Analys av ett förbindarsystem i
glasfiberförstärkt polymer för
sandwichelement
Analysis of a glass fiber reinforced polymer connector
system for sandwich elements
Författare: Sebastian Johansson & Philip Svensson Handledare: Håkan Johnsson
Handledare företag: Henrik Engström Examinator: Wit Derkowski
Termin: VT21
Sammanfattning
I detta examensarbete jämförs ett förbindarsystem i glasfiberförstärkt polymer med ett motsvarande system i rostfritt stål. Förbindarsystemen används i sandwichelement av betong och har som funktion att sammanbinda betongskivorna i elementen. De
sandwichelement som studeras används som ytterväggar och består av en lastbärande inre betongskiva, ett mellanliggande isoleringsskikt och en ytterskiva i betong som bildar byggnadens fasad. Eftersom ytterskivan normalt är fritt upphängd överför
förbindarsystemen även ytterskivans egentyngd samt laster som verkar på ytterskivan till innerskivan. Förbindarna är därmed kritiska för väggelementets konstruktion. Ett problem med förbindarna är att de penetrerar isoleringsskiktet vilket orsakar en köldbrygga. Köldbryggorna kan leda till sämre prestanda för väggelementet med hänseende på dess värmeledningsförmåga. För en tillverkare av betongelement som ska välja
förbindarsystem är även tillverkningsprocessen för väggelement och kostnader för respektive system relevant.
De två förbindarsystem som jämförs är ThermoPin-systemet i glasfiberförstärkt polymer av tillverkaren B.T. Innovation och SP-SPA-systemet i rostfritt stål från tillverkaren HALFEN. ThermoPin-systemet använder två olika förbindare för olika funktion medan HALFEN:s system använder ett antal olika förbindare för tre olika funktioner.
Förbindarsystemen dimensioneras till ett valt typelement och utvärderas utifrån påverkan på värmeledningsförmågan, tillverkningsprocessen och kostnader för elementtillverkaren. Den planerade dimensioneringsmetoden var att dimensionera systemen manuellt enligt instruktioner från tillverkaren samt med hjälp av rekommenderad programvara, dock lyckades inte dimensionering med programvara genomföras med ThermoPin-systemet. Värmeledningsförmågan utvärderades med hjälp av ett program som beräknade värmeflödet genom väggen med finita element-analys och producerade en ekvivalent värmegenomgångskoefficient. Tillverkningsprocessen utvärderades med hjälp av frågor till anställda hos en elementtillverkare. Kostnadsjämförelsen gjordes genom
sammanställning av inköpskostnader av komponenter från respektive system till typelementet.
Analysen av resultaten från dimensioneringarna visade att på grund av vissa
avgränsningar som gjordes för de manuella beräkningarna blev resultatet från dessa inte korrekt och därför utgicks från de andra dimensioneringarna vid efterföljande
utvärderingar. Resultatet från beräkningen av värmegenomgångskoefficient var att typelementet med ThermoPin-systemet hade en koefficient på 0,098 Watt per
kvadratmeter och Kelvin medan motsvarande värde med HALFEN:s system var 0,105 Watt per kvadratmeter och Kelvin. Slutsatsen var att om HALFEN:s system under de beaktade förutsättningarna ersätts med ThermoPin kommer
värmegenomgångskoefficienten minska med 6,7 %. ThermoPin-systemets bidrag till väggens värmegenomgångskoefficient var försumbart. Utvärderingen av
tillverkningsprocessen gav begränsade resultat men de resultat som erhölls var till ThermoPins fördel. Ett exempel är att elementtillverkaren angav att totalt resursbehov gällande personal minskar då ThermoPin används. Kostnadssammanställningen visade att total kostnad för inköp av komponenter var 566 kronor dyrare för ThermoPin-systemet. Den ökade inköpskostnaden kan vägas mot ökat värde på grund av lägre
Abstract
During 2021–2022 a new school was constructed in Älmhult, Sweden, using a precast concrete framework. The sandwich walls for the building were produced by the precast manufacturer Torps Byggelement in Alvesta, Sweden. To connect the concrete layer a kind of sandwich connector made of glass fiber reinforced polymer (GFRP) was used that the manufacturer had no previous experience with. This graduation thesis was conducted to compare this GFRP connector system with a traditional system made of stainless steel. The two systems were designed for an identical reference sandwich wall and the two resulting walls were compared with regards to thermal properties, manufacturing process and costs for the manufacturer. The thermal properties were evaluated by modelling in a finite element analysis program that calculated equivalent thermal transmittance. Manufacturing was compared through an interview with employees at the precast manufacturer. Finally, costs were compared by summarizing the cost of components needed from each connector system. The results of the study showed a decrease of 6,7 percent in thermal transmittance when the GFRP connectors were used instead of stainless steel connectors. The thermal bridging effect of GFRP connectors was negligible. In terms of manufacturing, the GFRP connector that was studied was considered by the manufacturer to be preferable to the other system in some regards and equal in others. The total cost of components was considerably higher with GFRP connectors but increased value because of reduced thermal transmittance, reduced labour costs during manufacturing and possible reduction in isolation waste should be
considered.
Förord
Konceptet för detta examensarbete tillkom från behovet hos Torps Byggelement av en utvärdering av ThermoPin-systemet. Företaget hade redan använt systemet i ett projekt men ansåg ändå att en analys av en fristående part skulle vara värdefull. Värdet ligger delvis i att företaget anser att denna typ av förbindarsystem har använts och används sparsamt på den svenska betongelementsmarknaden trots dess fördelar. Målet med detta arbete var att ta ett helhetsgrepp kring dom viktigaste aspekterna vid val av
förbindarsystem. På grund av problem med att hitta information samt bestämma lämpliga metoder och genomföra dessa kunde dock inte alla aspekter undersökas fullgott.
Resultatet med hänseende på vissa aspekter kunde blivit mer omfattande om syftet begränsats något, till exempel om dimensionering av förbindarsystemen enbart
genomförts med programvara. Trots svårigheterna är vi nöjda med resultatet och hoppas att det finns framtida intresse för vidare undersökningar på området.
Examensarbetet har i sin helhet utförts gemensamt av de två författarna.
Vi vill tacka Gunther Möhl, Area Sales Manager på B. T. Innovation GmbH, och Ingo Heesemann, Head of Reserch and Development på B. T. Innovation GmbH, som bidragit med information och svarat på frågor kring ThermoPin-systemet. Tack också till vår företagshandledare Henrik Engström, VD på Torps Byggelement AB, som bidragit med idén till examensarbetet, deltagit i intervju och delat information. Slutligen vill vi tacka vår handledare Håkan Johnsson för god handledning och hjälp under arbetets gång.
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund och problembeskrivning ... 1
1.2 Syfte ... 2
1.3 Avgränsningar ... 2
2 Teoretiska utgångspunkter ... 3
2.1 Beskrivning av bärankarsystemen ... 3
2.1.1 Beskrivning av ThermoPin-systemet ... 3
2.1.2 Beskrivning av HALFEN:s bärankarsystem ... 5
2.2 Konstruktion av förbindarsystem ... 8
2.2.1 Förbindarsystemens funktion och belastning på sandwichelement ... 8
2.2.2 Konstruktion av ThermoPin-systemet ... 9
2.2.3 Konstruktion av HALFEN:s bärankarsystem ... 11
2.3 Köldbryggor och värmeledning i sandwichelement ... 13
2.4 Montageprocess för förbindarsystemen ... 15
3 Metod och genomförande ... 19
3.1 Dimensionering ... 19
3.1.1 Typelement ... 19
3.1.2 Dimensionering av ThermoPin-systemet ... 19
3.1.3 Dimensionering av HALFEN:s bärankarsystem ... 21
3.2 Värmeledningsförmåga ... 23
3.2.1 Programvaran ... 23
3.2.2 Modellering av ThermoPin-systemet ... 23
3.2.3 Modellering av HALFEN:s bärankarsystem ... 24
3.3 Tillverkningsprocess ... 25
3.4 Kostnadsjämförelse ... 26
4 Resultat ... 27
4.1 Dimensioneringsresultat och ritningar ... 27
4.1.1 ThermoPin-systemet ... 27 4.1.2 HALFEN:s bärankarsystem ... 27 4.2 Värmegenomgångskoefficient ... 28 4.3 Utvärdering av tillverkningsprocessen ... 28 4.4 Kostnadssammanställning ... 28 5 Analys ... 29
5.1 Analys och diskussion av resultat ... 29
5.1.2 Värmegenomgångskoefficient ... 30
5.1.3 Utvärdering av tillverkningsprocessen ... 31
5.1.4 Kostnadssammanställning ... 33
5.2 Analys och diskussion av teori och resultat från andra undersökningar ... 33
5.2.1 Utformning och dimensionering ... 33
5.2.2 Köldbryggor och värmeledning i sandwichelement ... 35
5.2.3 Kostnadsjämförelse med hänsyn till utformning och dimensionering ... 36
5.3 Analys och diskussion av metod och genomförande ... 36
1 Introduktion
Det finns idag en vilja hos det svenska samhället att minska den åverkan mänskligheten har på vårt klimat. Många anser att det sätt vi lever på idag påverkar klimatet negativt vilket kommer leda till försämrade förutsättningar för framtida generationer. En viktig del i att reducera samhällets klimatpåverkan är att genom minskad energianvändning och ökad energieffektivitet minska vårt beroende av fossila bränslen. Sveriges riksdag har beslutat om ett mål som den svenska energipolitiken ska leda till, vilket är att öka landets energieffektivitet med 50 % till år 2030 jämfört med 2005 (Regeringskansliet u.å.).
