Samverkansbjälklag betongmassivträ

Transkript

1 Samverkansbjälklag betongmassivträ Concrete-timber composite floor Hans Järnmark Waadi Jedid Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Byggingenjör, 180 hp Nr 9/2014

2 Samverkansbjälklag betong-massivträ Concrete-timber composite floor Hans Järnmark, Waadi Jedid, Kandidatuppsats examensarbete Ämneskategori: Teknik Högskolan i Borås Institutionen Ingenjörshögskolan BORÅS Telefon Examinator: Handledare, namn: Handledare, adress: Handledare, namn Handledare, adress Handledare, namn Handledare, adress Uppdragsgivare: Agnes Nagy Johan Pyykkö HEDA Sand & Betong AB, , Hedared Pierre Landel Fristad Bygg KLH, , Fristad Mats Axelsson SP, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, , Borås HEDA Sand & Betong AB, Johan Pyykkö, Borås Fristadbygg AB, Pierre Landel, Fristad SP, Mats Axelson Datum: Nyckelord: Samverkansbjälklag, massivträ, betong, kombinationsbjälklag Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Byggingenjör, 180 hp Nr 9/2014

3 Sammanfattning Bjälklag ska fungera som en barriär mellan lägenheter samt ge skydd mot ljud och brand. I dagsläget finns få träbaserade systemlösningar som uppfyller de rådande kraven för ljud och brand på ett ändamålsenligt sätt. Genom att använda sig av ett bjälklag där man kombinerar träets låga vikt och hållfasthet, i kombination med betongens brand- och ljudisolerande egenskaper, skulle man kunna optimera de eftersträvade egenskaperna för ett bjälklag. Bjälklagen består av 70 mm betong ovanpå 70x220 mm² balkar av konstruktionsvirke, i underkant placeras en CLT-platta. Betongen och balkarna förbinder man med hjälp av kramlor och mellan balkar och CLT använder man sig av WT-T skruvar från SFS-intec. Dimensionering enligt EK5 bilaga B och tillverkning enligt ritningar för armering, tvärsnitt och ihopsrkuvning. Bjälkagen producerades genom gjutning av betongplattan och ihopkramling med k-virke på HEDA för att sedan skruvas ihop med CLT-skiva på Fristad Bygg. I slutskedet genomförs provningar på SP för statiska och stegljudsegenskaper. Resultatet från provningen påvisar ett bjälklag med stor utvecklingspotential och brett användningsområde. Med högre brottslaster, omkring 136 kn och mindre deformationer än förväntat finns möjligheter att öka spännvidderna uppemot 10-12m. I de flesta testerna uppkommer skjuvbrott, däremot leder det inte till ett sprött brott. Vilket ger oss ett säkert bjälklag med stora belastningsmöjligheter. Abstract Floor slabs will act as a barrier between the apartments and provide protection against noise and fire. In the current situation there are few wood-based system solutions that meet the current requirements for the sound and fire protection in an expedient manner. By making use of a floor structure that combines wood's light weight and strength, with concretes fire - and sound-insulating properties, one could optimize the desired properties of a floor. The current report propose a floor casting which consists of 70 mm concrete on top of 70x220 mm ² beams of structural timber, the bottom placed a cross laminated timber plate, CLT. The concrete and the beams are connected with the help of wall ties and between beams and the CLT-plate makes use of WT -T screws from SFS Intec. Design is carried out to EK5 Annex B and on elements with a span of 6.7m. The floors are produced by casting concrete slab and installation of wall ties with beams at HEDA, also casting and connection of ties-beams; bolting with CLT-panel at Fristad Bygg. The final stage is carried out at SP with tests for static and acoustic properties. The results of the tests indicate a floor with great development potential and wide application area. Max bearing loads is attained by 136 kn which makes possible additional increase of the span to 10-12m. No total breakdowns, but ductile behavior, which gives us a secure floor with large load capabilities. Nyckelord: Byggteknik, samverkansbjälklag, massivträ, betong, kombinationsbjälklag Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Byggingenjör, 180 hp Nr 9/2014

4 Innehåll 1. Inledning Bakgrund Syfte Avgränsningar Metod och material Litteraturstudie samverkansbjälklag Samverkansbjälklag EW-bjälklag Tunnplåtskasetter Förbindningar mellan trä och betong WT-T skruv SFS-skruv EW-Kramlor Kravställning på samverkansbjälklag Dimensioneringsmetoder och formler Beräkningsgång Beräkningar och dimensionering enligt EK Tillverkningsprocessen för ett WE-bjälklag Testresultat Försöksuppställning av prefabricerade bjälklag Resultat Statiska försök Framtagning av EI Nedböjning Förskjutning Fuktkvoter Akustiska försök Analys och diskussion Slutsats Referenser Bilaga 1 Konstruktionsritning för statiska provelement Bilaga 2 Skruvfördelning för statiska provelement Bilaga 3 Konstruktionsritning för stegljudselement Bilaga 4 Skruvfördelning för stegljudselement Bilaga 5 Priskalkyl på WE-bjälklag jämfört med plattbärlag, håldäck, EW Bilaga 6 ETA-blad för skruvdimensionering, SFS-Intec Bilaga 7 Testförsök WE 1 Bilaga 8 Testförsök WE 2 Bilaga 9 Testförsök WE 3 Bilaga 10 Testförsök WE 4 Bilaga 11 Testförsök WE 5 Bilaga 12 Testförsök WE 6, del I Bilaga 13 Testförsök WE 6, del II Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Byggingenjör, 180 hp Nr 9/2014

5 BETECKNINGAR Versala latinska bokstäver A tvärsnittsarea betongens tvärsnittsarea massivträplattans tvärsnittsarea balkens tvärsnittsarea spännarmeringens tvärsnittsarea sekantvärde för betongens elasticitetsmodul elasticitetsmodulen motsvarar 5-procentfraktil för bärförmågeberäkningar den effektiva samverkande böjstyvheten dimensionerande kraft vinkelrätt mot fiberriktning estimerad maxlast betongens yttröghetsmoment massivträplattans yttröghetsmoment balkens yttröghetsmoment betongens effektiva tröghetsmoment förskjutningsmodul längd dimensionerande böjmoment böjmomentkapacitet för tvärsnittet S centrumavstånd dimensionerande tvärkraft tvärkraftskapacitet Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Byggingenjör, 180 hp Nr 9/2014

6 Gemena latinska bokstäver avstånd från betongplattans centrum till neutrala lagret avstånd från livets centrum till neutrala lagret avstånd från centrum av CLT-skivan till neutrala lagret bredd influensbredd draghållfasthet för betong (dimensionerande) draghållfasthet för betong (karaktäristisk) dimensionerande kraft för skruv skruvkapacitet spännarmeringens flytgräns h neutrallagrets läge, räknat från överkant CLT-skiva egentyngd skjuvspänning nyttiglast tryckspänning i betong dragspänning i betong förbindarens verkningsgrad nyttjandegrad maximal-nedböjning densitet Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Byggingenjör, 180 hp Nr 9/2014

7 Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Byggingenjör, 180 hp Nr 9/2014

8 1. Inledning I detta kapitel presenteras samverkansbjälklagets bakgrund och användningsområde, samt projektets, syfte, mål och avgränsningar. 1.1 Bakgrund Ett samverkansbjälklag är en konstruktion som består av minst två olika typer material som oftast förbinds med hjälp av mekaniska förbindare, exempelvis EW-bjälklaget (Fig. 1). I denna typ av konstruktion utnyttjar man materialens egenskaper genom kombination av betong och trä. Delvis för lägre egentyngd samt materialkostnader jämfört med traditionella bjälklag i samma användningsområde. I det här examensarbetet vill man undersöka ett samverkansbjälklag bestående av ett uppochnervänt EW-bjälklag med en CLT-platta i botten; för ljud och statiska egenskaper. 1.2 Syfte Figur 1 - Principfigur EW-bjälklag Att använda en trästomme i flervåningsbostadshus är ett byggsätt som ger möjlighet att utnyttja en nationell råvara och en nationell basindustri. Samtidigt är det ett sätt som kan minska miljöpåverkan. Bjälklagets funktion är främst som lastbärare och barriär mellan lägenheterna med avseende på ljud och brand. Om försörjningssystemet för byggnaden inte enbart placeras i vertikala schakt utan även distribueras på vågräta ytor fungerar bjälklagen som distribution för olika media som ventilation, vatten, styr- och kontrollsystem, kyla, värme etc. möjligheter till friläggning färenklar installationsarbete och underhåll. I dagsläget finns få träbaserade systemlösningar som uppfyller kraven ovan på ett ändamålsenligt sätt. Att använda sig av ett bjälklag som utnyttjar träets låga vikt och hållfasthet i kombination med betongens brand- och ljudisolerande egenskaper, skulle kunna optimera de eftersträvade egenskaperna för ett bjälklag. Ett bjälklag av denna typ kan bestå av, från överkant sett, en relativt tunn betongplatta, ca 70 mm i samverkan med träbalklar på ett c/c-avstånd, ca c/c 600 mm. Detta kompletteras med ett underliggande massivträelement i from av en platta vars funktion är att agera bärning av installationer och undertak. Bjälklaget prefabriceras på fabrik och hängs in i stommen. Tanken är att produkten kommer bestå av två huvuddelar, dels massivträplattan som läggs först med installationer och som fungerar som arbetsplattform för installationsarbete men även som ett trä-betong-element. Målet med examensarbetet är att undersöka möjligheten att prefabricera ett samverkanselement med spännvidder på 3,4 6,7 meter och 2,4 respektive 1,2 meter breda och göra statiska och akustiska test på dem. 1

