AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ
Avdelningen för byggnadsteknik, energisystem och miljövetenskap
2021
Examensarbete, Grundnivå (högskoleingenjörsexamen), 15 hp Byggnadsteknik
Byggnadsingenjör
Handledare: Alireza Bahrami Examinator: Asima Norén
Vertikal påbyggnad av ett flerbostadshus i Gävle
Suleyman Deniz och Hassan Moalin
Förord
Detta examensarbete omfattar 15 högskolepoäng och är ett självständigt arbete som avslutar vårt treåriga byggnadsingenjörsprogram vid Högskolan i Gävle. Vi har under utbildningens tid samlat på oss massvis med erfarenheter och lärdomar från tidigare kurser som vi tagit till nytta vid detta examensarbete som drivit oss framåt. Det vi har lärt oss under arbetsgången kommer vara till stor nytta i senare arbetsliv.
Vi vill rikta ett stort tack till alla lärare och andra involverade personer under utbildningens gång som bidragit till lärdomarna och erfarenheterna som vi använt oss utav i examensarbetet. Ett stort tack till vår handledare Alireza Bahrami som hjälpt oss under arbetets gång samt drivit oss framåt. Under arbetsgången stötte vi på flera problem som handledaren Alireza hjälpt oss med att ge relevant feedback till och lösa och komma vidare med arbetet. Vi vill också tacka Patrik Gadd på Gävle kommun som försett oss med ritningar till referensbyggnaden. Vi vill även tacka familjemedlemmar och kamrater för stöd och hjälp under arbetets gång, ett speciellt tack till Hussein Moalin och Yazan Ashour som väglett och gett oss feedback som fört oss framåt.
Gävle, juni 2021
Suleyman Deniz och Hassan Moalin
Teckenförklaringar
N normalkraft M böjmoment
f
cbetongens tryckhållfasthet
f
cddimensioneringsvärde för betongens tryckhållfasthet
f
ckkarakteristiskt värde för betongens cylindertryckhållfasthet
f
cmmedelvärde för betongens cylindertryckhållfasthet
f
ctkkarakterisktiskt värde för betongens axiella draghållfasthet
f
ctmmedelvärde för betongens axiella draghållfasthet
f
tarmeringens draghållfasthet
f
tkkarakteristiskt värde för armeringens draghållfasthet
f
yarmeringens sträckgräns h höjd
m massa t tjocklek
η
Formfaktor; utnyttjandegrad E Elasticitetsmodulen
σ Sigma; spänning
Sammanfattning
Den globala befolkningsmängden beräknas stiga med 89 miljoner människor årligen och av den anledningen finns det ett behov av fler bostäder och byggnader över hela världen. När städer växer utåt och expanderar blir byggbar mark en bristvara, där kan påbyggnad vertikalt vara ett alternativ då man ökar höjden på byggnader. För trånga städer är våningspåbyggnader en alltmer populär åtgärd som skulle kunna möta marknadens efterfrågan av centralt placerade bostäder. Huvudfokus i denna studie är att klargöra hur en specifik befintlig byggnad klarar påbyggnad av ett våningsplan. Den befintliga byggnaden som användes som utgångspunkt ligger på Styrmansgatan i Gävle, stadsdelen Brynäs. Byggnaden har totalt tre våningar och är ett ungdomsboende där HSB står som fastighetsägare. Studien presenterar tillvägagångssättet för validering och simulering av en befintlig byggnad.
Arbetet utfördes med StruSoft FEM-Design som används för modellering, analys och design för bärande element i byggnader baserade på Eurokod. Med hjälp utav StruSoft FEM-Design ska det undersökas om den befintliga byggnaden klarar av en utökning och huruvida vilka förstärkningar som eventuellt bör ske. Den passar för alla olika typer utav konstruktionsuppgifter från hela stabilitetsanalysen i en byggnad till enskilda element. Arbetet kommer genomföras i 3 steg där först den referensbyggnad som skall användas som utgångsläge modelleras, analyseras och designas. Nästa steg är att lägga till ett våningsplan för att sedan analysera eventuella tilläggsåtgärder i samband med utökning av ett våningsplan. Byggnaden skall vara godkänd enligt standarder som utgångspunkt med avseende på utnyttjandegrad och nedböjning.
Därefter sker det en jämförelse mellan den befintliga bygganden och påbyggnaden med avseende på utnyttjandegrad, nedböjning, spänning och grundreaktionen.
Resultat som har erhållits från denna studie påvisade att om en påbyggnad ska vara möjlig bör förstärkningslösningar äga rum för byggnadselement som fick en oacceptabel utnyttjandegrad. Förstärkningslösningen resulterade med hjälp av balkar, pelare, vindstage och ändrat armeringsinnehåll för armerad betong element för den bärande konstruktionen. Studiens slutsats är att våningspåbyggnad är möjlig vid tillagda förstärkningsåtgärder.
Nyckelord: Vertikal påbyggnad, FEM-Design, förtätning, bärande väggar,
utnyttjandegrad
Abstract
The global population is estimated to rise by 89 million people annually and for this reason there is a need for more housing and buildings worldwide. As cities grow outwards and buildable land becomes scarce, it is necessary to increase the height of buildings in cities, especially where the height of existing buildings is low. For crowded cities, story extensions are an increasingly popular measure that could meet market’s demand for centrally located homes.
The main focus of this study is to clarify how a specific existing building handles the addition of a story. The existing building that was used as a starting point is located in Styrmansgatan in Gävle, the district Brynäs. The building has totally three stories and is a youth residence where HBS is the property owner. The study presents the approach to validate and simulate the existing building.
The method of the work is modelling in StruSoft FEM-Design which is a program used for modelling, analysis and design of load-bearing elements of buildings according to Eurocode. With the help of the program, it is investigated whether the existing building can handle an extension and which reinforcements should be made.
It is suitable for all different types of design tasks from the entire stability analysis in a building to individual elements. The work is carried out in 3 steps where first the reference building to be used as a starting point is modelled, analyzed and designed.
The next step is to add a story and then analyze any additional measures in connection with the extension of the story. The building must be approved according to standards as a starting point with regard to degree of utilization and deflection. Then, a comparison is made between the existing building structure and the superstructure with respect to degree of utilization, deflection, stress, and the base reaction.
Results obtained from this study show that if an extension is to be possible, reinforcement solutions should take place for building elements that receive an unacceptable degree of utilization. The reinforcement solutions are resulted with the help of beams, columns, wind brace and changed reinforcement contents in reinforced concrete elements for the load-bearing structure. The study concludes that the story extension is possible with added reinforcement measures.
Keywords: Vertical extension, FEM-Design, degree of utilization, stress, load-
bearing.