En betydande del av den svenska energianvändningen sker inom sektorn bostäder och service (Energimyndigheten 2019). Energimyndighetens statistik visar att under 2018 stod denna sektor för knappt 40 % av den totala energianvändningen i Sverige. Boverket (2021a) redovisar statistik över energianvändning för bygg- och fastighetssektorn vilken visar att den stod för ungefär 33 % av totala energianvändningen under 2018. I statistiken från Boverket fördelas energianvändningen på tre olika branscher inom sektorn:
fastighetsförvaltning- uppvärmning, fastighetsförvaltning- övrigt och byggverksamhet. Av dessa står uppvärmning för den med marginal största delen, 72 % av total
energianvändning inom sektorn, medan fastighetsförvaltning- övrigt och byggverksamhet står för 9 % respektive 19 %.
Uppvärmningsbehovet i en byggnad beror bland annat på storleken av värmeförlusterna genom byggnadens klimatskal. Dessa förluster orsakas huvudsakligen genom ventilation samt värmetransmission genom byggnadens ytterväggar, fönster, dörrar, tak och grund. Största delen av värmeförlusterna sker genom byggnadens ytterväggar och fönster (Boverket 2010, Zhai, Wang & Wang 2018). Energimyndigheten (2018) anger att förlusterna genom ytterväggar motsvarar ungefär 20 % av den totala värmeförlusten genom klimatskalet.
1.1 Bakgrund och problembeskrivning
Under 2020–2022 byggs en ny skola i utkanten av Älmhult, Småland. Som stommaterial används betong i form av prefabricerade betongelement. Betongelementen, bland annat byggnadernas ytterväggar, tillverkas av Torps Byggelement AB i företagets fabrik i Alvesta. I projektet valdes isolerade betongytterväggar av den typ som kallas sandwichelement. Sandwichelement består typiskt av tre lager: ett inre armerat betonglager, ett mellanliggande skikt av isolering samt ett tunnare yttre armerat betonglager (Hughes et al. 2017). Det inre betongskiktet är normalt det lastbärande medan det yttre ej bär last och bildar ytterväggens fasad. För att koppla ihop de två betongskivorna används olika typer av förbindare. Dessa förbindare överför både horisontell och vertikal belastning på ytterskivan till den lastbärande innerskivan. På marknaden finns ett antal olika förbindarsystem som företrädelsevis tillverkas av rostfritt stål.
värmebehov (Intressegruppen Passivhus u.å.). För att minimera en byggnads värmebehov krävs bland annat att transmissionsförluster genom klimatskalet begränsas.
Sandwichelement kan utformas med tjocka isolerskikt och har därmed potential att nå låga U-värden och transmissionsförluster. De vanligaste förbindarna på marknaden kan dock medföra problem. För att koppla ihop betongskivorna måste förbindarna penetrera isoleringsskiktet. Om då ett material med hög värmeledningsförmåga, som till exempel rostfritt stål, används i förbindaren uppstår en köldbrygga. Effekten av dessa köldbryggor kan sammantaget medföra stor påverkan på väggens totala transmission. Enligt Van Geem och Shirley (1987) kan inkludering av förbindare av rostfritt stål minska en sandwichväggs värmemotstånd med 7 % (se Fam, Noel & Woltman 2017).
I det aktuella fallet valde elementtillverkaren att som en del i att minska
transmissionsförlusterna genom sandwichelementen ersätta förbindarna av rostfritt stål med ett system baserat på glasfiberförstärkt plast/polymer (glassfiber reinforced
plastic/polymer, GFRP). Systemet benämns ThermoPin och ska enligt tillverkaren enbart orsaka försumbara köldbryggor (B. T. Innovation 2020). Torps Byggelement anser att ThermoPin-systemet och liknande system är relativt obeprövade på den svenska
marknaden och att det finns relativt få undersökningar som jämför dessa med traditionella system av rostfritt stål.
1.2 Syfte
Examensarbetet syftar till att jämföra systemet ThermoPin som används som förbindare i sandwichelement med ett på marknaden etablerat system i rostfritt stål. Jämförelsen skall göras utifrån påverkan på väggens värmeledningsförmåga samt tillverkningsprocess och ekonomi. För att jämförelsen ska ske under villkor som liknar praktisk användning ska ett typelement bestämmas med vissa givna förutsättningar. ThermoPin-systemet samt systemet i rostfritt stål skall sedan dimensioneras för typelementet. Följande frågeställningar ska besvaras:
Hur ser det statiska verkningssättet och dimensioneringsprocessen för ThermoPin jämfört med ett traditionellt system?
Vilka effekter på värmegenomgångskoefficienten för typelementet uppstår då ThermoPin används jämfört med systemet i rostfritt stål?
Påverkar valet mellan ThermoPin-systemet och ett system i rostfritt stål tillverkningsprocessen för sandwichelementet?
Medför användandet av systemet ThermoPin ökade kostnader för tillverkaren? Om systemet medför ökade kostnader, hur stor är då skillnaden för typelementet jämfört med systemet i rostfritt stål?
1.3 Avgränsningar
2 Teoretiska utgångspunkter
2.1 Beskrivning av bärankarsystemen
2.1.1 Beskrivning av ThermoPin-systemetThermoPin-systemet från tillverkaren B. T. Innovation använder två typer av lastbärande förbindare mellan sandwichelementets ytterskiva och innerskiva vilka benämns typ H och typ D (DIBt 2015). I Figur 1 visas exempel på ett ankare av respektive typ. Båda typerna består i princip av en stång av glasfiberförstärkt polymer med nominell diameter 7,5 millimeter. Stången har en ökad diameter längst ut vid ändarna då diametern är 10,5 millimeter ungefär 2 centimeter in från varje ände. Längden för förbindarna bestäms av elementtillverkaren utifrån isolertjocklek och önskad förankringslängd. Ankarna av båda typerna har en plastring monterad på stången vars funktion är att underlätta montage i väggelementen. För typ H är ringen vinkelrät mot stångens längd medan den för typ D har en 45 graders lutning mot längdriktningen. Stängerna har även en spets av plast som ska underlätta montage. Förbindarnas funktion är principiellt baserad på passformen mellan stångens ände och betongen. Enligt Heesemann1 är materialet i ThermoPin
plasttypen epoxiharts med ungefär 80 % glasfiber. Värmekonduktiviteten är lika med eller mindre än 0,5 Watt per meter och Kelvin.
Figur 1. Exempel på typ D-ankare(överst) och typ H-ankare(underst) till ThermoPin-systemet.
ThermoPin-systemet är utvecklat för tre-skikts väggelement av armerad betong med mellanliggande isolering (DIBt 2015). I en sådan vägg ska förbindarna av typ H vara monterade rakt genom isolering med förankring i båda betongskikten. Typ D-förbindarna ska gå igenom isoleringen i 45 graders lutning från det horisontella planet med varje förbindares lägsta punkt i ytterskivan. En enkel skiss av en sandwichvägg med de två typerna av förbindare installerade syns i Figur 2. Systemet kan användas till helt
prefabricerade sandwichelement och till element där den bärande innerskivan delvis gjuts på plats. För element med fritt upphängda ytterskivor skall ankare av både typ D och typ H användas. Element med fritt upphängda ytterskivor ska alltid tillverkas helt
prefabricerat. För helt eller delvis prefabricerade väggelement vars ytterskivor står på en solid grund krävs ej ankare av typ D.
1 Ingo Heesemann, Head of Research and Development, B.T. Innovation GmbH, e-post 5 maj
Figur 2. Skiss av sandwichvägg med ThermoPin-systemet.
Sandwichelement i vilka ThermoPin-systemet används ska med hänsyn till bärankarna tillverkas i lägst betongkvalitet C20/25 och högst betongkvalitet C50/60 (DIBt 2015). Ytterskivans yttemperatur bör vara mellan -20 grader Celsius och +65 grader Celsius och innerskivans yttempertur bör ej permanent överstiga +40 grader Celsius. Systemet kan användas i element i exponeringsklasserna XC, XD och XS enligt DIN EN 1992–1– 1:2011–01. ThermoPin har en dimensionerande livslängd på 50 år (ETA-Danmark A/S 2019).
ThermoPin-systemet medför vissa begränsningar gällande storlek och skikttjocklekar när det används i sandwichelement (DIBt 2015). Systemet tillåter en största vägglängd på 12 meter och högsta vägghöjd på 6 meter. Det ställs både minimi- och maximikrav på ytterskivans, isoleringens och innerskivans tjocklek samt förankringslängden för förbindarna, se Tabell 1. Förankringslängden är för båda typerna längden av
glasfiberstången i betongskikten mätt i stångens längdriktning. Tabell 1 innehåller även minsta avstånd mellan förbindare samt minsta tillåtna kantavstånd för respektive typ.
