Sedan några år tillbaka håller en ny generation av hela eurokodfamiljen på att värkas fram i olika kommittéer och arbetsgrupper inom CEN/TC250. Det kommer dock att ta till bortåt 2022 eller 2023 innan de blir offentliga eftersom planen är att alla delar, från Eurokod 0 till Eurokod 9, ska publiceras samtidigt.
Den nuvarande Eurokod 3, EN 1993 – Dimensionering av stålkonstruktioner, omfattar 20 enskilda delar. Innehållet i alla dessa delar ses över i samband med revideringsarbetet. Dessutom tas någon del bort, några delar slås ihop och några nya delar tillkommer. Det finns säkert orsak att återkomma till konsekvenserna av detta revideringsarbete längre fram. Denna artikel fokuserar dock på dimensioneringsreglerna för konstruktioner i höghållfast stål, och särskilt bärförmågan för böjknäckning av pelare i höghållfast stål.
För flera år sedan beslöt den kommitté, CEN/TC250/SC3, som ansvarar för Eurokod 3 att i nästa generation av eurokoderna kommer EN 1993-1-1, och därmed även övriga delar av EN 1993, att omfatta stål upp till och med S700. Detta åstadkoms genom att de regler som finns i den nuvarande EN 1993-1-12, Tilläggsregler för stålsorter upp till S700, förs över till de övriga delarna av Eurokod 3 i samband med den pågående revideringen.
I samband med att SC3 tog detta beslut beslöt man även att EN 1993-1-12 ska tas bort. Ett långt och envist lobbyarbete från i huvudsak Sverige, Finland och Storbritannien har dock lett till SC3 har backat i denna fråga och istället beslutat att EN 1993-1-12 ska finnas kvar och göras om till att omfatta tilläggsregler för stålsorter upp till S960. Arbetet med att ta fram en ny EN 1993-1-12 med en förändrad omfattning har påbörjats parallellt med revideringen av de övriga delarna och ambitionen är att denna del ska vara klar och kunna publiceras samtidigt som övriga delar av Eurokod 3.
Sverige spelade en viktig roll i utvecklingen av den ursprungliga SS-EN 1993-1-12 genom framlidne professor Bernt Johansson som var ordförande för den arbetsgrupp inom SC3, WG12, som tog fram EN 1993-1-12. Sverige har även en betydande roll i utvecklingen av den nya EN 1993-1-12 genom att författarna till denna artikel är ordförande för, respektive ledamot i den nuvarande arbetsgruppen WG12. Denna arbetsgrupp identifierade tidigt en översyn av dimensioneringsreglerna för böjknäckning av tryckta komponenter i höghållfast stål som ett viktigt delmoment i utvecklingen av den nya EN 1993-1-12 som ska ge tilläggsregler för stålsorter från S700 till S960.
Behovet av mer kunskap om bärförmågan för böjknäckning för komponenter i höghållfast stål motiverade initieringen av ett forskningsprojekt vid Stålbyggnad, LTU, som kommer att redovisas i form av en doktorsavhandling under våren 2020 och som kommer att utgöra underlag för fastställande av reglerna för böjknäckning i den nya EN 1993-1-12. Projektet har finansierats av det europeiska forskningsprojektet Aeolus4Future, SBUF och Stålbyggnadsinstitutet. SSAB har bidragit med höghållfast stål till provkroppar och WPS-er för svetsning medan Stålsmide i Luleå AB har bidragit med tillverkning av provkropparna. Här ges en kort beskrivning av de nuvarande dimensioneringsreglerna för böjknäckning i EN 1993-1-1 och EN 1993-1-12 och en sammanfattning av de slutsatser projektet har resulterat i.
Regler för bärförmåga för böjknäckning i nuvarande EN 1993-1-1
De nuvarande dimensioneringsreglerna för böjknäckning i EN 1993-1-1 är resultatet av ett stort omfattande inom ECCS under 1970-talet. Försöksresultat sammanställdes och utvärderades, vilket ledde till den beräkningsmodell vi tillämpar idag med knäckningskurvorna a0 till d i tabell 6.2 i EN 1993-1-1 som speglar egenspänningarnas inverkan på bärförmågan för böjknäckning.