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problemskrivning ... 3
1.2.1 Syfte och frågeställning ... 3
1.2.2 Frågeställnig ... 3
1.2.3 Mål ... 4
1.3 Avgränsningar ... 4
2 Litteraturstudie ... 5
2.2 Betong ... 5
2.2.1 Betongens draghållfasthet ... 6
2.2.2 Betongens tryckhållfasthet ... 6
2.2.3 Armerad betong ... 7
2.2.4 Samverkan mellan armering och betong ... 8
2.2.5 Täckande betongskikt ... 8
2.3 Stål ... 8
2.3.1 Stålets hållfasthet ... 9
2.3.2 Fördelar och nackdelar med stål ... 9
2.4 Bärande element i konstruktion ... 9
2.4.1 Vertikala bärverk ... 10
2.4.2 Horisontella bärverk ... 10
2.4.3 Bärande väggar ... 11
2.4.4 Bjälklag ... 12
2.5 Trä ... 12
2.5.1 Träbaserade skrivmaterial ... 13
3 Dimensionering ... 14
3.1 Laster ... 14
3.2 Gränstillstånd ... 16
3.2.1 Brottgränstillstånd ... 16
3.2.2 Bruksgränstillstånd ... 16
3.2.3 Partialkoefficientmetoden ... 16
3.3 Nedböjning ... 17
3.4 Spänning ... 17
3.5 Förstärkning ... 17
3.5.1 Förstärkningsåtgärder... 18
4 Metod ... 19
4.1 StruSoft FEM-design 3D Structure ... 19
4.1.1 Referens byggnad ... 19
5 Genomförande ... 24
5.1 Genomförande delas upp i följande steg: ... 24
5.1.1 Steg 1... 24
5.1.2 Steg 2 ... 49
5.1.3 Steg 3 ... 54
5.1.4 Förstärkningsåtgärder... 58
6. Resultat ... 62
6.1 Sammanställning av resultat ... 64
6.2 Analys av resultat ... 66
7. Diskussion ... 68
8. Slutsats ... 70
8.1 Förslag på framtida studier ... 71
Referenser ... 72
Bilagor ... 75
Bilaga A ... 75
Bilaga B ... 77
Bilaga C ... 78
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Storstadsregionernas geografiska omfattning expanderar samtidigt som samhället har begränsade ytor i tätorterna. Samhällsutvecklingen i större delen av världen har sedan industrialiseringens start i slutet av 1800-talet haft en tydlig riktning av urbanisering från landsbygd till tätbebyggd ort. När befolkningstillväxten ökar sker en stadsutbredning vilket också leder till att fler byggnader uppförs i större utsträckning på obebyggd yta (Palcynski, 2019). En prognos från statistikmyndigheten visar att Sveriges befolkningsmängd beräknas öka med 1 miljon till år 2034 enligt figur 1 som baseras på antalet som kommer födas och invandra till Sverige. Den växande globala befolkningen kräver fortsatt efterfrågan och byggandet av fler nya hus för alla invånare. En studie gjord av UNFPA (2007) visar att år 2007 bodde ungefär hälften av världens befolkning i storstäderna, det räknas även att till år 2030 så kommer storstäderna att vara hem till ungefär 5 miljarder människor.
Urbanisering kan beskrivas som när människor från landsbygden väljer att flytta in till de större städerna. Det kan också beskrivas som när en större grupp människor förflyttar sig till andra länder, världsurbanisering (Urbanisering Boverket, 2019).
Med takt av att urbaniseringen fortsätter, växer även de större städerna och nya orter kopplas efterhand ihop i regionen. Med hjälp av ny och utvecklad kollektivtrafik kan orterna anslutas samman väldigt anpassligt. Det gör också att trycket i städerna växer, vilket i sin tur lägger stor tyngd på att kommunikationer och förbindelser fungerar smidigt. Med en ökad befolkning så kräver det också fler bostäder som kommer att
Figur SEQ Figur \* ARABIC 1: Enligt SCB beräknas befolkningsmängden i Sverige att stiga med en miljon till år 2029. (Statiskmyndigheten, 2021)
Figur 1. Enligt SCB beräknas befolkningsmängden i Sverige att
stiga med en miljon till år 2034 (Statistikmyndigheten, 2021).
svårartat att bygga fler nybyggnationer då tillräckligt med oanvändbar markyta är otillräckligt. Den ökande tillväxten måste dock ske på ett strategiskt och strukturerat sätt så att påfrestningen på natur och kulturmiljöer bevaras (Nationalencyklopedin, 2017). När naturlivet ersätts med byggnader i städerna påverkar det även individens välmående då mycket natur och grönska ökar människans aktivitet, det är även en viktig resurs för att möta våra folkhälsoutmaningar.
Istället för att bygga nytt från grunden så kan det byggas om för att på så vis bli mer effektivt och nyttja marken bättre. (Boverket, 2021). I och med att användbar markyta blir en allt mer bristvara i de större städerna finns en efterfrågan att bygga på vertikalt med fler våningar. Det skulle kunna öka bostadsbyggandet samtidigt som påtryckningar på oberörd mark blir mindre (Expressen, 2015). Ett sätt är att bygga ut mer vertikalt i höjdled på befintlig konstruktion, det innebär att byggnadens bruttoarea ökas utan att påverka husets byggnadsarea. Singapore som är ett välkänt land inom arkitektur och utformning har börjat implementera alternativet att bygga ut mer på höjdled. Man har insett att markytan är en bristvara och att den bör ge plats åt natur och andra aktiviteter som människor behöver för sin dagliga tillvaro (Pomeroy et al., 2012.b)
Regeringen har även mars 2018 infört en ”påbyggnadsbonus” där det innebär att om en påbyggnad utförs på en befintlig byggnad utan att använda ny mark ges en bonus utöver grundstödet. Med en påbyggnad på en befintlig byggnad kan det leda till ökad tillgänglighet i den befintliga byggnad då hiss måste installeras om det redan inte finns det. Andra installationer så som avlopp och ledningar kan istället nyttjas och befintlig infrastruktur kan användas (Regeringskansliet, 2018).
Enligt Sundling (2019.a) uppstår förtätning vid någon typ av nybyggnation eller tillbyggnad inom befintlig bosättning. När markytan blir alltmer värdefull och infrastrukturen tar mer plats bör nödvändiga alternativa åtgärder komma fram. Ett alternativ enligt Sundling (2019.b) som också är ett steg mot hållbar utveckling är att se de vertikala påbyggnaderna i befintliga byggnader som ett verktyg för förtätning.
Våningspåbyggnader kräver inte att man använder ny mark eller att nya installationer skall tas i anspråk. När det byggs ut vertikalt i höjd sparar man både värdefull markyta och grönområde då dessa är en bristvara i storstäderna, men det kan även leda till en ekonomisk men också miljömässig fördel eftersom i vissa fall så kan vertikal påbyggnad möjliggöra för en energieffektiv renovering för den befintliga byggnaden.
Renoveringar och ombyggnationer i befintliga byggnader kan ske när en
våningspåbyggnad skall utföras. När man ska utföra en påbyggnad är det yttersta
viktigt att först och främst lära känna byggnaden men även för att få en förståelse av
den befintliga byggnaden.
Pomeroy (2012.a) beskriver att hustaken har blivit glömda utrymmen i byggnader och att man där bör se efter alternativ till att dra nytta av dem då markytan har blivit en bristvara, detta skulle således även kunna bidra till att bevara natur, grönska och att byggnadens historia bibehålls. Våningspåbyggnader kan därför vara ett bra alternativ och man bör se över möjligheterna till att göra det på befintliga byggnader.
Sundling (2019) menar att det fortfarande finns brist på kunskap och forskning inom detta område som inte tagits upp men även andra tekniska utmaningar som medföljer vid vertikal påbyggnad så som byggnadsinstallationen.
1.2 Problemskrivning
För att öka effektiviteten och nyttja ytan bättre kan påbyggnad ses som ett bra alternativ till förtätningar, där man i stället ökar byggnadens bruttoarea utan att påverka byggnadens byggnadsarea. En urbanisering från landsbygden till tätorter ökar behovet av centrala bostäder för att möta bostadsbristen. I flera storstäder är det brist på etableringsbar mark och en begränsning av expandering. Därför finns det ett behov utav att se över byggnadsbeståndet som redan finns, ett sätt till fler bostäder på begränsad yta kan vara att bygga vertikalt på befintliga byggnader vilket detta examensarbete behandlar.
1.2.1 Syfte och frågeställning
Detta examensarbete kommer undersöka hur en byggnad ändras med avseende på utnyttjandegrad, spänning och nedböjning vid en våningspåbyggnad. En modell skapas för referensbyggnaden som är lokaliserad i Gävle med modelleringsprogrammet StruSoft FEM-Design som utgångspunkt.
Syftet med denna studie är att undersöka om den valda referensbyggnaden klarar av en vertikal våningspåbyggnad och med vilka förändringar som möjligen bör inträffa.
Om den befintliga byggnaden klarar av en våningspåbyggnad så kan detta vara till nytta och vägledning i andra befintliga byggnader för att minska bostadsbristen samtidigt som man sparar på obebyggd markyta. Detta är också ett syfte som studien strävar efter.
1.2.2 Frågeställning
Frågeställningen för denna studie är
• Är det möjligt att tillägga ett våningsplan i befintliga byggnaden utan förändringar i stommen?
