GRÖNA FAKTA. Hårdgjorda ytor och dagvattenhantering samverkar i framtidens städer

Transkript

1 GRÖNA FAKTA Hårdgjorda ytor och dagvattenhantering samverkar i framtidens städer I takt med att städerna växer försvinner den naturliga markytan och ersätts med olika hårda och mindre vattengenomsläppliga material. Tillsammans med klimatstörningarna leder denna utveckling till allt fler översvämningar och överbelastning av dagvattensystem. Med nya systemlösningar främjas lokalt omhändertagande av dagvatten genom flödesutjämning, rening och infiltration till stadens gröna ytor. Användning av systemlösningar har en mycket stor potential men kräver en bredare samverkan inom kommunerna/städerna när det gäller stadsplanering, upphandling med mera. Här redovisas några av resultaten avseende nya metoder för dimensionering av hårdgjorda ytor i det nyligen avslutade forskningsprojektet Grågröna systemlösningar för hållbara städer. av Fredrik Hellman, Kurt Johansson, Jörgen Larsson och Björn Schouenborg Gröna Fakta produceras av tidningen Utemiljö i samarbete med branschens experter

2 II Nya systemlösningar krävs I DET VINNOVA-FINANSIERADE projektet Grågröna systemlösningar för hållbara städer har forskare och industrirepresentanter, konsulter och kommuner samarbetat för att utveckla kunskap som kan bidra till att städer står bättre rustade inför ökad urbanisering och ett mer nederbördsrikt klimat. Projektet pågick från september 2012 till december 2014 och involverade 22 aktörer i åtta olika arbetspaket med innehåll alltifrån dimensionering av dränerande hårdgjorda ytor och handfasta råd kring trädetablering till beräkningsmodellering av dagvattenlösningar. I projektet har både olika discipliner inom forskar- och konsultkåren och olika delar av industrin som normalt sett inte samverkar, gjort detta, då Utmaningarna kopplade till de hårdgjorda ytorna ligger i att bibehålla konstruktionernas lastbärande förmåga samtidigt som den utgör en aktiv del av dagvattenhanteringen utmaningarna som projektet syftar till att möta kräver breda lösningar över de traditionella arbetsområdena. Nära samarbete har även bedrivits med det finska projektet CLASS (Climate Adaptive Surface Systems) och det belgiska vägforskningsinstitutet BRRC. FÖRSLAG TILL LÖSNINgar har undersökts för att skapa hållbara attraktiva städer där träd och vegetation trivs, översvämningsriskerna minskar och där de hårdgjorda ytorna på bland annat torg, parkeringsytor och smågator utgör en integrerad del av dagvattenlösningarna. Utmaningarna kopplade till de hårdgjorda ytorna ligger i att bibehålla konstruktionens lastbärande förmåga samtidigt som den utgör en aktiv del av dagvattenhanteringen. Detta kan exempelvis ske genom olika typer av vattengenomsläppliga hårdgjorda ytor i kombination med någon form av dike eller biofilter. Ett annat alternativ är att man använder sig av en traditionell, tät yta men leder vattnet ned inunder konstruktionen till en permeabel grund som långsamt fördelar vattnet vidare. Även träd utgör en aktiv komponent genom dess utjämnande inverkan på dagvattenflöden. I projekttiteln syftar alltså det gråa på de hårdgjorda ytorna och det gröna på vegetationen. Egentligen borde också ordet blåa ingå i projekttiteln för att representera dagvattenaspekterna. Alla tre delarna är nödvändiga att beakta för att ta fram systemlösningar, men i denna artikel ligger tyngdpunkten på hårdgjorda ytor och dagvattenhantering. I DE FÖLJANDE avsnitten redovisas resultaten från ett urval av de genomförda aktiviteterna och hur dessa bidrar till att skapa systemlösningar för hållbara städer.

