
Ranasinghe och Kleiber (2018). Eurokod 5 började utvecklas tidigt på 1980-talet och den första generationen kom ut 2004. Denna generation gäller fortfarande idag (Mohammad et al. 2018)
I en enkätstudie utförd av Stepinac et al. (2018) bland intressenter över hela Europa, ställdes frågor för att samla in generell information om nuvarande Eurokod 5, samt specifik information om kapitel åtta som omfattar dimensionering av förband. Större delen av deltagarna i studien ansåg att det fanns flera brister i nuvarande Eurokod 5 (Stepinac et al. 2018). I första generationens Eurokod 5, del 1.1, saknas helt och hållet dimensioneringsstandarder för KL-trä (Mohammad et al. 2018). Det saknas information om beräkning av hålkanthållfasthet, utdragsbärförmåga, placering och det effektiva antalet förbindare. Enligt Mohammad et al. (2018) kommer dessa delar finnas med i den kommande generationen av Eurokod 5.
I enkätstudien av Stepinac et al. (2018) ansåg majoriteten av deltagarna att det saknades bra information om träförband och även avsaknaden av KL-trä påpekades i denna studie också. Deltagarna ansåg också att den del i dimensionering av en träbyggnad som leder till mest ekonomiska omkostnader är dimensionering av träförband, på grund av den bristande informationen och kunskapen i Eurokod 5. Den nuvarande Eurokod 5 behandlar endast de enklaste och vanligaste förbandstyperna. Information om mer komplexa
förband saknas. I samband med den växande trähusbranschen är det viktigt att även information om dimensionering av KL-trä tillkommer (Stepinac et al. 2018).
10
mellan vissa kapitel. De vanligaste svårigheterna med Eurokod 5 ansågs av nyttjarna vara (Stepinac et al. 2018):
• Det är komplicerat att förstå dimensionering av förband.
• Kapitel åtta som handlar om förband av förbindare av metall är förvirrande och ostrukturerat.
• Avsnittet om mellanrum mellan förbindare, kant-och ändavstånd är för komplicerat, otydligt och kräver att mer tid läggs på dimensionering av dessa aspekter.
Enligt Stepinac et al. (2018) är förbanden en av de mest komplicerade delarna vid
dimensionering av en träkonstruktion. Stepinac et al. (2018) menar också att 23% av brott som har uppstått i träkonstruktioner beror på dålig dimensionering av förbanden. Många användare av Eurokod 5 gör feltolkningar av korrekta uttryck i den befintliga standarden och i flera delar har det visat sig att information saknas (Stepinac et al. 2018).
Användare av Eurokod 5 förespråkar därför vikten av handböcker med beräkningsguider och att exempel utvecklas enligt en europeisk standard, för kapitel åtta och speciellt för KL-träförband. Därför är det viktigt att standarder som används vid dimensionering är logiskt strukturerade och väl etablerade. Detta för att minimera missförstånd bland användare (Stepinac et al. 2018).
2.5 Generell dimensionering av KL-träförband
Förutom förbindare av dymlingstyp förekommer andra förbandslösningar i KL-trä. Till exempel inre metallplattor och innovativa så kallade X-Rad lösningar, som är en typ av inre metallplatta som sätts mellan KL-träelementen (Gustafsson et al. 2017; Ringhofer, Brandner & Blaß 2018). Det som alla förbandslösningar i större KL-träkonstruktioner har gemensamt är att KL-träelementen ansluts oftast genom någon typ av stålförband.
Förbandens uppgift är att ta upp laster i sidled, axiellt eller en kombination av dessa. Därför tas hänsyn till hålkantshållfasthet och utdragsbärförmåga vid dimensionering av KL-träförband (Ringhofer, Brandner & Blaß 2018).
Blaß och Uibel (2007) var först med att utföra experiment av förband i KL-trä och I deras experiment ingick tester av olika förbindare av dymlingstyp, till exempel skruvar, spikar och dymlingar. De studerade främst fästdonens hålkanthållfasthet och utdragsbärförmåga genom att fästa olika typer av fästdon i KL-träskivans plan och kant. Genom deras provningsresultat tog de fram empiriska ekvationer för hålkanthållfasthet och utdragsbärförmåga (Blaß & Uibel 2007).
2.5.1 Skruvar belastade i sidled
KL-trä har två huvudriktningar på grund av sin ortogonala uppbyggnad. Blaß och Uibel (2007) utförde därför en mängd olika experiment baserade de två riktningarna, dvs. då skruven är infäst vinkelrätt KL-träskivans plan och då den är infäst i KL-träskivans kant. På grund av KL-träskivors ortogonala uppbyggnad måste hänsyn tas till hur infästningen sker och olika beräkningsmodeller användas. För att bestämma dimensionerande
bärförmåga måste först karakteristiska hålkanthållfastheten, 𝑓ℎ,𝑘 i N/mm2, bestämmas. För en skruv fäst vinkelrätt mot KL-träskivans plan, se Figur 6, används Ekvation (1) (Gustafsson et al. 2017).
Figur 6: Träskruv infäst vinkelrätt mot KL-träskivans plan. Röda pilar visar skjuvning som påverkar träskruven (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
𝑓ℎ,𝑘 = 0,019𝑑𝑒𝑓−0,3𝜌𝑘1,24 (1)
Där:
𝑑𝑒𝑓 är skruvens gängdiameter i mm, 𝜌𝑘 är träets karakteristiska hållfasthet.