9 Samverkansbjälklagen ingår som ett delprojekt i pågående Vinnovaprojekt Innovationsplattform Norrby Att bygga nytt och att förnya på ett hållbart sätt i stadsdelen Norrby i Borås. Samverkansbjälklaget kunde vara den optimala lösningen där cement ersätts med biobaserat material och ökar hållbarheten i byggandet. Företagen knutna till projektet är Hedareds Sand och Betong och Fristad Bygg AB är två företag i Sjuhäradsbyggden. Hedareds Sand & Betong är ett familjeägt företag med en historia ända tillbaka till Företaget tillverkar prefabricerade byggelement i betong bl. a. samverkansbjälklag, förädlar ballastmaterial, producerar spis- och skorstenselement och stödmurssystem. Byggföretaget Fristad Bygg är ett medelstort företag i Boråsregionen och har sin huvuddel av verksamheten i massivträbyggande, projektering och montage, både i småhus och i flervåningshus. Företaget är sedan 2012 återförsäljare av massivträelement i Skandinavien. Båda företagen ser stor potential med det nya samverkansbjälklaget och hoppas på att vinna nya marknadsandelar i flervåningshussegmentet. Ingenjörshögskolan har nära samarbete med företagen i flera andra forskningsprojekt sedan tidigare. Försöken utförs på SP Trä Sveriges ledande forskningsaktör i träkonstruktioner. 1.3 Avgränsningar Fem bjälklag med varierande spännvidd samt viss skillnad på uppbyggnad kommer att testas på SP för bärförmåga, deformation, E-moduler samt enklare akustiska försök för bland annat stegljud. Fem bjälklag valdes till hänsyn för statistiska parametrar för mer rättvisa värden. Som förbindningssätt väljs kramlor enligt (Östlund, 1992) samt WT-T skruvar som använts i tidigare bjälklagssystem av bland annat Fristad Bygg AB. För att ge en djupare analys avgränsas typen av bjälklag till enbart samverkansbjälklag. Dessa utgörs av EW-bjälklag samt WE-bjälklag (se kapitel 3.1 och 3.3). Analysen behandlar mestadels WE-bjälklaget. Man bortser från brandtester då de inte har lika stor vikt i detta skede av projektet, utan väljer att utföra tester för detta vid ett senare tillfälle. 2

10 2. Metod och material Med hjälp av litteraturstudier tas information fram om olika samverkansbjälklag, hur de påverkas under olika belastningsfall, men även om hur förbindarnas påverkan yttrar sig. Man tittar på doktorsavhandlingar av bland annat Elzbieta Lukaszewska samt andra avhandlingar/rapporter om samverkansbjälklag. Man väljer även att titta på EW-bjälklaget som Lars Östlund pratar om i sin rapport (Östlund, 1992). För att kunna utföra testerna så dimensioneras elementeten med hjälp av beräkningar från Eurokod 5 (Swedish Standards Institute, 2004) som sätts in i ett formelblad via Excel. Samt CAD-ritningar för att säkerhetsställa att produktionen går till som det är tänkt (se bilaga 1-4). Allt kontrolleras med handräkning. Efter dimensionering så går man vidare till tillverkningsstadiet då skall de 3 elementen som ingår i bjälklaget, sättas ihop och blir ett element (Fig. 2), detta sker på Fristad Bygg AB, som i sin tur står för inskaffandet av de CLTskivor som ingår i bjälklaget. Betongplattan som ligger överst kommer från HEDA Sand och Betong och är av en kvalité C40/50. Mellan dessa två plattor så sätter man bjälkar med dimension 70x220 mm². Betong och balkar förbinder man ihop med kramlor på centrumavstånd 85 mm samtidigt som CLT-skivan och balkarna förbinds med WT-T skruvar med centrumavstånd 185 mm. Efter montering så ska tester genomföras, där man kontrollerar elementen för brukslaster, brottslaster, nedböjning och stegljud. När testerna är genomförda så jämförs resultaten med beräkningarna. Figur 2 - Principskiss för ett samverkansbjälklag betong-massivträ 3

11 3. Litteraturstudie samverkansbjälklag Man har undersökt system med samverkande bjälklag i ungefär 85 år. Dessa har utförts med samverkan mellan trä och betong i framförallt broar, pirer och byggnader sedan tidigt 1940-tal (Richart & Williams, 1943). Ett av de första samverkanssystemen beskrivs av McCullough år 1943 som utförde tester, Oregon tests på samverkande bjälklag för att få fram ett billigt bjälklag som skulle ingå i en bro med kort spännvidd (Lukaszewska, 2009). I Europa använde man sig av denna typ av bjälklag för att förstärka befintliga byggnader som hus, kontor men även vid nyproduktion (Costa, 2011). Under tidigt1980 och 90-tal ville man utveckla produkten för flervåningshus och längre spännvidder. Det mest relevanta utförandet gjordes av (Lukaszewska, 2009, p. 19) som tog fram förslag på ett nytt konstruktionssystem som bestod av vertikalt spikade brädor tillsammans med bjälklaget som installerades i nya flervåningshus. Den största delen av forskning inom ämnet har lagts på skjuvförbindningar mellan betong och trä. Detta har gett en möjlighet att använda andra typer av betong och träkonstruktioner i bjälklagssammanhang. Det tidigare systemet som användes kan man kalla för ett vått system, på grund av att man gjöt betongdelen direkt på träbjälklaget. Vilket i sin tur gör att fukt från den våta betongen absorberas upp av träbjälklaget som kan leda till fuktskador och röta. Ett system med både trä och betong i samverkan fördelar laster på följande sätt: Betongen utmärker sig genom att ta upp tryckkrafter samtidigt som trä har goda dragegenskaper. Mellan dessa två lager av material uppstår det skjuvkrafter som fördelas av de mekaniska förbindningar som binder ihop trä och betong till ett samverkande element. Fördelar med samverkansbjälklag i jämförelse med ett bjälklag bestående av enbart trä är ökad tryckhållfasthet, bjälklaget blir styvare samt att mindre deformationer uppstår i bruksgränstillstånd. Akustiska och termiska egenskaper förbättras samt att brandmotståndet ökar. Det finns även fördelar mot traditionellt armerade betongbjälklag genom lägre sprickbredd som leder till en förminskad risk för korrosionsskador i armeringen. I traditionella betongbjälklags underkant uppstår sprickor med ett djup upp till neutrala lagret av tvärsnittet (40-60% av höjden på bjälklaget) vilket är relativt ineffektivt i fuktavseende (Costa, 2011). Genom att ersätta den ineffektiva delen av betongplattan med en resistent och fast träbalk kommer sprickdjupet reduceras med upp till 50 %. Även egentyngden på samaverkansbjälklaget kommer att minska tydligt, förutsatt att referensbjälklaget är av betong (Gutkowski, et al., 2000). Förbindningarna mellan trä och betong i ett samverkandebjälklag har en viktig roll då de måste ha en stor skjuvhållfasthet och styvhet för att maximalt kunna bygga upp samverkan i bjälklaget. Det är även viktigt att tänka på antal komponenter och att installationstiden skall vara minimal för att göra det till ett konstandseffektivt system (Deam, et al., 2007). Utvärderingen av förbindningarnas styvhet är ytterst viktig eftersom uppförandet (statiska, dynamiska) av samverkansbjälklaget är starkt beroende av glidningen mellan betongbjälklaget och träbalkarna (Gelfi, et al., 2002). Samverkanskonstruktioner mellan trä och betong kräver generellt ett hänsynstagande för hur glidningen uppkommer mellan elementen och hur den ska tas upp. En metod som används för att beräkna lasterna som uppkommer i förbindningen finner man i Euokod 5 kaptitel 1-1 (Swedish Standards Intitute, 2004) och designen för träbetong förbindningar finns givna i 4

