Hållbart byggande med höghållfast stål Jan-Olof Sperle, Tekn. Dr., Sperle Consulting AB, em. professor i Lättkonstruktioner vid KTH och f.d. Chef för Forskning &Utveckling, SSAB Borlänge. Figur 1. Trailer för timmertransporter där hållfastheten i stålet i de längsgående balkarna fördubblats vilket resulterade i en minskning av miljöbelastningen med nära 40% till följd av viktminskningen. Kan vi lära något av fordonsindustrin? Zuheir Barsoum, Tekn Dr är Lektor i Lättkonstruktioner vid KTH. Ett sätt att ytterligare förbättra miljöegenskaperna hos en stålbyggnad är att minska stålmängden genom att använda större andel höghållfast stål. Besparingen görs då både i material och transporter till byggplatsen. Men övergång till högre hållfasthet kräver insiktsfull design för att kompensera för nedböjning och lokal buckling och här finns det kanske något att lära från fordonsindustrin. Vi är snart nio miljarder invånare på jorden och om vi alla skall leva på en västerländsk levnadsstandard så krävs att man kan uppnå den med väsentligt lägre resursförbrukning. Ett mål som nämns inom stålbranschen är en halvering av materialmängder för varje funktionell enhet som t ex kvadratmeter bostad, kontor eller lager. Utnyttja befintlig teknik En uppenbar möjlighet är att följa befintliga normer och inte överdimensionera och en annan att utnyttja tekniker för lättkonstruktion 16 SAMHÄLLSBYGGAREN 2 2012
lättkonstruktioner och Björn Uppfeldt, Civ Ing SVR, har en bakgrund som konstruktör och är VD för Stålbyggnadsinstitutet. och höghållfasta stål. Idag finns avancerade varmvalsade och kallvalsade konstruktionsstål som bandoch grovplåt i hållfastheter upp till 1400 MPa sträckgräns. Motsvarande värde för metallbelagd tunnplåt är ca 1000 MPa brottgräns. Byggnormer tidigt ute Höghållfast stål har visserligen en högre sträckgräns men det tunnare materialet gör att konstruktören måste parera för ökad nedböjning och lokal buckling. Detta har man tagit höjd för i framsynta arbeten som StBK-N5 från Statens Stålbyggnadskommitté och Boverkets handbok om stålkonstruktioner, BSK, där utnyttjande av verklig bärförmåga, överkritisk buckling m.m. tillåts. Detta har starkt bidragit till den ökande användningen av höghållfasta stål och även om dessa normer i första hand var avsedda för stålbyggnad har de blivit något av en standard inom många applikationsområden inom verkstadsindustrin. Fordonsindustrin framgångsrika pionjärer Om balkarna i ett chassi till ett timmersläp uppgraderas från konventionella IPE-profiler i stål med sträckgräns 310 MPa till svetsade balkar i Domex 700 med en sträckgräns på 700 MPa, figur 1, möjliggör den ökade sträckgränsen en viktminskning med 37 % på uppgraderade delar vilket i sin tur innebär att miljöbelastningen vid ståltillverkning och transporter av stål kan minskas med nästan 40 %. Detta och andra liknande resultat har tagits fram i miljöforskningsprogrammet, finansierat av Mistra (Stiftelsen för miljöstrategisk forskning) och koordinerat av Jernkontoret. Principiellt är detta resultat direkt överförbart till konstruktionselement som används inom stålbyggnad. De högsta hållfasthetsnivåerna när det gäller kallvalsad och metallbelagd plåt utnyttjas idag i t.ex. säkerhetskonstruktionen i fordon medan en typisk användning för de högsta hållfasthetsnivåerna av varmvalsad plåt är mobilkranar. Båda dessa applikationer är exempel där successiva förändringar av konstruktionselementens tvärsnitt möjliggjort utnyttjande av allt högre hållfastheter. Figur 2 visar en kranarm på en mobilkran där både överkrökning för att kompensera för ökad nedböjning och rundad fläns på trycksidan för att förhin- Rutger Gyllenram, Tekn Lic, Kobolde & Partners AB, är ordförande i SIS/TK209 Hållbara byggnadsverk och arbetar med produktekologifrågor för Stålbyggnadsinstitutet. Figur 2. Kranarmar till mobilkran. Figuren till vänster visar hur kranens profil är avsedd att parera nedböjningen och lokal buckling vid belastning. Figuren till höger visar det tyska företaget Ruthmanns finalbidrag vid Swedish Steel Prize 2010, en 27 m hög mobilkranarm till en arbetsplattform i 1,5 mm Docol 1200 M. SAMHÄLLSBYGGAREN 2 2012 17
