Träbaserade hybridkonstruktioner

September 17, 2018   Trä är som bekant ett utmärkt byggnadsmaterial – man kan bevisligen åstadkomma lysande resultat genom att använda detta material för sig. Men kan man kombinera trä med andra material, till exempel stål eller betong så att alla material kan utnyttjas i samverkan på ett effektivare sätt än var för sig, och därmed bidra till utvecklingen av mer resurseffektiva byggsystem och byggnader? Denna frågeställning försöker författarna ge svar på.   Läs hela artikeln som pdf här

TEXT: MAGNUS WÅLINDER & ROBERTO CROCETTI

Vid svenska högskolor är undervisning och forskning i regel starkt materialinriktade, vilket innebär att det mycket sällan diskuteras eller studeras möjligheter att kombinera olika material för utveckling av mer resurseffektiva byggsystem. Vid KTH har därför ett initiativ tagits under 2017 till att bygga upp ett så kallat ”hybridnätverk” för att skapa tvärsamarbete dels mellan träindustri- och andra materialindustribranscher dels mellan ingenjörer och arkitekter. Syftet är att bana väg för ny undervisning i ämnet samt forskningsmöjligheter som kan leda till utveckling av innovativa byggprodukter och lösningar för byggbranschen.

BAKGRUND – ÖVERGRIPANDE POTENTIAL FÖR TRÄBASERADE HYBRIDKONSTRUKTIONER
Över hälften av världens producerade material används idag som byggnadsmaterial. Sen början av 2000-talet har världsproduktionen av cement och stål mer än en fördubblats (år 2015 var produktionen ca 4,1 respektive 1,6 miljarder ton) (PBL 2016). Den totala produktionen av skogsindustriprodukter har samtidigt legat på en oförändrad nivå, eller en blygsam ökning. Dagens tillverkning av betong (där cement utgör ca 10% viktsandel) och stål bedöms tillsammans orsaka ca 20% av världens årliga koldioxidutsläpp (PBL 2016). Trä som byggnadsmaterial har samtidigt obestridliga miljömässiga fördelar jämfört med betong och stål, men utnyttjas ändå långt ifrån fullt ut inom byggandet, särskilt när det gäller större bärande konstruktioner. Faktum är att träbaserade byggnadsmaterial under senare årtionden tappat stora marknadsandelar globalt sett gentemot de mineralbaserade materialen främst när det gäller byggnationen i snabbväxande storstadsområden.

Figur 1. Ett prefabricerat samverkansbjälklag i trä och betong som laboratorietestades vid Lunds universitet 2015.

Men byggsektorns klimatpåverkan har konstigt nog inte alls uppmärksammats i samma grad som transport- och energisektorernas bidrag till klimatförändringarna. Skogsrika länder som Sverige har genom sitt långsiktiga och hållbara skogsbruk, med ungefär dubbelt så mycket skog som för 100 år sen, både ett ansvar och en möjlighet att agera proaktivt och därmed bryta denna trend. Men för att lyckas krävs det en ökad insikt om orsakerna till varför träets uppenbara miljömässiga potential inte utnyttjas fullt ut inom byggsektorn. En av orsakerna handlar om avsaknaden av större avgörande tekniksprång att tackla träets svagheter motsvarande t.ex. stålarmerad betong. Det är i detta perspektiv som nya banbrytande byggsystem av träbaserade hybrider skulle kunna bli avgörande. En optimal mix av trä med andra material skulle tillsammans kunna öka båda materialens effektivitet både i ett klimat- och i ett egenskapsperspektiv. I ett egenskapsperspektiv, särskilt i bärande konstruktioner skulle till exempel stålets höga E-modul och hållfasthet, ha potentialen att i samverkan med trä drastiskt undanröja träets ingenjörsmässiga svagheter, bland annat när det gäller överdimensionering. Genom ett mer effektivt materialutnyttjande baserat på hybridiseringen av trä med andra material kan även den sammanlagda klimatbelastningen minska drastiskt jämfört med än en fortsatt ensidig användning av varje material för sig.

Att kombinera flera material är något som hantverkare, ingenjörer och arkitekter har gjort i alla tider, till exempel för att utnyttja de bästa egenskaperna hos olika material. Ett utmärkt exempel på lyckosam kombination av olika material är armerad betong – ett välkänt framgångsrikt hybridkoncept. Kombinationen av betong och armeringsstål har möjliggjort en kolossal utvidgning av materialets användningsområden.