12 Eurokod 5 kapitel 2 (Swedish Standards Intitute, 2004). Däremot så behövs det oftast göras tester för att bestämma hållfasthet och förskjutningsmodul i förbindningarna, detta på grund av att Eurokod enbart visar riktlinjer för hur beräkningen av dessa parametrar för lasterna ska gå till väga. Förutom alla fördelar som finns med ett samverkansbjälklag så har användningen av fuktig betong i torra system sina nackdelar enligt följande (Lukaszewska, 2009, p. 20): Betong kräver en viss tid för att härda innan nästkommande skede i byggprocessen kan ta vid. När betong härdar så råder en låg styvhet samt högre krypning, på grund av detta så bör det fritt upplagda bjälklaget stagas i mitten för att förhindra och minimera den aktuella risken för permanent deformation. Men även skapa förutsättningar för att utveckla en optimal samverkan för att klara av den totala egentyngden från betongplattan (Yeoh, et al., 2008). Att platsgjuta betong är en kostsam process, framförallt på grund av transporten av färsk betong och den högra förbrukningen av former som kan vara gjorda av plywoodskrivor, spånskivor. Detta kan i sin tur leda till en temporär ökning av egentyngden. En diffusionsspärr bör även användas i lagret mellan trä och den färska betongen. Det finns eventuella svårigheter att kontrollera härdningsprocessen för betongen, vilket kan leda till större deformationer. Ett Samverkande bjälklag mellan trä och betong föredrar att betongvolymen hålls relativt konstant för att minska den permanenta deformationen som uppstår (Yeoh, et al., 2008). Man har inte genomfört någon specifik studie på system där man använt sig av härdad betong på konstruktionsvirke när förbindningarna bäddats in i betongen, för möjligheten att kunna sammanfoga elementen till ett samverkande bjälklag, utanför byggnadsplatsen. Däremot har tidigare försök gjorts där man undersökte möjligheten av använda prefabricerade samverkanselement med färsk betong på konstruktionsvirke där förbindarna hade satts in. (Lukaszewska, 2009) 5

13 3.1 Samverkansbjälklag EW-bjälklag EW-bjälklag är ett samverkande bjälklag, där man har två element som binds ihop och ska agera samtidigt (Fig. 3). Figur 3 - Samverkande EW-bjälklag Ett sådant bjälklag kan bestå av en någorlunda tunn betongplatta, (50-80 mm), med ett k-virke placerat ovanför och vanligtvis med c/c 600. Betongen är känd för sina egenskaper när det gäller statisk hållfasthet samtidigt som trä är känt för sin styrka inom draghållfasthet. Utrymmet mellan balkarna kan man utnyttja för bland annat installationer och isolering. Som golv kan man sedan lägga på någon typ av spånskiva och därefter ett golvgips. Som förbindning mellan betongplattan och k-virket kan man ha någon typ av mekaniskförbindare. I det här fallet har man EW-kramlor (Fig. 4) Figur 4 - EW-kramla 6

14 EW-kramlan är en typ av trådspikmaterial som har 5.1mm i diameter. Trådarna bockas till kramlor och slås sedan in i träet på ett visst centrumavstånd (mer info om kramlor se kap 3.2.3). För att optimera samverkandet i ett sådant bjälklag så måste båda delarna utnyttjas fullt ut. Det vill säga att högre laster kan tas upp än när båda delarna agerar självständigt. En viktig detalj att ta i beaktning är skjuvkrafterna som uppstår emellan de två elementen, vilket kan förhindra de två delarna (betong och balk) ifrån att utnyttjas fullt ut. En bra lösning på detta är en typ av mekanisk förbindning, (kramlor), som håller ihop betongen och balken på ett effektivt sätt, och tar emot skjuvkrafterna som uppstår vid materialgränsen. Valet av förbindningar är en viktig parameter för att få så optimal samverkan som möjligt: o En mekanisk förbindare mellan trä och betong för att förhindra att glidning uppstår. Det är svårt att få en full samverkan mellan två olika material, men med mekaniska förbindare kan man uppta dessa skjuvkrafter som uppstår mellan materialen och förhindra att glidningen blir problematisk. Det vill säga att på så sätt få ut en högre utnyttjandegrad av materialen när det gäller bärighet (Fig. 5). Figur 5: Hur förbindningen påverkar samverkan (Lukaszewska, 2009) 7

15 3.1.2 Tunnplåtskasetter En annan modell av samverkanskonstruktioner är betong med tunnplåt, där har man istället för k-virke använder sig av en speciellt utformad tunnplåt (Fig. 6). Figur 6: Exempel på tunnplåtskasett PEVA 45 Plåten kan anpassas och utformas så att den fungerar som en underkantarmering. Den största utmaningen, precis som i övriga samverkansbjälklag är hur skjuvkrafterna skall tas upp. Man måste kunna överföra skjuvkrafterna mellan betongen och plåten och fördela dem med hjälp av mekaniska förbindningar. Utformningen av samverkande bjälklag med plåt och betong kan variera. Den vanligaste utformningen är att låta plåthöjden vara mellan mm med en motsvarande tjocklek på mm. Betongplattan varierar från 140 till 250 mm. För att uppnå bättre brand och ljudegenskaper så kan gipsskivor sättas in; detta bidrar även med en positivt estetisk effekt. Fördelar: Betongens egenskaper för brand och ljud-isolering. Mellan plåten finns det en tillgänglig plats för installationer. Hög bärighet på grund av betongtjocklek. Nackdelar: Man måste ha något som undertak pga. estetiska skäl. Betydligt högre materialåtgång då betongen är tjockare än EW-bjälklagets betongplatta. 8

16 3.2 Förbindningar mellan trä och betong WT-T skruv WT-T skruven (Fig. 7) är en SFS-Intec produkt som härstammar ifrån Schweiz; företaget har även ett kontor i Sverige som är placerat i Strängnäs. WT-T skruven består av ett härdat kolstål med rostskyddbehandling och är dubbelgängad. Den skiljer sig från traditionella skruvar genom att den är gängfri i mitten. Tanken med att ha en gängfri del är att den ska placeras i mitten av materialgränsen för det gällande tvärsnittet. Den övre gängan har en annorlunda utformning än den undre detta är för att man ska kunna utnyttja skruvens hållfasthet på ett bättre sätt, samt att konstruktionen sammanfogas bättre. Skruven har en borrspets som till fördel gör att man slipper förborra, samt att spetsen motverkar sprickspridning på träets yta. Försänkningsdjupet på en WT-T skruv är valfritt eftersom ingen bricka för skruven behövs. En till fördel är att man kan gömma skruven inne i träet, som gör att den skyddas ifrån fukt och brand, samt att konstruktionen ser bättre ut när det kommer till de estetiska aspekterna. WT-T tillverkas i en rad olika dimensioner som gör att användningsområdet blir stort. Man kan använda den från montering av element till infästning av takstolar, takåsar, väggar och bjälklag (SFS INTEC, 2014). Figur 7: Bild på en ospecificerad WT-T skruv 9

17 3.2.2 SFS-skruv RF 2000 system (Lukaszewska, 2009)(Meierhofer, 1992) blev introducerat under tidigt 90- tal av, och var en av de första förbindningar som speciellt tillverkades för samverkansbjälklag mellan trä och betong (Fig. 8 & 9). Skruven är utformad med 2 huvuden enligt figuren. Den skruvformade delen fäster i träet och den andra delen är ankare i betongen. Figur 8: SFS VB SKRUV x 100 (Lukaszewska, 2009) dimensioner i mm Figur 9: SFS VB SKRUV Vinklad +-45 (Lukaszewska, 2009, p. 34) För att ta reda på vinkeln för skruvarna genomförde Meierhofer (1992) ett antal tester på förbindningen för: skjuvning, böjning och short-term pullout samt long-term pullout och böjningstester för hela samverkanselementet. Totalt testades fem olika arrangemang av förbindningar med varierande riktning på skruven, raka eller i vinkel ±45 (Fig. 7). 10

