Mätningar av deformationer i massivträstomme Kvarteret Limnologen i Växjö Juni 2012 Erik Serrano, Johan Vessby och Bertil Enquist Byggteknik Linnéuniversitetet
Förord Föreliggande rapport redovisar resultat från ett av de mätprojekt som genomförts i samband med byggnationen av kvarteret Limnologen i Växjö. Författarna riktar ett kollektivt tack till övriga som på ett eller annat sätt varit inblandade i projektet. Thord Lundgren, Byggnadsmekanik, LTH som var rådgivare vid valet av elektroniklösningarna samt hjälpte till med inkopplingen av givarna och loggern och Leif Bengtsson, OBE-teknik, som tillverkade olika mekaniska beslag och hjälpte till med den i flera avseenden besvärliga installationen, bör särskilt nämnas. En del av resultaten från mätprojektet har tidigare publicerats dels som ett examensarbete och dels i samband med en vetenskaplig konferens, se referenslistan. Ett tack också till Stiftelsen Centrum för Byggande och Boende med Trä CBBT och Linnéuniversitetet som finansierat detta projekt.
Innehåll Förord... 2 1 Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Sättningar... 2 2 Metoder och utrustning... 2 2.1 Princip för deformationsmätning... 2 2.2 Mätutrustning... 4 3 Resultat, diskussion och slutsatser... 5 3.1 Resultat... 5 3.2 Diskussion... 6 3.2.1 Deformationer i respektive våningsplan... 6 3.2.2 Långtidsdeformationer och uttorkning... 6 3.3 Slutsatser... 7 4 Litteraturförteckning... 7
1 Inledning 1.1 Bakgrund Välle Broar-projektet i Växjö omfattar ett cirka 15 hektar stort område mellan sjön Trummen i öster och Bergundasjön i väster. Växjö kommuns plan med området är att skapa en sammanhållen, mångfunktionell och stadsmässig träbebyggelse mellan universitetet och Växjö centrum. Tillsammans med kommunen skall ett antal aktörer, däribland Linnéuniversitetet och byggaktörerna, samarbeta och genom forskning och tillämpning skapa den moderna trästaden. Kvarteret Limnologen ingår i Välle Broar-projektet från och med hösten 2005 i samband med att Midroc Property Development förvärvade fastigheten. Bostadsprojektet Limnologen omfattar totalt 134 bostadsrättslägenheter fördelade på fyra huskroppar med vardera åtta våningar (Figur 1). Alla byggnader i området har pålats med betongpålar, som stödpålar till fast botten. Bottenvåningen är utförd helt i betong och ovanför denna våning är stommen helt i trä. Våningsplan åtta har delvis indragna väggliv och betydligt mindre area jämfört med underliggande våningsplan. Martinsons Byggsystem AB stod för projektering, tillverkning, leverans och ansvarade för monteringen av trästommen, som består av prefabricerade planelement. I de bärande väggarna används tre- eller femskikts massivträskivor. Skivorna består i de yttre lagren av vertikala sammanlimmade brädor och i de inre av växelvis horisontella och vertikala lager beroende på antalet skikt. Till bjälklagen används Martinsons kasettbjälklag med en 73 mm tjock massivträskiva på översidan samt med liv och flänsar av limträ på undersidan. Bjälklagselementen spänner mellan ytterväggarna med en bärande vägg eller balk som mittstöd i de fall då lägenheterna är genomgående från husets ena långsida till den andra. Massivträskivan sticker ut och är den enda del av bjälklaget som bildar upplag på de bärande ytterväggarna. Projektet Limnologen har följts av Linnéuniversitetet (dåvarande Växjö universitet) och SP Trä i ett antal projekt, se (Serrano, 2008). Husen har instrumenterats och mätningar har genomförts från byggstart och under lång tid framåt. Viktiga aspekter på teknik, ekonomi och byggprocessen har följts upp, dokumentarts och förmedlats till andra företag och privatpersoner som intresserat sig för träbyggnad. De mätningar som redovisas här avser deformationerna i en del av den bärande trästommen. Resultat från mätningar t o m oktober 2009 har tidigare presenterats i (Serrano, o.a., 2010) Figur 1. Fastighetens planering, från kommunens detaljplan samt en bild på byggnadsplatsen tagen från nord-nordväst under april 2008. 1