Eftersom Ekvation (1) är framtagen genom empiriska provningsresultat gäller den endast under följande förutsättningar (Gustafsson et al. 2017):
• d ≥ 6 mm, för träskruvens gängdiameter.
• Brädorna skall ha tjocklek större eller lika med 10 mm.
• Skruven ska ha en effektiv längd som går igenom minst tre brädlager. För en skruv fäst i kanten av en KL-träskiva, se Figur 7, används Ekvation (2) nedan (Gustafsson et al. 2017).
12
𝑓ℎ,𝑘 = 20 √𝑑𝑒𝑓
(2)
Där:
𝑓ℎ,𝑘 karakteristiska hålkanthållfastheten i skruven i N/mm2, och
𝑑𝑒𝑓 är skruvens gängdiameter i mm.
Eftersom Ekvation (2) är framtagen enligt empiriska provningsresultat gäller den endast under följande förutsättningar:
• d ≥ 8 mm, för träskruvens gängdiameter.
• Den effektiva föranktingslängden skall vara, 𝑙𝑒𝑓≥ 10𝑑. • Spalterna mellan brädorna skall vara mindre än 6 mm.
2.5.2 Skruvar belastade axiellt
Självborrande träskruvar är det vanligaste förekommande fästdonet vid anslutningar mellan KL-träelement enligt Gustafsson et al. (2017). Träskruvarna är förutsedda med en gängad del som ökar utdragsbärförmågan och eftersom de är gjorda av stål uppnås även goda motståndsförmågor mot moment, dragkrafter och vridning (Hossaina, Popovski & Tannert 2018). Enligt studier utförda av Hossaina Popovski ovh Tannert (2018) är det motiverat att använda skråskruvning i KL-trä med framför allt en 45 graders vinkel för att undvika böjbrott, samt öka styvheten i förband som utsätts för axiell belastning och skjuvning.
Vid dimensionering av utdragsbärförmåga, 𝐹𝑎𝑥,𝑅𝑘, kan ekvation (3) användas. Ekvationen är baserad på empiriska försök utförda av Uibel och Blaß (2007). I ekvationen förutsätts att KL-träskivan har den karakteristiska densiteten 350 kg/m3. Eftersom det idag saknas kunskap om långtidseffekter är det ej rekommenderat att fästa skruvar parallellt med fiberriktningen i KL-träskivans kant. Eftersom bärförmågan blir väldigt låg skall infästningar parallellt med fibrerna undvikas (Gustafsson et al. 2017).
𝐹𝑎𝑥,𝑅𝑘 = 31 ∙ 𝑑 0,8∙ 𝑙 𝑒𝑓 0,9 1,5 ∙ 𝑐𝑜𝑠2𝛼 + 𝑠𝑖𝑛2𝛼 (3) Där:
𝑑 är yttre gängdiameter, anges i mm,
𝑙𝑒𝑓 är effektiva förankringslängden, anges i mm,
𝛼 är vinkeln mellan fibrernas riktning och träskruven vertikala axel, se Figur 8 och 9. Utdragsbärförmågan för en träskruv fäst vinkelrätt fiberriktningen, se Figur 8a, är alltid större än bärförmågan vid skruvning parallellt fiberriktningen, se Figur 8b, enligt Gustafsson et al. (2017). För att uppnå hög bärförmåga och undvika risk för brott är det rekommenderat att skruvar fästs med en lutning i förhållande till fiberriktningen, se Figur 9 (Wallner-Novak, Koppelhuber & Pock 2014). I de fall när skruven fästs vinkelrät
fiberriktningen i KL-träskivans kant, se Figur 8a, skall vinkeln 𝛼 sättas till 0 grader. Detta ger värden på säkra sidan enligt Gustafsson et al. (2017).
a) b)
Figur 8: I a) Träskruv skruvad med en vinkel på 90°. I b) visas träskruv skruvad med en vinkel på 0°, tjockleken för en bräda och den totala tjockleken för hela KL-träskivan (Gustafsson et al. 2017). Publiceras
med medgivande av författaren.
Figur 9: Skråskruvning mellan två olika KL-träelement (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
2.5.3 Dimensionering av KL-träförband
Enligt den svenska KL-trähandboken skall karakteristisk och dimensionerande
tvärkraftsbärförmåga tas fram i enlighet med Johansens flytledsteori som finns beskriven i Eurokod 5, kapitel 8.2. Utdragskraftsbärförmåga bestäms enligt Eurokod 5, kapitel 8.7. För att bestämma samverkan av tvärkraft och utdragsbärförmåga används Eurokod 5, kapitel 8.3 (Gustafsson et al. 2017). Om ekvationerna i svenska KL-trähandboken tillämpas i samband med Eurokod skall dimensioneringsvärden på säkra sidan fås enligt Gustafsson et al. (2017). För dimensionering av ståldelar i ett förband hänvisar
Gustafsson et al. (2017) till Eurokod 3, vilken är standarden för dimensionering av stålkonstruktioner.