• Vilka förändringar och tilläggsåtgärder bör ske i den befintliga stommen med
avseende på utnyttjandegraden?
1.2.3 Mål
Målet för studien är att undersöka om vertikal påbyggnad är en möjlig åtgärd för bostadsbristen och städer vars markyta är en bristvara. Målet är att visa hur en vertikal påbyggnad kan utnyttjas mer i framtiden samtidigt som kunskapen och tekniken kring ämnet utvecklas och når ut till mer människor. Vi hoppas också att våra slutsatser går att nyttjas och användas som en vägledning i andra liknande projekt där vertikal påbyggnad i avsikt kan skapa fler byggnadsbestånd i trånga stadskärnor och tätorter.
1.3 Avgränsningar
Det som undersöks är om den befintliga byggnaden klarar av vertikala påbyggnaden utan större förändringar i stommen. Arbetet kommer presentera lösningar så att byggnadens arkitektoniska utformning och planritning bevaras. Vertikal påbyggnad är ett stort omfattande projekt med flera aspekter att ta hänsyn till, exempelvis energiprojektering, hyresgästernas samtyckte och ekonomiska villkor och kalkyler som inte kommer tas i hänsyn till. I detta arbete kommer det heller inte redogöras vad gäller grundförstärkning och den geotekniska delen samt krav på säkerhet vid brand.
Studiens fokus är att granska resultat av nedböjning, spänningar, stödreaktioner och
utnyttjandegrad vid påbyggnad. Stomförstärkningsalternativ som är aktuella för
byggnaden kommer enbart redovisas.
2 Litteraturstudie
I detta kapitel presenteras en teoretisk bakgrund för betong, armerad betong täckande betongskikt, stål, trä, bjälklag, och bärande element. Kapitalet innehåller bakgrund, egenskaper, fördelar och nackdelar för materialen.
2.2 Betong
Enligt Ågren & Kollberg (2020) började betong användas för första gången kring 100.fkr, under denna period tillverkades materialet utifrån att cement som blandades med stenar och sönderbrutet tegel. Därefter formades blandningen i träformar där betongen sedan härdades. Under 1900-talet upphördes denna teknik och nu mera används armerad betong.
Betong är en blandning av cement, vatten, ballast (sten, grus, sand) och tillsatsmedel som används för att påverka betongens hållfasthets samt styvhetsegenskaper, se figur 2. Cementpastan är en blandning mellan cement och vatten, dess egenskaper bestäms nästan helt och hållet av förhållandet mellan vatten och cement, det så kallat vattencementtalet. Vattencement talet anger antal kilogramvatten per kilogramcement och ju lägre vattencementtalet är, desto högre hållfasthet och täthet har betongen. Cementpastan fungerar som ett medel som binder och håller ihop ballastpartiklarna med betongen. Ballasten består av olika material som sand, grus och sten med varierande kornstorlekar. När ballast fördelas med olika partikelstorlekar har det en betydande inverkan på betongens hållfasthet. Betongens hållfasthet är helt beroende av cementpastan då ballastpartiklarna i betongen är starkare än cementpastan. När betong tillverkas måste bearbetning ske där materialet inte får innehålla större luftporer eller håligheter. Dessa skulle annars kunna försämra betongens egenskaper (Burström, 2007).
Figur 2. Betongens beståndsdelar (Burström, 2007)
2.2.1 Betongens draghållfasthet
Betongens draghållfasthet är väldigt låg, ungefär en tiondel av dess tryckhållfasthet.
Draghållfastheten bestäms utifrån ren dragning, genom böjning eller spräckning. Med en ren dragning förekommer det svårigheter att skapa en centrisk belastning av provkroppen som undersöks. Hållfastheten får ett lägre värde än vid spräckprov, där dragsprickan tvingas förekomma i snittet mellan belastningslinjer (Almssad, 2015).
Betongens draghållfasthet är väldigt låg och är försumbar vid dimensionering med hänsyn till normalkraft och böjning hos betongkonstruktionen. Den verkliga draghållfastheten för betong kan bestämmas genom att en provkropp belastas med ett rent dragförsök, men sådana försök är relativt svåra att genomföra, därför bestäms oftast draghållfastheten genom icke direkta mätmetoder (Burström, 2007).
2.2.2 Betongens tryckhållfasthet
Vid dimensionering av betongkonstruktioner är tryckhållfastheten den viktigaste hållfasthetsparametern. Betongens tryckhållfasthet bestäms genom provtryckning och dessa provkroppar förekommer i form av kuber eller cylinder, som får hårdna under en viss tid, normalt 28 dygn. Provkropparna belastas därefter med tryck tills sprickning sker. Betong tillverkas i olika hållfasthetsklasserna med hänseende på den karakteristiska tryckhållfastheten. Betongens hållfasthetsklass karakteriseras med bokstaven C som står för concrete. Bokstaven C följt av två siffror som visar beteckningen på tryckhållfastheten i MPa vid tryckprovning, exempelvis C30/37.
Det första siffervärden som är ”30” anger tryckhållfastheten och bestäms via tryckprovning av en betongcylinder med diametern 150mm och höjden 300mm. Det andra siffervärdet ”37” anger tryckhållfastheten och bestäms genom tryckprovning av en kub vars sidor är 150mm. Tryckhållfastheterna anges i MPa. Första siffervärdet 30 avser då en karakteristisk cylinderhållfasthet av minst 30 MPa medan andra siffervärdet 37 avser karakteristisk kubhållfasthet av minst 37 MPa. Båda värdena är baserade på 28 dagars värden efter att provkropparna hårdnat och anges i MPa (Almssad, 2015).
Enligt byggelement (u.å.) finns det flera fördelar med att bygga i betong nedan följer några av fördelarna:
o Betong tål fukt och kan inte mögla. Betongens egenskaper förändras inte även om materialet befinner sig i vatten.
o Material är beständigt mot brand. Vid brand i en byggnad av betongstomme blir skadorna färre och kostnaden mindre.
o Betong är ett klokt val för miljön då materialets miljöpåverkan är väldigt låg
under den långvariga livslängden.
o Betong har en hög värmetröghet, vilket betyder att den har förmågan att lagra värme väldigt bra under byggnadens drifttid.
o Betong är ett ljudisolerande material eftersom det är ett tungt och styvt material.
o Betong består utav råvaror som finns i naturen och är 100 procentigt återvinningsbart.
Det finns vissa nackdelar med att bygga i betong, främst vid tillverkningsprocessen (Svenskbetong Byggindustri, u.å; Svenskbetong, 2017). Här nedan följer en del nackdelar:
o Tillverkningen av cement leder till utsläpp av koldioxid, vilket som idag består av 3-4 procent av världens utsläpp.
o Vid tillverkning av betong bidrar det till höga mängder koldioxidutsläpp som har en negativ påverkan på klimat och miljö.
o Vid produktion kan det bli över onödig restbetong som inte fyller någon funktion
2.2.3 Armerad betong
Enligt Almssad (2015) har armerad betong upptäckts av romerna utifrån en blandning av grus, kalk och vulkanisk aska som blev till fastform i vatten. Detta var utgångspunkten för armerad betong som vi idag använder till bland annat broar, vattenledningar och byggnadsdelar. Byggnader med enorma spännvidder exempelvis Pantheon som byggdes år 100-talet i Rom är bevis på att armerad betong kan användas till liknande bebyggelse. Armerad betong består av en sammankoppling av betong och stål, där stålarmeringen bidrar med draghållfasthet som betongen saknar. Armering av betong uträttas normalt genom stänger eller nät av stål i form av ingjutning.
Sammansättningen mellan betong och stål uppfanns under 1800-talet för att förbättra betongens egenskaper. Funktionen för armeringsstålet är också att motstå tryckkrafter då armering innehåller stål.