När dimensioneringsreglerna i EN 1993-1-1 utvecklades låg den stora majoriteten av det experimentella underlag man hade tillgång till i intervallet S235 – S275, och det fanns inga försök på pelare med hållfastheter över S460. Detta gjorde att knäckningskurvorna i EN 1993-1-1 reflekterar hur egenspänningarna påverkar bärförmågan för böjknäckning för pelare tillverkade av stål i hållfastheter långt ifrån vad som idag betraktas som höghållfast stål.
Vi vet dock nu, genom mätningar av egenspänningar i olika typer av stålkomponenter, att egenspänningarnas storlek relativt materialets hållfasthet, ofta uttryckt som sR/fy, inte är konstant. För en svetsad profil i S355 kanske det maximala värdet för sR/fy kan närma sig 1,0, medan mätningar av egenspänningar i en svetsad profil i S700 ger sR/fy i storleksordningen 0,6 eller något liknande. Detta har betydelse för bärförmågan för böjknäckning, och det avspeglas i att man i tabell 6.2 i EN 1993-1-1 anger en annan, högre knäckningskurva för valsade tvärsnitt och VKR-rör i S460 än i S235 – S420.
Regler för bärförmåga vid böjknäckning i nuvarande EN 1993-1-12
I nuvarande EN 1993-1-12 återfinns en tilläggsregel till tabell 6.2 i EN 1993-1-1 som säger att ”reglerna för S460 är också tillämpbara för stålsorter högre än S460 och upp till S700”. Denna regel ska tolkas som att de knäckningskurvor som enligt EN 1993-1-12, tabell 6.2, bör tillämpas för S460 även kan tillämpas för pelare i högre hållfastheter. Denna regel kommer att implementeras i den nya EN 1993-1-1, vilket i praktiken innebär att för valsade profiler och för varmformade rör i S460 – S700 kan man välja knäckningskurva ao istället för a vid beräkning av bärförmågan för böjknäckning.
Den bakomliggande orsaken till denna regel är att det har bedömts finnas tillräckliga belägg för att kunna anta att egenspänningarna från valsning inte har lika stor inverkan på bärförmågan för denna typ av pelare om de tillverkade av stål i högre hållfastheter. Man skulle kunna förmoda att man kan tillämpa ett liknande resonemang för svetsade pelare. Tabell 6.2 i EN 1993-1-1 visar dock att så inte är fallet. För svetsade pelare liksom för kallformade rör gäller samma knäckningskurva, oberoende av stålsort, vilket sannolikt beror på att det vid tiden för utvecklingen av nuvarande EN 1993-1-1 och EN 1993-1-12 inte fanns tillräckliga empiriska belägg för att kunna anta något annat.
Bärförmåga för böjknäckning för pelare i S700 – S960
Olika aspekter av bärförmågan för bärande konstruktioner i höghållfast stål har under senare år väckt ett ökat intresse hos forskare runtom i världen. När det gäller bärförmågan för böjknäckning har dock denna forskning i huvudsak fokuserat på varm- och kallformade fyrkantrör samt svetsade lådtvärsnitt, för vilket det finns ett relativt stort experimentellt underlag som kan utgöra grund för utvärdering av dimensioneringsregler för böjknäckning för stålsorter i spannet S690 till S960.
Varmvalsade I-profiler i höghållfast stål finns inte, och det är magert med publicerade studier om svetsade pelare i höghållfast stål med I-tvärsnitt belastade med normalkraft. Så vitt känt finns det endast publicerat resultat från två försök med svetsade pelare i S960 med I-tvärsnitt belastade med böjknäckning i vek riktning, och bägge dessa pelare hade en slankhet, l, som var högre än det slankhetsintervall, l = 0,4 – 1,2, som är relevant att studera i detta sammanhang eftersom det är i detta intervall som egenspänningarna kan antas ha inverkan på bärförmågan för böjknäckning.