Tabell 1. Tjockleks- och avståndskrav för ThermoPin-systemet.
Parameter Tjocklek/avstånd [mm] Ytterskivans tjocklek 50–120
Isoleringens tjocklek 50–200 Innerskivans minsta tjocklek 100 Förankringslängd i betongen för typ H 40–120 Förankringslängd i betongen för typ D 60–155 Minsta axiella centrumavstånd mellan 2 typ H och
mellan typ H och typ D
300 Minsta axiella centrumavstånd mellan 2 typ D 500 Minsta kantavstånd för typ H 150 Minsta kantavstånd för typ D 250
minst 2,4 Newton per kvadratmillimeter. XPS-isolering skall uppfylla samma krav på långvariga elasticitetsmodulen med hänsyn till tryck som gäller för EPS-isolering. En yta på 500×500 millimeter kring varje typ D-ankare ska uppfylla styvhetskraven. Angående mängd ankare och placering ska minst två ankare av typ D monteras i varje väggelement med fritt upphängd ytterskiva. Om ett flertal typ D-ankare används skall dessa placeras bredvid varandra på en horisontell axel. Typ H-ankare ska i möjligaste mån placeras i ett kvadratiskt rutnät. Slutligen måste sandwichelements ytterskiva armeras med minst ett lager armering med en tvärsnittsarea på minst 1,88 kvadratcentimeter per meter vertikalt och horisontellt. Denna armering bör placeras centriskt i ytterskivan.
2.1.2 Beskrivning av HALFEN:s bärankarsystem
Det system som i denna rapport jämförs med ThermoPin-systemet är SP-SPA från tillverkaren HALFEN. SP-SPA består av två olika typer av bärankare samt tre typer av förbindelsebyglar och tillverkas av rostfria stänger (HALFEN 2020). Det finns ett antal andra tillverkare av förbindare som levererar till utformningen lika system och därför anses SP-SPA i denna rapport som representativt för traditionella förbindarsystem i rostfritt stål (Joma 2020, Pretec 2020, Nordic Fastening Group AB 2021).
De två typerna av bärankare som ingår i SP-SPA benämns av leverantören som SP-SPA-1 och SP-SPA-2 (HALFEN 2020). I denna rapport används även ordet enkelankare som referens till SP-SPA-1 och dubbelankare som referens till SP-SPA-2. Båda ankartyperna tillverkas av stänger i rostfritt stål kvalitet A4. Ett enkelankare består av två stänger vars ändar har bockats till krokar. Stängerna har sedan svetsats ihop i en ände i en 90 graders vinkel. Ett dubbelankare tillverkas genom att en stång bockas till 180 grader på mitten. De två ändarna bockas till krokar. Två sådana stänger svetsas sedan ihop i en 90 graders vinkel. Exempel på ett enkelankare och ett dubbelankare syns i Figur 3. Båda typerna av ankare tillverkas i standardstorlekar utifrån stängernas diameter och ankarets höjd. De stångdiametrar som används är 5,0 millimeter (betecknas 05), 6,5 millimeter (betecknas 07), 8,0 millimeter (betecknas 08), 8,5 millimeter (betecknas 09) och 10,0 millimeter (betecknas 10) (DIBt 2016). Hur ett ankares höjd bestäms visas i Figur 4 och fullständiga tabeller över höjder för enkel- och dubbelankare redovisas i Bilaga 1 (ej för diameterklass 08). I ett färdigt sandwichelement i vilket enkelankare används sitter paret med
Figur 3. Överst: Ankare typ SPA-2/dubbelankare. Mitten: Ankare typ SPA-1/enkelankare. Nederst, från vänster: Förbindelsebyglar typ SPA-N, SPA-A och SPA-B. Publiceras med medgivande av
upphovsrättsinnehavaren (HALFEN u.å.).
Figur 4. Hur höjden H samt längden L mäts för HALFEN:s enkel- och dubbelankare. Publiceras med medgivande av upphovsrättsinnehavaren (HALFEN 2020).
Systemet SP-SPA innehåller utöver bärankarna även tre typer av förbindelsebyglar vilka betecknas SPA-N, SPA-A och SPA-B (HALFEN 2020). Byglarna tillverkas av samma material som bärankarna, stänger av rostfritt stål i kvalitet A4. De tre typerna syns i Figur 3. SPA-N består av en stång som bockats till 90 graders vinkel på två punkter så att en ”U-form” bildats. Stångens ändar har bearbetats för att få en vågliknande form. SPA-A och SPA-B har en liknande utformning men är anpassade för att klämmas fast i
armeringsnät, se Figur 5. Samtliga typer av förbindelsebyglar ska i ett sandwichelement gå rakt igenom isoleringen. Förbindelsebyglarna tillverkas i standardstorlekar med varierande höjd och stångdiameter. Standardutförande med stångdiameter 3,0 millimeter (betecknas 03), 4,0 millimeter (betecknas 04) och 5,0 millimeter (betecknas 05) finns för samtliga tre typer. För SPA-N finns även diameter 6,5 millimeter (betecknas 06). Tabeller med standardhöjder finns i Bilaga 1.
a) b) c)
SP-SPA-systemet är framtaget specifikt för användandet i sandwichelement (HALFEN 2020). Normalt ska varje väggelement innehålla två stödjande bärankare, ett horisontellt bärankare samt förbindelsebyglar. Ett exempel på en enkel sandwichvägg med SP-SPA-systemet syns i Figur 6. Både enkel- och dubbelankare kan användas som stödjande eller horisontellt bärankare och vilken funktion de fyller beror på hur de monteras. Ett stödjande bärankare monteras vertikalt medan ett horisontellt bärankare monteras horisontellt. Enligt HALFEN (2020) används vanligtvis ett enkelankare som horisontellt bärankare, dock kan dubbelankare behövas vid höga laster. Punkten där axeln som de stödjande bärankarna sitter på korsar axeln som det eller de horisontella bärankarna sitter på kallas för elementets stödjepunkt.
Figur 6. Exempel på enkelt sandwichelement med SP-SPA. 1: Stödjande bärankare. 2: Horisontellt bärankare. 3: Förbindelsebygel. Publiceras med medgivande av upphovsrättsinnehavaren (HALFEN 2020).
Betongen i sandwichelement utrustade med SP-SPA som förbindarsystem ska med hänsyn till bärankarna lägst vara av hållfasthetsklass C30/37 (HALFEN 2020). Detta krav gäller för både ytterskivan och innerskivan. Vid montage kopplas både enkel- och dubbelankare ihop med armeringsnätet i både ytter- och innerskivan med hjälp av en respektive två korta bitar armeringsstång. En viss kvalitet på armeringen krävs därför för att den förankring som HALFEN (2020) anger för bärankarna ska erhållas. Krävd armeringskvalitet anges som B500A eller B500B för både armeringsnät och stänger. Kravet gäller med hänsyn till både bärankarna och förbindelsebyglarna. Därutöver ställer systemet SP-SPA även ett krav på minsta armeringsmängd i ytterskivan vilket är 1,31 kvadratcentimeter per meter i form av kvadratiskt armeringsnät.
Angående elementens storlek rekommenderas att väggarean inte överstiger 15 kvadratmeter (HALFEN 2020). För väggar med en ojämn textur på ytterskivan
rekommenderas en största längd på 8 meter medan väggar med slät ytterskiva ej bör vara längre än 5 till 6 meter. Om längre element behöver tillverkas kan kraven uppfyllas genom att ytterskivan delas upp. Gällande skikttjocklek kräver systemet att innerskivan är minst 100 millimeter och ytterskivan är minst 60 millimeter (DIBt 2016). Vilken
isoleringstjocklek som är möjlig beror på godstjockleken i bärankare och
godstjocklek och varierar mellan ytter- och innerskivan. Minsta tillåtna förankringslängd redovisas i Bilaga 2 där det även visas hur minsta tillåtna höjd för bärankaret beräknas utifrån förankringslängd och isoleringstjocklek. Vid placering av bärankare finns vissa minsta axiella centrumavstånd och minsta kantavstånd som måste beaktas och som även de redovisas i Bilaga 2. Bilaga 3 innehåller motsvarande krav på förankringslängd, minsta kantavstånd och minsta axiella centrumavstånd samt även minsta täckande betongskikt för förbindelsebyglarna. Vid placering av bärankare och förbindelsebyglar i en
sandwichvägg bör ett rutnät skapas i vilket bärankare och förbindare placeras i korsningspunkterna. Det axiella centrumavståndet kan variera i ett element men bör ej överstiga 1200 millimeter. Förhållandet mellan sidorna i varje ruta i rutnätet bör vara mellan 0,75 och 1,33.
2.2 Konstruktion av förbindarsystem
2.2.1 Förbindarsystemens funktion och belastning på sandwichelement
I den vanligaste typen av sandwichelement är innerskivan lastbärande medan den yttre skivan endast fungerar som fasadyta. Eftersom fasadskivan normalt sett är upphängd och kopplad till innerskivan måste de laster som verkar på ytterskivan överföras till
innerskivan för att elementet ska behålla statisk jämvikt. Denna lastöverföring sker genom förbindarsystemet och systemet måste ha tillräcklig kapacitet för denna lastöverföring utan att elementet förlorar sin form eller brister. Därutöver måste förbindarsystemet ha kapacitet för att uppta laster orsakade av spänningar och deformation i ytterskivan.