Enligt Isaksson, Mårtensson och Thelandersson (2017) är armeringens funktion bland annat
o Begränsa sprickförekomst och sprickbredd
o Ta upp tryckkrafter då betongens tryckkapacitet inte är tillräckligt o Stabilisera tryckt betong mot knäckning
o Skydd mot av spjälkning vid brand
2.2.4 Samverkan mellan armering och betong
Kombinationen mellan armering och betong förekommer genom att betongen tar upp tryckkrafterna medan armeringen tar upp dragkrafterna. Det som gör att denna kraftuppdelning blir möjlig är att betongen har en väldigt låg draghållfasthet och därför är dess brott av spröd karaktär, vilket medför risk för plötsliga brott. När armeringen tar dragkrafter får konstruktionen automatisk en ökad styrka och deformation för att motstå de brott som skulle kunna uppstå. Om armeringen skall fungera på ett rätt sätt krävs det att betongen och armeringen samverkar vid kraftupptagningen. I armerad betong uppstår vidhäftning mellan ingjutna armeringsstänger och omgivande betong (Isaksson, et al., 2017).
2.2.5 Täckande betongskikt
Enligt Almssad (2015) förklaras det att skikt av betong som ger skydd mot armeringen kallas för täckande betongskikt eller täcktskikt. Om det ska vara möjligt för betongen att ta upp de krafter som överförs via armeringen måste den omgivande betongen innehava ett visst skikt med tjocklek. Ett tunt täckande betongskikt kan påverka och förkorta livslängden för armeringsjärnen med följd utav korrosion. Detta leder till en ökad exponering av materielen eller elementen. Däremot kan ett för tjockt täckande betongskikt minska konstruktionens hållfasthet. Ett litet täckande betongskikt är nödvändigt för att öka konstruktionens hållfasthet.
Det täckande betongskiktet bestäms utifrån o Vilken konstruktion som ska armeras o Den förväntande konstruktionens livslängd o Miljöpåverkan
o Vilken typ av stål och diameter av armeringsstänger
o Vart konstruktionen är belägen utomhus, inomhus eller närheten av vatten
2.3 Stål
Under 1800-talet växte en metod där stål massproduceras för att kunna använda materialet i byggnader. Innan framtagning av denna metod användes järn som material för byggnader och att järn ersätts av stål beror på stålet är ett mer segt material som är enkelt att bygga med. Stålet förändrade konstruktionsprinciper, exempelvis kunde valet eller bågen ersättas med en stålstomme i form av fackverk.
Stålkonstruktionernas framväxt förändrade också konstruktionsritningar och
utförande av ritningarna (Isaksson, et al., 2017).
Stål är uttrycket på material med grundämnet järn och delvis kol. Kol är det viktigaste legeringsämne i stål där kolhalten inte får överstiga 1,8 %. Järnet i stålet kommer från kemiska ämnet malm, som är rik på järn. Malm innehåller 40 % gråberg och därför måste först anrikas. Detta sker utifrån att malm krossas och icke järnhaltiga ska bortsorteras (Burström, 2008).
2.3.1 Stålets hållfasthet
Hållfastheten för stål bestäms utifrån sträckgränsvärde där fy står för flytgränsvärde och fu står för brottgränsvärde. Kombinationen mellan spänning och töjning benämns utifrån arbetskurvan se figur 3. Skillnaden mellan en varm valsat stål och kallbearbetade stål är att varm valsat stål har flytgräns med en hållfasthet fy. Ett kallbearbetade stål anger i stället spänning f
0,2som efter avlastning ger en töjning på 0,2 % som är kvarstående. Kallbearbetat stål handlar om att hållfastheten ökar då töjningen minskar. Arbetskurvan är rätlinjig över sträckgränsen, detta innebär att materialet har normal funktion som elastiskt och följer Hookes lag. Kurvans lutning visar materialets E-modul som är ett mått på förhållande mellan spänningen och töjningen (Isaksson, et al 2017).
2.3.2 Fördelar och nackdelar med stål
Enligt Slussbro (u.a) förklaras det att fördelar med stål är flera med bland annat så är materialet kraftigt och effektivt, vilket beror på att stål är ganska vattentätt och kan hålla emot vattentryck. En annan fördel med stål är att det går att forma materialet väldigt enkelt i syfte av vilket ändamål det skall brukas för. En nackdel med stål är att det är dyrt och svårt att få tag i materialet. Dessutom kan det rostas efter ett tag om man inte använder rostfritt stål, däremot brukar rostfritt stål vara ganska kostsamt.
2.4 Bärande element i konstruktion
Figur 3. Arbetskurva för varm-respektive kallbearbetat stål. (Isaksson et al., 2017)
Betong, stål och trämaterial betraktas som dom viktigaste bärande materialen inom byggkonstruktion. Element i den bärande konstruktion har som funktion att ta emot laster som konstruktionen utsätts för (Ilerisoy & Takva, 2017). Dessa laster kan vara lasten som verkar utvändigt på konstruktionen som snö, vind, istryck eller jordtrycket. Det finns nyttiga laster som verkar invändigt på konstruktion som består av inredning, personer, maskiner eller fordon. Konstruktionens egentyngd är en viktig last som det bärande elementet ska kunna motstå. Byggnadens stomme har som uppgift att föra ner de yttre samt inre laster till grundkonstruktionen (Strandberg, 2015).
2.4.1 Vertikala bärverk
Det som stabiliserar en konstruktion i vertikal riktning är en vägg, skiva eller pelare, där dess uppgift är att bära lasterna i vertikal riktning. Vertikala bärverk kan användas även som stomstabiliserande element, vilket menas med att väggar, skivor eller pelare kan även ta emot horisontella laster som förslagsvis vindlast (Isaksson, et al 2017).
Enligt Strandberg (2015) förklaras det att vertikala bärverk kan bestå av stålpelare som förekommer i en mängd olika tvärsnitt med dimensioner. Det vanligaste är HEA, IPE och VKR som är fyrkantigt. Om en stomkonstruktion med pelare och balkar ska stomstabiliseras kan det göras med hjälp av vindkryss, skivmaterial eller stomstabiliserande trapphus och hisschakt om de består utav bärande element i form av väggar. Stålpelare används både till mindre envåningshus, stålhallar samt för högre byggnadsverk som industribyggnader, bostäder och kommersiella byggnader.
2.4.2 Horisontella bärverk
Horisontella bärverk innebär balkar, plattor och andra konstruktionselement som jämnar ut laster i horisontell riktning. En balks uppgift är att genom böjning bära vertikala verkande laster samt överföra dem till balkens upplag. Vanligtvis brukar spännvidden för balken var betydligt större än dess tvärsnittsmått. Last överföringen sker genom böjning och tvärkraften. Figur 4 visar beteckningar och begrepp som används i beräkningsmodeller för balkar.
Lasterna som verkar på balken är jämnt utbredd last, triangellast och punktlast.
Balken kan uppläggas fritt på två stöd t.ex. över en muröppning (fritt upplagd balk)
eller fast inspänd ena änden och där den andra är fri (konsolbalk). Huvudsakligen kan
en balk användas för broar, golv, takkonstruktioner, takåsar och andra element vars
syfte är att ta upp laster som sedan förs ner med förslagsvis pelare. Balkar kan tillverkas
av olika material som trä, stål eller armerad betong. Stålbalkar förekommer vanligtvis
som valsade eller svetsade profiler med I-, T- eller U-tvärsnitt. Balkar av trä
förekommer i olika varianter allt ifrån enkla plankor (K-virke) till limträ, lättregel och
lättbalk.
Figur 4. Visar beräkningsmodeller för balkar. (Isaksson, et al 2017) 2.4.3 Bärande väggar
En vägg är både bärande och avskiljande, dess huvudsakliga uppgift är att kunna bära
upp byggnadens last samt lasten från verksamheten i bygganden. Denna vertikala last
ska sedan överföras ner till grundkonstruktionen (Strandberg, 2015). Vid
nyproduktion av en byggnad kan de bärande väggarna anpassas till rumsindelningen så
ytan kan nyttjas effektivt. Balkar och pelare kan användas vid utrymme där
spännvidden är större i stället för att använda bärande väggar. Stabiliseringen för
bärande väggen sker genom andra tvärgående väggar eller hjärtväggarna. Hisschakt
och trapphus brukar vanligtvis utnyttjas för stabiliseringen av stommen. Gällande
placeringen av bärande väggar kan det skapa förhinder vid framtida renoveringar eller
ombyggnationer (Byggipedia, u.å.).