Forskning och utvecklingen under de senaste decennierna har dock inte främjat liknande hybridkoncept där man utnyttjar de olika materialens styrkor och hämmar deras svagheter. Forskning och utveckling på byggområdet har oftast skett – och sker fortfarande i stor utsträckning – inom de specifika byggmaterialindustriernas ”skottsäkra väggar”. Inom svensk byggindustrin sker till exempel utvecklingen av produkter, plattformar och produktionsprocesser nästan uteslutande av de olika materialtillverkarna. Också vid svenska högskolor och universitet är situationen likartad. Här är undervisning och forskning i regel starkt materialinriktade, vilket innebär att det mycket sällan diskuteras eller studeras möjligheter att kombinera olika material för utveckling av mer resurseffektiva byggsystem.

Figur 2. Mjösatornets bärande system

MATERIALET ”TRÄ”
Trä har under lång förhistorisk tid utvecklats och optimerats av naturen, i princip oberoende av människan, för att fungera som ett träd, alltså, en långsträckt stam som under sin livstid ofta måste växa högt i konkurrens med andra träd och simultant kunna transportera stora mängder vatten till kronans fotosyntes. Trä är alltså unikt på det sättet att dess egenskaper är optimerade att i ”vått” tillstånd fungera effektivt både mekanisk och med hög kapacitet för vätsketransport. Naturen har löst detta på ett genialiskt sätt genom att bygga upp trämaterialets struktur i form av ihåliga och väl sammankopplade längs-riktade träceller eller – fibrer, likt sugrör, alltså en nödvändig porös struktur som samtidigt är mycket mekaniskt effektiv i förhållande till sin vikt i sin längsriktning. Den runda och lätt koniska stamformen ger dessutom hög böjhållfasthet och för vindbelastningar från olika håll. Det är också viktigt att komma ihåg att efter sin funktion och relativt långa livslängd som friskt träd (ibland över 1 000 år), så har naturen även designat trämaterialet effektivt i ett kretsloppsperspektiv så att det lätt ska kunna brytas ned och bidra till att nya friska träd återigen kan växa upp. Denna bionedbrytbarhet är nära kopplat till andra speciella egenskaper hos trä, nämligen dess hygroskopicitet som i detta fall orsakar uttorkning och olikformig krympning med resulterande sprickbildning. Detta leder i sin tur till en effektiv åtkomst för tränedbrytande rötsvampar. Den av naturen optimerade anisotropin, alltså olika mekaniska och fysikaliska egenskaper i olika riktningar, och även dess bionedbrytbarhet är alltså viktiga unika egenskaper hos trä som måste hanteras på ett korrekt sätt för att uppnå träets högsta effektivitet i bärande konstruktioner.

Genom fotosyntesen och skogens tillväxt upptas koldioxid ur luften vilket medför att så kallat biogent kol lagras i träsubstansen. Denna förnybarhet tillsammans med att trä är lättbearbetat innebär låga koldioxidutsläpp och att det åtgår mycket lite energi vid tillverkning och vidareförädling av träjämfört med stålprodukter.

TRÄS STYRKOR
I många avseenden är trä ett utmärkt byggmaterial som också har väsentliga miljöfördelar jämfört med de flesta andra byggmaterial. Grundläggande miljöfördelar är att trä utvinns med liten energiinsats ur en förnybar resurs och att fotosyntesen vid skogens tillväxt binder koldioxid. En annan positiv egenskap med trä gäller tryck och dragning parallellt fiberriktning; här är materialet mycket starkt och styvt i förhållandet till dess vikt, 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.

TRÄS SVAGHETER
Trä är, som tidigare nämnts, ett naturmaterial och bevekelsegrunden till uppkomsten på jorden av dess ”fabrik” – skogen – var sannolikt inte för att man skulle använda det som byggmaterial. Det är därför logiskt att det finns utrymme för att förbättra några av träets byggmaterialmässigt sämre egenskaper och därmed göra det mer konkurrenskraftigt mot andra (mindre miljövänliga) material. Vilka är då träets svagheter? En av de mest omtalade bristerna hos trä är beständigheten, men detta problem avser huvudsakligen oskyddade konstruktionsdelar utomhus. Konstruktionstekniskt träskydd och/eller adekvat impregnering eller kemisk modifiering kan avsevärt förbättra beständigheten. Det finns dock några egenskaper hos träet som kan vara svårare att bemästra, till exempel:
Stor spridning i hållfasthetsegenskaper, framförallt dragning och böjning
– Sprött brottbeteende
– Förhållandevis låg massa
– Förhållandevis låg elasticitetsmodul
– Svårighet att utföra styva infästningar/förband

Läs hela artikeln som pdf här, bl a om:

MÖJLIGHET ATT KOMBINERA TRÄ MED ANDRA MATERIAL

STABILISERING AV HÖGA TRÄBYGGNADER

STABILISERING AV VÄRLDENS TVÅ HÖGSTA BOSTADSHUS I TRÄ

 

Magnus Wålinder
KTH Byggnadsmaterial
 Roberto Crocetti
KTH Byggnadsmaterial
Novana AB