Enligt Hegger, Hoogen, Schneider, Shams och Stark (2015) utsätts sandwichelement i ytterväggar generellt för laster orsakade av vind och temperatur samt för krympning och krypning. Av dessa är endast vind en yttre pålagd effekt medan temperatureffekter samt krympning och krypning uppstår internt i elementet. Därutöver belastas elementen även av sin egentyngd. Vindlast på en sandwichvägg monterad i en byggnad bestäms i Sverige idag enligt Eurokod 1 och Boverkets Konstruktionsregler EKS 11. Temperaturlast orsakas av skillnad i materialens densitet beroende på temperaturen och en viktig temperatureffekt beskrivs av Utescher (1973, se Hughes et al. 2017). Effekten som Utescher beskriver är att skillnaden i temperatur mellan ytterskivans yttre yta och dess inre yta orsakar en buckling av hela ytterskivan. Bucklingen kan leda till belastning på förbindarna mellan skivorna i sandwichelementet och Utescher beskriver också en metod för hur denna last kan beräknas. Krympning i betong är en spänningsoberoende
deformation orsakad av kemiska reaktioner under bindningstiden och avgång av vatten vid uttorkningen (Engström 2008). Krympningen är tidsberoende och fortsätter utvecklas men kan antas upphöra efter lång tid. Betongens krypning är precis som krympningen tidsberoende men även spänningsberoende. Krypningen är en belastningsorsakad
deformation som sker efter pålastning av betongen. Deformation orsakad av krypning kan antas upphöra efter ungefär 70 år. Utöver de ovan nämnda effekterna kan
2.2.2 Konstruktion av ThermoPin-systemet
I ThermoPin-systemet ingår två typer av förbindare, typ H och typ D, vilka överför olika laster från ytterskivan till innerskivan (DIBt 2015). Lasten i brottgränstillståndet på varje förbindare måste beräknas och det måste visas att kapaciteten ej överskrids. För typ H ska tillfällig dragande eller tryckande normalkraft i förbindaren orsakad av vind, temperatur, färsk betong, krypning och krympning bestämmas. I typ D ska permanent dragande kraft i förbindaren orsakad av ytterskivans och eventuella tilläggskomponenters egentyngd bestämmas. I bruksgränstillståndet måste kontroll göras av deformation vinkelrätt mot förbindarens längdriktning för typ H.
Beviset för dragande och tryckande kapacitet för förbindarna av typ H måste visa att den dimensionerande lasteffekten inte överstiger den dimensionerande bärförmågan, se ekvation 1 (DIBt 2015).
|𝑁 | ≤ |𝑁 | (1)
där 𝑁 är dimensionerande dragande eller tryckande normalkraft och 𝑁 är dimensionerande bärförmåga med hänsyn till dragande eller tryckande normalkraft. I certifikatet för typ H anges inga förutsättningar för hur vindlast eller krypning skall beräknas, dock anges vissa förutsättningar som ska användas då temperatur och krympning beaktas. Vid beräkning av temperatureffekter kan en temperaturgradient i ytterskivan på 5 Kelvin förutsättas. Temperaturskillnaden ∆𝑣 mellan ytterskivan och innerskivan ska bestämmas enligt ekvation 2.
∆𝑣 = 𝑣 − 𝑣 (2)
där 𝑣 är ytterskivans temperatur vilken ska antas vara 65 grader Celsius på sommaren och –20 grader Celsius på vintern och 𝑣 är innerskivans temperatur vilken kan antas vara 25 grader Celsius på sommaren och 20 grader Celsius på vintern. En förenklad metod för att beakta skillnader i krympning är att minska de antagna temperaturerna för ytterskivan med 10 Kelvin.
Dimensionerande bärförmåga för förbindarna varierar beroende på om förbindaren utsätts för drag eller tryck (DIBt 2015). Bärförmågan i respektive fall redovisas i Tabell 2. Vid dragande belastning beror bärförmågan på tillstånd, betongkvalitet och förankringslängd i skivorna medan bärförmågan är konstant för tryckande belastning.
Tabell 2. Dimensionerande bärförmåga i [kN] vid dragande eller tryckande kraft för typ H (DIBt 2015). Belastningstyp Tillstånd Betongens
hållfasthetsklass
Förankringslängd i betongen hnom
40 [mm] 90 [mm] Centriskt drag Byggnation C20/25 3,7 12,8
C50/60 5,6 18,0 Slutligt C20/25 3,7 7,7
Bärförmågan i Tabell 2 gäller då ytterskivan är sprucken och sprickbredden är 0,3 millimeter. Angående deformationskriterium för typ H gäller dessa i bruksgränstillståndet och beror på isoleringstjockleken. Ekvation 3 visar deformationsvillkoret.
𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑤 ≤ 𝑚𝑎𝑥. 𝑤 (3)
Där 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑤 är det karakteristiska värdet på verklig deformation vinkelrätt förbindarens längdriktning och 𝑚𝑎𝑥. 𝑤 är det karakteristiska värdet på tillåten deformation vinkelrätt förbindarens längdriktning. Den tillåtna deformationen är 1,2 millimeter vid 50 millimeter isolering, 1,9 millimeter vid 100 millimeter och 4,0
millimeter vid 150 millimeter isolering. Mellanliggande värden kan interpoleras linjärt. I bruksgränstillståndet ska även kontrolleras att sprickbredden i ytterskivan ej överstiger 0,3 millimeter för bärförmågan med hänsyn till utdragsbrott för förbindarna.
För förbindarna av typ D måste bevis av skjuvbelastningen i brottgränstillståndet
sammanställas (DIBt 2015). Beviset måste enligt ekvation 4 visa att den dimensionerande skjuvbelastningen inte överstiger den dimensionerande bärförmågan med hänsyn till skjuvbelastning.
𝑉 ≤ 𝑉 (4)
där 𝑉 är den dimensionerande skjuvkraften och 𝑉 är bärförmågan med hänsyn till skjuvkraft. I ett monterat sandwichelement med korrekt monterade förbindare av typ D syftar skjuvkraften på den vertikala lasten som angriper varje förbindare och som orsakas av ytterskivans egentyngd. Bärförmågan motsvarar denna belastning genom att den anger kapaciteten för varje förbindare med hänsyn till vertikal belastning. Se Tabell 3 för redovisning av dimensionerande bärförmågan för typ D beroende på isoleringstjockleken. För typ D finns även krav på maximalt tillåtet avstånd mellan ankarna och ytterskivans tyngdpunkt, se ekvation 5.
𝑒 ≤ 𝑒 (5)
Tabell 3. Dimensionerande bärförmåga med hänsyn till skjuvkraft samt maximalt tillåtet avstånd från ytterskivans tyngdpunkt för typ D.
Isoleringstjocklek Dimensionerande
skjuvkraftskapacitet i slutligt tillstånd
Maximalt tillåtet avstånd från ytterskivans tyngdpunkt hD [mm] VRd [kN] emax [m] 50 1,2 1,5 80 2,2 1,9 100 2,6 2,2 120 2,7 3,1 160 2,8 5,0 200 2,6 5,0
2.2.3 Konstruktion av HALFEN:s bärankarsystem
Statiken för bärankarsystemet SP-SPA bygger på tre olika funktioner som uppfylls av systemets förbindare (HALFEN 2020). Den första funktionen är att överföra den vertikala lasten främst orsakad av ytterskivans egentyngd till innerskivan. Den andra funktionen är att överföra last på ytterskivan i väggens längdriktning till innerskivan. Båda funktionerna uppfylls med hjälp av bärankare, antingen enkelankare 1) eller dubbelankare (SPA-2). Vilken funktion ett bärankare har beror på hur de är monterade, vertikala bärankare överför vertikal last och horisontella bärankare överför last i väggens längdriktning. Som tidigare nämnt kallas vertikalt monterade bärankare för stödjande och horisontellt monterade kallas helt enkelt horisontella. Den tredje funktionen är att överföra laster orsakade av temperaturdeformation, vind och vidhäftning till form som verkar på ytterskivan vinkelrätt mot dess plan till innerskivan, vilken uppfylls av förbindelsebyglar typ SPA-N, SPA-A eller SPA-B.
Vid kontroll av bärförmågan för stödjande bärankare måste hänsyn tas både till vertikal last och horisontell last på ytterskivan vinkelrätt dess plan (HALFEN 2020).
Dimensioneringsvillkoren är för stödjande bärankare uppdelade beroende på om de tar hänsyn till stålets hållfasthet eller betongens hållfasthet (DIBt 2016). Det används även olika villkor beroende på om den horisontella lasten verkar tryckande eller sugande på väggen. Nedan redovisas de fyra dimensioneringsvillkoren i ekvation 6, 7, 8 och 9. Ekvation 6 och 7 gäller vid tryckande horisontell last och ekvation 8 och 9 gäller vid sugande horisontell last. Ekvation 6 och 8 tar hänsyn till stålets hållfasthet medan ekvation 7 och 9 tar hänsyn till betongens hållfasthet.
𝑁 .