18 Figur 6: Arrangemang av de olika testerna som utfördes av (Meierhofer, 1992) Man uppnådde den högsta styvheten enligt (figur 3d). Maxlasterna uppkom till cirka 30 kn vilket resulterade i nedböjningar runt 20 mm samt med en förskjutning på 1.5 mm i sidorna. Det test som gav lägst styvhet finner man i (figur 3a) där maxlasten blev cirka 25 kn med nedböjningar runt 60 mm. Förskjutningen i detta fall resulterade i ungefär 6,5 mm, trots detta uppvisades ett mer flexibelt beteende vid kopplingarna. Testerna för långtidslast visade tydligt att förbindningarna som var placerade ±45 enligt (figur 3d) var överlägset bästa. Efter 250 dagar var deformationen 7 mm samtidig som det vertikala arrangemanget (figur 3a) var deformationen ungefär 22 mm. I Schweiz har man använt sig av detta system (figur 3d) i både nya och befintliga byggnader för att förstärka upp golvbjälklag EW-Kramlor Kramlor är förbindare mellan betongplattan och träregler som även kallas för EW-kramlor. EW-kramlorna har samma egenskaper som en räfflad spiktråd, och har samma tvärsnittsmått på 5.1 mm (Östlund, 1992). Dessa kramlor är U-formade med samma längd på båda sidorna och produceras genom att spiktråden matas igenom en maskin som bockar kramlorna och klipper av vid önskad längd. För att sedan kramlas in i balkarna. Som förbindning mellan betong och trä i samverkanskonstruktioner, brukar kramlorna förankras i träreglarna först med c/c 85mm, och sedan gjuter man ihop dem med betongplattan. Eftersom kramlorna monteras på k-virkets kortsida som kan leda till spjälkningssprickor (Fig. 10) i plankorna. Detta medför att kramlornas utdragskapacitet, påverkas negativt. För att kunna utnyttja kramlornas optimala kapacitet, så bör man tänka på att välja en passande kvalité på träreglarna (Axelson, 2013) 11

19 Figur 7: Sprickbildning från SP:s rapport om Kramlor (Axelson, 2013) 3.3 Kravställning på samverkansbjälklag I detta examensarbete vill man undersöka en ny typ av bjälklag som man valt att kalla för arbetsnamnet WE-bjälklag. Principen för konstruktionen bygger på en äldre variant av samverkansbjälklag, EW-bjälklag, där man väljer att ha betongen högst upp istället för längst ner (Fig. 11). Längst ner lägger man en massivträplatta (CLT-skiva), dessa två element binds ihop till ett samverkande bjälklag via balkar bestående av konstruktionsvirke (C24) på c/c 600 och av de nämnda förbindningarna ovan dvs. kramlor och vinklade WT-T skruvar (se Kap & 3.2.3). Figur 8 - Samverkande WE-bjälklag 12

20 Följande egenskaper och fördelar vill uppnås: Pris Pris är något som spelar en viktig roll i byggsammanhang då beställaren ställer höga krav på byggnaden och dess funktion, till ett så lågt pris som möjligt. För detta bjälklag, WEbjälklag har man då räknat fram en preliminär kostnadskalkyl (se bilaga 5), för att kunna jämföra med andra bjälklag med liknande prisklass och kapacitet. Miljöpåverkan Tillverkning av cement medför omfattande utsläpp av koldioxid; totalt utgörs ca 3-4 procent av världens totalutsläpp av koldioxid (Svensk Betong, ). Koldioxid uppstår dels vid förbränning av bränsle som krävs för tillverkning dels på grund av reaktionerna som sker när cementklinkern framställs. Utsläppen vid cementtillverkning utgör ca 65 procent av totalutsläppet rastrerande kommer från bränsleförbränningen. Vid tillverkning av cement släpps det ut 719 kg CO 2 per kg cement Man strävar efter en mindre miljöpåverkan i större utsträckning. Ett sätt att lyckas med detta är att minska andelen betong i bjälklaget och att förstärka elementet med trä som är ett organsikt material och är en nationell råvara i Sverige. Byggtid och transport Prefabricering ligger till stor grund till tidseffektivisering på arbetsplatsen. Att kunna genomföra grundarbeten för installationer innan plattan läggs på plats, sparar även detta mantimmar på bygget. Prefabricerad betong är även detta något som påverkar betongens härdning och hållfastegenskaper på ett positivt sätt. Stegljud och brandegenskaper Sveriges krav på stegljud är max 52 Hz (Boverket, 2007), det vill alla ljudvågor som håller en högre frekvens får inte tränga igenom elementet. Detta kallas även för ljudklass B. I övriga Europa ställer man lägre krav, som exempelvis i Italien där man tillåter max 100 Hz. Förhoppningarna för detta bjälklag är att ljudklass B skall uppnås, alternativt bättre än 52 Hz. Man kompletterar bjälklaget med en stegljudslist vid ett senare tillfälle. För träkonstruktioner så räknar man med en förkolning på 40 mm per timme i brandsammanhang (Träguiden, 2014). För betong finns däremot risker för expanderande 13

21 vattenånga som kan orsaka explosion och flisor som kan orsaka en större fara. Dock så har betongen större möjlighet att repareras efter brandskada än trä samt att betongen sänker spridningsrisken. Att kombinera trä och betong i ett bjälklag bidrar till att man utnyttjar båda materialens egenskaper för brand och stegljud. Betongens tunghet bidrar till en god ljudabsorberingsförmåga då den försvårar spridningen av ljud till den övriga konstruktionen. Fukt Att utföra tillbyggnad eller rusta upp befintliga byggnader med samverkande bjälklag är till stor fördel när det gäller egentyngder. Men att gjuta ett bjälklag betong över ett befintligt bjälklag av trä får sina konsekvenser när det gäller fukt. Detta har varit och är ett rådande problem, framförallt i övriga Europa där detta är ett mer vanligt byggnadssätt i dagsläget. Att införa prefabricering av samverkande element minimerar risken för detta problem; detta beror på att man har mer kontroll över gjutningsprocessen samt att betongen kan torka separat innan den sätts ihop med träkonstruktionen i sig. Installationer CLT-plattan förbereds under prefabriceringen för installationer såsom VVS, ventilation och media, m.m. Det skulle spara på utrymme samt tiden som går åt för att sätta in installationerna. CLT-plattan kan även fungera som bärande del för undertak. Egentyngd Tjockleken på samverkansbjälklaget blir 407 mm där betongen är 70 mm tjock, k-virket är 220 mm och CLT-plattan 117 mm. WE-bjälklagets egentyngd blir lite högre än originalversionen EW på grund av CLT-elementet som läggs till. Egentyngden för 70 mm betong samt CLT-element är ca 2.5 kn/m². Däremot så vinner man mot rena betongbjälklag där egentyngden skulle vara ca 6.25 kn/m² vilket motsvarar 250 mm i tjocklek. Med fokus på förtätning av städer så skulle ett bjälklag med dessa egenskaper vara ett bra val på grund av den betydligt lägre egentyngden. 14

22 3.4 Dimensioneringsmetoder och formler Vid dimensioneringen av samverkansbjälklaget så används medelvärden istället för karaktäristiska värden. Detta är för att resultatet från provningen förhoppningsvis ska bli så nära det beräknade som möjligt. Följande formler är uttagna från EK5 bilaga B (Swedish Standards Institute, 2004) och Timber Engineering (Thelandersson & J, 2003) Beräkningsgång När man ska dimensionera samverkansbjälklag av denna typ så kan beräkningsgången se ut på följande sätt: Tvärsnittsareor och yttröghetsmoment Här tar man fram de areor som man vill att tvärsnittet ska ha, med detta gjort så kan tvärsnittens yttröghetsmoment tas fram. Dessa två egenskaper kommer följa med i nästintill hela beräkningsgången. Tvärsnittsarea [mm²] där: h b tvärsnittshöjd [mm] tvärsnittsbredd [mm] Yttröghetsmoment [ ] Lastnedräkning & krafter Här följer en lastnedräkning enligt (Swedish Standards Institute, 2004), dock brottgränstillstånd utan huvudlast, säkerhetsklasser och reduktionsfaktorer. Detta för att enkelt få fram de laster bjälklaget ska dimensioneras efter. där: egentyngd [kn/m²] nyttiglast [kn/m²] 15