14
2.5.3.1 Johansens flytledsteori
Förbindare av metall, till exempel skruv, dymling, spik osv. i en-och tvåskäriga, förband trä mot trä eller en-och tvåskäriga förband stål mot trä osv. dimensioneras enligt
Eurokod 5, kapitel 8.2 (SIS 2004). Till exempel bestäms bärförmågan för enskäriga förband i trä mot trä enligt sex brottmoder, se Figur 10.
Figur 10: 6 möjliga brottmoder som kan uppstå i enkla skjuvningsplan vid förband med förbindare av metall i trä mot trä. t1 är tjockleken för virkesdel 1 och t2 är tjockleken för virkesdel 2 (Gustafsson et al. 2017).
Publiceras med medgivande av författaren.
Karakteristiska tvärkraftsbärförmåga bestäms enligt Eurokod 5 av minsta värdet av följande uttryck (SIS 2004):
𝐹𝑣,𝑅𝑘= 𝑚𝑖𝑛 { 𝑓ℎ,1,𝑘𝑡1𝑑 (4) 𝑓ℎ,2,𝑘𝑡2𝑑 (5) 𝑓ℎ,1,𝑘𝑡1𝑑 1 + 𝛽 [√𝛽 + 2𝛽2[1 + 𝑡2 𝑡1 + (𝑡2 𝑡1 ) 2 ] + 𝛽3(𝑡2 𝑡1 ) 2 − 𝛽 (1 +𝑡2 𝑡1 )] +𝐹𝑎𝑥,𝑅𝑘 4 (6) 1,05𝑓ℎ,1,𝑘𝑡1𝑑 2 + 𝛽 [√2𝛽(1 + 𝛽) + 4𝛽(2 + 𝛽)𝑀𝑦,𝑅𝑘 𝑓ℎ,1,𝑘𝑑𝑡12 − 𝛽] +𝐹𝑎𝑥,𝑅𝑘 4 (7) 1,05𝑓ℎ,1,𝑘𝑡2𝑑 1 + 2𝛽 [√2𝛽2(1 + 𝛽) + 4𝛽(1 + 2𝛽)𝑀𝑦,𝑅𝑘 𝑓ℎ,1,𝑘𝑑𝑡22 − 𝛽] +𝐹𝑎𝑥,𝑅𝑘 4 (8) 1,15 (√ 2𝛽 1 + 𝛽) (√2𝑀𝑦,𝑅𝑘𝑓ℎ,1,𝑘𝑑) + 𝐹𝑎𝑥,𝑅𝑘 4 (9) Där:
𝐹𝑣,𝑅𝑘 är karakteristisk hållfasthet. Bestäms per skjuvningsplan och förbindare[N], 𝑡1 är tjockleken för virkesdel 1, se Figur 10,
𝑡2 är tjockleken för virkesdel 2, se Figur 10,
𝑓ℎ,1,𝑘 är karakteristisk hålkanthållfasthet för virkesdel 1 [N/mm2], se Figur 10,
𝑓ℎ,2,𝑘 är karakteristisk hålkanthållfasthet för virkesdel 2 [N/mm2], se Figur 10, 𝑑 är fästdonets diameter,
𝛽 =𝑓ℎ,2,𝑘
𝑓ℎ,1,𝑘 är förhållandet mellan virkeselementens hålkanthållfasthet,
𝐹𝑎𝑥,𝑅𝑘 är karakteristisk utdragsbärförmåga hos fästdonet som kan tillgodoses enligt linverkan [N].
2.5.3.2 Dimensionerande bärförmåga
För att beräkna den dimensionerande bärförmågan för ett material enligt Eurokod 5 måste hänsyn tas till en korrektionsfaktor, 𝑘𝑚𝑜𝑑, som beror på lastvaraktighet och klimatklass och partialkoefficienten, 𝛾𝑀, för materialet (SIS 2004). Den dimensionerande
bärförmågan, 𝐹𝑅𝑑, för ett träförband ges således av följande formel (Borgström 2016):
𝐹𝑅𝑑 = 𝑘𝑚𝑜𝑑𝐹𝑅𝑘
𝛾𝑀 (10)
där:
𝐹𝑅𝑘 är den karakteristiska tvärkraftsbärförmågan för ett skjuvningsplan och ett fästdon. Viktigt att notera är att partialkoefficienten, 𝛾𝑀, för KL-trä inte finns med i Eurokod 5 (SIS 2004). Denna hämtas istället från svenska KL-trähandboken och värdet är olika beroende på land, se Tabell 1 (Gustafsson et al. 2017). När det gäller dimensionering av träförband och spikplåtsförband hämtas värden på 𝛾𝑀 i Eurokod 5.
