Träbaserade hybrida konstruktioner

Vad är fördelen med att kombinera byggprodukter av barrträ med andra material? Det reder vi ut i den första artikeln i en serie på temat »träbaserade hybrida konstruktioner«. Vi fokuserar här framför allt på komponenter och system till flervåningsbostadshus.

Generellt sett är en hybrid något av blandat ursprung, till exempel en sammansättning av olika material som kombinerar de ingående materialens fördelar. Vanliga byggprodukter av barrträ kan kombineras med antingen andra trämaterial eller oorganiska material för att åstadkomma en bättre lösning. Detta för att få fram lämpliga produkter i kategorierna:

  • Material, till exempel Engineered Wood Products, EWP.
  • Komponenter, till exempel samverkansbjälk- lag av trä och betong.
  • System, till exempel flervåningsstomme av trä med stabiliserande element av stål eller betong.

Det är inte sannolikt att tro att trä kommer att vara framtidens enda byggmaterial. Där­emot kan smarta träbaserade hybridlösningar leda till att trä kan användas på ett mer rationellt sätt och därmed bidra till utvecklingen av effektivare byggnader. På sikt resulterar detta i att andelen trä i byggnader ökar, vilket skulle vara fördelaktigt för boendemiljön, klimatet och för samhället i stort.

Bakgrund – Hantverkare, ingenjörer och arkitekter har kombinerat olika material i alla tider, till exempel för att utnyttja materialens bästa egenskaper. På detta vis har man kunnat skapa en slutprodukt som har bättre egenskaper än dess ingående delmaterial. Ett exempel på tidiga träbaserade hybrider är en del av de träkonstruktioner som byggdes i den alpina regionen, där snickare använde klossar av lövträ – ofta ek – som mellanlägg mellan balk och pelare, vilka vanligtvis var tillverkade av gran eller furu. Eftersom hållfastheten för tryck vinkelrätt fiberriktningen är mer än tre gånger större hos ek än hos gran och furu kunde man genom att använda mellanlägget dramatiskt reducera risken för stämpeltryckbrott. 

Träets styrkor – I många avseenden är trä ett utmärkt byggmaterial som också har väsentliga klimatfördelar jämfört med de flesta andra byggmaterial. Grundläggande klimatfördelar är att trä utvinns med liten energiinsats ur en förnybar resurs och att fotosyntesen under skogens tillväxt binder koldioxid. En annan positiv egenskap med trä gäller tryck och dragning parallellt med fiberriktningen. Här är materialet mycket starkt och styvt i förhållande till sin egenvikt, vilket möjliggör spännande tillämpningar, till exempel takkonstruktioner med stora spännvidder. Vidare kan trä enkelt bearbetas och formas, vilket möjliggör både estetiskt tilltalande och konstruktionsmässigt effektiva lösningar. Träets positiva effekt för människors välbefinnande är ytterligare en inneboende styrka. 

utmaningar med trä – Trä är ett material skapat av naturen och likt andra byggmaterial behövs en ingenjörsmässig bearbetning för att optimera förutsättningarna för byggande. Det är därför logiskt att det finns utrymme för att förbättra några av träets byggmaterialsmässigt sämre egenskaper och därmed göra det mer konkurrenskraftigt mot andra, mindre klimatvänliga, byggmaterial. 

Inspiration till att förbättra träets egen­skaper kan med fördel hämtas ur utvecklingen av armerad betong, ett utmärkt exempel på ett mycket framgångsrikt hybridmaterial. För­delen med att kombinera betong och stål är att man nyttjar de olika materialens styrkor och hämmar deras svagheter. Kombinationen av betong och armeringsstål har möjliggjort en dramatisk utvidgning av materialets användningsområden: från ett fåtal, mestadels tryckbelastade, konstruktioner i oarmerad betong, som byggdes före 1900-talet, till armerad betong, världens gängse byggmaterial. Den enorma framgången för detta material har i mångt och mycket berott på den lyckosamma hybridiseringen mellan betong och armeringsstål. 