23 Följande formler hämtas från (Johanesson & Vretblad, 2011). Där definierar man det fall vi behandlar till fall 3, en fritt upplagd balk med jämnt utbredd last (Fig. 12). När tvärsnittslängden är definierad och lastnedräkningen genomförd så kan moment och tvärkrafter bestämmas enligt följande formler. Moment per breddmeter [Nmm/m] Moment per balk [Nmm] Figur 9 - principskiss upplag där: influensbredd [m] Tvärkraft per breddmeter [N/mm] Tvärkraft per balk [N] Verkningsgradskoefficienten, för respektive förbindare Koefficienter, reduktionsfaktorer för de spänningspåkänningar som uppkommer i de olika tvärsnitten (Thelandersson & J, 2003). Betong C24 CLT där: förskjutningsmodul [N/mm] 16

24 Kan se olika ut pga. hur virkesleverantören sorterar ut virket. a-mått ( ) a-mått, är de mått som definierar tyngdpunkter och mittpunkter i tvärsnittet. För mer detaljerad information se figur 13 Avstånd från betongplattans centrum till neutrala lagret Avstånd från livets centrum till neutrala lagret Avstånd från centrum av CLT-skivan till neutrala lagret h Neutrallagrets läge, räknat från överkant CLT-skiva ( ) Där Figur Figur Principfigur - principskiss a-mått för a-mått, Effektiva böjstyvheten Är ett mått för hur bra samverkansgraden är mellan dessa tre olika material. 17

25 Spänningsberäkningar När a-mått,, samt rådande moment är känt så kan spänningsberäkningarna utföras. Varje del av tvärsnittet beräknas för sig och kontrolleras vid ett senare skede för nyttjandegrad, så de inte överstiger 100 %. där dimensionerande moment [Nmm] tryckspänning i betong [MPa] dragspänning i betong [MPa] där dimensionerande tvärkraft [N] 18

26 Kraft i förbindare Kontroll av nyttjandegrad, drag och tryck (tryck btg) (drag btg) C24 (drag C24) (böjning C24) Samtidigt böj & drag i trä CLT 19

27 Nedböjning För att kontrollera att nedböjningen inte överstiger gränsvärden, L/300 i vårt fall, så används följande formel som är hämtad från (Johanesson & Vretblad, 2011, p. 36). ( ) Dragarmering i betong Dimensionerande draghållfasthet [N] där: draghållfasthet för betong [MPa] sprickarea för betongtvärsnittet [mm²] Armeringsarea [mm²] där: flytgräns [MPa] Erforderlig armeringsarea per meter där: [mm²/m] b tvärsnittsbred [m] 20

28 Dimensionering av förbindare i underkant (WT-T skruv) Från ovanstående beräkningar får man fram den dimensionerande kraften som påverkar förbindningarna i underkant. Sedan använder man formeln nedan för att få fram den kapacitet som krävs för skruven. där: dimensionerande kraft [kn] kapacitet [kn] När kapaciteten är beräknad så räknar man upp värdet från tabellen (se bilaga 6) med ungefär 33 % (Axelson, 2013) på grund av de övriga medelvärdena i beräkningen. Enligt tabell 3 i bilaga 6 får man fram den skruv som bör användas. Kapaciteten är beroende av trädensiteten, ju högre densitet desto högre kapacitet. densitet [kg/m³] Kollisionskontroll och inskruvningsdjup För att få jämnvikt på skruven bör den skruvas in lika mycket in i regeln som i CLT-skivan, detta medför en kontroll (Fig. 14) så att skruvar och kramlor inte riskerar att kollidera samt hur långt in skruven skall skruvas. z krav Motsvarar den fria höjd som finns kvar mellan skruv och kramla. y Figur 14 - principskiss inskruvningsdjup kontroll x För att få fram den längd som skruven ska skruvas in i CLT-plattan räknar man på följande sätt: 21

29 3.5 Beräkningar och dimensionering enligt EK 5 Tvärsnittsareor, yttröghetsmoment och för respektive materialdel (Fig. 15) - Betong Figur 15 - WE-bjälklag tvärsnitt - C24 - CLT När man räknar arean på CLT-skivan så räknar man endast lameller med fibrer i längsriktningen. (Reduktion från med 67.2 % enligt KLH:s statikrelgler ) 22

30 ( Lastnedräkning & krafter eller erf NL Moment per breddmeter Moment per balk Tvärkraft per meter Tvärkraft per balk 23

31 a-mått Spänningsberäkningar - Betong 24

32 - C24 - CLT Kraft på förbindare Kontroll av nyttjandegrad, drag och tryck - Betong (tryck betong) (drag betong) 25

33 C24 Samtidigt böj & drag i trä CLT Nedböjning ( ) Dragarmering i betong Enligt ovanstående beräkningar spricker betongen vid tvärsnittshöjder över 59 mm, detta beror på att dragkrafterna uppnår mer än de 3.5 MPa som betongen klarar av dragspänningar. För att förhindra detta väljer man att dimensionera ett armeringsnät som ska hjälpa betongen att ta upp de dragkrafter som uppstår i betongtvärsnittet. Anledningen till att man väljer en nätarmering är på grund av att dragkrafterna uppstår längs- och tvärs över tvärsnittet och att man inte vill korsarmera då tvärsnitten är relativt tunna. 3,5 MPa (59 mm är den höjd som betongen börjar spricka, således 11 mm av betonghöjden) 26

34 Armeringsarea 500 MPa Erforderlig armeringsarea per meter b 0,6 m Armeringsnät väljs till ø6 s350 med A s = 81 mm²/m (Johanesson & Vretblad, 2011, p. 81). Dimensionering av förbindare i underkant (WT-T skruv) Man tar reda på kapaciteten enligt följande: = med (se bilaga 6) Kollisionskontroll och inskruvningsdjup motsvarar den fria höjd som finns kvar mellan skruv och kramla, således ingen risk för kollison. För att få fram den längd som skruven ska skruvas in (Fig. 16) i CLT-plattan räknar man på följande sätt: Figur 16 - inskruvningsdjup 27

35 3.6 Tillverkningsprocessen för ett WE-bjälklag Balkarna passerar igenom en speciell maskin som är styrd med en dator där balkarna kramlas med önskat s-avstånd, i vårt fall s 85 mm, k-virke C24 70*220 mm², tillverkning på HEDA. Med hjälp av ritningar bygger man en form för betongplattan efter önskade dimensioner, i vårt fall 1200*6700 mm² samt 4100*3100 mm², tillverkning på HEDA. När balkarna är färdigkramlade och formen färdigbyggd med armering och c/c avstånd så kan man hänga upp balkarna på en viss höjd med hjälp av distanser. Plattan är nu redo för att gjutas ihop med balkarna. Plattan är nu färdiggjuten och kan vändas redan efter 24 timmar för att sedan transporteras vidare för ihopskruvning med CLT-skivan, i vårt fall 5 skikt, 117 mm tjocklek, montage av CLT-skivan på Fristad Bygg. Här skruvar man ihop CLT-plattan enligt ritningarna med balkarna och betongplattan för att sedan transporteras vidare till SP för att testas, i vårt fall SP-trä och akustik. Totalt tillverkades: 6 st statikprovselement, med arbetsnamn WE st stegljudselement, med arbetsnamn WE-A 28

36 4. Testresultat 4.1 Försöksuppställning av prefabricerade bjälklag Två olika element tillverkades, 6 st för statisk provning samt 1 st för stegljudsprovning. De statiska provelementen antog ett tvärsnitt på 6,7*1,2 m² med en 70 mm tjock betongplatta ovanpå C24 balkar med centrumavstånd 600 mm. Underst placerade man en 117 mm tjock CLT-skiva från KLH. CLT-skivan och betongplattan höll samma mått. Stegljudselementet antog en spännvidd på 4,1*3,1 m² med samma c/c som de statiska elementen, däremot har CLT-skivan måtten 3.95*2.95 m². Detta på grund av annan uppläggningstyp än vid det statiska provtillfället. På SP skall prover för statiska egenskaper samt stegljud genomföras. Hur testerna utförs beskrivs här nedan: Statiska prover: Innan proverna kunde starta så skulle ett (Fig. 18) beräknas fram samt vilken standard som skulle följas. Vid valet av standard så jämförde man två olika, varav den ena var skulle ta betydligt mer tid och resurser. Detta ledde till att den standard man valde man att använda sig av var SS-EN Denna standard är något simplare men samtidigt får man fortfarande fram rättsiva värden. Standarden för provningen beskrivs i grafen nedan (Fig. 17). Figur 17 - principskiss försökuppställning beräknades fram på följande sätt: Motsvarande i utbreddlast Per m² 29