Tabell 1: Värden på partialkoefficienter i KL-trä för några olika länder (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
2.5.3.3 Minsta centrumavstånd, änd-och kantavstånd
Vid dimensionering av träförband ställs även krav på minsta centrumavstånd, änd-och kantavstånd. Regler och uttryck för att ta fram dessa avstånd för KL-träförband saknas i Eurokod 5 (SIS 2004). För KL-trä gäller speciella krav för minsta centrumavstånd, änd-och kantavstånd. Dessa krav är framtagna av Blaß änd-och Uibel (2007). För att till exempel bestämma minsta tillåtna centrumavstånd, änd-och kantavstånd för självborrande träskruvar i KL-träskivans kant, kan reglerna i Tabell 2 användas, se även Figur 11. Övriga regler på hur krav för minsta centrumavstånd, änd-och kantavstånd bestäms i olika riktningar i förhållande till KL-träskivans fiberriktning och om dymling, spik eller
16
Tabell 2: För att bestämma minsta centrumavstånd, änd-och kantavstånd för självborrande träskruvar används följande krav (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
a) b)
Figur 11: a) och b) Visar hur måtten i Tabell 2 är bestämda i KL-träskivans kant (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
2.5.3.4 Effektiva antalet skruvar
I Eurokod 5 saknas även information om hur det effektiva antalet skruvar ska tas fram (SIS 2004). Enligt Gustafsson et al. (2017) anges det i svenska KL-trähandboken att ingen reduktion av antalet träskruvar krävs ifall de är belastade av tvärkraft och Johansens teori enligt Eurokod 5 har använts. I de fall då fästdon påverkas av utdrag bestäms antalet effektiva träskruvar enligt Ekvation (11).
𝑛𝑒𝑓 = 𝑛0,9 (11)
där:
n är det verkliga antalet skruvar som använts i förbandet, och nef är det effektiva antalet skruvar.
2.5.3.5 Brott i träet
När spikningsplåtar, vinkelbeslag eller någon typ av plåtbeslag och flera förbindare av dymlingstyp förekommer i en anslutning är det viktigt att brottmoder enligt Figur 12 kontrolleras. När stålplåtar används kan så kallat klossbrott uppstå. I Figur 12 visas olika typer av brott som kan uppstå i träet (Borgström 2016a). I svenska KL-trähandboken finns ingen specifik regel för hur klossbrott kan dimensioneras i ett förband i en KL-träkonstruktion. Istället hänvisas till Eurokod 5, bilaga A (Gustafsson et al. 2017).
a) b) c) d)
Figur 12: Fyra olika typer av brott som kan uppstå i träet beroende av vilken förbandstyp som används. a) Radskjuvbrott, b) blockskjuvbrott, c) klossbrott och d) uppsprickning (Borgström 2016a). Publiceras med medgivande av författaren.
Enligt Mohammad et al. (2018) är det inte vanligt med spröda brott i KL-trä när
förbindarna placeras i KL-träskivans plan. Till exempel de brottmoder som visas i Figur 12. KL-träskivan får högre kapacitet mot dessa brottmoder på grund av sin korslimmade natur. Det kan dock förekomma uppsprickning, se Figur 12d, när förbindare placeras i KL-träskivans kant. Förbindare av dymlings typ som placeras i KL-träskivans plan har även höga deformationsförmågor (Mohammad et al. 2018).
3 Metod
Syftet med examensarbetet var att ta fram en guide för beräkning av förband i KL-träelement. Genom huvudsaklig litteraturstudie kunde detta uppnås. Den viktigaste delen av metoden var att hitta olika länders KL-trähandböcker och hämta information från dessa för att ta fram en möjlig struktur på en guide.
För att ge konstruktörer som jobbar med KL-träkonstruktioner en bättre förståelse för de stegen som beskrivits i guiden, har även beräkningar utförts på några vanligt
förekommande KL-träförband. För att koppla den teori som finns om förband idag mellan KL-träelement och utöka förståelsen för hur dessa kan se ut i praktiken utfördes även ett studiebesök.
3.1 Litteraturstudie
Litteraturstudien bestod huvudsakligen av studier av vetenskaplig litteratur om KL-trä, KL-träförband och studier av befintliga KL-trähandböcker. Viktigast för arbetet var att studera så många handböcker som möjligt i den mån av tillgänglighet och utbud på svenska och engelska. Följande handböcker studerades i de teoretiska utgångspunkterna:
• KL-trähandboken: fakta och projektering av KL-träkonstruktioner (Gustafsson et al. 2017).
• Cross-Laminated Timber Structural Design: Basic design and engineering principles according to Eurocode (Wallner-Novak, Koppelhuber & Pock 2014). • Canadian CLT Handbook, 2019 Edition. Volume I (Karacabeyli & Gagnon
2019).
• CLT handbook: cross laminated timber: U.S Edition (Karacabeyli & Douglas 2013)
De olika KL-trähandböckerna som studerades i arbetet bidrog till framtagningen av en möjlig struktur av en guide för beräkningar av förband i KL-träelement. De kapitel och avsnitt som handlade om förband och anslutningar studerades först och främst. I de olika handböckerna studerades likheter och skillnader. Ur handböckerna hämtades även olika ekvationer och regler som är relevanta vid dimensionering av KL-träförband. I detta arbete användes ekvationer och regler från svenska handboken eftersom dessa följer Eurokod 5. Även regler från Eurokod 5 användes för framtagning av guiden.
3.2 Studiebesök
Ett studiebesök utfördes på en pågående byggnation av ett flerbostadshus i KL-trä för att få en inblick och bättre förståelse för hur olika förbandstyper och anslutningar utförs i verkligheten, samt att ta reda på vilka förbandstyper som är de vanligaste. Förbanden som studerades låg även till grund för dimensioneringsexemplen. Träff stämdes med
projektledare som gav en guidad och informativ rundtur av byggarbetsplatsen.
3.3 Dimensioneringsexempel
För att koppla den guide som tagits fram för dimensionering av förband i KL-träelement utfördes några exempel på hur beräkningarna kan gå till för några typiska
förbandslösningar. Dimensioneringsexemplen utfördes i programvaran Mathcad prime 6. Beräkningarna baseras på de ekvationer, regler och rekommendationer som återfinns i den svenska KL-trähandboken.
