Det byggs allt fler flervåningshus av trä i dag, både i Sverige och internationellt. Det kan finnas många skäl till varför man väljer att bygga höga hus av trä – de flesta grundar sig på materialets klimatfördelar, hållbarhet och, inte minst, estetik. Även ekonomin kan spela en avgörande roll och där har träkonstruktioner fördelen att kunna monteras enkelt och snabbt tack var deras låga egenvikt.
En central fråga vid dimensionering av höga trähus är den horisontella styvheten i konstruktionen. God horisontell styvhet innebär, bland annat, att rörelser (förskjutningar) orsakade av horisontella laster, till exempel vindlast, begränsas. Det som är mest avgörande för husets horisontella styvhet är valet av stabiliseringssystem.
Stabilisering av flervåningshus
Lägre byggnader av trä, upp till fyra eller fem våningar, stabiliseras ofta genom skivverkan i väggar och bjälklag där skivor (antingen träbaserade eller gipsskivor) spikas eller skruvas till en träregelstomme för att säkerställa tillräcklig bärförmåga och styvhet mot horisontallaster.
Vid högre hus (ej skyskrapor) är följande stabiliseringsmetoder vanliga (se figur 1):
A. Momentstyva knutpunkter
B. Krysstagning
C. Skivverkan.
Att göra knutpunkterna mellan pelare och balkar förstyvade är generellt sett en enkel och billig metod för att stabilisera ett hus. Metoden används i stor utsträckning i betongstommar och i viss mån även i stålstommar. Däremot är metoden oftast inte lämplig för trästommar eftersom momentstyva knutpunkter i dessa stomtyper är mycket svåra att anordna.
Ett annat sätt att tillgodose stabilitet i ett hus är att infoga krysstagning i olika våningar av stommen, vilket i praktiken innebär att skapa vertikala fackverk. Materialen till fackverkselementen är vanligtvis av stål eller trä eller en kombination av dessa.
En tredje stabiliseringsmetod är att använda sig av så kallad skivverkan, vilket innebär att stabiliteten erhålls genom att de bärande delarna av stommen, både väggar, tak och bjälklag, upptar horisontella krafter i sitt eget plan. Vid trästommar för flervåningshus helt av trä är KL-trä det vanligaste skivmaterialet. Vid hybrida lösningar kan man med fördel använda en pelar-balkstomme i trä i kombination med stabiliserande skivor av betong.
Osäkerheter kring projektering
Byggsystem för höga hus i stål började blomstra i USA redan i mitten av 1800-talet. Några decennier senare började man även använda betong som konstruktionsmaterial till höga hus. År 2010 invigdes världens just nu högsta byggnad, Burj Khalifa i Dubai, Förenade Arabemiraten, en skyskrapa byggd med betong som huvudkonstruktionsmaterial. Den är 828 meter hög och har 164 våningar. Byggsystem för höga hus i stål och betong har alltså funnits länge och därmed kunnat utvecklas och förbättras genom åren.
Där finns det därför relativt beprövade metoder för att kunna förutspå den horisontella styvheten, inte minst tack vare att man började utveckla beräkningsmodeller, ofta kalibrerade på basis av experimentella försök, för mycket länge sedan. Motsvarande byggsystem i trä har endast funnits i några få decennier vilket gör att den ingenjörsmässiga erfarenheten, speciellt vad gäller stabiliseringen, fortfarande är bristfällig.
Trästommar har ofta låg egenvikt jämfört med andra vanliga konstruktionsmaterial, varför stabilisering mot horisontallaster utgör en av de viktigaste konstruktionsfrågorna. I Sverige är vindlaster den huvudsakliga orsaken till horisontallaster. I andra delar av världen kan orsaken också vara jordbävningar. Husets stabiliseringssystem måste naturligtvis klara standardernas hållfasthetskrav, vilket innebär att det inte ska brista under påverkan av största möjliga horisontallast.
Stabiliseringssystemets styrka är dock inte den största utmaningen i ett flervåningshus av trä, däremot kan stabiliseringssystemets styvhet vara ett problem. Om det inte är tillräckligt kan horisontalförskjutningar orsakade av vind bli så stora att skador uppstår i olika byggnadsdelar. Dessutom kan accelerationen i horisontalriktningen bli för stor, vilket leder till att boendekomforten kan sänkas avsevärt. Det bör också nämnas att accelerationen påverkas signifikant även av byggnadens massa och dämpning.
I dag har vi bara begränsad erfarenhet av höga trähus, speciellt hus med fler än åtta–nio våningar. Styvheten i sidled är svår att förutsäga för ett trähus, speciellt eftersom det är förbanden mellan de olika träelementen som här spelar en avgörande roll. Det finns en rad modeller för att kunna beräkna styvheten hos några typer av förband, men de är ofta ganska grova och därför inte helt lämpliga för att kunna göra en tillförlitlig uppskattning. Minst lika stor osäkerhet råder kring dämpningen. Det är ingen tvekan om att mer forskning krävs för att kunna erhålla bättre kunskap kring både dämpning och förbands styvhet.
