Flesta forskningsartiklarna har publicerats i Austrailen och Italien. Italienska forskare har b.la. listat fördelar med stål-trä samverkanskonstruktioner som lätthet, möjlighet till hög grad av industrialiserad produktion, bygghastighet, helt torrt byggsystem samt att det är lätt utbytbara komponenter som kan återvinnas och återbrukas. De typiska samverkanskonstruktionerna som har studerats liknar traditionella samverkanskonstruktioner mellan stål och betong, men där antingen en korslaminerad (KL) eller fanerträplatta är fäst till överflänsen av en stålbalk enligt Figur 1a. I Storbritannien har man studerat ett system med en asymmetrisk I-balk där KL-trä plattor fästs till underflänsen av balken enligt Figur 1b.
Figur 1a-c: Typisk samverkansbalk med stål och trä
Forskning vid Tammerfors universitet
I Norden är bjälklagstypen med hattbalkar i kombination med förspända håldäcksplattor upplagda på underflänsen en mycket vanlig bjälklagslösning. Hattbalken kan dimensioneras med eller utan samverkan med betongen och bjälklagstypen har visat sig vara byggnadstekniskt och kostnadsmässigt effektiv. För delar är att på grund av hög vridstyvhet behöver normalt inte balktypen stämpning under montage, integrering av balken i bjälklaget leder till att endast underflänsen behöver brandskyddas vid brandpåverkan underifrån och att balken är svetsad ger god möjlighet till optimering. Dessutom kan höghållfast stål användas för än mer ekonomisk utformning.
Under de senaste åren har en forskningsgrupp vid Tammerfors universitet i Finland utvecklat ett nytt koncept för stål-trä samverkansbjälklag. Systemet kan utnyttja ovan nämnda fördelar för stål-trä samverkanskonstruktioner samt den goda erfarenheten av att bygga med integrerade hattbalkar från de nordiska länderna. Resultatet är det så kallade Nordiska systemet, där KL-träplattor läggs på hattbalkens underflänsar (Figur 2). KL-träplattan kan därefter fästas ovanifrån med hjälp av stålplåtar och skruvar i KL-träplattorna samt i hattbalkens överfläns, vilket ger ett lätt montage. Detta skapar samverkan mellan stål och trä. Normalt är det tillräckligt med en lång skruv Φ 10 mm på vardera sida av balken i KL-träplattorna med ungefär 600 mm avstånd längs balken.
Figur 2. Nordic System, hattbalk, planvy och tvärsnitt.
Dimensionering
Studierna har resulterat i beräkningsmetoder för dimensionering i brottgräns och bruksgränstillstånd baserat på klassisk elastisk balkteori. Dimensioneringen omfattar spänningskontroll för både stål- och trädelarna samt kontroll av nedböjning och vibration. Dimensioneringsformlerna kan hittas i två publicerade vetenskapliga artiklar som är refererade i slutet av texten. Dimensioneringsformlerna är verifierade genom finitaelementberäkningar.
Dimensioneringen inleds med dimensionering av KL-träplattorna enligt tillverkarens rekommendationer. Samverkansbalken dimensioneras sedan med framtagna formler. Knutpunkter till övriga bärverksdelar utförs på traditionellt vis, men det kan noteras att stödreaktionen är betydligt lägre än vid ett bjälklag med betongelement. Metoder för att sammanfoga KL-träplattorna till varandra har presenterats i italienska studier.
Hittills har endast fritt upplagda balkar studerats, även om det också är möjligt att nyttja kontinuerliga balkar. Beräkningar har visat att i normalfallet är både spänningar och nedböjning 15 – 20 % lägre vid samverkan än utan samverkan. Beräkningarna har utförts genom att varier bjälklagets last och spännvidd inom ramarna för Stora Enso’s KL-trärekommendationer. Figur 3 visar normalspänningar i balkens riktning i KL-träplattorna samt formen av den första egenmoden. Resultatet i figuren har beräknats med 7 meters spännvidd för både stålbalk och KL-träplattor, bjälklagets egenvikt 3 kN/m2 och nyttig last 5 kN/m2. KL-träplattan besår av sju stycken 45 mm höga lameller med en total höjd av 280 mm, se Figur 2. Värdet av den effektiva bredden i Figur 2 kan normalt tas som 0,58L, där L är balkens spännvidd. Den effektiva bredden måste sättas till 0,5L för vibrationskontroll.
Figur 3. Normalspänningar i balkens riktning och form av den första egenmoden.
Baserat på resultaten av studierna kan slutsatsen dras att det finns klara fördelar med att nyttja samverkan mellan stålbalk och KL-träplattor. Genom att dra nytta av samverkan kan stålbalkens dimension minskas och stålkostnaden sänkas. Konstruktionen erbjuder möjlighet till optimering och nya lösningar genom att tillexempel variera dimension och material för stålbalken, variera KL-träplattornas höjd, variera orientering av KL-träets olika skikt. Optimeringens gränsvillkor är bärförmåga i brottgränstillstånd och bruksgränsvillkor. Målfunktioner kan tillexempel vara, byggprocessen, bygg och driftskostnader för konstruktionen eller CO2 utsläpp.
Givet finansiering, kan fortsatt inriktning för forskning vara tillexempel fullskaleförsök under normala och brandförhållanden samt att studera akustikprestanda teoretiskt och experimentellt.
För mer information
[1] Heinisuo M., Mela K., Pajunen S., Malaska M. New steel-timber composite beam, Nordic system. Ernst & Sohn, A Wiley Brand. ce/papers 3, Nos 5 & 6, 2019.
[2] Garifullin M., Mela K., Pajunen S., Heinisuo M., Effective width of new steel-timber composite beam, Nordic system.
Författare
Markku Heinisuo, professor emeritus, Tammerfors Universitet
Kristo Mela, Tammerfors Universitet
[Svensk text Erik Forsgren]