1.2 Sättningar En byggnadsstomme sätter sig mer eller mindre, speciellt under första året, så att avståndet mellan grundläggning och tak minskar. I lägre hus är dessa sättningar små och oftast problemfria men i högre hus kan de medföra problem. Vid t ex putsade fasader måste putsen fästas till konstruktionen så att den typen av rörelser inte ger upphov till sprickor i putsen eller glipor vid olika anslutningar. Är sättningarna stora och framför allt, om de är ojämnt fördelade, kan relativförskjutningar uppkomma mellan olika komponenter i byggnaden och laster kan omfördelas på ett ogynnsamt sätt som byggnaden inte är dimensionerad för. Vid höga hus med trästomme måste den stora skillnaden i träets styvhet vid belastning parallellt med respektive vinkelrätt fibrerna särskilt beaktas. Träets fuktinnehåll måste också tas hänsyn till eftersom uttorkning och uppfuktning kan ge upphov till relativt stora dimensionsförändringar. En konventionellt utförd trästomme där bärande väggar är utförda med stående reglar och syllar som belastas vinkelrätt fibrerna förväntas ge upphov till större sättningar jämfört med en vägg av massivträskiva med fibrer som belastas parallellt med sin längsriktning och där spänningsnivåerna är relativt sett avsevärt lägre än i en konventionell stomme.. Olika anslutningsdetaljer som t ex upplag av bjälklag på väggar måste vara lösta på bra sätt. Kompromisser måste dock accepteras mellan val av styva, tämligen oeftergivliga anslutningar eller upplag och krav på god ljudisolering. Det finns få mätningar av hur stora sättningarna blir i olika byggnader. I de femvåningshus med träregelstommar som byggdes på Wälludden i Växjö under mitten av 1990-talet gjordes mätningar av sättningar i husen. Med hjälp av stålmåttband mättes relativförskjutningar mellan grunden och till fönsterblecken på de olika våningsplanen. Under det första året ökade relativförskjutningen eller sättningen mellan grunden och den översta våningen successivt till cirka 20 mm. Efter det första året anges att sättningen avstannade. 2 Metoder och utrustning 2.1 Princip för deformationsmätning Deformationsmätningarna har gjorts på hus nummer 2, det hus som byggdes först av de fyra på fastigheten, se Figur 1. Mätutrustningen monterades längs en vertikal linje på trästommens utsida på den putsade fasaden mot nordväst, Figur 2. All mätutrustning som används (förutom en datalogger) monterades inuti en kanal av plast, se Figur 3 och Figur 4. Relativförskjutningen mellan två punkter mäts för vardera av de sex våningarna med trästomme. Mätningen av våning 1 görs mellan en punkt vid ovankanten av bottenvåningens betongstomme till en punkt vid ovankanten av ytterväggen på första våningens trästomme, Figur 3a) och b). Vid våning 2 parallellförskjuts mätutrustningen, Figur 4b), men utgår från samma vertikala position som den första våningens översta mätpunkt och mäter till en punkt vid ovankanten av ytterväggen på andra våningens trästomme. På motsvarande sätt mäts de övriga våningarna, upp till och med den sjätte våningens trästomme, Figur 4c). Sättet att mäta gör det möjligt att studera hur ytterväggselementet (våning 1-6) tillsammans med det underliggande bjälklagsupplaget (våning 2-6) deformeras, våning för våning. Notera att mätningarna för första våningen alltså enbart inkluderar deformationerna i väggelementet. Summeras mätningarna från alla våningarna fås den totala relativa förskjutningen, eller sättningen. Temperatur och relativ fuktighet mäts också i en punkt vid första våningens underkant samt i en punkt vid sjätte våningens ovankant, Figur 4a) och c). 2