För att bredda underlaget för utveckling av dimensioneringsregler för böjknäckning för stålsorter i spannet S700 till S960 inriktades den experimentella delen av forskningsprojektet vid LTU på provning av elva svetsade pelare i S960 med I-tvärsnitt belastade med böjknäckning i vek riktning. För jämförelse provades även fyra svetsade pelare i S355 med I-tvärsnitt med samma tvärsnittsutformning och/eller slankhet (l) som provkropparna i S960. Därutöver användes en provkropp i S960 för mätning av egenspänningar med strimlemetoden.
I den kommande doktorsavhandlingen ges en detaljerad redovisning av de genomförda provningarna vid LTU samt provningar utförda av andra liksom analyserna av hur väl olika bärförmågemodeller kan förutsäga bärförmågan för böjknäckning för normalkraftsbelastade komponenter i höghållfast stål.
Den som önskar en detaljerad redovisning av forskningsprojektets genomförande och dess slutsatser får ge sig till tåls till doktorsavhandlingen är publicerad. Här nöjer vi oss med att konstatera att av de olika bärförmågemodeller som studerats är det inte den modell som tillämpas i EN 1993-1-1 som stämmer bäst i jämförelse med tillgängliga försöksresultat, men av politiska skäl är det sannolikt mycket svårt att få acceptans för en annan bärförmågemodell i nya EN 1993-1-12 än den som finns i EN 1993-1-1.
En statistisk utvärdering av bärförmågemodellen i EN 1993-1-1 gentemot de provningar som utförts vid LTU och de försöksresultat med provkroppar i S690 – S960 som publicerats av andra leder dock till slutsatsen att bärförmågemodellen kan tillämpas för stålsorter upp till S960 och att följande ändringar bör göras i nuvarande tabell 6.2 i EN 1993-1-1.
Pelare i S960 – Kan det vara hållbart?
Många konstruktörer och byggare frågar sig säkert vilken praktisk nytta man kan ha av den studie som redovisas i denna artikel eller, för den delen, av en ny eurokod som ger tilläggsregler för stålsorter från S700 till S960. Bärande komponenter tillverkade i t ex S960 blir sannolikt dyrare per kg än motsvarande komponenter i S355 och de kräver sannolikt större noggrannhet vid tillverkningen, t ex vid svetsning. Det är också så att man inte alltid har nytta av en högre hållfasthet, t ex när nedböjningar eller utmattning är avgörande.
Det kan dock finnas fördelar med att tillämpa höghållfast stål för normalkraftsbelastade komponenter som t ex pelare, och dessa fördelar blir alltmer uttalade i takt med ett ökat fokus på begränsningar av utsläpp av koldioxid. Stål tillverkat i en malmbaserad process ger ca 3 kg koldioxidutsläpp per kg färdigt stål. Resultaten från denna studie visar att man för bärförmågan för böjknäckning kan tillgodoräkna sig nästan hela ökningen i hållfasthet från S355 till S960. Detta ger stora besparingar i den mängd stål, eller koldioxid om man så vill, som krävs för att klara en given belastning vid en given knäcklängd, t ex för en våningshög pelare i en kontorsbyggnad. Pelare i höghållfast stål är alltså inte bara hållbara, de bidrar även till ett mer hållbart byggande.
Figur 4: Bärförmåga relativt tvärsnitt för svetsade pelare med I-tvärsnitt i S960 och S355
Författare:
Gabriel Sabau, Doktorand vid LTU som senare i vår disputerar med avhandlingen Flexural Buckling of High-Strength Steel Columns.
Ove Lagerqvist, Professor inom stålbyggnad vid LTU och även Gabriels handledare.
Läs mer på Internet:
Gabriels avhandling kan du läsa här:
