Postadress: Besöksadress: Telefon:
Box 1026 Gjuterigatan 5 036-10 10 00 (vx)
551 11 Jönköping
Projektering av KL-träbjälklag i bostäder med
hänsyn till spännvidd och ljudkrav
Planning of CLT-floor in residential housing with regards to
span and sound proofing
Ellen Hansson
Larsana Namroud
EXAMENSARBETE
2020Byggnadsteknik. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.
Examinator: Hamid Movaffaghi
Handledare: Peter Karlsson
Omfattning: 15 hp
Abstract
Purpose: Wood construction has increased in the recent years for apartment buildings
consisting of four to five floors. Compared to other building materials, wood has great environmental benefits. For a building in a larger scale constructed in wood, cross-laminated timber, also known as CLT is an option. The technology for CLT originated in Sweden during the 1990s and since then the development has increased. CLT has excellent stiffness and strength properties. The design of a floor in CLT is important for how the building and the environment are perceived indoors. The wooden floor is about five times lighter than concrete, which means that measures are required to meet the sound requirements set by Boverkets building regulations in Sweden. This will affect the span. The aim of the project is to present a knowledge overview of CLT and for floor in CLT up to 9 meters in span, to compete with concrete floor in steel and prefabricated concrete frames.
Method: The study includes a quantitative methodology using three different data
collection methods. These are literature study, document analysis and calculations. The literature study and the document analysis are based on scientific-and research articles, together with manuals. The calculations are carried out in Stora Enso's calculation program Calculatis by Stora Enso. The program follows Eurocode's design principles.
Findings: The result of the study shows that a CLT-board with laminated beams gives
greater span than just a CLT-board does. The calculation means that the plate must meet the deflection requirement L / 300. Research shows that construction with CLT is increasing and there is great potential to obtain a cost-effective reduction of the carbon footprint and at the same time improve the utilization of natural resources by replacing non-renewable building materials such as concrete and steel with CLT. In order to achieve the sound requirements that are established, the CLT floor must be dimensioned thicker and measures such as additional insulation.
Implications: By looking at the results, the conclusion is drawn that CLT-floor may
grow further to compete with concrete floor in the future. Currently the material is considered useful and environmental for smaller constructions for such as smaller houses, due to the sound insulation problem. For larger constructions with the similar problem can timber-concrete composite be an alternative. CLT-floor reinforced with glulam beams may be considered as a choice for larger and bigger constructions because the span widths increase, and the construction can withstand maximum deflection.
Limitations: The study is limited to mainly considering CLT but also a small amount
of concrete and glulam. Vibrations and environmental risks such as moisture, sunlight and fire, are not considered. The calculations the work uses are based on Eurocode 5, dimensioning of wooden structures. Other types of design principles have been excluded.
Keywords: CLT acoustics, CLT floor, CLT manual, CLT-wood, concrete,
Sammanfattning
Syfte: Byggande med trä har ökat de senaste åren. För en byggkonstruktion i större
skala i trä är korslimmat trä, även förkortat KL-trä ett alternativ. Tekniken för KL-trä uppkom i Sverige under 1990-talet och sedan dess har utvecklingen ökat. KL- har utmärkta styv-och hållfasthetsegenskaper. Utformningen på ett bjälklag i KL-trä har stor betydelse för hur byggnaden och miljön inomhus upplevs. Träbjälklaget är cirka fem gånger lättare än betong vilket medför att åtgärder krävs för att klara de ljudkrav som ställs i Boverkets Byggregler. Detta kommer att påverka spännvidderna. Projektets mål är att presentera kunskapsöversikt av KL-trä och för KL-träbjälklag upp till 9 meter spännvidd, för att konkurrera med betongbjälklag.
Metod: Studien omfattar en kvantitativ undersökningsstrategi där tre olika
datainsamlingsmetoder använts. Dessa är litteraturstudie, dokumentanalys samt beräkningar. Litteraturstudien och dokumentanalysen baseras på vetenskapliga- och forskningsartiklar samt handböcker. Beräkningarna är genomförda i Stora Ensos beräkningsprogram Calculatis by Stora Enso. Programmet följer Eurocodes beräknings- och dimensioneringsregler.
Resultat: Resultatet av studien visar på att en KL-träplatta försedd med limträbalkar
ger större spännvidd än vad enbart en KL-träplatta gör. Beräkningen innebär att plattan ska klara nedböjningskravet L/300. Forskning visar på att byggandet med KL-trä ökar och stor potential finns för att erhålla en kostnadseffektiv minskning av koldioxidavtrycket och samtidigt förbättra utnyttjandet av naturresurserna genom att byta ut icke förnybara byggnadsmaterial så som betong och stål mot KL-trä.
För att uppnå de ljudkrav som finns stadgade krävs att KL-träbjälklaget dimensioneras tjockare samt åtgärder som tilläggsisolering.
Konsekvenser: Med hjälp av resultaten dras slutsatsen att projektering av
KL-träbjälklag växer och kan komma att konkurrera med betongbjälklag i framtiden. I nuläget anses byggmaterialet vara användbart och miljövänligare för mindre konstruktioner så som småhus, detta på grund av ljudisoleringsförmågan. För större konstruktioner där ljudisolering är ett problem kan samverkansbjälklag vara ett alternativ. KL-träbjälklag förstärkta med limträbalkar är ett möjligt val för större och längre konstruktioner eftersom spännvidderna kan öka och klara maximal nedböjning.
Begränsningar: Studien är avgränsad till att främst beakta KL-trä men även en liten
del betong och limträ. Ingen hänsyn tas till vibrationer och miljörisker likt fukt, solljus eller brand. De beräkningar som arbetet har är grundade i Eurocode 5, dimensionering av träkonstruktioner. Andra typer av dimensionerings principer har uteslutits.
Nyckelord: Betong, forskning KL-trä, KL-träakustik, KL-trähandbok, KL-träbjälklag,
Innehållsförteckning
1
Inledning ... 1
1.1 BAKGRUND ... 1 1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 2 1.3 MÅL OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2 1.4 AVGRÄNSNINGAR ... 3 1.5 DISPOSITION ... 32
Metod och genomförande ... 4
2.1 UNDERSÖKNINGSSTRATEGI ... 4
2.2 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METODER FÖR DATAINSAMLING ... 4
2.2.1 Frågeställning 1 ... 5
2.2.2 Frågeställning 2 ... 5
2.2.3 Frågeställning 3 ... 5
2.3 VALDA METODER FÖR DATAINSAMLING ... 5
2.3.1 Litteraturstudie ... 5 2.3.2 Dokumentanalys ... 6 2.3.3 Dimensioneringsprogram ... 6 2.4 ARBETSGÅNG ... 7 2.4.1 Frågeställning 1 ... 7 2.4.2 Frågeställning 2 ... 7 2.4.3 Frågeställning 3 ... 7 2.5 TROVÄRDIGHET ... 11
2.5.1 Validitet och reliabilitet ... 11
3
Teoretiskt ramverk ... 12
3.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH OMRÅDE/FÄLT/ARTIKEL ... 12
3.2 REDOVISNING AV INFORMATIONSSÖKNING ... 12
3.2.1 Materialegenskaper för KL-trä, limträ och betong ... 14
3.2.2 Bjälklag i KL-trä ... 15
3.2.3 Dimensioner och deformationer för KL-trä ... 16
3.2.5 Akustik ... 17
3.3 SAMMANFATTNING AV VALDA TEORIER... 21
4
Empiri ... 22
4.1 DATA FÖR BERÄKNINGAR ... 22
4.2 DIMENSIONER FÖR KL-TRÄBJÄLKLAGET ... 22
4.2.1 Karakteristiska lastvärden ... 23
4.2.2 Egentyngd ... 24
4.2.3 Optimering av KL-träbjälklag för längre spännvidder ... 26
4.3 LITTERATURSTUDIE ... 27
4.3.1 Forskning kring KL-trä ... 27
4.3.2 Forskning kring KL-träbjälklag... 27
4.3.3 KL-träbjälklag jämfört med betongbjälklag ... 28
4.3.4 Personlig kommunikation ... 29
4.3.5 Akustikproblematiken för längre spännvidder ... 29
4.4 SAMMANFATTNING AV INSAMLAD EMPIRI ... 30
5
Analys och resultat ... 31
5.1 HUR SER FORSKNINGEN UT KRING PRODUKTUTVECKLINGEN AV KL-TRÄBJÄLKLAG UT I SYFTE ATT KUNNA KONKURRERA MED BETONGBJÄLKLAG? ... 31
5.2 VILKA ÄR DE MAXIMALA TILLÅTNA SPÄNNVIDDERNA FÖR KL-TRÄBJÄLKLAG I BRUKSGRÄNSTILLSTÅND FÖR OLIKA LJUDKLASSER? ... 32
5.3 HUR SKA DETTA BJÄLKLAG OPTIMERAS FÖR ATT ÖKA SPÄNNVIDDEN UPP TILL 9 METER? ... 33
5.3.1 Resultat för KL-träplatta ... 33
5.3.2 Resultat för KL-träplatta med limträbalkar ... 34
5.4 KOPPLING TILL MÅLET ... 35
6
Diskussion och slutsatser ... 36
6.1 RESULTATDISKUSSION ... 36
6.2 METODDISKUSSION ... 36
6.3 BEGRÄNSNINGAR ... 37
6.4 SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER ... 37
1
Inledning
Rapporten är skriven som en del av kursen Examensarbete, 15HP, som är det avslutande moment på byggtekniska programmet våren 2020 på Jönköpings Tekniska Högskola. Målet med rapporten är att presentera kunskapsöversikt för KL-träbjälklag upp till 9 meter spännvidd, för att konkurrera med betongbjälklag.
