Sammansatt bjälklagselement av KL-trä och betong
Bjälklagstypen består huvudsakligen av två delar, nämligen en KL-träplatta på undersidan och en pågjuten betongplatta på ovansidan. Vanligtvis används någon form av skjuvförbindare för att sammanfoga trädelen med betongdelen och därmed öka konstruktionens böjstyvhet. Från statisk synpunkt är denna typ av konstruktion mycket effektiv då man utnyttjar materialens egenskaper på ett optimalt sätt, det vill säga betongens tryckhållfasthet och träets draghållfasthet. Böjstyvheten hos samverkansbjälklag är avsevärt högre än hos motsvarande träbjälklag med samma konstruktionshöjd. Detta innebär att större spännvidder kan byggas när trä används i samverkan med betong. Dessutom är de dynamiska egenskaperna i regel bättre hos samverkansbjälklag än hos motsvarande träbjälklag, på grund av att dämpningen ofta är mycket större hos det förstnämnda.
En annan positiv aspekt hos denna typ av konstruktion utgörs av betongplattans styvhet i bjälklagets plan, vilket gör att horisontella laster orsakade av exempelvis vind, kan fördelas jämnt över de vertikala bärande elementen såsom pelare och väggar. Även akustiken i samverkansbjälklag blir ofta bättre än i traditionella träbjälklag.
Sammansatta bjälklagselement med ofullständig samverkan
I allmänhet är det ofta svårt att åstadkomma fullständig samverkan mellan trä och betong. I detta avsnitt beskrivs kortfattat sammansatta element med ofullständig samverkan, det vill säga där överföringen av tvärkrafter mellan trä- och betongdelen ger upphov till icke försumbar glidning i fogen. Figur 5.4 visar en del av ett fritt upplagt bjälklag som är uppbyggt av två delar, en KL-träplatta och en betongplatta, med ofullständig samverkan.
I figur 5.5 framgår att i det deformerade tillståndet har en förskjutning skett i fogen mellan delarna. Förskjutningen varierar från noll vid mittspannet till ett största värde vid upplagen. Förskjutningen ger upphov till krafter i de skjuvförbindare som sammanfogar de två delarna av bjälklaget. Vid tillräckligt stort antal skjuvförbindare och/eller vid valet av skjuvförbindare med mycket hög skjuvstyvhet, blir glidningen mellan trä och betong försumbar, vilket innebär att full samverkan mellan materialen kan antas vid dimensioneringen av bjälklaget. Å andra sidan, när antalet skjuvförbindare är mycket litet och dess skjuvstyvhet låg, kan glidningen mellan de två materialen ske nästintill obehindrat, vilket innebär att ingen samverkan alls får antas vid dimensioneringen av bjälklaget. I normala fall är skjuvförbindarnas skjuvstyvhet varken oändlig eller noll, utan den hamnar någonstans däremellan, så kallad ofullständig samverkan, se figur 5.5.
Skjuvförbindarna har avgörande betydelse för bjälklagets funktion. Valet av skjuvförbindare bör vara en kompromiss mellan effektivitet och ekonomi: skjuvförbindaren ska vara så styv som möjligt och samtidigt enkel och snabb att installera. Det finns en rad skjuvförband som uppfyller dessa krav mer eller mindre bra. Bland dessa kan nämnas:
- Skjuvförband med hålplåt.
- Skjuvförband med speciella skruvar.
- Skjuvförband via urtag/grovnot i KL-träplattans ovansida.
Skjuvförbindare av typen HBV, Holz-Beton-Verbund, består av en speciell stålplåt av typen ”stretched net steel plate”, som placeras i längsgående slitsar i träelementets ovankant. Det vanligaste är att hålplåtarna limmas fast i KL-träplattan med polyuretan- eller epoxilim, se figur 5.6.
Princip för samverkan mellan trä och betong med skjuvförbindare av typen HBV, Holz-Beton-Verbund.
Ett annat enkelt sätt att få god samverkan mellan trä och betong är genom att skapa urtag i KL-träplattans ovankant, så kallad grovnot. I samband med detta utförande brukar man ibland även dra in några enstaka träskruvar i plattans urtag. Träskruvarnas huvudsyfte är att ta upp eventuell dragkraft som uppträder mellan trä- och betongdelen, när man belastar bjälklaget, se figur 5.7.
Dimensionering av samverkansbjälklag: principer och tumregler
Samverkansbjälklag av KL-träplatta och betong lämpar sig för spännvidder inom intervallet 6 – 12 m. Den totala tvärsnittshöjden htot kan preliminärt beräknas till htot ≈ L / 25, där L är bjälklagets spännvidd. Betongplattans tjocklek hb väljs normalt till hb ≈ 0,4 × htot, därmed blir KL-träplattans tjocklek hKLT ≈ 0,6 × htot. Vid preliminär dimensionering av bjälklaget, där kontrollen av de dynamiska egenskaperna ofta är avgörande, kan man anta att samverkansgraden är cirka 85 procent respektive 70 procent vid användning av skjuvförbindare enligt figur 5.6 respektive figur 5.7. Med andra ord antar man att det aktuella sammansatta bjälklaget har en effektiv böjstyvhet som är cirka 85 procent respektive cirka 70 procent av böjstyvheten hos ett motsvarande bjälklag där full samverkan råder – beroende på valet av skjuvförband.
Dimensioneringen i brottgränstillståndet utförs allt som oftast i två steg. I det första steget beräknas tvärsnittsegenskaperna och motsvarande spänningar i trä och i betong, med nyttjande av elasticitetsmoduler för korttidsbelastning.
I det andra steget kontrolleras tvärsnittet med hänsyn till materialens långtidsegenskaper. Därvid tar man hänsyn till att krypningen i betongen i regel är större än i träet, vilket innebär att lastupptagningsmekanismen i det sammansatta bjälklaget förändras under långtidsbelastning, med konsekvent ”avlastning” på betongdelen och motsvarande ”pålastning” på trädelen. Med andra ord, vid en viss tvärsektion i bjälklaget och efter en viss tids belastning, minskar böjspänningarna i betongen samtidigt som motsvarande böjspänningar i träet blir större. Man tar hänsyn till långtidseffekter genom att reducera E-modulerna med tillhörande krypkoefficienter som anges i Eurokod 2 och Eurokod 5, för betong respektive trä. Oftast är detta steg avgörande för dimensioneringen i brottgränstillståndet.
Figur 5.4 Samverkansbjälklag med två delar, schematiskt.
Figur 5.5 Töjningsdiagram av sammansatt bjälklag med varierande samverkansgrad. Töjningarna som visas i figuren är orsakade av endast böjmoment.
Figur 5.6 Samverkansbjälklag av KL-träplatta och betong med skjuvförbindare av typen HBV, Holz-Beton-Verbund.
Figur 5.7 Samverkansbjälklag av KL-träplatta och betong där samverkan erhålls genom urtag i KL-träplattans ovankant.