Figur 2. Mätkanalens placering på den sydvästra fasaden av hus 2 samt Martinsons vägg- och bjälklagselement med massivträskivor a) b) Figur 3. Detaljer av installationskanalerna och mätutrustningen. a) Vertikal sektion av husets yttervägg samt mätlängder för deformationsmätningarna. b) Tvärsnitt av installationskanalen. 3
Figur 4. Montage av installationskanalerna och mätutrustningen. 1) Mätstångens upplag på bottenvåningens betongstomme samt en fukt- och temperaturgivare monterad cirka 200 mm från träväggens underkant. 2) Parallellförskjutning av kanalerna vid de våningsskiljande bjälklagen. 3) Deformationsmätpunkt längst upp, våning 6, samt en fukt- och temperaturgivare monterad cirka 500 mm från träväggens överkant. 4) Dataloggern monterad i husets elcentral. Signalkablarna drogs i ett ingjutet elrör fram till anslutningen av kanalerna, se detalj 1. 5) Skyddskåpor av plast monterades över givarna, därefter fylldes kanalerna med lös mineralull. 6)Täcklock monterades på kanalerna.. 2.2 Mätutrustning Utrustningen för deformationsmätningarna består av en invarstång (legering av nickel och järn) med diametern 20 mm, upplag och sidostöd av stången med stålbelag som skruvas till väggstommen samt en lägesgivare av typen potentiometer (typbeteckning WPL 50EFZ av fabrikat Regal Components). Invarstången, vars upplagsände är avrundad, är ställd på det nedre stålbeslaget/konsolen och är enbart löst sidostöttad med två beslag. I invarstångens överkant är ett höj- och sänkbart stålbeslag monterat till vilket i sin tur potentiometern är fastsatt. Detta arrangemang gjorde det möjligt att vid montaget justera potentiometerns läge så att den blev lagom mycket intryckt mot den övre mätpunktens stålbeslag/konsol. Varje potentiometer är ansluten med separata signalkablar till en datalogger (typbeteckning DT85 av fabrikatet Datataker) som är monterad i husets elcentral, Figur 4f). Temperatur- och fuktgivaren är ihopbyggd till en enhet med en temperatursensor och en kapacitiv givare som fuktsensor (typbeteckning HMP50 av fabrikatet Vaisala). Dataloggern är försedd med ett inbyggt batteri vilket gör att inga mätdata försvinner vid strömavbrott. Däremot kan inga nya mätdata samlas vid strömavbrott eftersom givarna har extern strömförsörjning, alltså inte via loggern (3.0 V för deformationsgivarna och 12.0 V för temperatur- och fuktgivarna). Mätonoggrannheten i deformationsmätningarna uppskattas till maximalt cirka +/-0.12 mm. Av denna totala onoggrannhet hänför sig +/-0.05 mm till själva potentiometern. Resterande del hänförs till de längdförändringar av mätstången som fås vid temperaturvariationer på +/-10 o C. Invarstången har längden 2.83 m och stålbeslaget som håller potentiometern har längden 0.17 m. Längdutvidgningskoefficienten, α, för invarlegeringen är α=1.5 och för stål är α =12 [10-6 /K]. Onoggrannheten i mätningarna av relativ fuktighet uppskattas till maximalt cirka +/-3 % och i mätningarna av temperatur till maximalt cirka +/-0.6 o C. Installationskanalen som bygger ut 60 mm från ytterväggen, Figur 3 b), med bredden 100 mm (200 mm vid våningsskarvarna) minskar lokalt väggens utvändiga isolertjocklek till 120 mm istället för 180 4