Fakta De generella reglerna i Eurokod 3 del 1-1 är begränsade till stål med 235-460 MPa i sträckgräns. Eurokod 3 del 1-12 utökar giltigheten till stål med sträckgräns upp till 690 MPa. Det finns ett starkt önskemål om att utvidga dessa regler ytterligare till att gälla för högre hållfastheter, upp till 960-1100 MPa sträckgräns bl.a. för lättviktsapplikationer såsom temporära broar. Figur A visar den potentiella viktminskningen och tjockleksreduktionen som funktion av sträckgränsen. Vid optimal dimensionering av såväl statiskt- som dynamiskt belastade konstruktioner i höghållfast stål, finns ett antal konstruktiva knep för att motverka att bärförmågan minskar på grund av t.ex. instabilitet och buckling samt att kompensera för ökad nedböjning. Lösningen för att bibehålla styvheten trots minskad plåttjocklek är ökad tvärsnittshöjd. Detta illustreras i figur B för en enkel konsolbalk med rektangulärt tvärsnitt som utsätts för en last i den fria änden. Enkla förändringar av tvärsnittets geometri (tjocklek, bredd och höjd) leder till en minskad vikt, ökad styvhet, minskad nedböjning och minskad material- och resursåtgång. Vid ett ökat bredd/tjockleksförhållande (b/t) gör den ökade slank heten att risken för lokal buckling ökar. Detta hanteras vanligen genom att använda olika typer av förstyvningar. Att införa förstyvningar som är indirekta lastbärare är ofta det enklaste och billigaste sättet att fördela laster. Detta har med fördel använts länge inom tunnplåtsapplikationer (exempelvis flygplanskonstruktioner) som är extremt känsliga för buckling. Figur C visar olika utföranden av förstyvningar som används vid tunnplåtsapplikationer och som syftar till att öka styvheten och reducera bucklingsbenägenheten. filerade takbalkar och väggprofiler. Med de tunna tjocklekar (0,6-3 mm) som förekommer i dessa sammanhang har bedömningen gjorts att det är svårt att utnyttja högre hållfastheter än 350-420 MPa sträckgräns. Men utvecklingen i fordonsindustrin visar att byggprofilerna knappast kommer stanna på 420 MPa-nivån. Se bara kranarmen i figur 2 som är konstruerad med 1.5 mm stål. Figur 3. Del av takkonstruktionen i Friends Arena där användning av avancerade höghållfasta stål ger en lättare konstruktion och därmed miljöfördelar vid ståltillverkning, transporter och montering. dra lokal buckling ökar den hållfasthet som kan utnyttjas. Höghållfast i byggande Swedbank Arena som visas i figur 3 är ett exempel på framgångsrik tillämpning av höghållfasta stål i byggande. Genom att i vissa takdelar använda stål med hållfastheter 460, 690 och 900 MPa sträckgräns istället för konventionellt 355 MPa stål har vikten på arenans fasta tak minskats från 4585 till 4000 ton. Konstruktionsdelar med högre hållfasthet än 355 MPa utgör 32 % av det fasta takets totalvikt. Miljöbesparingen vid ståltillverkning och transport, som analyserades i, är 1350 ton koldioxid och 4000 MWh icke förnyelsebara energiresurser. Användning av kallvalsade och metallbelagda höghållfasta stål har sedan länge använts för olika pro- Höghållfast stål ett arkitektmaterial? Ja varför inte? Med ökad kunskap om att bygga ultralätta byggnadsverk signaleras både högteknologi och miljömedvetenhet. Nu gäller det att öka erfarenhetsbasen med goda exempel och samtidigt se till att det finns adekvat utbildning i lättkonstruktioner inom byggande vid landets tekniska högskolor vid institutioner för såväl samhällsbyggare som arkitekter. En fascinerande framtid, men egentligen har vi inget val. Läs mer på Internet www.sbi.se Författarnas e-post jan-olof@sperle.se zuheir@kth.se bjorn.uppfeldt@sbi.se rutger.gyllenram@kobolde.com 18 SAMHÄLLSBYGGAREN 2 2012