4 Genomförande
För att ta fram underlag för en guide tänkt för dimensionering av förband mellan element i KL-trä, samt kompletterande beräkningsexempel, genomfördes följande:
• Litteraturstudie av KL-trähandböcker och vetenskapliga artiklar, • studiebesök på ett aktuellt KL-träprojekt, och
• exempel på hur beräkningar kan gå till för några typiska förbandstyper.
4.1 Litteraturstudie
Först och främst studerades olika vetenskapliga artiklar inom området förband i KL-träkonstruktioner, för att ge en inblick inom området. För att ta fram en pålitlig och pedagogisk beräkningsmetod studerades de mest aktuella och så många
KL-trähandböcker som möjligt. Eftersom de mest aktuella KL-KL-trähandböckerna studerades kan det förutsättas att guiden som togs fram har hög reliabilitet.
Planen i början av arbetet var att studera så många KL-trähandböcker som möjligt för att samla in mycket data och inspiration till en ny beräkningsmetod. Det visade sig vara svårt att hitta flera KL-trähandböcker än de som användes i arbetet, men samtidigt var de som användes tillräckliga, med hänsyn till arbetets storlek och den information som krävdes för att ta fram en bra beräkningsmetod.
För att kunna ta fram en pålitlig och pedagogiskt strukturerad beräkningsmetod jämfördes innehållet i de olika KL-trähandböckerna med varandra. Först och främst studerades de kapitel som handlade om träförband. Olika ekvationer och regler från de olika KL-trähandböckerna jämfördes även med Eurokod 5. Jämförelserna låg sedan till grund för framtagning av en guide.
I detta arbete togs en beräkningsmetod fram anpassad efter Eurokod 5, därför användes ekvationerna från svenska KL-trähandboken eftersom de är utvecklade i enlighet med Eurokod 5. Relevanta granskningar av de olika KL-trähandböckerna utfördes och handböckerna granskades kring hur de har strukturerat utformningen av sina beräkningsmetoder. Ur varje handbok plockades sedan de delar som krävs vid dimensionering av ett KL-träförband ut för att ta fram en strukturerad och pedagogisk beräkningsmetod. Även dimensioneringsaspekter som ansågs saknas eller var mindre bra studerades i de olika KL-trähandböckerna och låg också till grund för framtagningen av beräkningsmetoden.
4.2 Studiebesök kvarteret Agronomen Växjö
Studiebesöket utfördes på kvarteret Agronomen i Växjö. Agronomen är ett modernt område med flerbostadshus som byggs till största delen av KL-trä. Totalt byggs 89 lägenheter med huskroppar i fyra till sju våningar. Platsbesöket genomfördes för att studera infästningsmetoder i verkligheten och se hur KL-träelement ansluts till varandra på ett fysiskt bygge. Aktuell projektledare för projektet gav en guidad rundtur av
byggarbetsplatsen och olika förbandstyper observerades under studiebesöket. Information från studiebesöket var tänkt att ge en verklig bild av hur förband kan se ut i
KL-träkonstruktioner. Dimensioneringsexemplen togs sedan fram enligt de förband som användes på byggarbetsplatsen.
22
Beräkningarna utfördes för några vanliga och enkla förbandstyper. Under studiebesöket observerades vilka förbandstyper som var mest förekommande och med hjälp av svenska KL-trähandboken och handledare för detta projekt bestämdes vilka förbandstyper som dimensioneringsexempel skulle utföras för.
5 Objektbeskrivning-dimensioneringsexempel
I en KL-träbyggnad används olika typer av anslutningar när de olika elementen skall sättas ihop. Vanligast är att en anslutning består av någon typ av dymlingsformade förbindare med ett stålbeslag. Exempelvis träskruvar med vinkelbeslag i anslutningar mellan väggar och bjälklag, se Figur 13a, och anslutningar mellan KL-träskivor som ansluts med trälask och träskruvar, se Figur 13b. Eftersom dessa två förbandslösningar är vanligt förekommande på byggarbetsplatser utformades dimensioneringsexemplen i arbetet till dessa.
Figur 13: Förbandslösningarna som studerats i arbetet. a) Vägg och bjälklag ansluts med vinkelbeslag och träskruvar. b) Skivor i KL-trä ansluts vanligtvis med trälask och träskruvar. Denna förbandslösning kan förekomma på flera ställen i en KL-träbyggnad, tex mellan bjälklag, väggar och tak (Gustafsson et al. 2017).
Publiceras med medgivande av författaren.
5.1 Dimensioneringsexempel
Dimensioneringsexempel togs fram för vägg till bjälklaganslutning med förband bestående av vinkelbeslag och vertikala träskruvar, se Bilaga 1. För denna
förbandslösning utfördes beräkningar för två olika lastfall, se Bilaga 1, exempel 1.1 och 1.2. Laster som verkade på förbanden och dimensioner för beslag och skruvar var tagna från ett forskningsprojekt på Linneuniversitetet (Linnéuniversitetet 2020). Genom att använda inputdata från detta projekt kunde dimensioneringsvärden jämförbara med verkligheten fås.