2.4.4 Bjälklag
Ett bjälklag används som en bärande konstruktion som i sin tur avskiljer två våningsplan i en byggnad där bjälklaget är en viktig del av huskonstruktionen.
Bjälklaget har som uppgift att fördela de laster som verkar invändigt på byggnaden och sprida ut dessa lasten så de överförs till väggar och grundkonstruktionen. Det finns flera krav som ett bjälklag ska uppfylla, den ska ha tillräckligt kapacitet samt bärförmåga för att klara av lasten på våningsplanen samt ovanliggande plan.
Dimensionering på bjälklaget ska ha tillräcklig styvhet så att nedböjningen minskar och inte utför skador på mellanväggar samt inredning. Vidare måste bjälklaget uppfylla de bestämda krav som ställs utifrån brandmotstånd och ljudisolering. Bjälklag kan förekomma i olika material som trä, stål och armerad betong. Träbjälklag står för bärlagret som är parallella av träbalkar och har ett centrumavstånd på 0.5-0.8m.
Stålbalksbjälklag består av stålbalkar som har centrimavstånd ungefär på 1m (Strandberg, 2015).
2.5 Trä
Enligt Ilerisoy & Takva (2017) är trä ett levande material som används som ett dagligt byggmaterial från de senaste åldrarna till idag. Trä är ett anisotropt material vilket gör att den krymper och sväller i olika riktningar. En faktor som har en stor inverkan på träets egenskaper är vatten och mängden vatten i material definieras som fuktkvot (Dimensionering Av Träkonstruktioner, 2019). Det är ett lättbearbetat och ur miljösynpunkt väldigt bra och smidigt material. Till skillnad från betong är trämaterial producerade helt utav naturen och det finns ingen möjlighet att kontrollera och göra förändringarna som skulle öka egenskaperna i material (Trä Som Byggnadsmaterial, u.å.) I Sverige används det för det mesta furu och gran för konstruktionsändamål där den enda skillnaden mellan dessa material är att man inte kan tryckimpregnera gran.
(Issakson et al., 2017). I dagens byggindustri har trä tagit en alltmer större plats där materialet används i många olika ändamål; golvbeläggningar, stomkonstruktioner, ytter- och innerväggsbeklädnader, ställningar formar etc. Det finns även skivmaterial gjorda utav trä som plywood, spånskivor och lamellträ. Materialegenskaperna i träet har i hög grad styrts utav naturen och därför måste man räkna med stora variationer i egenskaper inom samma träslag.
Träets fuktinnehåll påverkar de flesta utav egenskaperna som materialet besitter
och sväller kraftigt vid ökat fuktinnehåll och krymper vid uttorkning. Fuktinnehållet
styr väldigt mycket i kvalitén och dimensionsstabiliteten på virket. Hållfastheten och
elasticitetmodulen sjunker då träets fuktinnehåll ökar. Vid dimensionering av
träkonstruktioner tas det i hänsyn i beräkningarna om belastning sker vinkelrätt eller
parallellt mot fiberriktningen (Burström, 2017).
2.5.1 Träbaserade skrivmaterial
Förutom stomkonstruktion i en byggnad med trä kan materialet även användas till
vägg- och takbeklädnad, undergolv och taktäckning i främst plywood, träfiberskivor
alternativt spånskivor. Träets användningsområde är väldigt brett, den har en väldigt
låg densitet vilket gör den väldigt lätt, men hållfastheten är inte lika stark som i en
betongbyggnad. Till sin lätta vikt har trä väldigt god hållfasthet. Träskivorna kan
användas som ytbärande material i takstolarna och som yttertakselement. I de bärande
konstruktionselementen i byggnaden benämns skivorna som konstruktionsskivor (K-
plywood, träfiberskivor och spånskivor). Materialvärden ges med hänvisning av
Eurokod 5 i EN-standarder. Träkonstruktioner indelas i 3 klimatklasser; klimatklass
1,2 och 3 enligt Eurokod 5 och hållfastheten varierar med fuktkvoten och
belastningstiden vilket det skall tas i hänsyn vid beräkningarna (SS-EN 1995-1-1).
3 Dimensionering
3.1 Laster
Enligt Isaksson, Mårtensson och Thelandersson (2017) kan en last definieras olika beroende på tid och typ. Det finns många olika laster med olika varierande variationer som alla ska tas hänsyn till vid ett förväntat beteende hos en byggnad. Bärande stomsystemets huvudsakliga uppgift är att föra ner laster från byggnaden till grunden och ta hand om dem på ett säkert och stabilt sätt. Det ska tillämpas standardiserade metoder där Eurokod 0 och 1 används i detta projekt. Modelleringsprogrammet FEM kräver att vissa laster läggs in manuellt i programmet som den sedan beräknas automatisk. Dimensioneringsprocessen sker när man har tillgång till ingångsdata för de grundläggande variablerna i dimensioneringen, där det består utav laster, materialegenskaper och geometriska storheter.
En modell är en enkel och förenklad beskrivning av verkligheten och som är anpassad till det ändamål som skall beräknas. Vid dimensionering kan även en beräkningsmodell vara aktuell som beskriver konstruktionens verkningssätt. Man använder även modeller för laster, konstruktionens geometri och för egenskaperna på materialet. Laster kan indelas i 2 olika klassificering med variation i rummet, bunden last och fri last. Bunden last är den last som har en entydigt bestämd fördelning, till exempel är det egentyngden av byggnadsdelar och snölast. Fri last är den last som inte har en bestämd fördelning och kan uppkomma på olika platser i byggnaden, till exempel last av varor i en lagerbyggnad, nyttig last och trafiklaster. Nyttiga laster kan vara personer, inredning och mjukvaror. (Issakson et al., 2017). Laster med hänsyn till tiden delas in i tre delar: permanent last (G), variabel last (Q), och olyckslast (A).
Permanent last varierar väldigt lite att den anses vara konstant i tiden, till exempel egenvikt och jordtryck. Variabellast är nyttiga lasten, det vill säga last av inredning, personer, snölast, vindlast och trafiklast som ses i tabell 2. Olyckslast är en sällan förekommande last då den sker vid olyckshändelse som till exempel explosion, brand eller jordbävning.
Variabel last har 3 olika lastnivåer med utgångspunkt i Eurokod. De olika psi-
värden anges med varsin last som visas i tabell 1. Programmet FEM-Design har dessa
inmatade automatisk och man kan välja vilken lastnivå som ska tillämpas.
o ψ0 är kombinationslastvärde o ψ1 är frekvent lastvärde
o ψ2 är kvasi-permanent lastvärde som beskrivs som lastens tidsmedelvärd
Tabell 2. Lastvarighetsklasser
Lastvarighetsklasser Exempel på laster
Permanent Egentyngd
Långtid Nyttiglast
Medellång Snö
Korttid Snö & vind
Momentan Vind & olyckslaster
Tabell 1. Psi-värden lastvarighetsklasser
3.2 Gränstillstånd
För bärande konstruktioner finns det 2 olika typer utav gränstillstånd, brottgränstillstånd och bruksgränstillstånd. Dessa är ett krav på bärande konstruktioners tillstånd i en byggnad där de är på gränsen att inte uppnå de krav den är dimensionerad för. Gränstillstånd och de 2 indelningarna kan också förklaras med att man vill skilja på allvarliga eller mycket allvarliga skador i konstruktionen och användning.
3.2.1 Brottgränstillstånd
Ett tillstånd där en konstruktionsdel eller hela konstruktionen går till brott betyder brottgränstillstånd. Dimensionering med hänseende på bärförmåga görs i brottgränstillstånd. Vid beräkning i detta tillstånd krävs det att dimensionerande lasteffekten vara mindre än den dimensionerande bärförmågan. Den dimensionerande lasten hittar man i Eurokod 0-1 och i boverkets konstruktionsregler EKS 11.