𝑁 .
+ 𝑉 𝑉 .
≤ 1,0 (9)
där 𝑁 . är dimensionerande tryckande horisontell last på bärankaret, 𝑁 . är
dimensionerande dragande horisontell last på bärankaret och 𝑉 är dimensionerande vertikal last på bärankaret. 𝑁 . . är stålets dimensionerande bärförmåga med hänsyn till
tryckande horisontell last, 𝑁 . är betongens dimensionerande bärförmåga med hänsyn
till horisontell last, 𝑉 . är stålets dimensionerande bärförmåga med hänsyn till vertikal last och 𝑉 . är betongens dimensionerande bärförmåga med hänsyn till vertikal last. Villkoren gäller för både enkel- och dubbelankare med ett undantag. För enkelankare med godstjocklek 5 millimeter kan betongens bärförmåga med hänsyn till vertikal last i ekvation 7 och 9 ökas med 4,1 kilonewton under förutsättning att betongens bärförmåga med hänsyn till vertikal last även kontrolleras utan att horisontell last beaktas.
Då belastningen på ett stödjande bärankare bestäms skall hänsyn tas till vertikal last orsakad av ytterskivans egentyngd och horisontell last orsakad av vind,
temperaturdeformation, jordtryck, krypning och krympning (DIBt 2016). Ytterskivans egentyngd ska inkludera eventuella tilläggskomponenter eller material monterade på ytterskivan (HALFEN 2020). Vindlast ska beräknas enligt Eurokod 1. För beräkning av last orsakad av temperaturdeformation föreslås Uteschers metod eller finita element-metoden. En temperaturgradient i ytterskivan på 5 Kelvin ska förutsättas. Jordtryck, krypning och krympning skall endast beaktas vid behov och inga förutsättningar för hur dessa ska beräknas anges (DIBt 2016). De fyra olika bärförmågorna bestäms utifrån tabellerna i Bilaga 4. Bärförmågan med hänsyn till stålets hållfasthet beror på
bärankartyp, godstjocklek i bärankaret samt isoleringens tjocklek medan bärförmågan med hänsyn till betongens hållfasthet enbart beror på bärankartyp och godstjocklek.
Det finns även krav på maximalt avstånd från ytterskivans stödjepunkt som ett bärankare får placeras på (DIBt 2016). Villkoret enligt ekvation 10 ska vara uppfyllt.
𝑒 ≤ 𝑒 (10)
där 𝑒 är det verkliga avståndet mellan ett bärankare och ytterskivans stödjepunkt och 𝑒 är det största tillåtna avståndet mellan ett stödjande eller horisontellt bärankare och ytterskivans stödjepunkt. Största tillåtet avstånd beror på godstjocklek och
isoleringstjocklek. Avståndkravet har beräknats utifrån en temperatur på 20 grader Celsius för innerskivan, 65 grader Celsius för ytterskivan på sommaren, –20 grader Celsius för ytterskivan på vintern samt en temperaturskillnad jämfört med
installationsförhållanden på ±45 Kelvin. Avståndskraven för bärankare redovisas i Bilaga 4.
förutom att om elementet ska ställas eller lyftas på högkant under transport eller installation ska det horisontella bärankaret kunna bära ytterskivans egentyngd.
Förbindelsebyglarna dimensioneras med hänsyn till horisontell kraft och ska uppfylla villkoren enligt ekvation 11 och 12 (DIBt 2016). Maximalt tillåtet avstånd enligt ekvation 13 skall också beaktas.
|𝑁 . | 𝑁 ≤ 1,0 (11) 𝑁 . 𝑁 ≤ 1,0 (12) 𝑒 ≤ 𝑒 (13)
där 𝑁 . är dimensionerande tryckande last på förbindelsebygeln, 𝑁 . är
dimensionerande dragande last på förbindelsebygeln och 𝑁 är förbindelsebygelns dimensionerande bärförmåga. I ekvation 13 står 𝑒 för verkligt avstånd mellan
förbindelsebygeln och ytterskivans stödjepunkt och 𝑒 för maximalt tillåtet avstånd mellan förbindelsebygeln och ytterskivans stödjepunkt. Lasten på förbindelsebyglarna bestäms utifrån vind, temperaturdeformation och vidhäftning vid gjutform (HALFEN 2020). De två förstnämnda effekterna bestäms enligt samma principer för
förbindelsebyglarna som för bärankarna. Inga instruktioner anges för bestämning av belastning orsakad av vidhäftning vid form. För dimensionering av förbindelsebyglarna har tillverkaren tagit fram en typ av dimensioneringstabeller som redovisas i Bilaga 5. Dessa tabeller visar sambandet mellan isoleringstjocklek, bärförmåga och maximalt tillåtet avstånd för byglar med en viss godstjocklek. Tabellerna visar att en ökad isoleringstjocklek och en lägre erforderlig bärförmåga för förbindaren ökar maximalt tillåtet avstånd från ytterskivans stödjepunkt. Sambandet beror förutom godstjockleken även på ytterskivans tjocklek, då det finns en tabell för element med 6 till 7 centimeter tjock ytterskiva och en för element med över 7 centimeter tjock ytterskiva.
2.3 Köldbryggor och värmeledning i sandwichelement
ofta är komplicerade måste normalt numeriska metoder användas vid beräkning, vilket i dagsläget kan utföras av datorprogram i många fall. Analytiska metoder för beräkning av extra värmeflöde kan dock teoretiskt sett användas.
Enligt SIS definieras en köldbrygga som en del av klimatskalet där det i övrigt enhetliga värmegenomgångsmotståndet kraftigt förändras (SS-EN ISO 10211:2017). Förändringen sker genom full eller delvis penetration av klimatskalet av material med en annorlunda värmekonduktivitet. Köldbryggor sker även genom förändring av tjockleken av klimatskalets skikt eller genom en skillnad mellan inre och yttre ytor som uppstår vid anslutningar mellan vägg, golv eller tak. Två typer av köldbryggor definieras, linjära och punktformiga. En linjär köldbrygga definieras av att den har ett enhetligt tvärsnitt längs en av tre ortogonala axlar. Punktformiga köldbryggor är däremot lokala och kan representeras av en punktformig termisk transmittans. Punktformig termisk transmittans definieras som värmeflöde i ett statiskt tillstånd jämfört med ett referensvärmeflöde beräknat utan att köldbryggan beaktats dividerat med temperaturskillnaden mellan utrymmena på endera sida den punktformiga köldbryggan. Standarden Köldbryggor i byggnadskonstruktioner- Värmeflöden och yttemperaturer- Detaljerade beräkning (SS-EN ISO 10211:2017) anger förutsättningar för två- eller tredimensionella geometriska modeller av köldbryggor för numerisk beräkning av värmeflöden och lägsta
yttemperaturer. Dokumentet beskriver även hur linjära och punktformiga termiska transmittanser kan härledas ur de numeriska modelleringarna.
Ett antal studier av effekten på sandwichelements termiska egenskaper från köldbryggor orsakade av förbindare mellan betongskivorna har tidigare utförts. Allard och Kim (2014) studerade tre typer av förbindare i stål och utförde tester för att utveckla en
tredimensionell finita element-metod som kan förutse förbindarnas effekt på värmeflödet. Testerna utfördes på sandwichelement bestående av två skivor i betong med en tjocklek på 75 millimeter med en mellanliggande 38 millimeter tjock isolering. Efter att elementen utvärderats i en klimatkammare kunde det konstateras att formen på förbindarna påverkar värmeflödet genom dessa samt att förbindare placerade nära varandra interagerar. I den tredimensionella modellen som beräknades med hjälp av finita element-metoden studerades hur olika parametrar påverkar elementets värmemotstånd. Studien visade bland annat att värmemotståndet ökade med förbindarnas centrumavstånd och att vid ett centrumavstånd över 1000 millimeter påverkade inte förbindarens form värmemotståndet märkbart. Då påverkan av isoleringens tjocklek simulerades drogs slutsatsen att påverkan från förbindaren ökade med isoleringstjockleken och förbindartypen därför bör väljas utifrån isoleringstjocklek.
Metoder som används för analys av köldbryggor i sandwichelement i betong är bland annat praktiska tester samt olika två- eller tredimensionella finita element-metoder. Vissa som genomför studier på området väljer att genomföra tester och sedan använda dessa för att validera de finita element-metoder som sedan används, som till exempel Wang, Wang och Zhai (2018) eller Allard och Kim (2014). Andra använder enbart finita
nämnda studierna, främst Lee och Pessiki 2008, syftar till att utvärdera eller ändra metoderna för att bättre överensstämma med verkligheten för sandwichelement i betong.
Wang, Wang och Zhai (2018) genomförde en studie av den termiska prestandan för vad de kallade en hybrid-förbindare. Förbindaren bestod av en armeringsstång inlindad i nylon som kopplar ihop skivorna. Syftet med nylonet var att minska köldbryggseffekten. Systemet utvärderades både experimentellt i fyra provelement samt med hjälp av finita element-metoden. De fyra proverna bestod av ett referenselement där ingen förbindare placerades i elementets mitt samt tre element med varierande isoleringstjocklek och isoleringskvalitet där förbindare användes. I testerna utsattes innerskivan för en ”hot box” med temperaturen 40 grader Celsius och ytterskivan för en ”cold box” med temperaturen -10 grader Celsius. Temperatur och värmeflöde mättes mitt på ytan för respektive skiva vilket motsvarade placeringen av ett ankare. Testerna visade att förekomsten av en förbindare lokalt kunde leda till en ökning av värmegenomgångskoefficienten med 32,4 %. Det framkom dock också att om isoleringens tjocklek samtidigt ökades från 80 till 100 millimeter erhölls en total positiv effekt på värmegenomgångskoefficienten. Då
simuleringar genomfördes med finita element-metoden visade datan att en ökning av värmekonduktiviteten i förbindaren medförde en ökning i elementets
värmegenomgångskoefficient. Denna ökning var speciellt märkbar vid låga konduktiviteter. En ökning av förbindarnas centrumavstånd eller en minskning av förbindarnas diameter gav positiva effekter på värmegenomgångskoefficienten.
En studie har även utförts som syftade till att undersöka förbindare i glasfiberförstärkt plast (Fam, Noel & Woltman 2017). Slutsatsen från studien var att jämfört med förbindare i rostfritt stål kan förbindare i glasfiberförstärkt plast ge lika eller högre värmegenomgångsmotstånd. Det konstaterades att det finns ett samband mellan
förbindarnas storlek och antal och värmegenomgångsmotståndet, dock kunde sambandet ej fastställas på grund av variationen i testresultatet Även denna studie genomfördes via tester på olika varianter av sandwichelement i betong. I artikeln görs en hänvisning till en studie av Van Geem (1987) och Shirley som visade att värmegenomgångsmotståndet minskar med sju % då förbindare av rostfritt stål används men ökar med förbindare av glasfiberförstärkt plast (se Fam, Noel & Woltman 2017).
2.4 Montageprocess för förbindarsystemen
Vid tillverkning av sandwichelement finns det två vanliga metoder som huvudsakligen skiljer sig i vilken ordning skikten tillverkas (HALFEN 2020, DIBt 2015). Båda
däremot gjutas sist. Enligt Engström2 bör ytterskivan även gjutas sist eller överst i formen
om ytan ska rollas, borstas eller ströpplas.
I det material som beskriver hur ThermoPin-systemet monteras finns enbart beskrivet hur förbindarna monteras då den negativa processen används för tillverkning av
sandwichelementet (DIBt 2015). Isoleringen ska förses med hål med en diameter på 11 till 13 millimeter inför montage av förbindarna. Håltagning ska ske både för typ H och typ D och detta ska göras innan isoleringen läggs ut på ytterskivan. Isoleringen ska läggas ut enligt ritning för att säkerställa att förbindarna placeras enligt elementritningen. Förbindarna monteras genom att de sticks ner genom hålen i isoleringen tills plastringen tar emot isoleringen. Detta ska göras medan betongen i undre skiktet är färsk för att säkerställa att förbindarna omsluts korrekt. Efter montage av ThermoPin-förbindarna ska ytterskivan kompakteras igen. Under kompakteringen bör det säkerställas att isoleringen inte förflyttas. Sandwichelementet kan därefter färdigställas enligt den allmänna metoden vid negativ process. Hänsyn ska dock tas så att ThermoPin-förbindarna ej flyttas då till exempel armeringen i innerskivan läggs ut.
HALFEN-systemet kan användas vid tillverkning enligt både negativ och positiv process (HALFEN 2020). Vid tillverkning enligt positiv process måste dock bärankarna SPA-1 respektive SPA-2 modifieras av bärankartillverkaren genom påsvetsning av stänger. Montaget av bärankarna vid tillverkning enligt negativ process påbörjas då armeringen till ytterskivan har lagts ut i formen. Bärankarna placeras då ut enligt ritningen och förankras i armeringsnätet med en respektive två armeringsstänger, se Figur 7.
Armeringsstängerna som används för förankringen ska vara av samma armeringskvalitet som övrig armering i skivorna och ska ha dimensioner enligt Tabell 4. Om
förbindelsebyglar av typ SPA-A eller SPA-B ska användas monteras även dessa i detta steg i tillverkningen och fästs i ytterskivans nätarmering enligt ritning. Hur byglarna ser ut fästa i armeringsnätet syns i Figur 5.
a) b)
Figur 7. Förankring av a) enkelankare och b) dubbelankare i ytterskivans armeringsnät med hjälp av armeringsstänger. Publiceras med medgivande av upphovsrättsinnehavaren (HALFEN 2020).
Tabell 4. Dimensioner för tilläggsarmering för förankring av SPA-1-ankare. För SPA-2-ankare används samma dimensioner men dubbelt så många stänger i varje skiva (DIBt 2016).
Bärankare Förankringsstång ytterskiva Förankringstång innerskiva SPA-1-05 SPA-1-07 1 st. Ø8 mm L= 450 mm 1 st. Ø8 mm L= 700 mm SPA-1-08 SPA-1-09 SPA-1-10 1 st. Ø8 mm L= 700 mm 1 st. Ø10 mm L= 700 mm
Efter att bärankarna och eventuella SPA-A eller SPA-B-byglar monterats kan ytterskivan gjutas och kompakteras (HALFEN 2020). När isoleringen ska läggas ut görs
genomföringar för bärankarna med hjälp av skarvningar eller snitt som sedan måste kontrolleras och eventuellt fyllas med isolering. Håligheter i isoleringen bör undvikas så långt som möjligt då dessa senare kan fyllas med betong vilket kan orsaka köldbryggor. Vid byglar av typ SPA-A eller SPA-B kan isoleringen tryckas ned tills byglarna sticker igenom. När sedan isoleringen är lagd ska första lagret armering i innerskivan läggas. Armeringsnätet i detta lager ska vara i den nivån att bärankarna sticker upp en bit över nätet. Bärankarna förankras därefter i nätet genom att en eller två armeringsstänger enligt Tabell 4 sticks in mellan bärankarets krokar eller öglor och armeringsnätet. Om
förbindelsebyglar av typ SPA-N ska användas ska dessa i detta skede stickas över en korsningspunkt i armeringsnätet ner genom isoleringen och ytterskivan tills de träffar formbotten. SPA-N-byglarna dras sedan upp till erforderlig förankringslängd. Efter att SPA-N-byglar monterats ska ytterskivan återkompakteras. Efter detta kan
sandwichelementet färdigställas enligt den allmänna metoden.
Om sandwichelement ska tillverkas enligt den positiva processen påverkas i princip enbart bärankarna och montaget av dessa (HALFEN 2020). För förbindelsebyglarna blir enda skillnaden att de vänds i elementet så att SPA-A och SPA-B kopplas fast i
armeringsnätet i innerskivan och SPA-N sticks över ytterskivans armering ner genom isoleringen och in i innerskivan. Bärankarna kan dock inte behandlas på ett liknande sätt då deras funktion bygger på att de sammankopplade krokarna sitter i ytterskivan. De stänger som svetsas på bärankarna inför positiv process möjliggör förankring vid korrekt montage. Stängerna gör att bärankarna kan ställas på armeringsnätet i innerskivan och förankras genom att tilläggsarmeringen enligt Tabell 4 sticks mellan stängerna,
a) b)
3 Metod och genomförande
3.1 Dimensionering
3.1.1 TypelementFör att jämföra ThermoPin-systemet och HALFEN:s bärankarsystem med hänsyn till värmeledningsförmåga, tillverkningsprocess och kostnad valdes ett typelement som respektive system skulle dimensioneras för. Typelementet utformades för att uppfylla kraven och rekommendationerna som gäller för de båda systemen. Storleken bestämdes till att vara 3 meters höjd och 5 meters längd, vilket gav en area på 15 kvadratmeter. Typelementets ytterskiva, isolering och bärande innerskiva ansattes till samma tjocklek som de sandwichelement Torps Byggelement tillverkat till Paradisskolan enligt ett exempelelement som syns i Bilaga 6. Enligt exemplet ansattes ytterskivans tjocklek till 80 millimeter, isoleringens tjocklek till 200 millimeter och slutligen innerskivans tjocklek till 150 millimeter. Betongkvalitet i båda skivorna ansattes till C30/37 enligt minimikravet för HALFEN:s bärankarsystem. I ytterskivan ansattes armeringsnät av stålkvalitet B500B bestående av 6 millimeters stänger placerade i ett kvadratiskt rutnät med centrumavstånd 150 millimeter. Detta armeringsnät uppfyller minimikravet på 1,88 kvadratcentimeter per meter som gäller enligt ThermoPin. Enligt Henrik Engström3, VD på Torps Byggelement,
användes isolering av typen Kooltherm från tillverkaren Kingspan till Paradisskolans element vilket även ansattes till typelementet.