37 Lastfördelningsutredning HEA200 Egentyngd Uppskattad provningslast Utrustning Provningsvärden Efter första provet uppmärksammade man att var högre än det beräknade, vilket ledde till att resterande prover utsattes för laster enligt följande för mer relevanta värden: 30

38 Figur 18 - Provning enligt SS-EN Time, min Minut 0-2, bjälklaget belastas till. detta sker i en hastighet av 10 kn/min för WE 1 samt 30 kn/min för WE 2-6. Minut 2-2,5, bjälklaget utsätts för en konstant belastning av. Minut 2,5-4, bjälklagets belastning sänks till med samma hastigheter som punkt 1. Minut 4-4,5, bjälklaget utsätts för en konstant belastning motsvarande. Minut 4,5-8, bjälklaget belastas upp till med samma hastigheter som punkt 1. Minut 8 och framåt, belastningen ersätts med positionsstyrning med hastigheten 0,5 mm/s tills brottet uppstår. När standard och är bestämt läggs provelementet upp mellan två ledade stöd i belastningsmaskinen och givare sätts ut för uppsamling av data. De tre första proverna, WE 1,2 och 5 hade endast en givare per kortsida och detta ledde till att man samlade in data för relativ förskjutning med vinkeländring istället för förskjutningsdata. På de tre senare elementen placerades det två givare per kortsida, en för mått av förskjutning mellan betongbalk samt en för balk-clt. På samtliga prover satte man ut två givare på mitten av långsidan för mått av nedböjning vid en viss kraft. 31

39 Last [kn] 4.2 Resultat WE 1 WE 1 blev mer av ett kalibreringsprov då man inte visste om hur bjälklaget skulle agera under belastning. Jämfört med följande tester så hade denna provning ett vilket visade sig vara ett underskattat värde. Detta ledde till att när testet övergick till positionsstyrning på 0,5 mm/s så ökade belastningstakten markant jämfört med 10 kn/min, som man kan se på grafens utformning (Fig. 19). För varje bjälklag plockar man ut intressant data och presenterar denna i tabellform (se tabell 1). För WE 1 var brottet ett skruvutdragningsbrott med tydlig sprickbildning i betongen vid upphängningsdon (se bilaga 7) och uppkom vid 180,84 kn Last - ändrotation och realtiv förskjutning mellan btg och clt Last - ändrotation och relativ förskjutning mellan btg och clt Last-nedböjning Mittnedböjning/ändrotation och relativ förskjutning mellan btg och clt [mm] Figur 19 - Diagram WE 1 Tabell 1 Utvald data WE 1 Tidpunkt [s] Andel av [%] Cellnummer P [kn] [mm] EI [knmm²] Förskjut. 1 [mm] Förskjut. 2 [mm] 292, ,47 4,134 4,82E+10 0,4828 0, ,467 2,447 2,07E+10 0,3591 0, ,45 8, E+10 1,057 0, ,6 Brott ,84 68,93 2,43E+10 16,85 16,07 32

40 Last [kn] WE 2 Andra testet, WE 2 samt följande tester utsattes för en lastacceleration på 30 kn/min vilket gav en mer rätlinjig kurva till närheten av brott. Brottet som uppkom var ett skjuvbrott i ena balken samt tendenser till skruvutdragning i den andra (se bilaga 8), när lasten var 106,29 kn. För diagram och utvald data (Fig. 20) och (se tabell 2) nedan: Last - ändrotation och relativ förskjutning mellan btg och clt Last - nedböjning Last - ändrotation och relativ förskjutning mellan btg och clt Mittnedböjning /ändrotation och relativ förskjutning mellan btg och clt [mm] Figur 20 - Diagram WE 2 Tabell 2 Utvald data WE 2 Tidpunkt [s] Andel av [%] Cellnummer P [kn] [mm] EI [knmm²] Förskjut. 1 [mm] Förskjut. 2 [mm] ,03 20,37 2,73E+10 2,777 2, ,08 13,08 1,07E+10 1,989 1, , ,01 53,37 1,82E+10 9,561 5, ,54 Brott ,29 54,61 1,81E+10 9,861 5,197 33

41 Last [kn] WE 3 Brottet för WE 3 var ett skjuvbrott i en av balkarna (se bilaga 9) och uppkom vid en belastning av 130,24 kn. På den andra sidan hade viss förskjutning uppstått. Man väljer att fortsätta belasta bjälklaget trots det första brottet skett och som man kan se så är bjälklaget fortfarande kapabelt att ta emot mer belastning tills brott sker igen vid ungefär samma last som innan. För diagram och utvald data (Fig. 21) och (se tabell 3) nedan: Last-nedböjning Last-förskjutning balk-btg Last - förskjutning balk-clt Mittnedböjning/relativ förskjutning, [mm] Figur 21 Diagram WE 3 Tabell 3 Utvald data WE 3 Tidpunkt [s] Andel av [%] Cellnummer P [kn] [mm] EI [knmm²] CLT- C24 [mm] C24- BTG [mm] ,03 19,39 2,87E+10 1,1895 2, ,04 13,02 1,07E+10 1,1603 2, ,03 41,93 2,32E+10 2,266 7, ,8 Brott ,24 58,49 2,07E+10 3,29 10,269 34

42 Last [kn] WE 4 Innan WE 4 provades så observerade man sprickor längs ena balken kring det neutrala lagret. Brottet som uppkom var även här ett skjuvbrott som uppstod i samma balk där man observerat sprickbildningen innan (se bilaga 10). Brottet skedde vid en belastning av 136,12 kn. Precis som WE 3 så fortsätter man att belasta bjälklaget trots tendenser till brott vid 123 kn. Däremot så ökade belastningen som diagramet visar, upp den faktiska brottslasten 136,12 kn. För diagram och utvald data (Fig. 22) och (se tabell 4) nedan: Last-nedböjning Last - relativ förskjutning balkclt Last relativ förskjutning balk - btg Mittnedböjning/relativ förskjutning [mm] Figur 22 - Diagram WE 4 Tabell 4 Utvald data WE 4 Tidpunkt [s] Andel av [%] Cellnummer P [kn] [mm] EI [knmm²] CLT- C24 [mm] C24- BTG [mm] ,02 20,18 2,76E+10 1,3636 2, ,02 12,41 1,07E+10 1,2537 1, ,02 43,37 2,25E+10 2,648 6, Brott ,12 112,81 1,12E+10 10,965 11,04 35

43 Last [kn] WE 5 Första brottet för WE 5 uppkom redan vid 85,32 kn, trots detta så fortsatte man att belasta bjälklaget som verkade återhämta sig för att sedan böjas ner betydligt mer och få slutligt brott vid en belastning av 120 kn. De data man väljer man att beakta är de från det första brottet. Typen av brott som uppstod var ett skjuvbrott med tendenser till skruvutdragning i mostående balk på sidan bredvid brottet samt sprickbildning i CLT-skivan (se bilaga 11). För diagram och utvald data (Fig. 23) och (se tabell 5) nedan: Last - ändrotation och relativ förskjutning mellan btg och clt Last - ändrotation och relativförskjutning mellan btg och clt Last - nedböjning Mittnedböjning/ändrotation och relativ förskjuting mellan btg och clt [mm] Figur 23 Diagram WE 5 Tabell 5 Utvald data WE 5 Tidpunkt [s] Andel av [%] Cellnummer P [kn] [mm] EI [knmm²] Förskjut. 1 [mm] Förskjut. 2 [mm] ,96 22,89 2,43E+10 3,059 2, ,96 15,23 9,11E+09 2,261 2, ,28 Brott ,32 39,16 2,02E+10 6,102 4,392 36

44 Last [kn] WE 6 För WE 6 observerade man en större skada i k-virkets ena sida, brottet skedde vid 137,4 kn och var av typen skjuvbrott (se bilaga 12-13). Precis som övriga bjälklag så rasade det inte ihop och kunde återigen belastas upp till 142 kn dock med en markant ökning i nedböjning. Även här uppkom sprickor i CLT-skivan. För diagram och utvald data (Fig. 24) och (se tabell 6) Last-nedböjning Last-förskjutning balk.btg Last- förskjutning balk- CLT Mittnedböjning/relativ förskjutning [mm] Figur 24 - Diagram WE 6 Tabell 6 Utvald data WE 6 Tidpunkt [s] Andel av [%] Cellnummer P [kn] [mm] EI [knmm²] CLT- C24 [mm] C24- BTG [mm] ,08 18,43 3,02E+10 1,3467 2, ,08 11,14 1,26E+10 1,1971 1, ,07 39,94 2,44E+10 2,721 5, Brott ,4 62,09 2,05E+10 4,577 8,846 37