Konstruktionen är säker om bärförmågan är större än lasteffekten och kan räknas ut genom utnyttjandegraden. Det är förhållandet mellan den dimensionerande lasteffekten och bärförmågan som anges i procent. Om värdet ligger under 100% så klarar byggnaden av att stå emot den dimensionerande lasten, om värdet överstiger 100% så kan byggnaden inte stå emot de laster och brott kan uppstå samt brista. För att byggnaden ska anses klara av säkerhetsmarginalerna skall den ha en utnyttjandegrad under 100% som då anses vara säker (Issakson et al., 2017).
3.2.2 Bruksgränstillstånd
Med bruksgränstillstånd betyder det då att en konstruktionsdel eller hela konstruktionen har en oacceptabel funktion vid normal användning. Inga deformationer, större nedböjningar eller svikt skall förekomma till vardags som kan leda till större sprickor och skador i byggnadsdelarna. Här säkerställs funktionaliteten för byggnaden med hänsyn till människans välmående och behag. Därför strävar man efter att förhindra och begränsa sådana typer utav skador. Det finns inte riktigt klara riktlinjer och krav för bruksgränstillståndet utan där har konstruktören friare händer att välja en vettig gräns (Issakson et al., 2017).
3.2.3 Partialkoefficientmetoden
En verifikationsmetod som är mer anpassad för praktiskt bruk är partialkoefficientmetoden. Denna metod tar hänsyn till osäkerheterna vid dimensionering genom att direkt tillämpa sannolikhetsteoretisk beräkningsmetod.
Det krävs att man kan bestämma noggrant en godtagbar nivå på risken eller
sannolikheten för att brott ska ske. Värden på laster, hållfasthet och
partialkoefficienter bestäms av sannlikhetsteoretiska beräkningar. Fördelen med
partialkoefficientmetoden är den förhållandevis enkel att använda vid dimensionering, Metoden är internationellt accepterad och används av många länder i den gemensamma Eurocode (Issakson et al., 2017).
3.3 Nedböjning
Nedböjning kan förekomma i form av deformation av olika slag och varierande storlek i de flesta konstruktioner. Det finns flera orsaker till att deformationen bör minskas om den är för stor, det kan vara om deformation förekommer i bärande konstruktion kan den leda till skada i byggnadselementet. Deformationen kan också förändra de bärande elementens statiska verkningssätt. När deformationen har beräknats för konstruktionen som man vill dimensionera för bör man därefter kunna bedöma om denna deformation är acceptabel. Värdet på deformationen som är acceptabel uppfattas annorlunda mellan olika länder. Bruksgränsdimensionering skall appliceras beroende på material vilket gör att varje enskilt material har olika beräkningsmodeller. Även icke bärande element kan ta upp last och se till att bärande elementen får mindre påfrestningar vad gäller deformation (Issakson et al., 2017).
3.4 Spänning
Spänning handlar om belastning per ytenhet som är beroende av brottlasten, lastens storlek och materialprovets storlek. Spänningen som motsvarar brottlasten kallas för brottspänning eller brottgräns som innebär den maximala spänningsbelastningen ett material som kan ta emot vid sträckning eller dragning. Begreppet spänning syftar på drag och tryck, där dragspänning är positiva och tryckspänning är negativt. Ett annat begrepp för spänning som används är uttrycket påkänning. Normalspänning innebär den spänning som verkar vinkelrätt mot en yta och brukar betecknas med σ som står för sigma. Vid beräkning av spänning tar man inte till hänsyn av tvärsnittsminskningen som vanligen är mindre än 1 % just i det området som används i konstruktioner (Burström ,2017).
3.5 Förstärkning
Förstärkning är en metod som används för att förbättra eller förstärka stabiliteten i
den tänka byggnaden. Det kan vara för att byggnaden skall klara av extra tilltänkt
belastning eller i ”reperationssyfte” för att förstärka och friska upp byggnaden man
har. Förstärkning av en byggnad eller element kan ske när som helst, både i början av
byggfasen och slutet (Zumrawi et al., 2018). Livslängden för betong är ungefär 100
år så det behövs inte så mycket underhåll men utifrån brukarens behov kan
utformningen komma att ställa till lite begräsningar (svensk betong, 2020). Ibland kan
det krävas förstärkning på grund av jordbävningar, kollisioner, brand och andra
olyckor. När man gör ett ingrepp i byggnaden där det skall byggas en påbyggnad utav en eller fler våningar kan förstärkning både i byggnadens konstruktion och själva grunden behöva göras för att försäkra om att den befintliga byggnaden kommer att klara av ytterligare pålastningar horisontellt och vertikalt. Andra påverkan och effekter på referensbyggnadens stomme vid en påbyggnad såsom brand, ljud och jordbrott har inte utredds i denna studie.
3.5.1 Förstärkningsåtgärder
Valet av förstärkningssystem beror på många faktorer, tekniska faktorer såsom användbarhet, styrka, hållbarhet men även icke tekniska faktorer som estetisk, kostnad och konstruktion. Buyukosturk m.fl. (2004) hävdar att försiktighet måste beaktas vid förstärkning med hjälp av balk och pelare. Byggnadselementet som behöver förstärkas bör kontrolleras innan för att få en passande dimension och klass för att lastfördelningen inte skall avvika och ge påtryckningar på intilliggande element.
Byggnadsdelar som tillkommer som förstärkning kan ske med bärande väggar, balkar,
pelare och förstärkning utav fundament i grunden som hjälper till och komplettera
byggnadens bärförmåga (Al-Nu’man et.al., 2016). Krav på bärande konstruktioner
ska enligt plan- och bygglagen utformas på ett sätt att den skall vara lämplig för sitt
ändamål. Det ställs tekniska egenskaper som måste beaktas såsom bärförmåga, stadga
och beständighet. Vid en påbyggnad skall det precis som i en befintlig byggnad ha
tekniska krav som försäkrar om att byggnaden är stabil och kompletterar de svaga
elementen i byggnaden (Almssad, 2015). De nya elementen kräver en samverkan med
byggnadselementen som redan finns i en tilltänkt byggnad. De åtgärder som kan
behöva göras är att grund förstärka grunden då reaktionstrycket i grunden kan bli för
stort så att fundament som byggnaden står på kan riskera att gå till brott. Detta
fenomen kommer inte att undersökas i detta arbete då fokus ligger i byggnadens
konstruktion där det inte skall göra större ingrepp så långt det går. En annan
förstärkningsåtgärd kan vara att förstärka pelarna och balkarnas bärförmåga för att de
skall klara av ytterligare laster ovanifrån. Bärande ytterväggar kan också drabbas utav
påfrestningar vid en påbyggnad och där kan man gå in med balkar som avlastar
lastfallen som hamnar just på dessa väggar och komplettera de med pelare som för ner
lasten till grunden. Det är många parametrar som styr vilket tillvägagångsätt och
material man väljer och göra en förstärkning med, materialets slankhet,
hållfasthetsklass, plastisk och elastisk deformation har alla en inverkan och spelar roll
vid val utav förstärkning. Stål har använts som förstärkningsmaterial då man kan
utnyttja längre och högre spännvidder med det samtidigt som den tar upp draggrafter
väldigt bra (Berger et.al., 2020).
4 Metod
Forskningsmetoden för studien är en fallstudie som utförs genom modellering, analys och design utav en befintlig byggnad. Byggnaden moduleras, analyseras och designas utifrån tillgängliga data. I den befintliga byggnaden studeras det hur konstruktionen påverkas av att en våningspåbyggnad byggs på och om detta är möjligt med eller utan förändringar i byggnaden. Byggnaden återigen moduleras, analyseras och designas med de nödvändiga förändringarna för att se om den klarar av en påbyggnad.
Resultatet som ges efter analysen vid en påbyggnad kan visa oss vilka element som inte klarar av och behöver förstärkas. Då ska lösning ges till dessa element som gör att helheten i hela byggnadens konstruktion förutom grunden som inte tas till hänsyn får en utnyttjandegrad som är acceptabel. Under arbetets gång sker datainsamlingen i form av att planritningar, sektionsritningar, fasadritningar och egentyngder för byggnadsdelar analyseras.