Vid den manuella dimensioneringen av de båda förbindarsystemen togs enbart hänsyn till belastning orsakad av vindlast samt egentyngd. Avgränsningen gjordes eftersom övriga lasteffekter ansågs för tidskrävande och tekniskt avancerade att beakta. Vindlasten och egentyngden bestämdes separat och redovisas i Bilaga 7. Vindlasten på väggelementet bestämdes enligt Eurokod 1 (Johansson 2019). Orten där typelementet skulle placeras antogs vara i Älmhult och terrängtypen antogs vara av klass tre. Typelementet antogs vara placerat i en byggnad med en högsta höjd på 12 meter. Byggnaden antogs vara helt kubisk vilket medför att förhållandet mellan ena byggnadssidans längd och husets höjd alltid är 1. Placering av typelementet antogs vara sådan att det kan befinna sig både i vindzon D och i vindzon A. Dessa vindzoner ger största tryckande respektive sugande vindlast på väggelementet. Vid bestämning av ytterskivans egentyngd ansattes densiteter för betong och armeringsstål enligt Eurokod 1–1 (SS-EN 1991-1-1/AC:2009). Vid omvandling från karakteristiska laster till dimensionerande användes STR(a) eller STR(b) enligt Johansson (2019) beroende på om den aktuella förbindaren påverkas av variabla laster. Säkerhetsklassen valdes till klass 3.
3.1.2 Dimensionering av ThermoPin-systemet
Den manuella dimensioneringen av ThermoPin systemet delades upp i tre steg. Först dimensionerades antalet förbindare av typ H och typ D var för sig och därefter gjordes en placeringsritning för förbindarna i typelementet enligt de krav och rekommendationer som redovisas i Tabell 1. Dimensioneringsgången redovisas i Bilaga 8. För
systemet kan olika längder på förbindarna väljas för samma väggtvärsnitt. Till
typelementet valdes samma förbindare som använts till exempelelementet i Bilaga 6, det vill säga H330_80 och D465_110. En avgränsning som gjordes vid den manuella dimensioneringen av ThermoPin-systemet var att enbart dimensioneringsvillkor i brottsgränstillståndet beaktades. Denna avgränsning medförde att deformation av typ H-förbindarna samt sprickbredd i ytterskivan ej kontrollerades. Anledningen till
avgränsningen var att kontrollerna i bruksgränstillståndet var otydligt specificerade och ansågs för tekniskt avancerade.
Eftersom typ D-ankarna enbart bär ytterskivans egentyngd beräknades dimensionerande last enligt STR(a). För att beräkna antalet typ D-ankare som krävdes för att uppnå tillräcklig kapacitet dividerades den dimensionerande lasten med bärförmågan vid isoleringstjocklek 200 millimeter för ett typ D-ankare, vilken hämtades från Tabell 3. En kontroll enligt ekvation 4 gjordes för att säkerställa att det valda antalet förbindare har tillräcklig total kapacitet. Denna kontroll gav också genomsnittlig utnyttjandegrad för förbindarna.
Typ H-ankarna belastas enbart av variabla lasttyper och därmed blev STR(b) det dimensionerande lastfallet. Vid den manuella dimensioneringen beaktades vindlast som huvudlast. Tryckande vindlast orsakar tryck i ankarna och sugande vindlast orsakar drag i ankarna. Bärförmågan för ett typ H-ankare bestäms enligt tabell 2 med hänsyn till förankringslängden, betongen i ytterskivans hållfasthetsklass och skede. Minsta förankringslängd för H330_80 beräknades till 50 millimeter, dock redovisar tabell 2 endast värden för bärförmågan vid förankringslängd 40 eller 90 millimeter för centriskt drag. Linjär interpolering användes därför för att bestämma bärförmågan. Då betongens hållfasthetsklass skulle beaktas konstaterades att tabell 2 enbart visar bärförmågan vid klass C20/25 och C50/60. Eftersom betongklasser inte följer en linjär skala kunde linjär interpolering ej användas igen. Bärförmågan ansattes därför enligt hållfasthetsklass C20/25. Vid centriskt drag beror bärförmågan på vilket skede elementet befinner sig i. Det skede som gav den lägsta bärförmågan blev dimensionerande. Antalet typ
H-förbindare kunde sedan beräknas genom att dividera den dimensionerande vindlasten med den dimensionerande bärförmågan per förbindare vid tryck respektive centriskt drag. Det belastningsfall som krävde störst antal förbindare blev dimensionerande. Då antalet förbindare bestämts gjordes en kontroll enligt ekvation 1 av den totala kapaciteten vid tryckande respektive dragande belastning. Denna kontroll gav även genomsnittlig utnyttjandegrad för förbindarna.
Placeringen av bärankarna i typelementet gjordes med hjälp av tabell 1. I tabellen finns det krav och rekommendationer på kantavstånd och centrumavstånd för respektive typ av bärankare. För typ D finns det även krav på ett maximalt avstånd till ytterskivans
Den planerade metoden var att med hjälp av programvara för dimensionering av ThermoPin-systemet som rekommenderas av tillverkaren göra en
referens-dimensionering att jämföra den manuella referens-dimensioneringen med. Det visade sig dock att tillgång till programvaran ej var möjligt. Kontakt togs då med ThermoPin-tillverkaren B. T. Innovation och kontaktpersonen där erbjöd sig att göra en dimensionering enligt angivna förutsättningar. Dock lyckades inte tillverkaren leverera dimensioneringen inom tidsramen för detta examensarbete. Som alternativ gjordes slutligen en ritning utifrån den exempelritning från Paradisskolan som redovisas i Bilaga 6. Anledningen till att detta gjordes trots att dimensioneringsförutsättningarna för exempelelementet utöver geometrin är okända diskuteras senare i denna rapport. Metoden för alternativritningen var att beräkna genomsnittligt antal förbindare av respektive typ per kvadratmeter av
exempelelementet. Typelementets area multiplicerades sedan med antalet förbindare per kvadratmeter för att bestämma totalt antal förbindare av respektive typ för typelementet. Förbindarna placerades därefter ut enligt samma principer som vid den manuella dimensioneringen.
3.1.3 Dimensionering av HALFEN:s bärankarsystem
Dimensioneringen av HALFEN delades precis som för ThermoPin upp i tre olika steg där förbindelsebyglarna dimensionerades först, se Bilaga 9. Förbindelsebyglarna överför den horisontella kraften som verkar på elementets ytterskiva vinkelrätt dess plan och som orsakas av vind, temperatur och vidhäftning vid form. Precis som för ThermoPin togs enbart hänsyn till last orsakad av vind och eftersom inga permanenta laster belastar förbindelsebyglarna blev STR(b) med vind som huvudlast dimensionerande i brottstadiet. Typen av förbindelsebygel valdes till SPA-N, då denna variant ansågs vara jämförbar med ThermoPin med hänsyn till montaget. Minsta tillåtna höjd för byglarna beräknades enligt Bilaga 3 och utifrån detta valdes höjden enligt Bilaga 1. Utifrån isoleringens och ytterskivans tjocklek valdes minsta möjliga godstjocklek ur Bilaga 5 vilket resulterade i att vald bygel blev SPA-N-05-320. Eftersom bärförmågan är lägre för en SPA-N-bygel vid tryck än vid drag så dimensionerades bygeln först med hänsyn till tryck. Bärförmågan hämtades ur Bilaga 5 och ansattes till den högsta som kan tillåtas vid tryckande
belastning. Antalet förbindelsebyglar som krävdes för att uppnå kapaciteten beräknades genom att dividera dimensionerande vindlast i brottstadiet med hänsyn till tryck med bärförmågan för en bygel vid tryck. För att säkerhetsställa att antalet SPA-N-byglar som beräknats vid tryck även uppnådde kapaciteten vid drag beräknades dimensionerande dragbelastning per bygel i brottstadiet med hänsyn till vindsug. Kapaciteten för byglarna kontrollerades med ekvation 12 mot högsta tillåtna kraft med hänsyn till drag enligt Bilaga 5.
Eftersom vertikal bärförmåga för HALFEN:s bärankare beror på den horisontella belastningen tillverkades en placeringsritning för systemet innan bärankarna dimensionerandes. Vid placering av HALFEN:s system skapades ett rutnät i vilket förbindelsebyglarna och ankarna placerades i korsningspunkterna. Enligt krav från HALFEN ska ett element minst innehålla två stödjande och ett horisontellt bärankare, vilket antogs vara tillräckligt för typelementet. Tillåtet kantavstånd för
mellan 0,75 och 1,33. Om det för att uppfylla kraven och rekommendationerna krävdes en ändring av antalet förbindelsebyglar gjordes en ökning av antalet. Kravet gällande största tillåtna avstånd till stödjepunkten skulle också tas hänsyn till både för
förbindelsebygeln och bärankaret. Det största tillåtna avståndet till stödjepunkten för förbindelsebyglarna hämtades från Bilaga 5 och bestämdes till 1000 centimeter. För bärankarna hämtades maximiavståndet från Bilaga 4 och bestämdes till 881 centimeter. Avståndet kontrollerades med ekvation 13 för förbindelsebyglarna och ekvation 10 för bärankarna.