När det gäller träets svagheter är en av de mest omtalade bristerna träets beständighet, men detta problem avser huvudsakligen oskyddade konstruktionsdelar utomhus. Konstruktionstekniskt träskydd, adekvat impregnering eller kemisk modifiering kan avsevärt förbättra beständigheten. Det finns dock några egenskaper hos träet som kan vara svårare att komma ifrån, till exempel:

a) stor spridning i hållfasthetsegenskaper, framför allt dragning och böjning

b) sprött brottbeteende

c) förhållandevis låg massa

d) förhållandevis låg elasticitetsmodul, E-modul 

e) svårighet att utföra styva infästningar/förband.

I denna artikel fokuserar vi på punkt c), d) och e) och försöker därefter hitta exempel på lösningar där man utnyttjar kombinationen av trä med andra material.

Träets låga massa och elasticitetsmodul (punkt c och d) har ogynnsam effekt framför allt på bjälklag i flervåningsbostadsbyggnader. Detta gäller framför allt svikt, vibrationer och akustik. När människor går på ett bjälk­lag sätts det i svängning. Egenskaperna för den responderande svängningen beror främst på bjälklagets massa och lägsta egenfrekvens. Ett tungt bjälklag är svårt att sätta i svängning. Däremot kan ett lätt bjälklag sättas i svängning av en människa i rörelse om det inte utformas på rätt sätt. 

Svikt och vibrationer samt akustik­relaterade problem kan man minska genom att använda en hybridlösning, ett så kallat samverkansbjälklag. Från statisk synpunkt är denna typ av konstruktion mycket effektiv eftersom man utnyttjar materialens egenskaper på ett optimalt sätt, det vill säga betongens tryckhållfasthet och träets draghållfasthet. Eftersom betongens E-modul är cirka tre gånger större än träets blir den resulterande böjstyvheten hos ett samverkansbjälklag avsevärt högre än hos motsvarande träbjälklag med samma konstruktionshöjd. En ökad bjälklagsmassa har också den gynnsamma effekten att öka motståndet mot global stjälpning, ett problem som annars kan kräva dyra åtgärder vid höga och lätta byggnader. 

Ett annat problem som är relaterat till punkt d) och e), och i viss mån även till punkt c), är svängningarna som kan uppkomma från vindens dynamiska effekter. Svängningar kan ge upphov till illamående och obehagskänslor hos dem som vistas i byggnaden, vilket kan leda till att den inte kan användas för avsett ändamål. Flervåningshus av trä har låg horisontal styvhet jämfört med motsvarande byggnader av stål eller betong. Detta beror framför allt på träets låga E-modul och kanske i ännu större utsträckning på anslutningarna mellan de olika träelementen, som ofta har en betydande eftergivlighet. Byggnadens styvhet och massa är viktiga faktorer som påverkar dess frekvens och acceleration till följd av vindlast.

Ett rationellt sätt för att minska risken för vindinducerade vibrationer är att, åter­igen, använda en hybridlösning där en träkonstruktion ansvarar för att ta hand om de vertikala nedåtriktade lasterna (till exempel permanenta laster, nyttig last och snölast) medan en tillkopplad betong- eller stål­konstruktion med väsentligt högre böjstyvhet tar hand om horisontella och vertikala uppåt­riktade vindlaster. Vid uppförandet av 18-våningshuset Brock Commons i Vancouver, Kanada, 2017 byggde man först två platsgjutna betongkärnor som också tjänade som horisontalstabilisering för hela huset. Sedan monterade man trädelen som består av limträpelare och bjälklagselement av KL-trä. Förutom att tillföra en signifikant horisontalstyvhet möjliggjorde betongkonstruktionsdelen i UBC att man kunde montera den bärande trädelen i ett exceptionell tempo: hela två våningar per vecka. Detta berodde huvud­sakligen på att man inte behövde temporär­staga konstruktionen under montaget.

Text Roberto Crocetti

Läs de senaste artiklarna

Genom att använda svenskttra.se accepterar du vår användning av kakor. Vi värnar om personlig integritet vilket innebär att dina personuppgifter alltid hanteras på ett ansvarsfullt sätt. Läs vår integritetspolicy.