45 4.3 Statiska försök Framtagning av EI Med insamlad data från de statiska testerna så kunde faktisk plockas fram enligt teorin (se figur 15). Följande formel är hämtad från (Langesten & Johanesson, 2011, p. 105) och är baserad på Mohrs metod med -diagramet som fiktiv last. Formel som användes: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Genom att ersätta och till faktisk data som hämtades från respektive testdiagram samt att sätta och till korrekta värden så kunde det rådande beräknas för bjälklagen vid en specifik last. I denna rapport har man valt att beakta för de laster som representeras av % samt brottlasten, som användes under provningen. Utdata och resultat för respektive prov kan läsas under kapitel 4. Testresultat. För EI vid 0,4-0,7, samt brott se tabell 7, för medelvärden se tabell 8. Tabell 7 EI tabell WE 1 WE 2 WE 3 WE 4 WE 5 WE 6 0,4 4,82E+10 2,73E+10 2,87E+10 2,76E+10 2,43E+10 3,02E+10 0,1 2,07E+10 1,07E+10 1,07E+10 1,07E+10 9,11E+09 1,26E+10 0,7 4.00E+10 1,82E+10 2,32E+10 2,25E+10-2,44E+10 Brott 2,43E+10 1,81E+10 2,07E+10 1,12E+10 2,02E+10 2,05E+10 38

46 Tabell 8 EI medel Medel 0,4 2,76E+10 0,1 1,09E+10 0,7 2,21E+10 Brott Total 1,92E+10 1,99E+10 Av de medelvärden man presenterar så är inte WE 1 representerat då detta var mer av ett kalibreringsprov och värdena skiljer sig väldigt mycket från övriga prover Nedböjning Nedan presenteras nedböjningens medelvärden vid lastintervaller motsvarande 0,1-0,7, (se tabell 9). Tabell 9 Nedböjningens medelvärden vid 0,1-0,7 40% 10% 70% brott 20,252 mm 12,976 mm 44,6525 mm 65,432 mm 39

47 4.3.3 Förskjutning I tabell 10 nedan redovisas insamlad data samt medelvärden gällande förskjutning för WE 1, 2 och 5 som visar relativ förskjutning med ändrotation och i tabell 11 redovisas WE 3,4 och 6 som visar relativ förskjutning mellan CLT-C24 samt C24-betong. Tabell 10 Relativ förskjutning med ändrotation Namn [%] Förskjutning 1 [mm] Förskjutning 2 [mm] WE 1 0,4 0,4828 0,4263 0,1 0,3591 0,2666 0,7 1,057 0,8781 Brott 16,85 16,07 WE 2 0,4 2,777 2,343 0,1 1,989 1,645 0,7 9,561 5,151 Brott 9,861 5,197 WE 5 0,4 3,059 2,64 0,1 2,261 2,028 0,7 Brott 6,102 4,392 Medelvärden 0,4 2,918 2,4915 0,1 2,125 1,8365 0,7 9,561 5,151 Brott 7,9815 4,

48 Tabell 11 Relativ förskjutning mellan CLT-C24 och C24-betong Namn [%] CLT-C24 [mm] C24-betong [mm] WE 3 0,4 1,199 2,662 0,1 1,160 2,334 0,7 2,266 7,125 Brott 3,29 10,269 WE 4 0,4 1,3636 2,523 0,1 1,2537 1,9597 0,7 2,648 6,529 Brott 10,965 11,04 WE 6 0,4 1,3467 2,085 0,1 1,1971 1,5903 0,7 2,721 5,721 Brott 4,577 8,846 Medelvärden 0,4 1,30 2,42 0,1 1,20 1,96 0,7 2,55 6,46 Brott 6,28 10,05 41

49 4.3.4 Fuktkvoter För samtliga bjälklag samlade man in data för fuktkvoter vid 3 olika punkter längs med balkar och CLT. Detta utfördes delvis ur dokumentationssyfte samt för beräkningar av virkets faktiska densitet, dock vid ett senare skede. Fuktkvoter för respektive bjälklag, se tabell Tabell 12 Fuktkvoter WE 1 WE 1 Fuktkvot [%] Mätpunkt CLT-skiva 1 14,8 14,6 10,3 2 14,8 14,1 10,2 3 13,3 14,4 8,4 Tabell 13 Fuktkvoter WE 2 WE 2 Fuktkvot [%] Mätpunkt CLT-skiva 1 14,8 15,1 11,1 2 14,3 16,1 10,8 3 15,1 15,3 10,9 Tabell 14 Fuktkvoter WE 3 WE 3 Fuktkvot [%] Mätpunkt CLT-skiva 1 13,6 10,8 10,4 2 12,6 13,6 13,6 3 12,6 13,9 13,9 42

50 Tabell 15 Fuktkvoter WE 4 WE 4 Fuktkvot [%] Mätpunkt CLT-skiva 1 12,3 13,7 10,6 2 11, ,7 3 15,14 14,9 10,7 Tabell 16 Fuktkvoter WE 5 WE 5 Fuktkvot [%] Mätpunkt CLT-skiva 1 14,8 14 8,9 2 12,8 13,1 10,4 3 14,1 12,5 9,6 Tabell 17 Fuktkvoter WE 6 WE 6 Fuktkvot [%] Mätpunkt CLT-skiva 1 13,2 14,1 10,9 2 14,6 13,5 1, ,1 14,8 11,2 43

51 4.4 Akustiska försök Vid de akustiska proverna så har man valt att prova bjälklaget utan stegljudslist, parkett med mera. Detta för att få fram specifika värden för bjälklaget i sig som i sin tur skulle kunna förenkla modellering av en akustiker i framtiden. Principen för stegljudsprovningen bygger på att bjälklaget läggs upp på betongen i ett hål i golvet, CLT-skivan och balkar, som är något mindre än betongplattan hamnar då längre ner än betongen. Nederdelen av bjälklaget hamnar i ett rum där man sätter upp en mikrofon som har i uppgift att absorbera de ljud som tränger igenom av hammarmaskinen som står ovanpå bjälklaget. För en principskiss av provningen, se figur 25. Figur 25 Principskiss för stegljudsprovning 44