1.1 Bakgrund
Bostadsbyggandet har sjunkit under senaste åren. Under 2018 påbörjades en byggproduktion av 52 900 bostäder, där 41 900 av dessa var flerbostadshus, och 11 000 var småhus (Sveriges byggindustrier, u.å). Idag byggs majoriteten av nyproducerade höghus i betong och stål. För att bygga ett samhälle som är hållbart på lång sikt är träkonstruktioner ett material samt byggsätt att föredra (A-hus, u.å).
Trä som har en lång historia som sträcker sig långt tillbaka kan idag ses som vårt viktigaste byggmaterial. Byggmaterialet är starkt i förhållande till sin vikt vilket gör det lämpligt för byggande (Träguiden, u.å). Eftersom trä är ett naturligt material finns en stor mängd information om dess produktion, samt att miljöfrågor inom byggbranschen diskuteras allt mer (Cruz, Jones & Nunes, 2014). Trots att trä är det enda förnybara materialet byggs det betydligt mer i betong och stål i höga byggkonstruktioner. Träbjälklag har i de flesta fall mycket lång livslängd. Underhållet handlar ofta om att avlägsna olika typer av skador som kan uppkomma (Träguiden, 2015).
Tekniken för att bygga med korslimmat trä, även förkortat KL-trä, uppkom i Sverige under 1990-talet och sedan dess har utvecklingen ökat kraftigt. I nuläget finns ett fåtal leverantörer av materialet i Sverige, störst är Martinsons, men fler och fler ser fördelarna med produktionen (Svenskt trä, 2017). KL-träskivorna är lagda korsvis med olika antal skikt där varje lager är komponerat med rätt vinkel mot de intilliggande lagren. Detta för att få ökad formstabilitet och säkerställa lämplig styvhet (Wieruszewski och Mazela, 2017). Den låga egenvikten ger fördelar inom grundläggning, transport och montagearbetet. Bjälklagselement i KL-trä kan leverera stora spännvidder (Svenskt trä, 2017).
Betong är ett naturligt material som går att återvinna. Materialet är robust med lång livslängd, ofta mer än 100 år, dessutom är underhållsarbetet minimalt. En stor fördel med betong är att det inte brinner, och avger inte rök eller giftiga gaser (Svensk betong, 2018). Betong är brandsäkert med låg värmeledningsförmåga vilket medför att betongstommen behåller sin bärande kapacitet och förhindrar att branden sprider sig (Yahaghi och Sorooshian, 2018).
Betongbjälklagen kan bestå av håldäck som klarar långa spännvidder. Detta används främst till byggprojekt inom industrilokaler och kontor.
Betongbjälklaget kan även bestå av plattbärlag som utförs i två varianter, slakarmerade och förspända (Strängbetong, u.å).
1.2 Problembeskrivning
Klimatmålet 2045 i Sverige innebär att vi ska minska utsläppen och vara koldioxidneutrala. Detta innebär att det finns en strävan efter att uppnå negativa utsläpp. Dessa utsläpp av växthusgaser från verksamheter i Sverige ska vara mindre än mängden koldioxid som naturen tar upp som en del av kretsloppen. För att nå detta klimatmål med att vara klimatneutrala, måste även byggandet bli neutralt (Regeringen, 2017). Jämfört med andra byggmaterial har trä stora miljöfördelar. Det krävs en liten energiinsats för att utvinna trä. Koldioxid lagras i trä och finns sedan kvar under trädets hela livslängd, oavsett om det används till en annan träprodukt eller inte. Extra gynnsamt blir det alltså till produkter med lång varaktighet, till exempel byggnadsstommar. Genom att använda trä som byggmaterial i nybyggnationer, blir påföljderna av att andra byggmaterial som inte emanerar från förnybar råvara minskas. Detta medför att utsläppen av koldioxid blir mindre (Svenskt trä, u.å). Enligt statistik från trä-och möbelindustriförbundet har byggandet med trä ökat de senaste åren. Däremot är det fortfarande ovanligt att bygga högre hus i trä (Trä-och möbelföretagen, 2019). För en byggkonstruktion i större skala som ska konstrueras i trä, är korslimmat trä, KL-trä, ett alternativ. KL-trä lämpar sig bra till många olika konstruktioner då uppbyggnaden och tillverkningsprocessen ger stora möjligheter att bearbetas till nästan vilken form och storlek som behövs. Den ortogonala strukturen ger möjlighet till både vägg- och golvelement i full storlek, men även som ett linjärt träelement som kan bära belastningar (Brandner et al. 2016).
KL-träskivor kan jämföras med andra traditionella stommaterial i stora konstruktioner då träet har utmärkta styv-och hållfasthetsegenskaper. (Svenskt trä, 2017).
Utformningen på KL-träbjälklaget har ofta stor betydelse för hur byggnaden och miljön inomhus upplevs. Detta påverkar hela konstruktionens stabilitet och bärförmåga samt dess akustikegenskaper. Däremot kan ett bjälklag i KL-trä ha svårt att uppfylla de ljudkrav som ställs i Boverkets Byggregler. Träbjälklaget som är cirka fem gånger lättare än betong kan behöva åtgärder för att klara ljudkraven. Detta kommer att påverka spännvidderna eftersom ju tyngre material, desto bättre ljudklass kommer bjälklaget ha. Genom att utforma och dimensionera KL-träbjälklaget på rätt sätt kommer det att upplevas på ett stabilt, tyst och på ett komfortabelt sätt (Martinssons, u.å).
1.3 Mål och frågeställningar
Projektets mål är att presentera kunskapsöversikt av KL-trä och för KL-träbjälklag upp till 9 meter spännvidd, för att kunna konkurrera med betongbjälklag.
Frågeställningar:
• Hur ser forskningen kring produktutvecklingen av KL-träbjälklag ut i syfte att kunna konkurrera med betongbjälklag?
• Vilka är de maximala tillåtna spännvidderna för KL-träbjälklag i bruksgränstillstånd för olika ljudklasser?
1.4 Avgränsningar
• Hänsyn kommer inte att tas till annat material än KL-trä, limträ och betong. • Detaljerad syn på ekonomiska aspekter gällande bygge med KL-trä kommer
inte att beaktas.
• Delar i byggprocessen som produktion och förvaltning kommer inte att behandlas i rapporten.
• Rapporten kommer inte att betrakta någon annan konstruktion än bjälklag. • Studien kommer inte omfatta en platta med spännvidd på mer än nio meter. • Krav på brand kommer inte att beaktas.
• Skjuvförbindande tas inte hänsyn till.
• Samverkansbjälklag tas inte hänsyn till i beräkningar då denna typ av bjälklag innehåller betong.
• Olika typer av infästningsmetoder tas inte hänsyn till.
• Vid beräkningar kommer inte vibrationer att inkluderas, detta då beräkningsprogrammet inte behandlar detta.
1.5 Disposition
Rapporten är uppdelad i sex huvudkapitel som har sin start i kapitel 1, Inledning. Följande kapitel är metod och genomförande som beskriver arbetets arbetsgång och de valda undersökningsstrategier som ska användas för att besvara frågeställningarna.
I kapitlet teoretiskt ramverk ges en vetenskaplig grund och förklaringsansats till det problem som ska undersökas.
Kapitel fyra redovisar empirin. Här presenteras beräkningar samt den empiriska data som grundar sig i litteraturstudier och dokumentanalyser.
Det femte kapitlet innehåller en analys av den insamlade empirin samt ett resultat av arbetet.