3 III Tester av hållbarheten hos dränerande konstruktioner NYA SYSTEMLÖSNINGAR KRÄVS för att förbättra klimatet i städerna och hantera klimatförändringarna. Kraven på dessa system är att de är funktionella, hållbara och billiga i drift. Detta ställer höga krav på konstruktionen och dess utförande. I många fall ska konstruktionerna klara stora och upprepade laster som till exempel busstrafik, renhållningsmaskiner och lastbilstrafik. Om vägytan ska vara dränerande krävs att resten av överbyggnaden också är dränerande och kan hantera vatten med bibehållen bärande konstruktion. Detta ställer stora krav på material, konstruktion och utförande. Projektet har utfört fullskaliga labbförsök för att studera nedbrytning och hållfasthet för olika markstenslösningar, inklusive dränerande överbyggnad, och skelettjord. Dessa system har jämförts mot standardkonstruktioner med betongmarksten och naturstensplattor. De undersökta dränerande konstruktionerna har varit uppbyggda av obundna bäroch förstärkningslager som saknar finfraktionerna upp till 4 mm. Den dränerande sättsanden bestod av fraktionerna 2 4 mm. De dränerande stenarna har haft fogar som möjliggör dränering. Konstruktionen har designats så att vatten lätt kan dräneras från ytan och ner. Systemen är lämpliga som fördröjningsmagasin och lokalt omhändertagande av dagvatten. SKELETTJORDSKONSTRUKTIONERNA HAR varit uppbyggda efter de principer som tillämpas av Stockholms stad. Förenklat kan man beskriva att de består av en tät överyta (marksten eller asfalt) på en skelettjord bestående av mm makadam med nedspolad jord som till viss del fyller upp hålrummet. Vatten- och gasutbyte sker genom speciella brunnar. Systemen är designade att förbättra trädens möjligheter att utveckla sitt rotsystem och överleva i tät stadsmiljö. Accelererad provning med HVS på två dränerande markstensytor. Utöver laboratorieförsöken har även fältundersökning av styvheten hos byggda skelettjordskonstruktioner och dränerande ytor genomförts i Stockholm, Malmö och Kristianstads kommuner på sex olika platser. Fullskaleförsök I PROJEKTET HAR det provats olika systemlösningar med markstenar från Starka och naturstensplattor från Emmaboda Granit i VTI:s provutrustning (HVS-Heavy Vehicle Simulator). Provbelastning och accelererad provning av vägkonstruktioner har utförts i full skala under kontrollerat klimat. Utöver HVS-provningen har fallviktsundersöknngar genomförts före och efter provningen. HVS-utrustningen simulerar nedbrytning från tung trafik. Försöken kan utföras relativt snabbt då dygnskapaciteten är klart högre än för normal trafik. Många års trafik kan simuleras på några veckor. Utrustningen används till att studera nedbrytningsförlopp av vägkonstruktioner. Detta görs genom att utvärdera hur olika material och konstruktioner bryts ner under inverkan av trafik samt att kartlägga livslängder. Utrustningen fungerar så att ett belastat dubbelt lastbilshjul körs över en testyta med given variation i sidoläge. I större delen av testen var belastningen 60 kn vilket motsvarar axeltrycket 12 ton från en tung lastbil. Erhållet spårdjup har uppmätts och ett medelspårdjup har sedan räknats ut. Vid ungefär halva provtiden har grundvattennivån höjts till cirka 30 cm under terrassnivån. Resultaten visar att styvhet och bärighet är sämre än standardkonstruktioner, men förutsättningarna att använda den dränerande konstruktionen på lågtrafikerade gator finns. Eftersom finmaterialet saknas är spårdjupsutvecklingen stor i början men planar ut efter att ytorna trafikerats. Resultaten föreslår att den största delen av spårbildningen i dessa försök beror på efterpackningen av dränerande sättsanden. Det är möjligt att använda skelettjordsöverbyggnad även på trafikerade gator om de dimensioneras och byggs på ett rätt sätt. Mer allmänt kan man för markstenskonstruktioner (betong och natursten) säga att sättsandslagret bör läggas så tunt som möjligt för att minska sättningarna. Jämnhet och packning av bärlagerytan bör kontrolleras innan stenarna läggs. Sättsanden ska inte användas som avjämningslager på ett ojämnt bärlager. Risken är då stor att det uppstår problem som ojämnheter och spruckna plattor. Vidare bör bärlager och förstärkningslager packas mer än de föreskrivna sex överfarterna med vibroplattan för att uppnå optimal packning. Fältundersökningar RESULTATEN FRÅN FÄLTMÄTNINGAR från Malmö, Stockholm och Kristianstad kommuner har jämförts med resultaten från fullskaleförsöken på VTI. Resultaten visar att skelettjordskonstruktionerna har en bra styvhet och bärighet som motsvarar standardkonstruktioner.

