6.3.2 Stomstabilitet

Publicerad 2017-07-07

Enbostadshus och andra mindre byggnader med högst två våningar och mindre utsatta lägen, behöver oftast inte kontrolleras genom beräkning. Tillräcklig stabilitet kan vanligtvis uppnås enbart med ytterväggar och mellanväggar uppbyggda med reglar och skivbeklädnad. Vissa delar av byggnaden med öppna planlösningar eller med stora fönsterytor bör dock kontrolleras.

Ett flervåningshus i trä stabiliseras oftast mot horisontella laster genom att man utnyttjar väggar och bjälklag som kraftupptagande styva skivor. I vissa fall kan långa dragstag som går från grunden till översta bjälklaget behövas, för att uppnå tillräcklig stabilitet och förankring.

Vindlasten mot byggnadens väggar och tak förs in via bjälklagen och vidare till byggnadens stomstabiliserande väggar. Ytterväggarna för vidare halva lasten till det övre bjälklaget och halva lasten till det undre bjälklaget. Genom skivverkan i bjälklaget fördelas lasten till underliggande stabiliserande väggar. De stomstabiliserande väggarna måste ha sådan bärförmåga och styvhet att de kan överföra såväl tvärkrafter som vertikala lyft- och tryckkrafter. I hus med flera våningar är det vanligt att försöka använda samtliga väggar för stabilisering av byggnaden. Det är inte ovanligt att de stabiliserande väggarna är placerade så att det vid vindlast mot fasaden uppstår ett roterande moment. Detta moment kan tas upp av en vägg som är placerad vinkelrätt mot de stabiliserande väggarna för denna vindriktning. Väggarna utsätts för såväl tryck- som dragkrafter i respektive väggände.

Kontroll av stjälpning och glidning

Byggnaden i sin helhet måste kontrolleras både för ett stjälpande moment och för en horisontell grundreaktion. Vid kontroll av stjälpning och glidning betraktas vanligtvis byggnaden inklusive bottenplattan som en sammanhängande enhet. Detta ställer krav på infästningen mellan stabiliserande överkonstruktion och grund.

Stjälpning kontrolleras genom en beräkning att byggnadens egentyngd är tillräcklig för att motverka vindlastens stjälpande moment. En enkel kontroll för att bedöma säkerheten mot stjälpning som kan anses vara betryggande, är att kontrollera om lastresultanten av den vertikala grundreaktionen ligger inom byggnadens kärngräns. Approximativt kan kärngränsen antas ligga inom en sjättedel av byggnadens bredd från centrumlinjen räknat, se figur 6.7.

Om egentyngden av byggnad och bottenplatta inte ger ett tillräckligt mothåll mot stjälpning måste byggnadens utformning ändras, genom att öka egentyngden eller förankra bottenplattan i undergrunden. Reduktion av egentyngden ska göras med en faktor 0,9 enligt gällande norm, då egentyngden i detta fall ska betraktas som gynnsam.

Säkerhet mot glidning vid grundläggning med bottenplatta är oftast inget stort problem. Det kontrolleras genom att skjuvspänningen mellan platta och mark inte överstiger den skjuvhållfasthet som bestäms av jordens odränerade skjuvhållfasthet vid grundläggning på kohesionsjord, eller materialets inre friktionsvinkel vid grundläggning på friktionsjord.

Skivverkan

Byggnadens stomstabilitet kontrolleras vanligtvis i byggnadens huvudriktningar var för sig. De horisontella laster som ska beaktas är vindlaster och horisontalkrafter till följd av snedställning av vertikalt bärande väggar. Vindlasterna förs över till bjälklagen via ytterväggarna och horisontallasten överförs vidare via bjälklagsplattorna till de stabiliserande väggskivorna, se figur 6.8.

Fördelningen av lasterna mellan de stabiliserande väggarna beror av relationen mellan bjälklagets och väggarnas styvhet. Normalt betraktas bjälklagsplattan som helt styv i jämförelse med väggskivorna, vilket innebär att fördelningen av lasterna mellan väggarna beror på väggarnas placering och väggarnas inbördes styvhet. Vid stomsystem med stabiliserande väggar av KL-trä och veka bjälklag (exempelvis icke förstärkta balkbjälklag) bör bjälklagen betraktas som veka, vilket innebär att lasten fördelas enbart utifrån väggarnas läge. För plattor av KL-trä kan vindlaster fördelas till stabiliserande väggar baserade på bjälklagsplattans styvhet.