De två stödjande bärankarna som antagits dimensionerades med hänsyn till vertikal och horisontell belastning, se Bilaga 10. Bärankarna skulle överföra den vertikala lasten orsakad av egentyngd men även den horisontella lasten orsakad av vind,
temperaturdeformation, jordtryck, krypning och krympning. Horisontell last beräknades i denna rapport enbart med hänsyn till vind. Den dimensionerande lasteffekten beräknades enligt STR(b) med vind som huvudlast. För att beräkna den horisontella lasten som varje bärankare överför behövde belastningsarean bestämmas. Belastningsarean beräknas utifrån placeringsritningen, se rubrik 4.1.2, genom att anta att bärankaret upptar last på en kvadratisk area som sträcker sig halva avståndet till närmaste förbindelsepunkt i
horisontal- respektive vertikalled. Dimensioneringen gjordes med hänsyn till tryckande belastning och stålets hållfasthet enligt ekvation 6. För stålet är bärförmågan för horisontell tryckande kraft och bärförmågan för vertikal kraft lika stora och dessa hämtades ur Bilaga 4. Det konstaterades att dubbelankare SPA-2-09 är lämpligt och utnyttjandegraden beräknades utifrån ekvation 6. Valet av godstjocklek baserades även på vilka dimensioner som finns enligt Bilaga 1. Betongens hållfasthet för det valda ankaret med hänsyn till horisontell respektive vertikal last lästes också av från Bilaga 4 och kapaciteten kontrollerades med ekvation 7. Kontroll av kapaciteten för ett dubbelankare SPA-2-09 vid sugande vindlast och med hänsyn till stålets respektive betongens hållfasthet gjordes därefter. För det första fallet utfördes kontrollen enligt ekvation 8 medan det med hänsyn till betongens hållfasthet utfördes enligt ekvation 9. Även vid dessa kontroller hämtades materialens bärförmågor från Bilaga 4. Slutligen beräknades lämplig höjd för bärankarna enligt Bilaga 2. För det horisontella bärankaret gjordes ingen exakt dimensionering utan det antogs att ett enkelankare med samma godstjocklek och höjd som de stödjande bärankarna skulle vara tillräckligt.
Som en referens utfördes även en dimensionering av HALFEN:s bärankarsystem till typelementet med hjälp av beräkningsprogramvara som HALFEN tillhandahåller till produkten. I programmet skapas en tvådimensionell skiss av sandwichelement, tvärsnittet och vissa andra förutsättningar anges och därefter dimensioneras bärankare och
förbindelsebyglar automatiskt. Som beräkningsstandard valdes systemets tyska DIBt-godkännande (DIBt 2016) då urvalet var begränsat. Typelementets yttermått och tjockleken för skikten angavs i programmet. Beräkningsmetoden för horisontell belastning valdes till förenklad procedur enligt Utescher. Ytterskivans betongkvalitet valdes till C30/37 och dess färg till mörk. Önskad bygeltyp sattes till SPA-N.
Programvaran efterfrågar också dimensionerande vindlast vid tryck respektive drag. För detta ansattes vindlast enligt Bilaga 7 och STR(b) med vind som huvudlast. När
3.2 Värmeledningsförmåga
3.2.1 ProgramvaranVid beräkning av ThermoPin-systemets respektive HALFEN:s bärankarsystems påverkan på väggelementets värmeledningsförmåga användes beräkningsprogrammet Flixo. Flixo är ett program som framför allt används för att analysera linjära köldbryggor i
tvådimensionella modeller (Flixo 2021). Metoden som programmet bygger på är finita element-metoden och de europeiska standarderna som beräkningarna utförs enligt är EN ISO 10211: 2017 (Thermal bridges in building construction - Heat flows and surface temperatures - detailed calculations) och EN ISO 10077–2:2017 (Thermal performance of windows, doors and shutters - Calculation of thermal transmittance - Part 2: Numerical method for frames). EN ISO 10211:2017 är upptagen som svensk standard och har tidigare refererats till under rubrik 2.3. Trots att programmet ej huvudsakligen är utformat för tredimensionella modeller finns det en funktion som gör det möjligt att beakta
punktformiga köldbryggor i tvådimensionella modeller. Detta görs genom att objektet som utgör en punktformig köldbrygga tilldelas materialtyp, tvärsnitt och diameter. Därefter anges ett centrumavstånd med vilket objektet ska placeras längs en linje som löper vinkelrätt den tvådimensionella modellens plan. Det värde som valdes som lämpligast för jämförelse mellan de två förbindarsystemens påverkan var ekvivalent värmegenomgångskoefficient, vilket är genomsnittlig värmegenomgångskoefficient för väggelementet. Eftersom både HALFEN:s system och ThermoPin-systemet orsakar punktformiga köldbryggor tillämpades denna funktion för båda systemen.
Flixo ger både stöd till att infoga ritningar och konstruera modeller direkt i programmet. För modellering av det aktuella sandwichelementet ritades en tvärsektion där elementets höjd och djup syns. De tre lagerna i sektionen utformades i programmet med materialtyp och lagertjocklek enligt beskrivning av typelementet. Armeringen i betongskivorna modellerades ej utan materialet i skivorna angavs till betong med 1 % armering. Därefter användes en funktion för att ange vilken sida av sektionen som skulle betraktas som invändig respektive utvändig. Modellen av typelementet utan förbindare användes som underlag till modellering av både HALFEN:s system och ThermoPin-systemet. En beräkning av ekvivalent värmegenomgångskoefficient för modellen utan förbindare gjordes för att producera ett referensvärde.
3.2.2 Modellering av ThermoPin-systemet
Modelleringen av ThermoPin-systemet i sektionen av typelementet gjordes utifrån den ritning som erhölls från den förenklade alternativa dimensioneringen, se rubrik 4.1.1. Längden för respektive förbindartyp och hur förbindarens längd fördelas mellan skikten ansattes enligt valda utföranden, se rubrik 3.1.2, och diametern ansattes till 7,5 millimeter enligt rubrik 2.1.1. Den fullständiga tvådimensionella modellen av ThermoPin i
funktionen som beaktar att förbindarna uppkommer med ett visst centrumavstånd. Tvärsnittet för förbindarna angavs till cirkulärt och centrumavståndet ansattes enligt ritningen. Slutligen genomfördes programmets beräkning av värmeflödet genom elementet och ekvivalent värmegenomgångskoefficient hämtades.
3.2.3 Modellering av HALFEN:s bärankarsystem
Vid modellering av typelementets sektion då HALFEN:s bärankarsystem används utgicks från den ritning som tillverkarens dimensioneringsprogram skapade, se rubrik 4.1.2. Även längder, höjder och diametrar hämtades från rubrik 4.1.2. Fördelningen av bärankarnas och förbindelsebyglarnas höjd mellan typelementens skikt bestämdes enligt Bilaga 2 respektive 3. En skillnad mellan HALFEN:s system och ThermoPin är att med HALFEN varierar förbindartypen mellan olika vertikala ”rader” längs med elementet. Enligt ritningen ska elementet innehålla två vertikala rader med ett stödjande bärankare och tre byglar, en vertikal rad med ett horisontellt bärankare och tre byglar samt fyra vertikala rader med fyra byglar. Dessutom varierar centrumavståndet mellan raderna längs med elementet. För att hantera detta valdes att använda ett genomsnittligt centrumavstånd mellan raderna. Centrumavståndet beräknades genom att fördela de sju raderna med jämnt avstånd längs med elementet och de två yttersta raderna placerades med ett halvt centrumavstånd från kanten. Denna modell gav ett genomsnittligt centrumavstånd på den 5 meter långa väggen på 714 millimeter.
I Flixo skapades tre olika sektioner där förbindaren näst längst ned ändrades mellan stödjande ankare, horisontellt ankare och förbindelsebygel, se Bilaga 12. Enligt
dimensioneringen från HALFEN:s program skulle dubbelankare SPA-2-09-320 användas som stödjande ankare. Eftersom stängerna i ett dubbelankare inte ligger i samma plan kunde det inte direkt avbildas i den tvådimensionella modellen. Den metod som valdes för att beakta hela dubbelankaret var att omvandla det till ett enkelankare med en tvärsnittsarea motsvarande tvärsnittsarean hos två stänger i det ursprungliga
dubbelankaret. En tidigare studie på området har rekommenderat detta förfarande då det ger ett aningen större värmeflöde men skillnaden är försumbar (Lee, Pessiki 2008). Då stångdiametern i ett SPA-2-09-ankare är 8,5 millimeter blev stångdiametern 12,0
millimeter i det ekvivalenta enkelankaret. Angående det horisontella ankaret roterades det 90 grader så att det var placerat som ett stödjande ankare. Rotationen antogs inte påverka värmeflödet genom bärankaret, dock underlättade det vid modelleringen. Mindre detaljer på bärankarna och byglarna vars påverkan på värmeflödet antogs vara försumbar, exempelvis krokarna på bärankarna, beaktades ej i modellen. Även tilläggsarmeringen som används för förankring av bärankarna försummades. Då materialet i bärankare och förbindelsebyglar skulle väljas antogs rostfritt stål med en värmekonduktivitet på 17 Watt per meter och Kelvin från Flixos databas då inga exakta materialdata för systemet hittats. Efter att ekvivalent värmegenomgångskoefficient för respektive förbindarkombination beräknats av programmet bestämdes genomsnittlig värmegenomgångskoefficient för hela elementet enligt ekvation 14.
𝑈 =4 ∗ 𝑈 + 2 ∗ 𝑈 + 1 ∗ 𝑈
7 (14)
där 𝑈 är genomsnittlig värmegenomgångskoefficient, 𝑈 är