4.1 StruSoft FEM-design 3D Structure
FEM-design 3D Structure är ett modelleringsprogram som används för beräkning och analys för element i byggnaden. Den används för design av bärande element, betong, stål, trä och grundkonstruktioner enligt Eurocod med NA (Strusoft, 2021).
Programmet hanterar alla typer av material och konstruktionselement och har kapaciteten att analysera en hel byggnad så väl som detaljer. Analysen baseras på Eurokod och den Nationala konstruktions standarden EKS. I programmet kan byggnadsdelar och material designas utifrån de analys som har erhålls. I design verktyget tas hänsyn till utnyttjandegraden som innebär förhållande mellan lasteffekt och bärförmåga för den aktuella bärverksdelen. För att få ett bra resultat från programmet krävs det att moduleringen är korrekt och noggrant utfört. Det finns många parametrar som kan påverka resultatet och för att komma nära ett verkligt resultat bör dessa parametrar beaktas och utföras enligt standarder.
4.1.1 Referens byggnad
I denna studie har en referensbyggnad använts som utgångspunkt för att sedan med
hjälp av beräkningsprogrammet Strusoft FEM-Design moduleras fram. Referens
byggnaden som undersöks ligger i Styrmansgatan 1 i Gävle med HSB som
fastighetsägare. Byggnaden har hög standard och fantastiskt läge med närhet till
tågstation och centrum. För att bo här ska den sökande vara mellan 18 och 25 år då
detta är ett ungdomsboende.
Byggnaden består av totalt tre våningar med valmat tak på 6 grader vilket gör att taket har ett takfall på alla fyra sidor. Takutformningen och lutningen på 6 grader gör att det blir mycket lättare med att göra ett tak lyft vid en påbyggnad. Dimensionen för planlösningen är 30,510 m längd och 12,428 m bredd. Våningshöjden är 2,65m på plan 1 och plan 2, plan 3 är 2,5 m från överkant på bjälklag till underkantbjälklag.
Byggnaden har bärande betongväggar som stabiliserar stommen, tjockleken är 150 mm på betongväggarna och 180 mm för armerad betongbjälklaget. Byggnaden har 2 hisschakt och trappupplopp med bärande element i form av betongväggar.
Byggnadens ritningar har mottagits från Gävle kommun. Bilderna nedan illustrerar den verkliga byggnaden som fotats av författarna som visas i Figur 5-6. Planlösningen med hjälp av tillhörande ritningar har ritats i Revit Architecture och är en tolkning av ritningarna av referensbyggnaden som ses i Figur 7-11
Figur 5. Visar referensbyggnaden som studeras. Eget foto
Figur 6. Kortsidan av referensbyggnaden som studeras. Eget foto
Figur 7. Planritning av plan 1
Figur 8. Planritning av plan 2
Figur 9. Planritning av plan 3
Figur 10. Konstruktionsritning
Figur 11. Konstruktionsritning bärande väggar
5 Genomförande
5.1 Genomförande delas upp i följande steg:
Steg 1 Referensbyggnaden moduleras i StruSoft FEM-Design och baseras efter planritning, form, tjocklekar och förutsättningar. Referensbyggnadens modell är utav betongkonstruktion med bärande väggar som bär byggnaden. Tillvägagångssättet sker med en noggrann modulering med all ingångsdata så som laster, hållfasthetsklasser och dimensioner. Sedan analyseras byggnaden med alla byggnadselement som föreligger för att kontrollera nedböjning, reaktioner, och drag-tryckpåkänningar.
Därefter designas byggnadselementen med tjocklekar och dimensioner utifrån acceptabel utnyttjandegraden som inte skall överstiga 100%. En stabilitetsanalys görs för att kontrollera stabiliteten av byggnaden. Detta steg kommer att utgöra grunden för den befintliga byggnadens modell.
Steg 2 Utförs genom att en extra våning läggs till på modellen av den befintliga byggnaden i steg 1. Byggnaden designas återigen för att kontrollera om byggnadens stomkonstruktion klarar av ytterligare pålastningar från påbyggnaden. Här kontrolleras förändring i form av nedböjningen, utnyttjandegrad och drag- tryckpåkänningar. Större fokus läggs på att kontrollera hur utnyttjandegraden, spänning, grundreaktion och nedböjning förändras vid en påbyggnad. Planlösning för det nya planet är densamma som i plan 3 för befintliga byggnaden.
Steg 3 Efter att steg 2 är genomförd kontrolleras vilka byggnadselement som får en utnyttjandegrad som stiger och vilka element som överskrider gränsvärdet 100%. Här skall förstärkningsåtgärder presenteras som är nödvändiga för dessa element som överskrider 100 %, det för att få en godkänd utnyttjandegrad i hela byggnaden som helhet tillsammans med nytillkomna byggnadselementen. Stabilitetsanalys jämförs med referensbyggnaden för att kontrollera om byggnaden är stabil nog att motstå framför allt horisontella laster.
5.1.1 Steg 1
För detta arbete har en referensbyggnad använts som utgångspunkt för att skapa den modell som arbetet ska grundas på med hjälp av programvaran FEM-Design. Här nedan visas stegen som kommer att ske:
⮚ Själva uppbyggandet av modellen, våningshöjd och våningsbredd med tillhörande byggnadselement.
⮚ Laster, här definieras de lastfallen, last grupper och lastkombinationerna.
⮚ Analys för lastfallen och lastkombinationerna.
⮚ Utdata för Nedböjningen, reaktionen, spänningarna och utnyttjandegraden.
⮚ Design utav armerad betongelementen, väggar och bjälklag.
⮚ Design av stål element som finns i taket.
⮚ Design av träplattorna som finns i taket.
Innan modelleringen av byggnaden startade valdes vilken nationell dimensioneringsregel som modelleringen skulle hålla sig till. Modellering innebär att man skapar en 3D-modell för ett byggnadsverk. Referensbyggnaden är lokaliserad i Sverige, därför var det tillämpligt att använda nationella dimensioneringsregel NA:
Swedish, se figur 12. När modelleringen skapas är utgångspunkten i FEM från vänster till höger. Modellen skapas utifrån planritningar med alla indata och laster. Först klargörs referensbyggnadens struktur genom våningshöjd, antal våningar och bredden samt längden på byggnaden. Höjden på byggnaden kan ses i tabell 3. Därefter skrevs dessa värden i verktyget som benämns story se figur 13. Sedan skapas systemlinjer vilket gjordes utifrån verktyget Axis, se figur 14. Systemlinjerna modellerades enligt konstruktionsritningar för referensbyggnaden. Vid färdigställd modell och noggrant tillvägagångssätt analyseras byggnaden för att kontrollera nedböjning, spänning, reaktion och utnyttjandegrad. Nästa fas är att designa byggnadselementen där det startas med armerad betong, stål och sedan trä.
Koordinatsystem som används i FEM är X som ligger längs den primära riktningen, Y som ligger tvärs längs sekundära riktningen och Z som avser höjd.
Figur 12. Configuration Eurocode (NA:Swedish).
Figur 13 Verktyg story och axis.
Tabell 3. Våningshöjder för referensbyggnaden
Våningsplan Höjd (m)
Markplan 2,6
Plan 1 2,6
Plan 2 2,5
Taket 1,7 till taknock, 6 grader takvinkel
Hiss 0,3 från taknocken
Byggnaden modellerades först i bärande betongväggar och armerad betongbjälklag och då användes verktygen Plane Wall och Plane plate se figur 15. Här valdes även dimension, materialegenskap och infästning för varje byggnadselement. Bärande betongväggarna valdes med hållfasthetsklass C30/37, tjockleken var 150 mm.