Dimensioneringsexempel togs även fram för en vägg till vägg anslutning belastad i skjuvning, se Bilaga 1, exempel 2. För att få realistiska dimensioneringsvärden för exempel 2 bistod handledare med värden för inputparametrarna. Beräkningssteg som innehöll lastnedräkningar visades inte i dimensioneringsexemplen, eftersom i detta
24
av styvhet visades inte i beräkningsmetoden. Styvhetskontrollen kräver speciella datorprogram för att utföras. I detta projekt har inte sådana program använts.
5.1.1 Dimensioneringsexempel 1
Bjälklag till vägganslutningen dimensionerades för två olika lastfall. I exempel 1.1 påverkas anslutningen av en upplyftande kraft och i exempel 1.2 av en kraft från sidan. Eftersom lasten angriper förbanden olika, i respektive exempel, fås olika brott som måste kontrolleras, se Bilaga 1 för beräkningar och beskrivningar.
5.1.1.1 Dimensioneringsexempel 1.1
I exempel 1.1 utförs nödvändiga kontroller enligt Figur 14. Nedan följer beskrivningar till kontrollerna.
1. Skjuvbrott i skruvarna i vinkelbeslag-vägg pga tvärkraft:
− Upplyftande normalkraft leder till att skruvarna i vinkelbeslaget som är infästa i väggen påverkas av skjuvkrafter. Således skall dessa skruvar kontrolleras för om de har tillräckligt med kapacitet mot skjuvning. 2. Klossbrott i vinkelbeslag-vägg:
− Den upplyftande normalkraften leder till att eventuellt klossbrott måste kontrolleras i anslutningen vinkelbeslag-vägg.
3. Böjning av vinkelbeslaget:
− Normalkraften angriper oftast med en viss excentricitet vilket leder till att moment uppstår och vinkelbeslaget böjs.
4. Utdragning av skruvarna i vinkelbeslag-bjälklag:
− Skruvar som är fästa genom vinkelbeslaget in i bjälklaget kontrolleras för utdrag.
5. Brott i bjälklaget pga skjuvning:
− Mellan de vertikala skruvarna fästa i bjälklag-vägg och skruvarna fästa i vinkelbeslag-bjälklag uppstår tvärkrafter. Kontroll skall således utföras för skjuvning.
6. Utdragning av skruvarna i bjälklag-vägg:
− I detta fall skall skruvarna kontrolleras för utdrag eftersom konstruktionen påverkas av en upplyftande normalkraft.
Figur 14: En anslutning i bjälklag-vägg påverkas av en normalkraft. Olika delar av konstruktionen påverkas olika. Kontrollerna som måste utföras beror således på hur yttre kraften påverkar anslutningen. 5.1.1.2 Dimensioneringsexempel 1.2
I exempel 1.1 utförs nödvändiga kontroller enligt Figur 15. Nedan följer beskrivningar till kontrollerna.
1. Skjuvbrott i skruvarna i vinkelbeslag-vägg pga tvärkraft:
− Upplyftande normalkraft leder till att skruvarna i vinkelbeslaget som är infästa i väggen påverkas av skjuvkrafter. Således skall dessa skruvar kontrolleras för om de har tillräckligt med kapacitet mot skjuvning. 2. Klossbrott i vinkelbeslag-vägg:
− Den upplyftande normalkraften leder till att eventuellt klossbrott måste kontrolleras i anslutningen vinkelbeslag-vägg.
3. Böjning av vinkelbeslaget:
− Normalkraften angriper oftast med en viss excentricitet vilket leder till att moment uppstår och vinkelbeslaget böjs.
4. Utdragning av skruvarna i vinkelbeslag-bjälklag:
− Skruvar som är fästa genom vinkelbeslaget in i bjälklaget kontrolleras för utdrag.
5. Brott i bjälklaget pga skjuvning:
− Mellan de vertikala skruvarna fästa i bjälklag-vägg och skruvarna fästa i vinkelbeslag-bjälklag uppstår tvärkrafter. Kontroll skall således utföras för skjuvning.
6. Utdragning av skruvarna i bjälklag-vägg:
− I detta fall skall skruvarna kontrolleras för utdrag eftersom konstruktionen påverkas av en upplyftande normalkraft.
26
Figur 15: En anslutning i bjälklag-vägg påverkas av en normalkraft. Olika delar av konstruktionen påverkas olika. Kontrollerna som måste utföras beror således på hur yttre kraften påverkar anslutningen.
5.2 Dimensioneringsexempel 2
Två KL-träskivor påverkas av en skjuvande kraft VEd, se Figur 16. Skivorna ansluts med
hjälp av vertikala träskruvar. Två olika brottyper uppstår, se Bilaga 1. 1. Brott uppstår i lasken:
− Skjuvning leder till att brott kan uppstå i lasken. Brottet kontrolleras enligt Eurokod 5.
2. Skruvarna skjuvas av:
− Panelskjuvningen leder till att brott uppstår i skruvarna. Dessa kontrolleras enligt Johansens teori.
Figur 16:Två KL-träskivor anslutna med vertikala träskruvar utsatta för skjuvande kraft.
5.3 Vanliga anslutningar mellan KL-träelement
Som tidigare nämnt är det vanligt att anslutningar sker med någon typ av dymlingsformad förbindare och stålbeslag. I följande avsnitt kommer tre exempel på vanligt
förekommande förbandslösningar att beskrivas.