4 Stort behov av ny och enklare Traditionell överbyggnad projektet utvecklas nya system av permeabla överbyggnader, vilket ökar kravet på precision i utförandet. Målet är att utveckla ett expertsystem för dessa nya överbyggnader och då är det viktigt att ha de traditionella, kända överbyggnaderna som grund. Det handlar om urbanmiljön med trafikbelastningen max trafikklass 2. Hur ser dessa ut i verkligheten? I DET BESKRIVNA FOTO: LENA M FREDRIKSSON IV Något att undvika. I flera fall överensstämmer inte den utförda överbygganden med föreskrivande handlingar eller att dessa avviker från gällande anvisningar. Det är framför allt bärlagrets överyta som är ojämn och håller fel nivå, varför sättsanden då blir utjämningslager, vilket är olämpligt då sättsanden har dålig bärighet och skall vara en tunn bädd för beläggningsplattorna. Man påpekar att det är svårt hitta anvisningar om urbana överbyggnader Figur 1: Överbyggnaden, exklusive slitlager. De olika lagrens funtion/ uppgift och kraven på dem. Siffrorna anger i viken ordning beräkningen ska ske. Så här görs be Steg 1: Trafikklassen fastställs. Denna beräknas efter antalet överfarter av standardaxlar under objektets livslängd. För urbana miljöer fungerar detta beräkningssätt mindre bra. Svensk markbetong har därför tagit fram ett förenklat system. Steg 2: Bärlagrets uppgift är att bära trafiklasten, varför dess tjocklek bestäms av trafikklassen. Steg 3: Terrassmaterialets karaktär bestäms enligt en klassningstabell. Terrassen bär hela överbyggnaden, och dess materialkaraktär är avgörande. Steg 4: Förstärkningslagrets uppgift är att förstärka terrassen och dess tjocklek bestäms av terrassmaterialklassen och trafikklassen.

5 V dimensioneringsberäkning och att de är utspridda på flera olika publikationer. Respekten förloras då för de krav som måste ställas på varje lager i överbyggnaden. Tillverkare av beläggningsplattorna har egna anvisningar om överbyggnadens dimensionering, Det fanns alltså behov av ett förenklat, lättbegripligt dimensioneringssystem för traditionella överbyggningar. Detta underlättar också vid egenkontroll och besiktning. Förenklad dimensioneringsberäkning EFTERSOM NATURSTENS- OCH markbetongbeläggningar ställer samma överbyggnadskrav har Sveriges Stenindustriförbund och Svensk Markbetong enats om en förenklad dimensionsberäkning, utan avkall på tekniska krav. Förenklingen består i att de mått som anges i de olika befintliga anvisningarna har sammanjämkats. Mycket har tagits från Svensk Markbetong Varje lager i överbyggnaden har sin funktion, vilket ställer utförandekrav som måste respekteras. Figur 1 beskriver överbyggnaden exklusive slitlagret och Figur 2 slitlagret. Siffrorna i figurerna anger beräkningsgången. Det finns ett sammanställningsblad i Excelformat, Bilaga A: Dimensioneringsberäkning för överbyggnad. Den kan laddas hem från: greenurbansystems.eu/sv/resultat/wp2/ Sidor/default.aspx Figur 2: Slitlagrets olika delar, dess funktion/uppgift och krav. räkningarna: Steg 5: Slitlagret, figur 2, består av sättmaterial, beläggningsplattor och dimensioneras efter trafikklass, samt fogsand som ska hålla isär plattorna. Sättsanden saknar bärighet och ska vara så tunn som möjligt. För dimensionering av plattorna hänvisas till leverantören. För markbetong: Beläggning med plattor och marksten av betong För natursten: Bilaga B Dimensioneringsberäkning för överbyggnad. Laddas hem från: greenurbansystems.eu/sv/resultat/wp2/sidor/default.aspx Steg 6: Kontroll av terrassmaterialets tjälfarlighet och kontroll av klimatzon. Steg 7: Eventuell ökning av förstärkningslagrets beroende på värdena i steg 6. Steg 8: Slutlig kontroll av höjderna till färdig beläggningsyta. Ev. justeringar får inte göras i sättsandslagret.