För byggnader som är osymmetriska med avseende på de stabiliserande väggarnas lägen och styvheter, kan väggskivorna i byggnadens andra riktning tas med i stabilitetsberäkningen för att ta upp den vridning av bjälklagsplattan som då uppstår, se figur 6.9.

De horisontalkrafter som väggar och bjälklag ska motstå vid stabilisering av flervåningsbyggnader visas i figur 6.10. Vindlasten fördelas till övre och undre bjälklaget. Om vindlasten antas vara konstant över hela höjden kommer således samtliga bjälklag (med undantag för vindsbjälklag och bottenbjälklag) att belastas av lika stora krafter. Tvärkraften i väggskivorna kommer dock att öka ju längre ned i byggnaden man kommer, eftersom de horisontella lasterna adderas våning för våning.

För att de krafter som uppkommer verkligen ska kunna överföras mellan väggar och bjälklag och föras ner i grunden, krävs att knutpunkterna dimensioneras för dessa.

Beräkningsgången för skivverkan kan skrivas som:

Bestäm horisontella laster på lovartsida och på läsida samt snedställningskrafter.
Bestäm horisontell last för respektive bjälklag.
Bestäm horisontell last för respektive stabiliserande vägg.
Kontrollera bjälklagens tvärkraftsbärförmåga för element och elementskarvar.
Kontrollera väggarnas tvärkraftsbärförmåga för element och elementskarvar.
Kontrollera förband mellan väggar och bjälklag för horisontella tvärkrafter.
Kontrollera knutpunkter för vertikala drag- och tryckkrafter.
Kontrollera risk för fortskridande ras.
Kontrollera horisontella deformationer.

Horisontell förankring mellan vägg och bjälklag

Vanligtvis krävs det någon form av mekaniskt förband för att uppnå tillräcklig tvärkraftsbärförmåga mellan de stabiliserande väggskivorna och bjälklagsplattorna.

I de undantagsfall risken för fortskridande ras inte behöver beaktas, kan friktionen mellan komponenterna tillgodoräknas för att överföra de horisontella krafterna mellan stabiliserande konstruktionsdelar.

För upplagda bjälklag ska infästningen mellan bjälklag och ovanliggande vägg dimensioneras för en tvärkraft som motsvarar den horisontella lasten på ovanliggande vägg. För inhängda bjälklag ska infästningen mellan bjälklag och vägg dimensioneras för den horisontella kraft som bjälklaget överför till respektive underliggande stabiliserande vägg, se figur 6.11.

Vertikal förankring mellan vägg och bjälklag

Horisontella laster som överförs till stabiliserande väggar kommer att ge upphov till både horisontella och vertikala reaktionskrafter i väggarnas underkanter på grund av det stjälpande momentet. Genom att belasta väggen eller genom en förankring kan väggen förhindras från att lyfta. Väggen kan också förhindras att lyfta genom förband till närliggande förankrade väggskivor. Dimensionering av förankringen för en väggskiva beror således på storleken av den horisontella kraft väggen ska motstå, tyngden av ovanliggande konstruktioner, samt väggens anslutning till närliggande väggar.

Väggar med öppningar kan dimensioneras antingen förenklat eller genom en fullständig analys. I den förenklade metoden beaktas varje fullhögt väggparti utan öppningar som separata fullständigt förankrade väggskivor. Vid en fullständig analys beräknas den sammansatta väggens bärförmåga inklusive väggpartier ovan och under öppningar. Den förenklade metoden innebär att det i de flesta fall krävs förankringar även invid öppningarna, se figur 6.13.

En fullständig analys kan innebära att förankringar vid öppningar inte behövs. För att utelämna förankringar krävs att böj- och tvärkraftsbärförmågan i KL-träskivorna ovan och under öppningarna är tillräcklig. Detta kan verifieras genom provning eller detaljerade beräkningar.

De vertikala reaktionskrafterna från ovanliggande stabiliserande väggar påverkar behovet och dimensioneringen av eventuella förankringar. Det innebär att förankringskrafterna blir större längre ned i byggnaden. När det finns behov av en förankring är det viktigt att kraften kan föras direkt ned till undergrunden. Det finns olika typer av förankringar för att åstadkomma detta, dels genomgående förankringsstag och dels olika former av vinkelbeslag. Förankringarna bör normalt utföras med viss förspänning för att kompensera för de långtidsdeformationer som uppstår under byggnadens livslängd.

Beräkningsgången för kontroll av lyftkrafter:

Bestäm vertikala reaktionskrafter på grund av horisontell last för respektive väggskiva.
Bestäm fördelning av egentyngd för respektive väggskiva.
Kontrollera om lyftkraft uppstår för respektive väggskiva och förankra om så behövs.