5.3.1 Självborrande träskruvar och vinkelbeslag
Genom långa självborrande träskruvar och vinkelbeslag kan vägg-och bjälklagselement av KL-trä anslutas, se Figur 17. I denna anslutningslösning är det viktigt att hänsyn tas till kant-och ändavstånd för att undvika brott i träet. Samtidigt är det viktigt att korrekt dimensionerade förankringslängder används. Vinkelbeslag är effektiva på att ta upp tvärkrafter i väggens riktning och föra över dessa laster mellan elementen för att säkerställa att skjuvbrott undviks (Karacabeyli & Gagnon 2019).
a) b)
28
Vinkelbeslag är en av de vanligaste infästningsmetoderna enligt Hossain, Popovski och Tannert (2018). Ringhofer, Brandner och Blaß (2018) menar att placering av träskruvar i KL-träskivans kant som hamnar i limspalterna kan minska förbandets bärförmåga markant. Det är viktigt att träskruvarna och vinkelbeslaget dimensioneras korrekt för att undvika att skjuvbrott uppstår, samt att förbanden samtidigt klarar eventuella upplyftande krafter. Det är även viktigt att förbandet har tillräcklig elasticitet för att sprött brott inte skall uppstå i ståldelarna av förbanden (Hossain, Popovski & Tannert 2018).
5.3.2 Bjälklag till bjälklaginfästning med skråskruvning
Ett sätt att ansluta två KL-träskivor är att använda en lask och skråskruvade träskruvar enligt Figur 18. Lasken kan bestå av olika typer av trä eller vara gjord av stål. Denna anslutningsmetod kan användas för bjälklag och väggar belastade av tvärkraft och normalkraft (Gustafsson et al. 2017). Skruvarna i lasken kan antigen fästas med 90 graders vinkel i KL-träskivorna eller med en 45 graders vinkel och enligt Hossain, Popovski och Tannert (2018) ökar skråskruvning ett förbands bärförmåga, vilket därför är att föredra i stället för infästningar utförda med 90 graders vinkel i KL-träskivans plan. Anslutningar med lask och skråskruvning är även en enkel och smidig lösning och är vanligt förekommande på byggen på grund av dess smidighet vid montering och den höga bärförmågan som kan uppnås (Hossain, Popovski & Tannert 2018).
Figur 18: Anslutning av två bjälklag med skråskruvning och lask (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av författaren.
5.3.3 Infästning i bjälklagsplatta och vägg med skråskruvning
För att ansluta en vägg med ett tak eller med ett bjälklag kan det ske genom att använda långa självborrande träskruvar. I vägg till bjälklaganslutningar fästs skruvarna i KL-träbjälklaget direkt in i väggelementet under, se Figur 19a (Karacabeyli & Gagnon 2019). För att öka utdragsbärförmågan är det vanligt att skruvarna skruvas in med en vinkel, se Figur 19 (Hossain, Popovski & Tannert 2018). Vinkel och längd på skruven samt hur lång skruvens gängade del är, påverkar hur stor utdragsbärförmåga kan uppnås i förbindelsen mellan de övre och nedre väggarna och bjälklaget. Det är viktigt att skruvarna som ansluter övre väggen med bjälklaget enligt Figur 19 sätts så nära kanten som möjligt utan att överskrida tillåtna kant och ändavstånd för att uppnå optimal bärförmåga (Karacabeyli & Gagnon 2019).
a) b)
Figur 19: a) Vägg och bjälklagsplatta i KL-trä sätts ihop med en skråskruv och två vertikala skruvar. b) Anslutning med skråskruv och vertikala skruvar (Gustafsson et al. 2017). Publiceras med medgivande av
6 Resultat
Nedan presenteras de resultat som framkommit av undersökningarna som genomförts under arbetet. Resultatet är huvudsakligen baserat på studien av KL-trähandböckerna och de vetenskapliga artiklar som studerats under arbetet och studiebesöket som utfördes på ett aktuellt KL-träbygge.
6.1 Resultat från jämförelsen av KL-trähandböckerna och Eurokod 5
De fyra KL-trähandböckerna som studerades i arbetet låg till grund för framtagandet av en guide för dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner. Guiden är baserad på redan existerande dimensioneringsmetoder som har förtydligats, beskrivits och strukturerats i en stegvis ordning. För exempel på beräkningar som följer guiden se Bilaga 1.Resultatet från litteraturstudien av de fyra olika KL-trähandböckerna och Eurokod 5 redovisas i Tabell 3. Aspekter som varit viktiga för framtagandet av en guide har
studerats och information som ”fanns”, ”saknades” eller ”hänvisades till” visas i Tabell 3. Viktig information som saknas har markerats med kryss (X), viktig information som funnits har markerats med en cirkel (O). När den sökta informationen inte har funnits, men som hänvisat till en standard såsom Eurokod 5 har informationen markerats med fyrkant (□), se Tabell 3.
Ingen av KL-trähandböckerna som studerats visade upp någon direkt guide eller beräkningsmetod för hur ett förband i en träkonstruktion kan dimensioneras. I KL-trähandböckerna har istället viktiga ekvationer och rekommendationer presenterats. Kanadensiska och amerikanska handböckerna visade några exempel på hur beräkningar kunde gå till, men dessa var inte omfattande eller strukturerade för att kunna klassas som en generell guide.