6 VI Gör vi naturstensplattorna onödigt tjocka, och i så fall varför? I laboratorium uppmättes brottkraften för olika dimensioner på granitplattor då dessa tryckbelastades i mitten i likhet med vad som kan inträffa då ett stödben från ett servicefordon sätts ner. Bilden visar sambandet mellan brottlast och tjocklek för en platta med bredden 350 mm och längden 700 mm. Genom att den beräknade brottlasten enligt SS-EN 1341:2012, röd heldragen linje, är betydligt lägre än den uppmätta, blåa kryss, görs naturstensplattorna onödigt tjocka om dimensionering utförs enligt SS-EN 1341:2012. I VÅRA STÄDER finns många anläggningar med hårdgjorda ytor där slitskiktet, det vill säga det översta lagret, exempelvis kan utgöras av asfalt, betongmarksten och naturstensplattor (även kallade hällar) enskilt eller i kombinationer med varandra. Slitskiktet påverkar konstruktionens förmåga att hantera dagvatten antingen genom dess förmåga att släppa genom vatten eller avleda det. Det inverkar också på konstruktionens lastbärande förmåga, vilket innebär att slitskiktet inte får brista då det belastas av trycket från exempelvis däck eller stödben. I det följande fokuseras på den lastbärande förmågan hos naturstensplattor. Rätt tjocklek innebär att naturresurserna hushålls med, att anläggningsarbetet inte blir onödigt tungt och att kostnaden hålls nere. Slitskiktet fördelar lasten till den underliggande delen av konstruktionen. Denna utgörs av flera lager av olika fraktioner av krossat berg eller motsvarande. I obundna konstruktioner ligger naturstenen på en bädd av sättsand. Under denna finns bärlagret följt av förstärkningslagret. Samtliga delar måste samverka och vara anpassade till varandra för att konstruktionen skall fungera som avsett. I standarden SS- EN 1341:2012 erbjuds möjlighet att dimensionera tjockleken utifrån kännedom om naturstensplattans längd och bredd, last, böjhållfasthet och underliggande konstruktion. Beräkningsformeln för brottlast hos stenplattorna baseras på så kallad balkteori, vilket i detta fall innebär att naturstensplattan dimensioneras som om den vore långsmal och upplagd på stöd längs kortsidorna. Då denna beskrivning avviker från hur en verklig konstruktion med naturstensplattor är uppbyggd utfördes inom ramen för projektet ett antal laboratorietester. BENDERS BOHUSGRANIT FRÅN Ävja i kombinationer av tjocklekar mellan 40 och 120 mm samt bredder och längder mellan 350 och 1050 mm, trycktes till brott liggandes på cirka 25 mm packad sättsand 0/5 med ett cirka 150 mm tjockt packat bärlager 0/32 på betonggolv. Kraften överfördes med hjälp av en stålcylinder med diametern 100 mm med en mellanliggande gummiduk. Detta motsvarar tryckytan från ett däck eller från ett stödben på ett servicefordon. För varje dimension beräknades brottlasten enligt SS-EN 1341:2012, Bilaga A, och jämfördes med uppmätt brottlast från laboratorietesterna. Resultaten visar att brottlasterna beräknade enligt SS-EN 1341:2012 är betydligt lägre, upp till 2,5 gånger så låga, jämfört med de uppmätta brottlasterna. Detta innebär att tjockleken på plattorna enligt SS-EN 1341:2012 skulle behövt vara runt 60 procent tjockare för att erhålla den hållfasthet som uppmättes i laboratorietesterna. Detta gäller utan hänsyn tagen till de i standarden föreslagna säkerhetsfaktorerna och användandet av karaktäristiskt värde på böjhållfastheten, vilka i sin tur innebär att plattorna skulle behövt göras än tjockare. SS-EN 1341:2012 beskriver inte heller den principiella inverkan av geometrin på brottlasten korrekt genom att den ger tjockleken en större betydelse än vad den i verkligheten har. Vidare ger inte plattor med olika bredd och längd, men samma förhållande mellan dessa (till exempel 350x350 och 1050x1050) samma brottlast. I arbetet ingick även en mindre studie med betongmarksten Siena från Starka på obundet underlag samt granitplattor på bundet underlag med samma slutsatser. RESULTATEN VISAR ALLTSÅ på att dimensionering enligt SS-EN 1341:2012 inte utförs på rätt grunder. I det föreslagna fortsatta arbetet ska därför nya dimensioneringsanvisningar tas fram med indelning i tre olika klasser beroende på plattornas dimensioner. Nya säkerhetsfaktorer ska också tas fram utifrån brottlaster uppmätta på plattor i ett urval av befintliga anläggningar.