Det sista kapitel består av diskussion och slutsatser. Här ger en sammanfattning av studiens resultat och genomförande följt av en diskussion. Kapitlet avslutas med förslag på vidare forskning.
Bilagor samt referenser avslutar studien.
2
Metod och genomförande
Följande kapitel har som syfte att ge en översiktlig beskrivning av hur arbetet har disponerats och dess arbetsgång. Valda undersökningsmetoder redovisas och tydliggörs i detta avsnitt.
2.1 Undersökningsstrategi
Undersökningen utgår från en kvantitativ fallstudie. Denna typ av forskningsstudie tillämpas då undersökningen tar hänsyn till en specifik företeelse. B Merriam (2011) skriver att en grupp av händelser, personer eller skeenden utgör ett exempel på denna företeelse, i detta fall bjälklaget på ett flervåningsbostadshus.
Vid undersökningen används mätningar vid datainsamling och analysmetoder som avser att belysa frågor som rör mängd, frekvens, samband mellan variabler, samt orsak och verkan. Den kvantitativt arbetande forskaren betraktar forskningsobjektet logiskt och analytiskt och står i en yttre relation till vad som ska studeras. Forskarens upplevelser eller känslor ska inte påverka forskningsarbetet (Davidson och Patel, 2019).
Forskningen kommer bedrivas av sekundärdata genom dokumentanalyser och litteraturstudier, medan primärdata bedrivs av analysering och dimensionering från beräkningsprogrammet Calculatis by Stora Enso.
2.2 Koppling mellan frågeställningar och metoder för
datainsamling
Detta avsnitt kommer att behandla de olika undersökningsmetoder som kommer användas för att kunna besvara frågeställningarna, se figur 1.
2.2.1 Frågeställning 1
Hur ser forskningen ut kring produktutvecklingen av KL-träbjälklag ut i syfte att kunna konkurrera med betongbjälklag?
För att besvara frågeställning 1 genomfördes litteraturstudier och dokumentanalyser. Litteraturstudier avses i detta forskningssammanhang tryckt material i form av böcker vetenskapliga- och forskningsartiklar samt databaser likt Primo. Detta användes för att få ökad kunskap kring ämnet och för att analysera bjälklag i både KL-trä och betong. Dokumentanalyser gav olika parametrar så som materialdata för trä och betong samt egenskaper för dessa material.
2.2.2 Frågeställning 2
Vilka är de maximala tillåtna spännvidderna för KL-träbjälklag i bruksgränstillstånd för olika ljudklasser?
För att besvara frågeställning 2 har en systematisk och omfattande litteraturundersökning används. Sökning skedde både på svenska och engelska för att bredda datainsamlingen. Data grundar sig i Boverkets Byggregler där ljudkrav redovisas. Kontakt med forskare har även genomförts.
2.2.3 Frågeställning 3
Hur ska detta bjälklag optimeras för att öka spännvidden upp till 9 meter?
För att besvara frågeställningen har verktyget Calculatis by Stora Enso att använts. Ett bjälklag i KL-trä har dimensionerats med spännvidden 9 meter med olika antal skikt. Bjälklaget har analyserats utifrån 3, 5- och 7 skikt för att hitta lösningar till att optimera bjälklaget.
För att finns lösningar på detta har även litteraturstudier används.
2.3 Valda metoder för datainsamling
I följande kapitel beskrivs de valda datainsamlingsmetoder som används för att besvara frågeställningarna, vilka är litteraturstudier, dokumentanalys samt beräkningar i programmet från Stora Enso. De valda datainsamlingsmetoderna stöds av handböcker och vetenskapliga teorier.
2.3.1 Litteraturstudie
För att skapa förståelse av problemet och ämnet studerades vetenskaplig litteratur under arbetsgången. Litteraturen grundar sig i det teoretiska ramverket, däremot görs en fortsatt litteraturstudie som ligger till grund för empiriska data.
Vetenskapliga artiklar, studentlitteratur samt kurslitteratur söktes upp via olika databaser för att finna relevant litteraturforskning. Sökningar genomfördes både på svenska och engelska för att få en så bred datatillgång som möjligt. Databaserna som användes var Google scholar, ScienceDirect och Primo.
Genom handböcker från svenskt trä har information och data samlats in om hur KL-trä fungerar dimensioneringsmässigt och dess materialegenskaper. I denna handbok finns även avsnitt om akustik, brand, beräkningsgång med mera att läsa om.
Följande sökord låg till grund för studien: Betong, konstruktion, forskning trä,, KL-trä, KL-träakustik, KL-trähandbok, KL-träbjälklag, ljudkrav.
2.3.2 Dokumentanalys
En dokumentanalys har genomförts på bland annat forskningsartiklar och handböcker gällande KL-trä och dess utveckling. Traditionellt sett betyder beteckningen “dokument” information som nedtecknats eller tryckts (Patel och Davidson, 2011). Med dokument menas exempelvis litteratur och officiella dokument från organisationer. Dessa dokument hämtas ur bland annat biblioteks tidskriftssamlingar. För att skapa en helhetsbild och fastställda det verkliga förhållandet av den fakta som presenteras måste även resultat som motsäger våra resultat presenteras och diskuteras (Patel och Davidson, 2011). Analys av tabeller och diagram har gjorts.
2.3.3 Dimensioneringsprogram
Studien har bedrivits av primärdata från beräkningsprogrammet Calculatis by Stora Enso. Det är ett kostnadsfritt online-verktyg vid registrering.
Programmet är konstruerat för träkonstruktioner som på ett effektivt sätt låter användaren analysera strukturella element i produkter som KL-trä, limträ och massivt virke. Programmet inkluderar designmoduler för bjälklag tak, pelare, balkar, stöd och anslutningar för konstruktioner gjorda av bland annat KL-trä, men även andra trätyper. Verktyget kan även utföra andra analyser som beräkning av U-värden och branddesign. Programmet är baserat på krav i Eurocode, där möjligheter finns att välja nationella parametrar, däribland Sverige.
Programmet ger tydlig och enkla parametrar, illustrativa rapporter och färdiga moduler för att ge exakta resultat. Genom att ställa in ett antal olika parametrar, som upplagsförhållanden och laster, fås ett resultat innehållande bland annat diagram, spänningsförhållande och slutlig utnyttjandegrad av elementet (Stora Enso, u.å). Verktyget ger möjligheten att dimensionera KL-träbjälklaget utifrån antal skikt och tjocklek man önskar använda.
2.4 Arbetsgång
I följande avsnitt redogörs de tillvägagångssätten som används för att besvara studiens frågeställningar. Avsnittet delas in i underrubriker för varje frågeställning.
2.4.1 Frågeställning 1
Hur ser forskningen kring produktutvecklingen av KL-träbjälklag ut i syfte att kunna konkurrera med betongbjälklag?
För att besvara frågan om hur forskningen kring produktutvecklingen av KL-träbjälklag ser ut i syfte att kunna konkurrera med betongbjälklag, har litteraturstudier i form av pågående forskningsarbeten samt vetenskapliga artiklar använts. En handbok om KL-trä har varit till stor hjälp för att förstå hur materialet förhåller sig till olika parametrar. Genom kontakt till produktchefen på Martinsons har frågan diskuterats för tydligare inblick.
2.4.2 Frågeställning 2
Vilka är de maximala tillåtna spännvidderna för KL-träbjälklag i bruksgränstillstånd för olika ljudklasser?
För att ta reda på hur olika spännvidder står sig i förhållande till olika ljudklasser har litteraturstudier och dokumentanalys används. Sökningarna gjordes både på svenska och engelska för att bredda datainsamlingen. Slutligen formulerades en slutsats av den insamlade data. För att få en bättre uppfattning kring frågan kontaktades RISE och Brekke & Strand Akustik AB som förklarade deras syn på problematiken.
2.4.3 Frågeställning 3
Hur ska detta bjälklag optimeras för att öka spännvidden upp till 9 meter?
För att få besvara frågeställningen användes programvaran Calculatis by Stora Enso. Ett KL-träbjälklag har analyserats med en spännvidd på 9 meter. Parametrar som tjocklek, antal skikt på bjälklaget samt laster är avgörande för denna fråga. Utifrån de resultat som programmet ger har en fortsatt studie gjorts på hur bjälklaget ska optimeras för att öka spännvidden upp till 9 meter.
Det första som görs i beräkningsprogrammet är att välja delprogram. I denna studie har CLT panel och rib deck använts, se figur 2.
Här finns möjlighet att ställa in olika data för plattan. I detta fall har bredd på plattan, material, paneltyp samt nedböjningskrav använts, se figur 3.
Figur 3. Systemdata (Stora Enso, 2020).
Winst = momentan nedböjning.