Figur A. Minskad plåttjocklek och vikt med ökande sträckgräns. Figur C. Olika förstyvningar i syfte att minska bucklingsbenägenheten. Figur B. Viktreduktion och f ördelar med övergång till höghållfast stål exemplifierat med en enkel konsolbalk. Annons 1/2 Nowa komm. SAMHÄLLSBYGGAREN 2 2012 19
Fakta Mistra stiftelsen för miljöstrategisk forskning och deltagande företag satsar över 200 miljoner kronor i. Programmet syftar till en mer resurssnål tillverkning av stål, smartare konstruktionsmetoder för nya stålsorter samt till att underlätta användningen av skrot och biprodukter. Det skapar kunskaper som kan öka utbytet av järn och legeringar och teknik för att hålla kvar dem i stålets kretslopp. I driver stål- och gruvindustrin tillsammans med återvinnings- och tillverkningsindustrin en rad process- och produktutvecklingsprojekt. Företagen har direkt inflytande på forskningen, en garanti för att resultaten kommer till användning. För mer information, besök www.stalkretsloppet.se Återvinning av stål en nyckel till ett hållbart samhälle Det är lätt att återvinna stål för det finns redan ett väl fungerande industrisystem för återvinning i samhället, säger Göran Andersson, Jernkontoret, stålindustrins branschorganisation. Metaller har under många århundraden ansetts vara värdefulla och har i alla tider använts om och om igen för att för att göra nya föremål. Stål är inget undantag. Stål som blir skrot när byggnader rivs och bilar skrotas, eller när tvättmaskiner, plåtburkar, barnvagnar mm lämnas på återvinningstationer, blir till nytt stål när det smälts om i stålindustrin. För varje ton stål som tillverkas från skrot så undviker man att tillverka samma ton stål från järnmalm, förklarar Göran. Recirkulationen spar därför både naturresurser och den energi som användes för att omvandla järnmalm till stål första gången. Dessutom undviker man de utsläpp som den processen ger upphov till. Stålets egenskap, att kunna smältas om nästan hur många gånger som helst utan att egenskaperna försämras, är unik och en nyckel till ett hållbart och materialeffektivt samhälle. Jämfört med alla andra konstruktionsmaterial är stål oslagbart på den punkten, säger Göran. Inom stål- och återvinningsindustrins miljöforskningsprogram har man konstaterat att användningen av nya stålsorter, starkare och beständigare, ger väldigt stora miljöförbättringar inom fordonssektorn, men också betydande fördelar inom byggsektorn. Stålet som material är under ständig utveckling. Det finns i nästan alla vardagsprodukter, bilar, tåg, verktyg, leksaker och byggnader. Dagens och morgondagens stål bidrar därför i högsta grad till ett resurssnålt samhälle, där återvinning, tillverkning och användning sker i en samklang som aldrig tidigare. Skrot en värdefull råvara Globalt tillverkas ca 500 miljoner ton stål per år av skrot, men det räcker inte. Efterfrågan på stål är Göran Andersson, Jernkontoret. Programchef Läs mer på Internet www.stalkretsloppet.se Författarens e-post goran.andersson@jernkontoret.se så stor att det inte finns tillräckligt mycket skrot för att producera de mängder som efterfrågas. Under lång tid med hög tillväxt, i framförallt Asien, kommer det att behövas mer än tre gånger så mycket stål. Det vill säga det behöver tillverkas ca 1000 miljoner ton stål per år från järnmalm för att mätta efterfrågan. Stålets återvinningsgrad ökar visserligen och de nya stålens materialeffektiva användning gör att mindre stål behövs för en viss funktion, men det kan inte kompensera behovet av stål från järnmalm, säger Göran. Inte minst resultaten från miljöforskningsprogrammet visar att det är möjligt att bli ännu bättre och accelerera utvecklingen mot ett hållbart samhälle med nytt stål. 20 SAMHÄLLSBYGGAREN 2 2012