7 VII Från översvämning i Malmö FOTO OCH COPYRIGHT: JOHNSSON Smidigare dimensionering med webbverktyg DEN ÖKANDE URBANISERINGEN leder till en förtätning av städerna när fler invånare skall få plats på samma yta. I kombination med förväntat ökande nederbördsmängder behövs ett systemperspektiv för att skapa städer med säkra infrastukturlösningar där risken för översvämningar minimeras och en miljö där även vegetationen trivs. Traditionellt utförs konstruktion av hårdgjorda ytor och dagvattenanläggningar av olika yrkesgrupper som normalt sett inte har några större beröringspunkter. För att kunna ta fram systemlösningar som kräver kompetens från båda områdena har därför ett webbaserat dimensioneringsverktyg tagits fram. Med hjälp av detta verktyg kan användaren dimensionera anläggningen, som kan vara en torgyta, en smågata eller en parkeringsyta, både med avseende på trafiklaster och på dagvattenhantering. VERKTYGET ÄR UPPBYGGT så att den hårdgjorda ytans underliggande konstruktion först bestäms utifrån den trafikklass som användaren väljer. Detta har sin grund i den förenklade dimensioneringsmetod som vi redogör för i tidigare avsnitt. Genom detta bestäms fraktionen och tjockleken på sättsands-, bär- och förstärkningslager, efter det att anläggningstypen och ytskiktet definierats. Användaren kan även välja att specificera en angränsande dikeslösning. I nuläget finns krossdike, svackdike och biofilter med vegetation som valbara alternativ. Även antalet dräneringsrör och djupet där dessa finns nerlagda specificeras. Med hjälp av data som finns lagrat i verktyget, till exempel porfraktioner (mängden luft i materialet), vattengenomsläppligheten för konstruktionens olika lager och underliggande material och regndata, beräknas den kritiska intensiteten och varaktigheten på regnet, vilka baseras på beräkningar från dagvattenmjukvaran StormTac. Utifrån denna information beräknas erforderlig vattenvolym att lagra. Denna jämförs med tillgänglig volym under den hårdgjorda ytan tillsammans med eventuellt dike, som då används som fördröjningsmagasin. Är vattenvolymen att lagra större än den tillgängliga volymen ombeds användaren att konstruera om, antingen genom att göra förstärkningslagret tjockare, ändra antalet dräneringsrör eller att ändra dimensionen på diket. Därefter körs programmet igen så att användaren kan se effekten av de gjorda ändringarna. Resultaten presenteras summerade med alla indata tillsammans med beräknade data i en illustrerande grafik. VERKTYGET UTGÖRS I nuläget av en stomme och ska expanderas till att gälla nya typer av dränerande överbyggnader i takt med att nya forskningsresultat tas fram, där resultat från HVS-tester, som redogjorts för ovan, utgör en del. Kompletterande undersökningar på en anläggnings lastbärande förmåga då förstärkningslagret används som fördröjningsmagasin för dagvatten, planeras också. Det finns också framtida intentioner att integrera träd och växter i verktyget. Detta eftersom hårdgjorda ytor, dagvattenhantering och vegetation är kopplade till varandra. Mängden dagvatten påverkar livsbetingelserna för vegetationen som i sin tur har en flödesutjämnande effekt genom vattenupptag. Vegetationen kräver ett visst utrymme i marken för att trivas, vilket innebär att detta måste tas hänsyn till i relation till avståndet till en angränsande hårdgjord yta. En länk till dimensioneringsverktyget finns på projektets hemsida: greenurbansystems.eu/sv/ resultat/wp2/sidor/default.aspx Det är fritt att prova verktyget efter det att man registrerat sig som användare. Dimensioneringsverktyget kan laddas ner från greenurbansystems.se och är fritt att prova.