Wnet,fin = slutlig nedböjning.
Plattan har valts till 9 meter spännvidd. Det går att välja om man vill ha plattan ledad, fast inspänd eller rullager, detta väljs på vänstra och högra sidan av ”field 1”, se figur 4.
För denna platta har egentyngd och nyttig last för bostäder ställts in i programmet, se figur 5. Hur lasten ska fördelas över plattan väljs i rullistan.
Figur 5. Egentyngd och nyttig last (Stora Enso, 2020).
Slutligen fås en helhetsbild över det man har valt att ställa in i programmet. Genom att trycka på resultat får man både en förenklad och en detaljerad version som programmet har analyserat, se figur 6.
2.5 Trovärdighet
I följande avsnitt redovisas metodernas validitet och reliabilitet för att ge en uppfattning om hur trovärdigt det är att kunna besvara frågeställningarna.
2.5.1 Validitet och reliabilitet
För att undersökningen ska vidhålla hög validitet innebär det att rätt företeelse studeras vilket kan stärkas med god teoriunderbyggnad och noggranna mätningar (Patel och Davidsson, 2011). Litteraturstudie och dokumentanalyser kommer endast ta hänsyn till vetenskapliga artiklar och rapporter skrivna av forskare och myndigheter.
Genom att använda sig av ett akademiskt förhållningssätt och utnyttja resurserna på de olika söktjänster som finns ökas reliabilitet för empirin. För att säkerställa reliabiliteten vid beräkning grundar sig dessa på Eurocodes dimensioneringsregler. Eurocode är den standard som ska följas vid byggande inom Europa. Denna har tagits fram av den europeiska kommittén för standardisering. För dimensionering av träkonstruktioner gäller Eurocode 5.
Eurocode möjliggör beräkning med hjälp av tabellvärlden och förenklade eller allmänna beräkningsmetod, vilket stärker reliabiliteten.
För att säkerhetsställa en hög reliabilitet har beräkningsprogrammet Calculatis by Stora Enso använts för att analysera och dimensionera KL-träbjälklaget. Genom att använda denna programvara förstärks trovärdigheten då verktyget följer Eurocodes beräknings- och dimensioneringsregler.
3
Teoretiskt ramverk
Teoretiskt ramverk eftersträvar att ge en vetenskaplig grund för de problem och frågeställningar studien utgör. Frågeställningarna har en förankring till teori, se figur 7.
3.1 Koppling mellan frågeställningar och område/fält/artikel
Nedan presenteras hur kopplingen sker mellan frågeställningar och teori.
Figur 7. Koppling mellan frågeställningar och område/fält/artikel.
3.2 Redovisning av informationssökning
Användningen och efterfrågan av KL-trä ökar för varje år både i Sverige, Europa och övriga världen. I nuläget finns ett fåtal leverantörer av materialet i Sverige, störst är Martinsons, men fler och fler ser fördelarna med produktionen (Svenskt trä, 2017). Se figur 8 om utvecklingen av materialet i Europa.
I dagsläget byggs 10 procent av flerbostadshus i Sverige i trä. Andelen förutspås öka till 50 procent år 2025 (Södra, 2020). Nock Massiva Trähus (2019) betraktar också KL-trä som ett av framtidens mest hållbara byggnadsmaterial.
”Vi mår allmänt bättre av att bo i trähus jämför med hus i betong.” (Svensk Leverantörstidning, 2019), påpekas i artikeln. Detta på grund av att materialet är miljövänligt och lättarbetat, men även för att materialet KL-trä inte brinner utan förkolnar vilket leder till att om en olycka skulle ske hade byggnaden inte kollapsat (Svensk Leverantörstidning, 2019).
Idag är utvecklingen och forskningen i full gång inom tillverkning och byggande med KL-trä. Både byggherrar och byggentreprenörer runt om i världen har börjat inse den stora potential som finns med byggande i trä. I bland annat städer som London och Milano pågår planering och genomförande av bostadshus, kontor och offentliga byggnader, där konstruktionen kan förväntas vara upp till 24 våningar hög (Svenskt trä, 2017).
För att kunder ska vara säker på att produkten uppfyller de angivna egenskaper måste leverantörerna verifiera dessa. Detta medför att allt fler byggprodukter certifieras. KL-trä som är certifierat visar att materialet är egenskapsverifierat och som tillverkas industriellt under kontrollerande förhållanden. För att möjliggöra tillverkning av stora KL-träskivor används fingerskarvtekniken. Det innebär limmad längdskarv med kilar som griper in i motsvarande spår. Fingerskarvning innebär att kilarna fräses ut i virkesstyckens ändar. De limmas sedan ihop och kan dimensioneras efter kundens önskemål. Den problematiska delen för KL-trä för att uppnå hög hållfasthet och kvalité är limningen. För att säkerställa att materialet uppnår kvalifikationerna kontrolleras fingerskarvarnas och limfogarnas kvalité på limmet kontinuerligt.
KL-trä som är CE-märkt får säljas inom EES-området utan någon speciell dokumentation. En CE-märkt produkt visar att tillverkaren har följt de regler och krav som finns i de EG-direktiv anknutit till detta. För CE-märkta KL-träskivor för byggändamål ska egenskaperna kontrolleras och följa de krav som står listade i standarden SS-EN 16351 Träkonstruktioner – Massivträ för byggsystem – Krav. För att visa att produkten uppfyller dessa krav medföljer en prestandadeklaration (Svenskt trä, 2017).
Figur 8. Utveckling av KL-trä i Europa (Svenskt trä, 2017).
3.2.1 Materialegenskaper för KL-trä, limträ och betong 3.2.1.1 KL-trä
Korslimmat trä, eller KL-trä som det ofta benämns på svenska, CLT på engelska, är ett relativt nytt byggmaterial i Sverige. Det var under slutet av 1990-talet som tekniken med KL-trä introducerades i Sverige. Några år tidigare var tillverkningen av skivor i full gång i Centraleuropa. Materialet tillverkas av hållfasthetshetssorterat virke, i Sverige är gran eller furu vanligast (Svenskt trä, 2017).
Eftersom KL-trä är relativt nytt på marknaden, har byggare och designers använt konstruerade träprodukter som plywood och limträ tidigare. Patenten för KL-trä utfärdades år 1985 i Frankrike (Sanborn, K, mfl. 2019).
Materialet består vanligtvis av minst tre och max sju skikt med brädor, med tjocklek mellan 20-60mm som är lagda korsvis, för att få ökad formstabilitet. Följderna av detta är ett tvärstyvt byggelement som är både starkt och tåligt i förhållande till sin låga vikt. Den låga egenvikten ger fördelar inom transport och montagearbetet.
I kombination med goda hållfasthetsegenskaper och modern tillverkningsteknik är KL-trä ett viktigt och värdefullt byggmaterial med exceptionella egenskaper. Materialet kan enkelt bearbetas med traditionella handverktyg och ger snabbt montage. I figur 9 illustreras en KL-träskiva från KL-trähandboken från svenskt trä (Svenskt trä, 2017).
Figur 9. Exempel på hur uppbyggnaden av en KL-träskiva kan se ut (Svenskt trä, 2017). Hållfasthets- och styvhetsegenskaperna för KL-trä är utmärka, vilket gör det möjligt att konkurrera med andra mer traditionella stommaterial. Till skillnad från andra byggmaterial har KL-trä högre bärförmåga med förhållande till sin vikt, vilket medför stora konstruktioner kan byggas som klarar höga laster (Svenskt trä, 2017).
Maximala måtten som skivorna normalt uppgår till är 3 x 16 meter, men kan skilja sig beroende på KL-trätillverkare och behov. Hållfastheten och styvheter hos KL-trä bestäms beroende på de olika skikten träet består av (Träguiden, 2017).
3.2.1.2 Limträ
Användningen av limträ fick sitt genombrott år 1910. Detta resulterade i nya konstruktioner och ny arkitektur. Utvecklingen av limträ ledde till att trä kunde ta sin början att konkurrera med både stål och armerad betong i bärande konstruktioner för stora spännvidder. Limträ består av lameller som är hoplimmade. Minst fyra lameller behövs för att det ska kunna kallas limträ. Träet är sammankopplat med dess fiberriktning parallellt med längdriktningen på konstruktionen. De yttre lamellerna brukar normalt sett vara starkare i materialet och ha en högre hållfasthetsklass då momentet till största del tas upp där. Mellanbjälklag i träkonstruktioner består vanligen av bjälkar med ett centrumavstånd på 600mm (Svenskt trä, 2016).