I KL-trähandböckerna som studerades var teorier och ekvationer baserade på samma empiriska provningsresultat, men med ekvationer anpassade enligt olika standarder, se Tabell 3. Till exempel använder amerikanska och kanadensiska handböckerna sina länders standarder medan österrikiska och svenska handböckerna förhåller sig till Eurokod 5. Litteraturstudien av handböckerna visade att många delar som är viktiga vid dimensionering av KL-träkonstruktioner saknades. I Eurokod 5 finns inga specifika ekvationer och regler för dimensionering av KL-träförband.
I vissa fall hänvisar svenska och österrikiska KL-trähandböckerna till Eurokod 5, till exempel för klossbrott. I Eurokod 5 anges dock inte hur klossbrott beräknas för KL-trä. KL-träets speciella uppbyggnad gör att det påverkas annorlunda än vanligt limträ och sågat virke vid klossbrott. I detta arbete har dock guiden utformats till att följa de rekommendationer som svenska och österrikiska handböckerna föreslår, även om dessa ibland rekommenderar att KL-trä dimensioneras efter regler framtagna för vanligt sågat virke eller limträ. Vid beräkningarna kan således värden antingen fås på säkra sidan eller på osäkra sidan. Det är därför svårt för konstruktörer att avgöra om
dimensioneringsvärden framtagna för KL-trä enligt befintliga versionen av Eurokod 5 är rimliga eller ej, vilket även visade sig vara sant vid utförandet av
dimensioneringsexemplen.
I de steg där kontroller utförs i guiden är först och främst ekvationer för
32
Eurokod 5 vid dimensionering av trä och Eurokod 3 vid dimensionering av delar av stål i ett förband, till exempel ett vinkelbeslag.
Tabell 3: Jämförelser av de fyra KL-trähandböckerna och Eurokod 5. Olika delar som ansågs viktiga till framtagandet av en guide studerades. O = finns. X= saknas. □= hänvisas till.
Jämförelse mellan KL-trähandböckerna och Eurokod 5 Svenska (Gustafsson et al. 2017) Österrikiska (Wallner-Novak, Koppelhuber & Pock 2014) Kanadensiska (Karacabeyli & Gagnon 2019) Amerikanska (Karacabeyli & Douglas 2013) Eurokod 5 (SIS 2004)
Ekvationer och regler Ekvationen för hålkanthållfasthet (För KL-trä) O O O O X Ekvationen för utdragsbärförmåga (för KL-trä) O O O O X Krav för minimiavstånd, kant, centrum, ändavstånd. (För KL-trä) O O O O O Karakteristiskt flytmoment □ □ X X O Johansens flytleds teori □ □ X X O Klossbrott i trä □ □ □ □ O Beräkning av styvhet av förbandet X X O O O Förbindare av dymlingstyp Avstånd, &
kapacitet vid olika infästningsvinklar O O □ □ O Rad spikar parallellt med fiberriktning (𝑛𝑒𝑓) O O X X O Dimensioner för spikar O O □ □ O
Rad skruvar eller dymlingar parallellt/vinkelrätt med fiberriktning (𝑛𝑒𝑓) O O □ □ O Dimensioner för skruvar O O □ □ Övrigt Standardplåtbeslag O O O □ O Exempel på beräkningar X X O O X
6.2 Framtagning av guide
Ett förslag på guide anpassad för dimensionering av förband i KL-träkonstruktioner, vilken framkommit under litteraturstudien, presenteras i Figur 20. Stegen är strukturerade i en ordning som ska vara enkel att följa och i stegen presenteras vilken information som är viktig för just det specifika beräkningsmomentet. Beskrivningar och information om de olika stegen som ingår i guiden finns i Kapitel 7, i denna rapport.
De svenska och österrikiska handböckerna visade sig till största del vara identiska med varandra i det kapitel som handlade om förband. Ekvationer och rekommendationer från svenska KL-trähandboken användes således för kontroller i steg 5, se Figur 20. Utöver de kontroller som dessa två handböcker nämner har vissa kontroller lagts till som är viktiga vid dimensionering av ett förband. De steg som lades till är hur förbandet påverkar konstruktionen i bruksgränstillståndet, i mån av vibrationer och nedböjningar men även vid beräkningar av förbandets styvhet. I de vetenskapliga rapporterna visade det sig att de ovannämnda stegen var av vikt och lades därmed till i den föreliggande rapporten. Steg 1, 2, 3 och 4 i Figur 20 nedan är viktiga steg vid dimensionering av förband. Dessa steg saknas i samtliga handböcker. Inte heller steg 6 och 7 tas upp i KL-trähandböckerna. Dessa två steg är viktiga för att ett förband ska uppnå en optimal bärförmåga och finns beskrivna i Kapitel 7, i denna rapport.
Vissa av de kontroller som föreslagits i guiden är inte hämtade från svenska och
österrikiska handböckerna, eftersom information om dessa kontroller saknas. Istället har handböckerna hänvisat till Eurokod 5. Exempel på hur de olika beräkningsstegen kan utföras för förband i KL-träkonstruktioner, kommer att presenteras i Bilaga 1.
34
Figur 20: Schematisk beskrivning över i vilka steg ingår i den framtagna guiden för dimensionering av ett KL-träförband.