8 VIII Kontrollrutiner sparar pengar och ger ökad säkerhet DENNA KONTROLLRUTIN HAR tagits fram för att underlätta besiktningskontroll och egenkontroll av överbyggnader med hårda naturstens- och markbetongbeläggningar för trafikklass G/C, 0, 1 och 2 i urbana miljöer. Som nämnts tidigare, kommer de urbana överbyggnaderna i framtiden att påläggas funktioner utöver den rent trafikbärande, alltså mer komplexa, vilket innebär ökade krav på ett exakt utförande. Dessutom kan vi konstatera att även dagens traditionella standardöverbyggnader inte alltid får ett fackmannamässigt utförande. Ett vanligt fel är att bärlagrets överyta är ojämn och inte håller rätt nivå, Ett annat problem kan vara att bär- och förstärkningslager är otillräckligt komprimerade/packade. Vid slutbesiktningen när slitlagret är lagt, kan överbyggnaden under inte besiktigas utan ingrepp. Brister där ger sig till känna först efter flera år. Egenkontrollen ska ju säkra de icke synliga delarna, men det inte är inte alltid denna fungerar som den ska. Denna besiktningsrutin är en hjälp för detta. Rutinen kan också ses som en checklista även för föreskrivande led vid projekteringen. Blanketten Kontrollbeskrivning bör gås igenom vid första byggmötet (eller tidigare). Då kan man undvika mycket bekymmer och spara pengar! Kontrollrutinen RUTINEN BESTÅR AV blanketter med anvisningar. Blanketterna består av två set, ett för överbyggnad exklusive slitlager och ett för slitlagret. Varje set har två blanketter, Kontrollbeskrivning och Kontrollprotokoll. Följer man dessa kan utförandet bedömas vara säkert. Ladda ner Kontrollrutin för naturstens- och markbetongöverbyggnader när du läser detta. Den finns på: greenurbansystems.eu/sv/resultat/ wp2/sidor/default.aspx Steg 1. Överbyggnaden exkl. slitlager. Två blanketter. Kontrollbeskrivning: Genomgång av handlingarna mot vilket utförandet ska kontrolleras. Helst i samband med första byggmötet. Kontrollprotokoll: Vid besiktning eller egenkontroll: hur stämmer utförandet mot kontrollbeskrivningen (och byggmötesprotokollen)? Steg 2. Kontroll av slitlagret. Två blanketter. Rutinen från steg 1 upprepas. Det finns ett blankettset för natursten och ett för markbetong. Kontrollrutin för icke-permeabel överbyggnad. Utveckling av rutinen BLANKETTER KAN OCKSÅ läggas in på en anpassad app. Rutinen kan enkelt utvidgas med ytterligare kontrollpunkter och till andra material. Denna kontrollrutin har tagits fram i samarbete med BEUM (Göran Andersson), Sveriges Stenindustriförbund (Kurt Johansson) och Svensk Markbetong (Erik Simonsen, Jan Lang). Fakta och lästips Många initiativ och samarbeten har påbörjats inom ramen för projektet, men en hel del arbete återstår att utföra innan systemlösningarna är färdigutvecklade och implementerade i våra städer. En ansökan om nya forskningsanslag skickades därför in till Vinnova i början av året. I början av maj godkändes projektförslaget. Det nya projektet startar under andra halvan av 2015 och löper under två år. På projektets hemsida, greenurbansystems.eu, finns mer information såsom samtliga projektrapporter och presentationer från slutseminarium. Här framgår också vilka företag, kommuner och forskningsutförare som arbetat tillsammans i projektet. Referenserna till innehållet i denna bilaga finns också på projektets hemsida: greenurbansystems.eu/sv/resultat/wp2/sidor/ default.aspx Detta nummer av Gröna Fakta är skrivet av Fredrik Hellman, filosofie doktor inom berggrundsgeologi, Kurt Johansson, adjungerad professor vid SLU i ämnet natursten som bygg- och anläggningsmaterial, Jörgen Larsson, civilingenjör inom materialteknik och hållfasthetslära, SP, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut och Björn Schouenborg, filosofie doktor i mineralogi och petrologi, CBI. Gröna Fakta 4/2015. Redaktör: Florence Oppenheim ISSN