mm. Eftersom denna minskning av isoleringen har liten utsträckning i bredd och att kanalen är fylld med lös mineralull så anses installationen inte påverka vare sig fukt- eller temperaturförhållandena vid trästommens utsida i någon större utsträckning. Montaget av installationskanalerna och mätutrustningen gjordes under slutet av juli 2007. Denna tidpunkt valdes eftersom det då fanns tillgång till byggnadsställningar som användes vid isoleringen och putsningen av fasaden. Det hade naturligtvis varit intressant om mätutrustningen hade kunnat monteras och kopplas in våning för våning så mätningar kunde ha gjorts allteftersom byggnationen fortskred. Likaså hade det varit intressant att kompletterat deformationsmätningarna med separata mätningar över upplagen för de våningsskiljande bjälklagen. Dessa önskemål fick skrinläggas till stor del beroende på praktiska problem, bland annat på hur montaget skulle kunna lösas. 3 Resultat, diskussion och slutsatser 3.1 Resultat Insamlingen av mätdata påbörjades 2007-09-06. Inledningsvis var mätintervallet tio minuter, men successivt har det ökats så att mätvärden nu samlas in en gång per timme. Mätningarna pågår fortfarande (juni 2012). Under november och december 2007 var det strömavbrott under cirka en månad, på grund av att strömförsörjningen av misstag kopplades bort av personal på byggarbetsplatsen. Nedan presenteras mätresultaten i kurvform. Samtliga kurvor redovisar dygnsmedelvärden. I Figur 5 visas deformationerna från mätperioden, 2007-09-06 2012-06-10, för de enskilda våningsplanen samt summan av dessa deformationer, dvs den totala deformationen över 6 våningsplan (6 väggelement och 5 bjälklagselement). Som framgår av denna figur ökade den totala deformationen under de första 6 månaderna till i storleksordningen 18 mm. Därefter tycks deformationen ha avstannat och stabiliserats kring nivån 22 mm med en variation över året. I Figur 6 visas uppmätt temperatur och relativa fuktighet i mätkanalen, för samma period som ovan. Mätdata redovisas för båda givarna som moterades i mätkanalen, en vid 2:a våningen, och en vid 7:e våningen. Figur 5. Deformationer för perioden 2007-09-06 2012-06-10, totalt 57 månader. 5
Figur 6. Temperatur och relativ fuktighet för perioden 2007-09-06 2012-06-10, totalt 57 månader. 3.2 Diskussion 3.2.1 Deformationer i respektive våningsplan Som tidigare nämnts gör utformningen av installationen att deformationen för våning 1 enbart representerar den deformation som uppstår i väggelementet. För övriga våningar mäts även deformationen över bjälklagsanslutningen, där tryck vinkelrätt fibrerna förekommer, se Figur 4. Detta medför att, trots att belastningen är störst för det nedersta våningsplanet, våning 1, är deformationerna inte störst där, se Figur 5. Dessutom bör påpekas att i anslutningen mellan byggnadsdelarna finns monterat en så kallad sylomerlist. Denna har till uppgift att dämpa vibrationerna i byggnaden. I olika våningsplan har olika styva sylomerlister monterats, och hur detta har påverkat de uppmätta deformationerna är oklart då sylomerlisternas olika styvhet eventuellt kan innebära att de har olika benägenhet att deformeras under långtidslast. 