Limträ är i förhållande till sin vikt ett av de starkaste konstruktionsmaterialen, vilket innebär att balkar i limträ kan spänna fritt över långa spännvidder. Elementen är uppbygga med lameller av konstruktionsvirke som snabbt gynnar materialet. Eftersom limträ är så pass beständigt klarar materialet sig bättre i mer aggressiva miljöer än vad andra träslag gör. Limträbalkar fungerar utmärkt som stöd för plattor för att skapa större spännvidder. Genom sin formbarhet och formstabilitet kan limträ varken kröka eller vrida sig För att öka spännvidden för en KL-träplatta är balkar i limträ ett sätt att använda sig av. Dessa placeras under plattan. Limträ i kombination med KL-trä har även lyft arkitekturen till en ny nivå (Svenskt trä, 2016).
3.2.2 Bjälklag i KL-trä
Det finns olika typer av bjälklag i KL-trä, dessa presenteras nedan.
Plattbärlag
Det vanligaste och enklaste formen är plattbärlag. Vid denna typ av bjälklag tar endast KL-träplattan upp alla laster och fördelar vidare till underliggande konstruktion. Antal skikt och tjocklek på skikten bestäms utifrån kraven som ställs på slutresultatet. För att KL-träplattan ska uppnå de ljudkrav och brandkrav som ställs måste den ofta kompletteras med konstruktioner som både är överliggande och underliggande. Detta kan vara material som gipsskivor och isolering (Svenskt trä, 2017).
Kassett- och hålbjälklag
Denna typ av bjälklag består av en KL-träplatta som är limfogat med limträbalkar på plattans översida eller undersida, med eller utan flänsar, se figur 10. Limträbalkarna ger möjlighet till att klara större laster och inneha längre spännvidder, upp till 12 meter. Likt plattbärlag behöver även denna typ av bjälklag ett tilläggsmaterial för att klara ljud och brandkrav. Om undertaket kan göras fritt från ovanliggande del av bjälklaget kan bättre lösningar uppnås för det ljudtekniska. Plats för rör och ledningar kan med fördel läggas i bjälklagets hålrum. Hittills är användningen av hålbjälklag av KL-trä liten i Sverige (Svenskt trä, 2017).
Figur 10. Exempel på kasettbjälklag. Till höger visas en KL-träplatta förstärkt med livbalkar och flänsar av limträ med inhängt undertak (Svenskt Trä, 2017).
Samverkansbjälklag
Samverkansbjälklag består av en kombination mellan en KL-träplatta på undersidan och en pågjuten betongplatta på ovansidan, se figur 11. Denna konstruktion lämpar sig för längre spännvidder upp till 12 meter. Resultatet av kombinationen av de två materialen är effektiv. Man utnyttjar egenskaperna hos vartdera materialet, nämligen
draghållfastheten hos träet och tryckhållfastheten hos betongen. Jämfört med ovanstående bjälklagstyper är böjstyvheten för samverkansbjälklag mycket högre. En fördel med denna typ av bjälklag är att akustiken oftast blir bättre än andra träbjälklag (Svenskt trä, 2017).
Dala massivträ (u.å), är ett företag som levererar projektanpassade och monteringsfärdiga produkter. Enligt dem krävs extra styvhet vid långa spännvidder för att minska vibrationerna och svikten. Detta kan uppnås med tjocka skivor i KL-trä, eller genom samverkansbjällag som är ett dyrare alternativ.
Samverkan mellan KL-trä och betong i samverkansbjälklag är oftast ofullständigt, till och med nästan omöjligt att nå upp till en fullständig verkan. Mellan de två materialen i bjälklaget orsakas glidning i fogen. Genom att använda något typ av skjuvförbinande har det en väsentlig betydelse för funktionen för bjälklaget. Viktigt är att skjuvförbindaren är så styv som möjligt, samtidigt som den är snabb och enkel att installera. Det finns flera alternativ gällande skjuvförbindande. Strävan efter konstandera och funktionen blir oftast avgörande för vilken typ som ska nyttjas (Dala massivträ, u.å).
Figur 11. Samverkansbjälklag (Svenskt trä, 2017).
3.2.3 Dimensioner och deformationer för KL-trä
Nedanstående figur 12, visar maximalt tillåtna spännvidder i bruksgränstillstånd för olika plattor i KL-trä för olika tjocklekar. De angivna spännvidderna uppfyller nedböjningskravet L/300, och nedböjning mindre än 20mm, samt egenfrekvens f1> 8 Hz. Tack vare sin uppbyggnad är materialet formstabilt. Genom att förstärka tvärsnittet med limträbalkar kan en massiv platta klara spännvidder upp till 16 meter (Martinssons handbok, 2018).
Ett bjälklag gjort av KL-trä ska ta hand om de vertikala lasterna såsom egentyngd och nyttiga laster och föra dessa vidare till upplagen, och de horisontella lasterna såsom vindlaster. Plattor i KL- trä kan bära i både en och flera riktningar. Om plattan bär i en riktning ska den dimensioneras likt en fritt upplagd plattstrimla. Dimensioneras den däremot i två bärriktningar, vilket är ovanligt, kan den ses som en tre-eller fyrsidig upplagd platta (Svenskt trä, 2017).
I många fall påverkar installationer hur de bärande elementets utformning ska konstrueras. I träkonstruktioner med större håltagningar är det nödvändigt med förstärkningar för att föra krafter förbi håltagningar för installationer. Plattor och träskivor i KL-trä har kvalifikationen att för håltagningar som är stora ändå klarar att överföra och fördela krafter till intilliggande anordning utan att någon extra förstärkning behövs. Bjälklagselement i KL-trä kan leverera stora spännvidder (Svenskt trä, 2017).
Vid beräkning av ett KL-bjälklags nedböjning över lång tid används den kvasipermanenta lastkombinationen, då denna tar hänsyn till krypning i materialet. När trä belastas över lång tid uppstår permanenta deformationer. Med hjälp av kryp-talet tar man med detta i beräkningen av bjälklagets nedböjning. Krypningen definieras som kdef
och är vanligtvis mellan 0.6 - 0.8 för sågat virke. (Träguiden, 2017).
3.2.4 Förstärkningsmöjligheter av KL-träbjälklag
En viktig del av en byggnad och som i många fall påverkar de bärande elementens utformning, är installationer. Det krävs ofta förstärkningar i olika former vid större håltagningar i träkonstruktioner. Detta för att krafterna förflyttas förbi håltagningarna för installationerna. Vid stora håltagningar i KL-träskivor klarar ofta materialet att överföra och fördela krafterna till angränsade konstruktioner utan att det krävs någon extra förstärkning (Träguiden, 2017).
Idag används bland annat metoden att kombinera KL-trä och betong som samverkanssystem, för att förstärka och uppgradera befintliga trägolv i både lokaler, bostäder och nybyggnationer. Om längre spännvidder för ett KL-träbjälklag eftersträvas, behöver bjälklaget både ha en hög bjälklagshöjd samt en tung massa. För att förespråka trä, och samtidigt öka förstärkningen för ett KL-träbjälklag som klarar långa spännvidder samt de ljudkrav som ställs, är samverkansbjälklag ett alternativ. Genom att använda denna typ av bjälklag kan plattans styrka och styvhet förbättras avsevärt jämfört med endast en platta av massivträ (Clouston och Schreyer, 2008).
Limträ besitter en stor kapacitet och är ett starkt konstruktionsmaterial. Genom att använda limträbalkar under en KL-träplatta förstärks möjligheterna för användningen av KL-träbjälklag. Limträbalkar som stöd för plattor ger möjligheter till större spännvidder (Svenskt trä, 2016).
3.2.5 Akustik
Det finns både praktiska och ekonomiska skäl till att noggrant planera och strukturera ljudfrågorna i ett byggnadsprojekt. En av de viktigaste egenskaperna för ett välbefinnande boende är ljudmiljön i byggnaden (BBR, 2008).
3.2.5.1 Ljudklasser
I Boverkets Byggregler (BFS 2011:6) redovisas en ljudklassningsstandard för bostäder för Sverige. Dessa används som minikrav vid ombyggnad och nyproduktion.
Kraven på akustik i bostadshus är graderade från A till D i en fallande skala. Klassindelningen baseras på genomförda mätningar enligt svensk standard (SIS, u.å). De krav som ställs i ljudklass C säkerställer att majoriteten av de boende inte störs. Dessa krav uppfattas dock som bristande och otillräckliga av ca 20% av de boende. För att minska detta problem att de boende blir störda behövs en bättre ljudklass tillämpas. Vid de flesta nybyggnationer idag strävar man därför att uppnå ljudklass B (SIS, u.å).
• Ljudklass A
Används när mycket högklassig ljudmiljö prioriteras.