Våningshöjden behövs när bärande väggar ska läggas på systemlinjer. Verktyget Plane Plate användes för att lägga armerad betongbjälklaget med samma hållfasthetsklass och tjocklek på 180 mm. Våningshöjden behövs när bärande väggarna ska läggas på systemlinjer se figur 16. Därefter användes Verktyget hole för att göra nödvändiga öppningar i väggen som exempelvis fönster- och dörröppningar. Väggen utan öppningar visas i figur 18 och 20 väggen med öppningarna visas figur 19 och 21. Dessa öppningar påverkar hållfastheten och därför är det viktigt att ta hänsyn till öppningarna och dess geometri.
Figur 14: Systemlinjer för bärande element
Figur 14. Systemlinjer för bärande element
Figur 15. Verktyg plane wall och plane plate.
Bjälklagen modelleras med mått enligt figur 22. Armerad Betongbjälklaget uppdelades i sju olika skikt där hiss och trappan är placerade finns det öppning se Figur 23. Hiss betraktas också som bärande element i byggnaden och når ända upp till taknocken.
Figur 16. Verktyg Plane wall Figur 17. Verktyg Hole
Figur 18. Vägg utan fönsteröppning Figur 19. Vägg med fönsteröppning
Figur 20. Vägg utan dörröppning Figur 21. Vägg med dörröppning
Verktyget Line support användes för att placera ut linjestöd där bärande väggarna har sitt stöd mot marken se Figur 24. Eftersom byggnaden har bärande väggar som vars stöd verkar mot marken väljs därför Line support. För bärande betong väggarna valdes verktyget ”fixed” då betongväggarna antas vara fast inspända se Figur 25.
.
Figur SEQ Figur \* ARABIC 24:
Verktyg line support group
Figur 25. Verktyg Rigid Figur 23. Bjälklagets modellering
Figur 24. Verktyg för line support group
Taket modelleras stegvis med balk och pelare som huvudbärande element där pelare och balk placeras symmetriskt. Takvåningen är ett så kallat valmat tak som är en takstruktur med ett takfall mot byggnadens fyra sidor och en lutning på 6 grader.
Konstruktionen på taket består av balkar, pelare och plattor enligt Figur 26. Balkarna och pelarna i takets konstruktion är kallformade konstruktionsrör (KKR).
Träplattorna är placerade mellan balkarna för att stänga igen taket som stöds utav väggar bestående utav träskivor som finns på kort och långsidorna. Hisschaktet och trappupplopp som är uppdelade i 2 områden av byggnaden ligger 0,3 m över taknocken vilket gör att den sträcker sig ända upp ovanför taket. Hisschaktet och trappupploppet består utav bärande väggar som stänger igen det som ett skal från nedanliggande plan. På taket högst upp är det platta utav trä som stänger taket se figur 27-28.
Figur 26. Verktyg för takkonstruktion
Figur 27. Takvåning konstruktion
Figur 28. Takvåning konstruktion träplattor
Fasaderna utformas enligt Figur 29 till Figur 32, där ingår öppningar för fönster och dörrar samt våningshöjd för de olika planen och taket. Hissen går 0.3m upp till taknocken som består utav bärande väggar.
Figur 30. Fasad mot X+
Figur 29. Fasad mot X-
Figur 31. Fasad mot Y-
Figur 32. Fasad mot Y+
Verktyget cover används för att lägga in själva skalet på byggnaden och dess specifika funktion är att den kan bära last i alla riktningar vilket ger en smidig lastfördelning i hela modellen se Figur 33. För att konstruktionen och byggnaden ska kunna bära laster är cover en viktig funktion som fördelar lasterna. Cover fungerar också som ett täckskikt av olika material som skyddar mot nederbörd och vind. Detta innebär att snölasten som läggs på taket kommer först att hamna på ett täckskikt som därefter för ner lasten vidare till takkonstruktionen. När modelleringen är korrekt utförd för referensbyggnaden som består utav bärande väggar av armerad betong och armerad betongbjälklag som visas i figur 34, är nästa steg att förse hela byggnaden med cover som är ett verktyg för att hantera lastfördelningen som kan ses Figur 35.
Figur 33. Verktyget Cover .
Figur 34. Referensbyggnadens modellering
’
Nästa moment var att definiera de nödvändiga lasterna i byggnaden under verktyget
”loads” se figur 36. Lasternas varaktighet och typ bestäms utifrån lastfall där programmet FEM-Design automatiskt visar standardinställningar för psi värde.
Beroende på lastfall finns det olika namn, typ och lastvaraktigheter enligt Figur 37.
Dessa laster bildar grupper där partialkoefficienterna ingår enligt Figur 38. Beroende på last typ har permanent och temporära lastfall antagits under lastgrupper.
Figur 36. Verktyget Load cases.
Figur 35. Referensbyggnadens Cover
Vissa innerväggar betraktas vara bärande och då har dessa väggar en ”linjelast” enligt Figur 39. Snölasten på taket antas vara 2,5kN/m2 enligt orten Gävles snözon se Figur 40. Nyttiglast på 2.5 kN/m2 och egentyngden på 0.5 kN/m2 appliceras på båda planen som utbredd last ses i Figur 41-43.
Figur 38: Last grupper Figur 37: Lastfall.
Figur 37. Lastfall Figur 38. Last grupper
Figur 39. Innerväggarnas lastfall = 0,035 kN/m
2Figur 40. Snölasten på taket = 2.5 kN/m
2Figur 41. Egentyngd på taket
Figur 42. Takservice = 0.5 kN/m
2Figur 43. Nyttig last Q = 2.5 kN/m
2Vindlasten generas av programmet och vindhastigheten antas vara 23 m/s se Figur 44.
Programmet FEM applicerar sedan automatisk vindlasten på byggnadens sidor i X och Y-led. Vindlasten påverkar byggnaden från två sidor, läsidan och lovartsidan se Figur 45 och 46.
Figur 44. Vindlastgenerator
Figur 45. Vindlast på läsidan
FEM visar därefter de aktuella lasterna i form av lastkombinationer enligt Figur 47.
Med verktyget ”generate” genereras alla de belastande lastfallen som ska ingå i lastkombinationen som byggs upp, alla lasftall kan ses i Bilaga A.
Figur 47: Lastkombinationer
Figur 46. Vindlast på lovartsida
Nästa moment var att utföra analys av hela byggnaden med standardelement med 4/3/2 knutor se Figur 48. När modellen är helt klar och en korrekt utförd modellering och indata görs sedan en analys. Under fliken ”calculations” kryssades
”load combinations” i som programmet FEM sedan gör en analays av alla lastkombinationer. För att kunna göra analysen måste lastkombinationerna kryssas enligt figur 49.
Figur 48. Analys utifrån standard element
Figur 47. Lastkombinationer
Analysen kan ta olika lång tid beroende på hur många element och hur omfattande byggnaden är som ska analyseras. Finite elements väljs innan analysen för att bestämma precisionen i analysen som ses i Figur 51. När analysen är färdig kan man mängder med resultat kontrolleras. Under verktyget ”new result” kan man få ut resultaten på nedböjning, reaktioner och spänningar etc i fliken ”display result” se Figur 50. För att kontrollera nedböjning väljs ”translational displacements” och där väljs Kvasi-permament tillstånd vilket visar långtidslast som är aktuell vid brukgränstillstånd. Spänningarna kan kontrolleras under fliken ”shell stresses” och de spänningar som kontrolleras för är Sigma +X och +Y topp och Sigma +X och +Y bottom. Reaktioner från grunden hämtas under fliken ”reactions”.
Figur 49. Lastkombinationerna i analysen
Referensbyggnadens utseende kan ses nedan i Figur 52.Befintliga byggnaden fick en nedböjning på 2,7 mm vilket är en väldigt bra och låg nedböjning och kan ses i figur 53. Den maximala reaktionen i grunden var 231.6 kN i Fz`- axeln se Figur 55. En mesh enlig referensbyggnaden genereras av programmet under Fliken ”Finite elements och ser ut som nedan, se figur 54. Utmärkande spänningar för armerad betong bjälklag kan ses i Figur 56-58. Spänningarna som tagits fram för väggelementen redovisas i illustrationerna nedan se Figur 59-61.
Figur 51. Verktyg Finite elements
Figur 50: Display results