För högre byggnader kan de sammanlagda tryckkrafterna bli mycket stora, vilket kan leda till att tryckhållfastheten vinkelrätt mot fiberriktningen i underliggande KL-träplattor, bjälklagsbalkar eller andra anslutande detaljer överskrids. Därför måste en kontroll av tryckbärförmågan i knutpunkter genomföras enligt ekvation 6.11:

6.11 \({\sigma _{{\rm{c}},90,{\rm{d}}}} = \frac{{{F_{{\rm{c}},{\rm{d}}}}}}{A} \le {f_{{\rm{c}},90,{\rm{d}}}}\)

där:

σ_c,90,d	är dimensionerande tryckspänning vinkelrätt mot fiberriktningen.
F_c,d	är sammanlagd dimensionerande tryckkraft från ovanliggande konstruktioner.
A	är tryckbelastad area. För KL-trä bör inte längden väljas mer än av totala vägglängden och enbart arean för väggskivans stående brädskikt bör tas med om inte lastfördelande mellanlägg används.
f_c,90,d	är dimensionerande tryckhållfasthet vinkelrätt mot fiberriktningen.

Vilket lastfall som ger störst påkänning är beroende på byggnadens geometri, användning och dess geografiska läge. Vanligtvis bör en kontroll göras för följande lastfall:

Vind med karakteristiskt värde (huvudlast) och kombinationsvärdet för snölast och nyttig last.
Nyttig last med karakteristiskt värde (huvudlast) och kombinationsvärdet för snölast och vindlast.
Snölast med karakteristiskt värde (huvudlast) och kombinationsvärdet för vindlast och nyttig last.

Exempel på yttervägg.

Exempel på lägenhetsskiljande vägg.

Fortskridande ras
För byggnad med bärande stomme av KL-trä är det vanligtvis inte rimligt att dimensionera enskilda element eller andra i stommen ingående delar för att motstå olyckslaster (exempelvis explosions- eller påkörningslaster). I stället bör det sammansatta stomsystemet dimensioneras så att enskilda element kan slås ut utan att detta leder till fortskridande ras. Storlek och placering av skadeområden bedöms lämpligen med hjälp av de principer som redovisas i gällande norm.

Vid dimensionering för fortskridande ras ska både byggnadens totalstabilitet efter en primär skada och byggnadens sammanhållning kontrolleras. Totalstabiliteten för en byggnad med primär skada är vanligtvis inget problem för byggsystem med KL-trä eftersom ett flertal stabiliserande väggar normalt ingår i det stabiliserande systemet. Möjligheterna att omfördela laster om något element slås ut är därför goda.

Horisontell deformation
Vid beräkning av de horisontella deformationerna i ett stomsystem av KL-trä ska hänsyn tas till både deformationer i de enskilda byggelementen och deformationer i förbanden. Då KL-träskivor i de flesta fall är mycket styva kommer de största deformationerna att uppstå i skarvarna.

I praktiken har det visat sig att deformationerna i bruksgränstillståndet inte brukar orsaka några problem och därför görs oftast inte denna kontroll. Det saknas för övrigt enkla beräkningsmetoder för denna typ av kontroller. För högre byggnader över 8 – 10 våningar kan det dock vara aktuellt med kontroll av horisontell deformation. Det finns vanligtvis dolda kapacitetsreserver som inte utnyttjas vid dimensioneringen, till exempel icke bärande väggar eller stabiliserande innerväggar, som även bidrar till styvheten i byggnaden. För närvarande pågår forskning inom dessa områden.

Beräkningsgången för överslagsmässig kontroll av deformationer kan skrivas som:

Bestäm påkänningen i bruksgränstillståndet för väggarna och förbanden i respektive stabiliserande vägglinje.
Bestäm deformationerna i de enskilda väggarna utifrån överslagsmässiga beräkningsformler.
Bestäm deformationerna i de enskilda förbanden utifrån överslagsmässiga beräkningsformler (se exempelvis Eurokod 5, ”joint slip modulus”).
Beräkna den sammanlagda deformationen över hela byggnadens höjd i den mest belastade vägglinjen och kontrollera mot ställt krav (exempelvis h / 500, enligt vad som tidigare angivits i normer). Kontrollera även enskilda våningsplan.
Vid behov, bestäm även deformationerna i de enskilda bjälklagen utifrån överslagsmässiga beräkningsformler.

Figur 6.7 Kontroll mot stjälpning.