• Ljudklass B
Lämplig för utrymmen och verksamheter där bättre ljudmiljö prioriteras.
• Ljudklass C
Utgör minimikraven i Boverkets Byggregler, BBR. Ljudklassen ger tillfredsställande ljudförhållanden för en majoritet av de boende. Cirka 20% av de boende upplever ljudmiljön som dålig och ca 50% upplever att ljudmiljön är god.
• Ljudklass D
Låg ljudstandard och används enbart när användningen av ljudklass C medför orimliga konsekvenser. Beslut om att använda ljudklass D kräver normalt ett godkännande av lokala myndigheter.
Nedanstående figur 13, visar ljudkraven för de olika klasserna för A-D i bostäder utifrån BBR, både för luftburet ljud och stegljud.
Figur 13. Minimikrav enligt BBR.
Eftersom utgångspunkten varierar från objekt till objekt är det viktigt att granska vilka akustiska behov som finns i ett tidigt skede, och ut efter detta välja en lämplig ljudklass. Det är byggherren som bestämmer ljudklassen under projekteringsstadiet och under byggskedet i samråd med en akustiker. Att ställa ett för högt krav medför i många sammanhang orealistiska kostnader (Träguiden, 2017).
3.2.5.2 Ljudkrav
Ljudkraven skiljer sig beroende på syftet med byggnaden och vad den ska användas till. Ljudet mäts i decibel, dB, som är en logaritmisk skala. Ju högre decibelnivån är, desto högre är ljudet.
De främsta begreppen som används inom akustik gällande byggnation följer nedan:
Stegljud: Stegljudsreduktion är en byggnations förmåga att reducera skrapljud, stegljud
och stötar från bjälklag till intilliggande utrymmen. Ett lägre värde på stegljudsnivån ger en bättre konstruktion (Akustikverkstan, u.å).
Stomljud: Vibrationer och ljud i byggnadselement som kan utbreda sig genom hela
stommen. Dessa vibrationer skapas ofta genom olika typer av installationer i byggnaden (NE, u.å).
Flanktransmissioner: Ljud som transporteras till ihopkopplade och intilliggande
byggnadsdelar via vibrationer i byggnadselement, som tillexempel anslutande väggar och bjälklag, se figur 14 (Träguiden, 2017).
Figur 14: Exempel på flanktransmission genom en yttervägg. A ger bäst ljudisolering medan D ger sämst ljudisolering.
Luftljudsisolering: Förmågan för en sammansatt konstruktion eller byggnadsdel att
reducera luftburet ljud mellan två utrymmen, exempelvis tal. Man strävar efter ett så högt värde som möjligt (Boverket, 2008).
För att få fram det vägda ljudreduktionstalet, Rw, mäts ljudnivån mellan två utrymmen, exempelvis genom ett sändarrum och ett mottagarrum. Detta görs i ett laboratorium. För att ange en färdig byggnads förmåga att reducera luftburet ljud mellan två
utrymmen används reduktionstalet R´w (Träguiden, 2017).
Stegljudsreduktion: Anger förmågan för en byggnad att reducera ljud som alstras till
följds av steg, slag eller stötar mot byggnadsstommen. Stegljudsnivån mäts med hjälp av en standardiserad stegljudsapparat som ger inverkan på bjälklaget i ett utrymme utanför mätrummet. Ljudnivån i mottagarrummet ger den vägda stegnivån, och ju lägre värde i mottagarrummet desto bättre är det.
Tester i laboratorium benämns med Lw och resultat från färdiga byggnader benämns L’w (Boverket, 2008).
3.2.5.3 Ljudisolering för KL-träbjälklag
KL-träskivor kan i princip användas med samma spännvidder och dimensioner som betong i byggnader. Volymvikten för träet är bara en femtedel av betongens. Detta medför att ljudisoleringen är cirka 15 dB mindre effektiv för en tjocklek inom spannet 100-250mm. För att ett KL-träbjälklag ska kunna uppnå samma ljudkrav som ett bjälklag i betong i den bärande konstruktionen har de akustiska lösningarna en väldigt viktig roll. Se tabell 1 som visar skillnaden för ljudisolering mellan en betongskiva och en skiva i KL-träskiva(Martinssons, u.å).
För bostäder anges ljudisoleringen för konstruktionen på följande sätt: Luftljudsisolering: R’w+C 50 - 3150 dB
Stegljudsisolering: L’n,w+CI, 50 - 3150 dB
Dessa krav varierar mellan R’w = 35 dB för kontor och upp till R’w+C 50 - 3150 = 60 dB för bostäder i ljudklass A.Ljudkravet kan erhållas till 60 dB med byggnation med KL-träskivor (Martinssons, u.å).
Likt andra lätta konstruktioner är ljud vid låga frekvenser svåra att isolera bort. För att ljudmiljön ska uppnås behaglig krävs det i de flesta fall att flanktransmissionen minimeras. Bjälklag är en konstruktionsdel där det är svårt att åtgärda eventuella problem i efterhand.
För att åstadkomma hög ljudisolering krävs ofta dubbelkonstruktioner. Ett bjälklag som är uppbyggt i två delar är med fördel bättre för akustiska skäl. Dessa två delar ska vara helt frikopplade från varandra med hjälp av bärande väggar. (Svenskt Trä, u.å). Det ljud som fås av gång eller fotsteg utbreder sig över bjälklagets övre del som sedan överförs till de bärande väggarna i form av vibrationer, vilket resulterar i oönskat ljud i intilliggande rum (Svenskt Trä, u.å).
Orsaken och svagheten till att byggnationer med KL-träbjälklag inte klarar de krav som ställs är behandlingen av stegljudsisolering och flanktransmissioner. Detta beror på att svängningar och vibrationer lättare kan spridas till angränsande lägenheter på grund av vikten på materialet. För att undvika att flanktransmissioner sprider sig till närliggande utrymmen är det nödvändigt att lägga stor vikt på de lägenhetsskiljande knutpunkterna. För att göra bjälklaget kraftigare och klara de krav som ställs behöver det styvas upp. Detta kan ske med hjälp av att bjälklaget konstrueras tyngre genom att öka bjälklagshöjden alternativt kortare spännvidder. För att vara på säkra sidan bör en höjd på bjälklaget vara minst 500mm. Ett bjälklag med längre spännvidder är känsliga för lågfrekventa ljud och de vibrationer som uppkommer från gående personer. Med en kortare spännvidd minskas vibrationerna. (Svenskt trä, 2017).
Tabell 1. Skillnad för ljudisolering mellan en betongskiva och en KL-träskiva (Martinssons, u.å).
3.3 Sammanfattning av valda teorier
De teorier som avsnittet beskriver ligger till grund för att kunna besvara frågeställningar som rapporten innefattar. För att detta ska vara genomförbart är det viktigt att ha kunskap och förståelse för hur materialen fungerar och beräknas. Arbetet grundar sig i hur ett bjälklag i KL-trä kan konkurrera med ett bjälklag i betong. Därför har materialegenskaper för både KL-trä och betong presenterats för att få en bättre uppfattning om de båda materialen. Ett kapitel om akustik redovisar termer och den data som krävs för att bevara relevant frågeställning. Genom beräkningar kan spännvidder samt bjälklagets tjocklek analyseras.
4
Empiri
I följande kapitel presenteras insamlad empiriska data. Empirin samlades in genom dokumentanalys, litteraturstudie och genom beräkningsprogrammet från Stora Enso.
4.1 Data för beräkningar
I detta avsnitt beskrivs de olika utförda beräkningarna som gjorts för att generera primärdata. Olika parametrar och egenskaper redovisas som påverkar resultatet av de beräkningar som utförts.
Valda spännvidder
För att besvara frågeställning 3 har endast beräkningar på 9 meter spännvidd gjorts. Bjälklaget har antagits varit enkelspänt, det vill säga att det endast bär i en riktning, då detta endast går att välja i beräkningsprogrammet.
I avsnittet 3.2.3, Dimensioner och deformationer för KL-trä, redovisas spännvidder som klarar nedböjningskravet L/300 i figur 12. Den största spännvidden som förväntas för ett KL-träbjälklag som klarar nedböjningskravet L/300 uppgår till 5,2 meter. Detta bjälklag består av 5 skikt och med en plattjocklek på 160mm. Utifrån denna data valdes att öka spännvidden till 9 meter för beräkningar, för att se om även längre spännvidder klarar nedböjningskravet L/300.
4.2 Dimensioner för KL-träbjälklaget
I beräkningsprogrammet från Stora Enso finns möjlighet att dimensionera KL-träplattan med olika antal skikt och tjocklek. Valmöjligheten gällande skikten finns i tre, fem och sju lager. Totala tjockleken väljs mellan 60mm upp till 320mm för hela plattan.