Möjlighet att använda andra material
Trä är ett utmärkt material för att bygga hus, men det har vissa begränsningar – precis som alla andra material. Jämfört med exempelvis vanligt konstruktionsstål (S355) är draghållfasthet och axialstyvhet hos limträ (GL30c) mycket lägre, cirka 1/18 respektive 1/16. Dessutom medför närvaron av förbanden ytterligare en dramatisk minskning av både styrka och styvhet hos ett träelement. Låt oss titta närmare på detta. Vi utgår från ett mycket enkelt element, till exempel diagonalstaget i ett kryssförband, likartat det som visas i figur 1b. Vi antar att diagonalen består av ett 6 meter långt limträelement med tvärsnittsmåttet 200 x 200 kvadratmillimeter och att infästningar i de två knutpunkterna består av inslitsade plåtar och ståldymlingar. En enkel beräkning visar att närvaron av förbanden i elementets ändar gör att både styrkan och den axiella styvheten minskar ungefär med en faktor två, jämfört med det ursprungliga limträelementet.
För att kunna åstadkomma ett stabiliseringssystem med ungefär samma styvhet som limträdiagonalens, hade valet av en stålprofil typ VKR 70 x 70, med godstjocklek 5 millimeter, varit tillräckligt, dessutom med bara en tredjedel av limträdiagonalens vikt. Detta exempel visar att valet av ett stabiliseringssystem av trä vid högre hus, där kravet på horisontalstyvhet är mycket viktigt, kan leda till mycket stora tvärsnittsdimensioner som i vissa fall kan vara opraktiska. Som ett alternativ hade man kunnat använda sig av stabiliseringselement av betong, till exempel skivor eller lådformade element som även kan tjäna som hisschakt eller trapphus. Fördelen med betong som stabiliseringselement är att dess styvhet är cirka tre gånger större än träets och att styvhetsminskningen orsakad av eventuella skarvar är liten, särskilt vid platsgjuten betong.
Stabilisering av Mjøstårnet
Runt om i världen överträffar man varandra i att bygga det högsta trähuset. I skrivande stund har man nått 18-våningsstrecket vid två bostadshus där trä har använts som huvudkonstruktionsmaterial. Det ena huset, Brock Commons, ligger i Vancouver i Kanada, vid University of British Columbia, UBC. Det är 53 meter högt och invigdes 2017. Det andra huset, Mjøstårnet, ligger i Brumunddal i Norge och väntas öppna den 1 mars 2019. Det finns även mer eller mindre konkreta planer på att bygga ännu högre trähus: ett 19 våningar högt kulturhus i Skellefteå, 24-våningar i Wien, ett 34-våningshus vid Västerbroplan i Stockholm och till och med ett 80-våningshus, 300 meter högt, i London.
Vi ska titta närmare på Mjøstårnet som är ett bostadshus med 18 våningar. Det har planmåttet 17 × 37 kvadratmeter och en höjd på 81 meter. Stabiliseringssystemet hos detta norska trähus är nästan helt av trä. Konstruktionen använder fyra vertikala fackverk av limträ i kolossalformat som stabiliserande element i väggarna (se figur 2).
De horisontella stabiliseringselementen utgörs av bjälklagen som tar upp de horisontella vindlasterna och fördelar dem mellan tillhörande vertikala fackverk (som i sin tur för lasten ned till grunden). Bjälklag av typ »Trä8« har använts för våningarna 2–11, där fanerträskivor tar hand om skivverkan i bjälklagens plan. Däremot har betongbjälklag valts för våningarna 12–18. Bytet av trä mot betong i de övre våningarna innebär att byggnaden blir tyngre mot toppen. Eftersom byggnaden är smal i en ledd var den extra massan nödvändig för att kunna minska effekten av vinden och därmed uppfylla komfortkravet för de boende. Betongbjälklaget gör det också lite enklare att åstadkomma en högre akustisk prestanda i lägenheterna. De fyra hörnpelarna är – förutom att de bär en del av husets egentyngd, nyttig last och snölast – också en del av de två vertikala fackverk som fungerar som stabiliseringselement när vinden blåser mot den bredare sidan av huset. De största axiella krafterna förekommer därför just i dessa hörnpelare vars tvärsnittsmått är 1 485 x 625 kvadratmillimeter.
Det kan vara värt att jämföra Mjøstårnet med Brock Commons som tidningen Trä skrev om i årets första nummer.
Här har man använt sig av två platsgjutna betongkärnor som stabiliserande element. Dessa tar upp de horisontella lasterna från bjälklagen av KL-trä och för ner lasterna till grunden. Detta innebär att pelarna i Brock Commons-byggnaden inte är en del av det stabiliserande systemet och behöver därför bara ta hand om vertikallasterna. Tvärsnittsmåttet för de högst belastade pelarna vid de lägre våningsplanen blev således bara 265 x 265 kvadratmillimeter och något mindre vid de övre våningsplanen.
Text Roberto Crocetti