52 5. Analys och diskussion En större del av den forskningen kring samverkansbjälklag har lagts på förbindare, vilket känns väsentligt då förbindarens uppgift är att hantera de tvärkrafter som uppstår i bjälklaget. Vid våra tester så förväntades det att brotten skulle ske vid just förbindarna men testresultatet visade annat. Majoriteten, 5/6 brott var av skjuvkaraktär och uppstod i närheten av det neutrala lagret i bjälklaget, det vill säga, i mitten av tvärsnitshöjden på balken. Under provningen så observerade man sprickor längs balkarnas mitt, en del till större utsträckning. Vilket kan ha påverkat brottet till viss del. När man provade WE 4 så antog en av studenterna, Hans, att brottet skulle vara av skjuvkaraktär och i mitten av balken, där det fanns en tydlig sprickbildning innan belastningen påbörjades, vilket stämde. Det noterades även att brotten kom vid betydligt högre laster än vad man förväntade, i och med detta så blir beräkningsmoddelen mer osäker. Majoriteten av balkarna hade sprickbildning längs långsidan av tvärsnittet och vid tillverkning av bjälklagen så noterades sprickor på längs med och på kanterna. Detta kan påvisa att sprickbildningen uppstått under lagring, transport eller hantering, mellan punkt A till B och/eller B till C. Skadeutvecklingen på balkarna kan vara en av anledningarna till att de flesta brotten skedde just där. Detta i sin tur kan i framtidssyfte ställa högre krav på lagring, transport och hantering eftersom kvalitén och kapaciteten för bjälklagen verkar påverkas av just detta. En annan anledning till sprickbildningen kan vara sågverken som levererar virket, med tanke på att de fanns där redan vid produktionen. Vid tillverkningen av balkarna kapar virket vid en relativt hög fuktighet (20-24 %) för att sedan läggas in i torkskåp där dem stresstorkar, vilket kan vara en ytterligare anledning till att sprickor bildas. Trotts detta så bör man inte förkasta det faktum att bjälklagen i sig trots dessa sprickor klarar av laster långt över förväntan. Alla bjälklag testades tills brott uppstod men inget brott resulterade i haveri. När bjälklagen belastades så ökade nedböjningen nästintill linjärt tills det gick till brott, då ökade nedböjningen på ett helt annat sätt än innan. När bjälklaget avlastades från brottlasten så observerade man att deformationen som uppstått bestod av både elastisk och plastisk karaktär, då bjälklagets nedböjning minskade i takt med att belastningen avtog, till en viss nivå. Man uppskattar att den elastiska deformationen uppgår till ca 50 % av den totala nedböjningen, detta torts att brott uppstått. Med de rådande egenskaperna hos bjälklaget gällande belastning och nedböjning så finns en stor utvecklingspotential till högre spännvidder och andra användningsområden än enbart bostadshus. Samt att bjälklaget i sig kan bli en eventuell konkurrent mot andra produkter med liknande egenskaper såsom plattbärlag och håldäck, framförallt när det kommer till spännvidder. För att eventuellt nå upp till spännvidder över 10 m skulle man kunna se över valet av balkar och eventuellt välja balkar av limträ istället för k- virke. Då limträ har andra egenskaper när det gäller bärförmåga, dock skulle detta påverka priset avsevärt. Alternativt skulle c/c minskas till 400 istället för 600 för att nå längre spännvidder. I kapitel pratar vi om svårigheterna i att utveckla en full samverkan mellan två eller flera material och att ett mått på hur god samverkan man har kan vara förskjutningen mellan de olika materialen. I jämförelse med principbilden från Lukaszewskas rapport, som varit ett stort underlag för vår undersökning, så kan man placera samverkan för WE-bjälklaget mellan fullständig och partiel samverkan. I den slutgiltliga produkten kommer upplaget att se något annorlunda ut än för provelementen där bjlälklaget lades upp på CLT-skivan. Den faktiska produkten kommer att läggas upp på betongen istället, precis som stegljudselementet. Detta kan i sin tur eventuellt påverka brottet, 45

53 som istället för ett skjuvbrott övergå till ett rent tvärkraftsbrott vid upplaget som skulle kunna orsaka stor fara för de boende. Det som kan vara av störst vikt i den här diskussionen är bjälklagets kapacitet, bärförmånga samt de elastiska egenskaperna. Ett bjälklag som ligger i tiden för modernt samhällsbyggande samt förtätning av städer, en innovativ väg för byggbranchen som skulle följa med i samhällsutvecklingen. 46

54 6. Slutsats Vad man bland annat kommit fram till är att WE-bjälklagets potential är betydligt större än förväntat. Det beräknade priset är relativt lågt i jämförelse med andra bjälklag med liknande egenskaper och användningsområden. Genom att använda en mindre mängd betong än traditionella betongbjälklag så kan man minska utsläppen av koldioxid som kommer upp i atmosfären, det vill säga en mindre miljöpåverkan. Prefabricering av byggelement kan innebära en lägre mängd byggfukt vilket i sin tur kan bidra till minskad risk för fuktproblem längre fram. Däremot ställer det krav på virkesleverantören och deras arbetsrutin vid virkeshantering, det vill säga stresstorkning och lagring. Ur brandsynpunkt upplever man detta bjälklag som en bra barriär mellan bostäderna, detta på grunda av sin tjocklek det vill säga 117 mm CLT, samt 70 mm betong. Högskolan i Borås planerar ett arbete om en Livscykelanalys för WE-bjälklaget som dem anser har goda förutsättningar för framtidens samhällsutveckling. 47

55 Referenser Axelson, M., Förankringsprovning och skjuvprovning av träreglar med dymlingar ingjutna i betong, Borås: SP - Sveriges tekniska forskningsinstitut. Boverket, Boverket. [Online] Available at: Boverket/Webbokhandel/Publikationer/2007/Bostader-och-nya-ljudkrav/ [Använd ]. Buchanan, A. o.a., Multi-storey prestressed timber buildings in New Zealand. Structural engineering international, 18(2), pp Corcetti, R. & Sartori, T., Timber-concrete composite structures with prefabricated FRC slab, u.o.: u.n. Costa, L., Timber Concrete composite floors with prefabricate fiber reinforced concrete, Lund: Avdelningen för Konstruktionsteknik, Lunds tekniska högskola. Deam, B. L., Fragiacomo, M. & Buchanan, A. H., Rilem.com. [Online] Available at: [Använd 4 April 2014]. Gelfi, P., Giu, R., Ezio, M. A. & Marini, A., Stud shaer connection design for composite concrete slab and wood beams. Structural engineering, December, pp Gutkowski, R. M. o.a., [Online] Available at: [Använd 4 April 2014]. Johanesson, P. & Vretblad, B., Betongkonstruktioner. i: Byggformler och tabeller. 11 red. Täby: Liber AB, Stockholm, p. 81. Johanesson, P. & Vretblad, B., Byggstatik. i: Byggformler och tabeller. Täby: Liber AB, Stockholm, p. 36. Jorge, L. F. d. C., Estruturas mistas madeira-betão com a utilização de betões de agregados leves, Coimbra: Univeristy of Coimbra. Langesten, B. & Johanesson, P., Byggstatik. i: G. Ericson, red. Byggkonstruktion 1. Gävle: Liber Utbildning, p Lukaszewska, E., Development of Pefabricated timber-concrete composite floors, Luleå: LTU. Meierhofer, U., A new efficient system for timber/concrete composite structural element. Test, research and development. u.o., Timber engineering conference. Natterer, J., Composite wood-concrete floors for multi-story buildings. u.o., International wood engineering conference 3. 48

56 Östlund, L., Dimensionering av EW-element, Lund: Lars Östlund. Richart, F. & Williams, C. B. J., Tests of composite timber and concrete beams, Urbana, Illinois : Universty of Illinois engineering experiment station. SFS INTEC, SFS INTEC. [Online] Available at: [Använd 5 April 2014]. Svensk Betong, Svensk Betong. [Online] Available at: [Använd 7 Mars 2014]. Swedish Standards Institute, SS-EN :2004 Dimensionering av träkonstruktioner - Del 1-1: Allmänt - Gemensamma regler och regler för byggnader, Stockholm: SIS. Swedish Standards Institute, SS-EN 1990/R1, Eurokod - Grundläggande dimensioneringsregler för bärverk, Stockholm: SIS. Swedish Standards Intitute, SS EN Dimensionering av träkonstruktioner - Del 2: Broar. Stockholm: SIS. Thelandersson, S. & J, L. H., Timber Engineering. i: S. Thelandersson & H. J. Larsen, red. Timber Engineering. Chichester: John Wiley Sons, p Träguiden, Träguiden. [Online] Available at: [Använd 19 Maj 2014]. Yeoh, D. o.a., Development of semi-prefabricated timber-concrete composite floors in Australasia. Miyazaki, World conference on timber engineering. 49

57 Bilaga 1 Konstruktionsritning för statiska provelement

58 Bilaga 2 Skruvfördelning för statiska provelement

59 Bilaga 3 Konstruktionsritning för stegljudselement

60 Bilaga 4 Skruvfördelning för stegljudselement

61 Bilaga 5- Priskalkyl på WE-bjälklag jämfört med plattbärlag, håldäck, EW Kan jämföras med Material Pris Enhet KLH 5s 117 DL 520 kr/m² transport KLH 60 kr/m² total 580 kr/m² WT-T 8,2x kr/m² Skruvning med WT-T 60 kr/m² Skruvning 6,5 m²/h total 160 kr/m² EW-element 700 kr/m² total 700 kr/m² Transport Heda- >Fristad 30 kr/m² total 30 kr/m² Montage på byggplats 0,1 h/m² 400 kr/h total 40 kr/m² Kompletterande stomme 0,1 h/m² 400 kr/h total 40 kr/m² Kran+plattform 175 kr/m² total 175 kr/m² Målning underkant 70 kr/m² total 70 kr/m² Priset varierar mellan Total kostnad Kan jämföras med: 1795 kr/m² Pris Bjälklag [kr/m²] EW-Bjälklag 1226,95 Plattbärlag 1004,67 Håldäck med överbetong 1229,54

62 Bilaga 6 SFS-Intec, skruvdimensionering