Vanligtvis är bruksgränstillståndet dimensionerande för KL-träbjälklag, vid normalt förekommande laster i både bostäder och kontor. Med avseende på bärförmågan för bjälklag bör utnyttjandegraden vara lägre än 50 procent. Utifrån funktionella krav eller visuella orsaker kan en nedböjningsgräns väljas. Ett lägsta rekommenderat och godtagbart värde för nedböjningskravet är L/300 för att vara på den säkra sidan för bostäder och lokaler (Träguiden, 2017). I Eurocode beskrivs både kort- och långtidsdeformationer. Nedböjningskravet L/300 ger långtidsdeformation enligt Eurocode, med lägsta kravet. Vilket nedböjningskrav som ska användas bestäms av beställaren.
För att klara nedböjningskravet L/300 på 9 meter får bjälklaget max böja ner 30mm. 9000/300=30mm.
I de flesta fall är det tre olika lastkombinationer för bjälklag som kan vara aktuella. Dessa är frekvent, karakteristiska och kvasipermanenta kombinationer För den slutliga nedböjningen i bruksgränstillstånd används den kvasipermanenta lastkombinationen, se ekvation 1. ∑ 𝐺𝑘,𝑗+ 𝑄𝑘,𝑗+ ∑ ψ2,i∗𝑄𝑘,i (1) 𝐺𝑘,𝑗= 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑒𝑛𝑡 𝑙𝑎𝑠𝑡 𝑄𝑘,𝑗 = 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑒𝑙 ℎ𝑢𝑣𝑢𝑑𝑙𝑢𝑎𝑠𝑡 ψ = Lastkombinationsfaktor 𝑄𝑘,𝑖 = Ö𝑣𝑟𝑖𝑔𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑎 𝑙𝑎𝑠𝑡𝑒𝑟 4.2.1 Karakteristiska lastvärden
De karakteristiska lastvärderna hämtas från Eurocode. Kategori A visar värden för rum och utrymmen i bostäder. Den nyttiga lasten för bjälklag ger Qk = 2kN/m2, se
tabell 2.
Tabell 2. Karakteristiska lastvärden för nyttig last.
Kategori A (rum och utrymmen i bostäder) Qk (kN/m2) Qk (kN)
Bjälklag 2.0 2.0
Trappor 2.0 2.0
Balkonger 3.5 2.0
Vindsbjälklag 1 1.0 1.5
4.2.2 Egentyngd
Tre olika skivor med följande skikt kommer att analyseras: 3, 5 och 7 skikt. I figur 15 presenteras vilka skivor som valts samt dess egenvikt. Följande skikt och tjocklek har valts då dessa finns som valbara dimensioner i beräkningsprogrammet från Stora Enso. Bredden på plattan har valts till 2,4 meter då detta är en standard bredd.
Utöver KL-träskivans egentyngd tillkommer last från exempelvis isolering samt golvbeläggning. Detta varierar beroende på typ av bjälklag och behov. I denna studie beräknas egentyngden för tillkommande skikt utöver KL-träskivan till 0,3kN/m2.
Figur 15. Valda dimensioner (Martinssons, u.å).
Vid beräkning av nedböjning i bruksgränstillstånd i Calculatis by Stora Enso används den kvasipermanenta lastkombinationen (ekvation 1). Kvasipermanent lastkombination används för att beräkna bjälklagets nedböjning efter lång tid. Beräkningsprogrammet räknar med kdef-faktorn 0,6.
Värdet som används är Ψ2 = 0,3. framkommer i tabell 3.
Tabell 3. Ψ-faktorer.
Last Ψ0 Ψ1 Ψ2
För plattan med 3 skikt på 9 meters spännvidd:
𝑄𝐸𝑑𝑘𝑣𝑎𝑠 = 0.48 ∗ 2.4 + 0.3 ∗ 2 ∗ 2.4 + 0.3 ∗ 2,4 = 3.3𝑘𝑁/𝑚 För plattan med 5 skikt på 9 meters spännvidd:
𝑄𝐸𝑑𝑘𝑣𝑎𝑠 = 0.8 ∗ 2.4 + 0.3 ∗ 2 ∗ 2.4 + 0.3 ∗ 2,4 = 4.1𝑘𝑁/𝑚 För plattan med 7 skikt på 9 meters spännvidd:
𝑄𝐸𝑑𝑘𝑣𝑎𝑠 = 0.96 ∗ 2.4 + 0.3 ∗ 2 ∗ 2.4 + 0.3 ∗ 2,4 = 4.4𝑘𝑁/𝑚
Nedanstående tabell 4, visar plattor med spännvidden 9 och med olika antal skikt. Dessa klarar inte nedböjningskravet L/300. Se bilaga 1A för 3 skikt, 1B för 5 skikt och 1C för 7 skikt. För att klara nedböjningskravet användes limträbalkar under KL-träbjälklaget, se tabell 5. Detta testades på de olika skikten. Programmet lägger automatiskt in egentyngden för de tillkommande limträbalkarna
Tabell 4. Bjälklag i KL-trä. Antal skikt Bredd/Längd
(m) qk (kN/m2)/gk (kN/m) L/300 = 9000/300=30mm Kontroll X/✓ 3 2,4/9 4,8/1,9 132 mm X 5 2,4/9 4,8/2,65 43,7 mm X 7 2,4/9 4,8/3,0 34,4 mm X
Tabell 5. Bjälklag i KL-trä med limträbalkar. Antal skikt Bredd/Längd
(m) qk (kN/m2)/gk (kN/m) L/300 = 9000/300=30mm Kontroll X/✓ 3 2,4/9 4,8/2,5 26,8 mm ✓ 5 2,4/9 4,8/3,45 16,7 mm ✓ 7 2,4/9 4,8/3,92 14,7 mm ✓
Limträbalkarna har valts till standardmåtten 180x90mm med centrumavståndet 600mm. Se bilaga 2A för 3 skikt, 2B för 5 skikt och 2C för 7 skikt.
4.2.3 Optimering av KL-träbjälklag för längre spännvidder
Figur16 visar att ett KL-träbjälklag kan användas vid längre spännvidder med hjälp av limträbalkar. Genom att kombinera dessa tillsammans leder det till ett mer kostnadseffektivt sätt att leverera större spännvidder, än att bara använda KL-trä som är begränsat till cirka 7 meter.
Figur 16. Spännvidder KL-träbjälklag samt KL-träbjälklag med limträbalkar(Stora
Enso, u.å).
Ett träbjälklag i kombination med limträbalkar, bidrar till att tjockleken på KL-träplattan kan minskas. Däremot leder det till att den totala tjockleken för bjälklaget ökar (Stora Enso, u.å).
Från en studie (Nilsson P, 2015) framkommer det att bygga ett KL-träbjälklag med limträbalkar gör att konstruktionen liknar mer ett pelar-balksystem än ett traditionellt lösvirkeshus. Detta är fördelaktigt på det sättet att färre kopplingar uppstår mellan bjälkar och reglar. Till följd av detta blir det mindre jobb för byggarna samt att KL-träskivorna är prefabricerade, vilket medför att arbetsbelastningen minskar.
Från ett miljöperspektiv är kombinationen mellan KL-träskivor och limträ en fördel. Med en prefabricerad konstruktion är urtag för infästningar och installationer enklare genomförbart.
4.3 Litteraturstudie
4.3.1 Forskning kring KL-trä
Linnéuniversitet i Växjö meddelade år 2019 att de startat ett stort forskningsprojekt om KL-trä som de namngav till Större konkurrenskraft för KL-träbaserade byggsystem genom effektiv konstruktion och reducerat kolavtryck. (Linnéuniversitetet, 2019). Projektet görs i samarbete med 15 företag i trä-och byggbranschen. Syftet med projektet är att öka konkurrenskraften som framtidens konstruktionsmaterial för korslimmat trä och därefter kunna bidra till en grön omvandling av byggbranschen (Linnéuniversitetet, 2019).
Projektet genomförs då behovet av forskning och utveckling kring KL-trä fortfarande existerar. I studien menar Linnéuniversitetet i Växjö att trots snabba framsteg kring utveckling av KL-trä de senaste åren har den fulla potentialen av materialet inte uppnåtts än. Thomas Bader, professor i byggteknik, påpekar att stor potential finns för att erhålla en kostnadseffektiv minskning av koldioxidavtrycket och samtidigt förbättra utnyttjandet av naturresurserna genom att byta ut icke förnybara byggnadsmaterial så som betong och stål mot KL-trä (Linnéuniversitetet, 2019).