3.2.2 Långtidsdeformationer och uttorkning Ytterväggen bär förutom sin egentyngd och takets egentyngd också den last som belastar bjälklaget samt egentyngden av bjälklaget. I (Zeng, o.a., 2009) beräknas den troliga lasten från ett våningsplan på ett väggelement till ca 5,5 kn/m (karakteristisk last enligt norm är ca 7,5 kn/m). Trycket mot underlaget bör för denna last vara ca 5,5/0,1=55 kpa eller ca 0,055 MPa. Även om detta är en mycket grov uppskattning, bör det stå klart att trycket i sig inte är så stort att det utgör något problem. Sannolikt utgörs därmed de uppmätta deformationerna endast i liten utsträckning av deformationer på grund av mekanisk last och på grund av krypning i träet (initiella deformationer har inte uppmätts). I fiberriktningen motsvarar 0,055 MPa en töjning på ca 0,55 10-5, tvärs fiberriktingen ca 1,1 10-4. En grov uppskattning av deformationerna över ett väggelement á 3 m + 1 bjälklagsskiva á 0,1 m blir 1,65 10-5 +0,11 10-4 =2,75 10-5 = 0,0275 mm. Om vi antar att de totala krypdeformationerna efter lång tid är ca dubbelt så stora som de initiella deformationerna, fås en deformation på ca 0,055 mm för ett våningsplan. Totalt över de sex våningarna blir långtidsdeformationen ca 0,055 + 0,055 2 + + 0,055 6 = 21 0,055 = 1,155 mm (egentligen 5 bjälklag och 6 väggelement). I denna uppskattning ingår inte takets egentyngd. Genom att jämföra den uppmätta relativa fuktigheten i mätkanalen med deformationerna syns orsaken till de uppkomna deformationerna. Initiellt uppmättes relativa fuktigheter runt 85-90%. Efter ca 6 månader har dessa nivåer sjunkit och den relativa fuktigheten varierar därefter regelbundet med årstiden. I (Zeng, o.a., 2009) gjordes en enkel uppskattning av effekten av en initiell uttorkning följd 6
av ett varierande klimat. Det visade sig att de uppmätta deformationernas variation (inklusive den initiellt större) korrelerar mycket väl med variation i relativ fuktighet, och den uppskattade fuktkvoten i träet. Den egentliga sättningen, dvs den som orsakas av mekanisk last och långtidseffekter, kan eventuellt skönjas i deformationsmätningarna. För att tydliggöra detta kan man studera hur t ex årligt maximum av total deformation faktiskt ökar med tiden från ca 18 mm år 1 till i nuläget ca 22 mm, en skillnad på ca 4 mm. Det bör återigen påpekas att mätningarna startade efter det att i princip all egentyngd belastade konstruktionen, gipsskivorna var till exempel levererade till respektive våningsplan. De uppmätta deformationerna utgörs alltså av tillskottdeformationer efter initiell belastning. 3.3 Slutsatser Följande allmänna slutsatser har dragits av detta projekt: I projektet har en mätmetod tagits fram som gjort det möjligt att med god noggrannhet, under lång tid och kontinuerligt följa deformationsförloppet i en yttervägg av massivträtyp. Resultaten visar att den största delen av deformationerna uppkommit på grund av initiell uttorkning av materialet. Total deformation, mätt över 6 våningsplan är ca 22 mm. Under året varierar deformationerna i ytterväggen på grund av variation av den relativa fuktigheten. Skillnaden i total deformation (för 6 våningsplan) över året på grund av denna variation i relativ fuktighet är ca ±2 mm. 4 Litteraturförteckning Serrano Erik Uppföljnings- och dokumentationsprojektet Limnologen. Översikt och delprojektrapporter i sammanfattning. [Rapport] / School of technology and design. - Växjö : Växjö universitet, 2008. - Reports, No. 47. Serrano Erik, Enquist Bertil och Vessby Johan Vertical relative displacements in a medium-rise CLTbuilding [Konferens] // Structures and Architecture / red. Cruz. - Guimaraes : Taylor & Francis Group, London, 2010. - ISBN 978-0-415-49249-2. Zeng Xiong Yu, Ren Su Xin och Sabri Omar Vertical Displacements in a Mediumrise Timber Building. Limnologen in Växjö, Sweden. [Rapport] : Diploma thesis / School of technology and design. - Växjö : Växjö university, 2009. - TD061/2009. 7