Totalt har ca 30 företag i trä- och byggbranschen inklusive projektets partner identifierat avgörande aspekter för projektet. De fyra aspekterna behandlas i delprojekt av forskarteam som samarbetar med företag av stort intresse för varje aspekt och projektet i helhet. Bidragen från företagen omfattar erfarenheter, tillgång till produktionsanläggning för KL-trä, prover för experimentella tester, tillgång till byggplatser för användning av instrument, med mera. (Linnéuniversitetet, 2019).
4.3.2 Forskning kring KL-träbjälklag
I en experimentell studie som utförts vid Nanjing Tech University (Zhang et al. 2020) i Kina har en jämförelse gjorts mellan KL-träbjälklag och samverkansbjälklag med fokus på stegljudsisolering. Studien genomförs eftersom det råder brist på att uppnå maximal kapacitet för ljudisolering när det gäller träbjälklag. I studien beskrivs hur Europa i början av 20-talet ersatte träkonstruktion mot betong eftersom det var ekonomiskt gynnsamt. Därefter satte man krav på miljöaspekter vilket ledde till att användningen av trä återigen växte, dock har bristen på att öka ljudisoleringsförmågan kvarstått.
Ett par förbättringsplaner föreslås för att effektivisera ljudisoleringsförmågan, vilket inkluderar tre typer av lösningar för flytande trägolv och två typer av innertakslösningar för bjälklagen. Dessa eventuella förbättringar undersöks genom experimentella tester med hjälp av prover och materialegenskaper för KL-träbjälklag samt samverkansbjälklag (Zhang et al. 2020).
Slutligen avslutas undersökningen med att jämföra de tänkbara lösningarna. Jämförelserna leder till resultat som konstaterar att träbjälklag kan vara effektivare i längden, delvis genom att använda sig av flytande golv samt innertak för bättre ljudisoleringsförmåga. Författarna påpekar slutligen att undersökningen samt analyserna som utfördes kan ligga till grund för att förbättra och öka användningen av träbjälklag vid byggande av bostadshus (Zhang et al. 2020).
Utöver detta har två andra universitet i Beijing, Kina och Sheffield, Storbritannien samarbetat och utfört en studie där en undersökning av hur vibrationer påverkar KL-träbjälklag beroende på olika gränsvillkor. Balkstorlek, balkavstånd och dynamiska beteenden hos KL-träbjälklag är de villkor studien utgår från (Huang, Gao & Chang 2020).
För att genomföra studien använder forskarna Huang, Gao och Chang (2020) en programvara som heter OpenSees. OpenSees är en programvara för att simulera kapaciteten för geotekniska system men även konstruktioner som utsätts för jordbävningar. I studien anmärks att enligt tidigare forskning är det första gången i historien som ett KL-träbjälklag analyseras genom detta program.
Genomförandet av undersökningen utgår från att i programvaran testa hur bjälklaget förhåller sig till de olika gränsvillkoren som ställs. Genom att framkalla vibration kan programvaran analysera bjälklaget och få fram nödvändiga data. Analyserna genomförs med olika balkstorlekar, balkavstånd och frekvenser (Huang, Gao & Chang 2020). Till sist redovisar forskarna resultatet där de simulerade och experimentella resultaten överensstämmer med varandra. Genom att öka avståndet mellan balkarna minskas den naturliga frekvensen samtidigt som vibrationerna ökar avsevärt. Resultaten indikerar även att en ökning av styvheten dessutom ökar frekvensen för KL-träbjälklaget, vilket förbättrar prestationsförmågan (Huang, Gao & Chang 2020).
4.3.3 KL-träbjälklag jämfört med betongbjälklag
I en studie (Hassan, O, m.fl., 2019) framkommer det att KL-träbjälklag är dyrare än betongbjälklag i dagsläget. Den högre kostnaden kan däremot kompenseras genom att KL-träbjälklaget är enklare och går snabbare att montera, cirka tre gånger snabbare än för betongbjälklag. Ett platsgjutet betongbjälklag behöver stämpas och härdas, vilket bidrar till längre arbetstid. Eftersom monteringen i huvudsak går snabbare för KL-träbjälklaget medför detta en kortare tidsplan, vilket resulterar i lägre kostnader.
Eftersom KL-träbjälklaget har cirka en femtedel av tyngden för betongbjälklag minskar även tyngden på väggar och pelare som bär själva bjälklaget. Då man eventuellt kan minska dimensionerna på väggarna eller pelarna som bär bjälklaget samt göra mindre grundfundament, resulterar detta i lägre kostnader för det bärande systemet. (Hassan, O, m.fl., 2019).
I dagsläget är användningen av KL-träbjälklag relativt ovanligt, vilket medför högre kostnader. Allt eftersom utvecklingen går framåt och intresset ökar kommer fler att börja tillverka KL-träbjälklag vilket kommer resultera i lägre priser och bättre produkter. Däremot är en av anledningarna till att utvecklingen av nya lösningar inom byggbranschen tar tid att etablera sig är för att byggnader byggs för att vara längre, mellan 50–100 år. Entreprenörer vill inte ta onödiga risker genom att använda nya metoder och produkter, när de redan har ett arbetssätt som fungerar bra.
Ett KL-träbjälklag kräver kompletterande lösningar för att klara samma ljudkrav som betongbjälklag. Att använda sig av KL-träbjälklag istället för betongbjälklag tillför även mer underhållsarbete, då trä inte har samma levnadslängd som betong. Detta
sannolikhet klarar kraven för ljud, egenfrekvens och nedböjning (Riala, M, Ilola L. 2014).
Studien visar även att KL-träbjälklag kan konkurrera med betongbjälklag i upp till sju meters spännvidd och klara samtliga konstruktionskrav. För spännvidder längre än sju meter blir det mer problematiskt att uppfylla kraven. Vibration, egenfrekvens och nedböjningen nämns som mest bekymmersamt (Riala, M, Ilola L. 2014).
4.3.4 Personlig kommunikation
I kontakt med Daniel Wilded, produktchef inom KL-trä för Martinsons, har frågan om hur KL-träbjälklag kan konkurrera med betongbjälklag tagits upp. Wilded berättar att kunskap är det som främst behövs för att få ordentlig fart på ökandet med träbjälklag. Produktchefen betonar att alla inom branschen behöver kunskap inom KL-trä för att föra arbetet vidare och inte bara konstruktörer. Alla ska känna sig trygga med materialet och dess tekniska beskaffenhet för att kunna jämföra det med andra material och möjligtvis välja det istället för betong (Personlig kommunikation, 13 maj, 2020).
Betong är bra och behövs ibland vilket försvårar det för KL-träbjälklag för att kunna konkurrera ut betong helt. Wilded berättar hur han haft möte med arkitekter som jobbat i 30 år och är materialneutrala, vilket han förklarar genom att påpeka att om de under alla dessa år ritat exempelvis flerbostadshus i betong, så tror han att deras planlösning favoriserar just betong. Wilded påpekar att han är helt övertygad om att det finns många fall där man kan använda trä istället för betong och allt fler i framtiden kommer överväga att välja trä istället för betong (Personlig kommunikation, 13 maj, 2020).
4.3.5 Akustikproblematiken för längre spännvidder
I ett experiment utförd av Ekologibyggarna konstaterades att lägenhetsskiljande bjälklag i massivträ går att konstruera för att klara ljudklass B. Syftet med detta projekt var att konstruera ett bjälklag för en lägenhet med två våningar i massivträ för att klara ljudklass B. Genomförandet gjordes med stöd från svenska byggbranschens utvecklingsfond och Boverkets byggkostnadsforum. Experimentet utgick från en uppbyggd provlägenhet helt i massiv trä med två våningar på 67m2. Det framgick av projektet att en av de svårigheterna var tätningen mellan bjälklag och väggarna. Man gjorde tester där ingen tätning användes, när man tätade med sylomerlist mellan den övre väggen och bjälklaget samt test med sylomerlist både över och under bjälklaget. Resultatet av experimentet visade sig att grundkonstruktionen med massivträ har goda förutsättningar att tillsammans med tilläggskonstruktion, avisolerat undertak samt tungtflytande övergolv uppfylla ljudklass B som var målsättningen. I den aktuella konstruktionslösningen fanns ingen föreliggande flanktransmission (SBUF, u.å).
I en annan studie från AkuLite – praktiska lösningar för att klara akustiska krav, ges tre exempel på akustiklösningar i massivträbyggande:
Exempel 1. Använd tillräcklig bygghöjd för bjälklaget, exempelvis med fler skikt.
Exempel 2. Begränsa spännvidden om möjligt, exempelvis med ett stöd i mitten.
