Konstruktiva aspekter på limträbärverk

Vanliga taktäckningsmaterial är takpapp, takplåt eller takpannor på olika underlag, som kan vara underlagspapp på underlagsspont eller takplywood, styva isolerskivor på profilplåt eller armerade, självbärande och värmeisolerande träullselement. Sekundära balkar, som kan vara av limträ, har normalt centrumavstånd 1,2 m vid underlagsspont eller takplywood, 2,0 m eller 2,4 m vid användning av träullselement eller 2 – 7 m med profilerad takplåt. De sekundära balkarna har upplag på det primära bärverket av limträ. Givetvis kan limträ kombineras med andra konstruktionsmaterial, till exempel stål eller betong.

Nedan följer några exempel på konstruktionsöverväganden, som kan ingå i tidiga skeden av projekteringsprocessen. Några grundläggande begrepp och enkla formler ur hållfasthetsläran är nödvändiga att känna till och presenteras därför här.

Balkar av limträ

Vid dimensionering av balkar krävs att den totala lasten q (i vilken ingår konstruktionens egentyngd och yttre laster som snö- eller nyttig last) beräknas. Egentyngden, snölast + eventuell nyttig last är de dimensionerande lasterna. Säkerhetsfaktor och andra partialkoefficienter måste beaktas enligt Boverkets gällande konstruktionsregler, EKS.

Ett vanligt sätt vid överslagsdimensionering är att man provar sig fram. Anta att man provar en fritt upplagd balk med bredden b och höjden h på två stöd med jämnt fördelad last, enligt figur 20.

Balken utsätts för ett yttre moment M = q × L²/8. Detta yttre moment ska balken bära genom att bygga upp ett inre, mothållande moment M_i = böjspänning σ_k × balkens böjmotstånd W = b × h²/6. Böjspänningen σ_k motsvaras av karakteristiskt böjhållfasthetsvärde enligt SS-EN 14080. Styrkan hos en balk ökar således med kvadraten på höjden, se figur 21. En breddökning ger endast en linjär ökning av böjmotståndet W. Anta att den balk man provade visar sig ha för dålig lastupptagande förmåga. Med andra ord måste böjmotståndet W då ökas. Nedanstående exempel ger vägledning hur detta kan ske:

• Eftersom kostnaden för en limträbalk brukar kunna relateras till limträvolymen inses att en ökning av konstruktionshöjden reducerar limträbalkkostnaden jämfört med en breddökning.
• Det kan finnas andra förhållanden i ett projekt som påverkas av en ökad limträbalkhöjd. Hela huset kanske behöver höjas för att bibehålla fri höjd under limträbalkarna med ökade kostnader för fasaderna, uppvärmning etcetera som följd.
• Det är vanligt att deformationskrav, vanligen en största nedböjning, bestämmer en lägsta konstruktionshöjd. Rekommendationer för största nedböjning, se Projektering av limträkonstruktioner.
• Ett annat, enklare sätt, är att använda dimensionstabeller, se avsnitt Dimensionstabeller.

Installationer utgör en väsentlig del av funktionen och de påverkar den arkitektoniska upplevelsen. En fråga som ofta kommer på tal är om det går att göra hål och urtag i limträelementen.

Hela limträbalkens tvärsnittsarea medverkar till att ta aktuella tvärkrafter, som är störst vid upplagen. Därför är det normalt olämpligt med håltagningar eller urtag invid upplagen. Spänningsfördelningen i balken av yttre moment framgår av figur 24. De inre delarna av balken är mindre utsatta för böjspänningar än de yttre, i över- och underkant. Resonemanget ovan är av principiell natur. I det enskilda projektet kan konstruktören ge anvisningar om möjliga håltagningar och urtag. Mindre hål godtas i regel enligt figur 23.

Bågar

För att klara stora spännvidder kan bågar av limträ vara aktuella. En båge fungerar allra bäst om den får följa den så kallade trycklinjen, det vill säga den linje där tvärsnittet utsätts för konstant påkänning över hela tvärsnittet vid vertikala laster. Skillnaden mellan en balks och en båges verkningssätt illustreras i figur 26.

Genom att materialet är bättre utnyttjat i en båge kan tvärsnittet göras lägre, cirka L/50 eller ungefär 1/3 av motsvarande balkhöjd.

En båge kräver fast upplag, som kan vara annan konstruktion, grundkonstruktion eller i form av dragband. Med fast upplag menas upplag som kan ta upp horisontella krafter. Dragband kan placeras synligt eller under golvkonstruktionen i en hallbyggnad.

Fackverk

Vid mer komplexa limträelement, som fackverk och underspända balkar, krävs ett mer omfattande projekteringsarbete för utformning av detaljerna.

Arkitekten bör medverka vid utformningen av dessa limträelement. Det finns idag företag som arbetar med anpassade ståldetaljer, som till exempel dragband och knutpunkter.

Installationerna kan i många fall till exempel lokaliseras nära överramen, över det undre dragbandet, som inte behöver upplevas som synligt hinder i rummet. Rumsbildningen kan upplevas följa överramen och insidan av den isolerade takkonstruktionen. Tryckta stänger utformas av limträ där hela tvärsnittet utnyttjas medan de dragna kan vara av konstruktionsstål.

Konstruktionshöjden är här avståndet mellan underramens och överramens systemlinjer. Här har projektören ofta stor frihet att laborera med konstruktionshöjden.

Eftersom en underspänd limträbalk huvudsakligen utsätts för tryckkrafter och därigenom blir bättre utnyttjad, blir limträåtgången mindre än för en ren limträbalk. I gengäld tillkommer kostnader för de underspända ståldetaljerna, se figur 29.

Vid ökad konstruktionshöjd på ett fackverk minskar tryck- och dragkrafter motsvarande. Produkten av tryckkraft × konstruktionshöjd = dragkraft × konstruktionshöjd = det yttre momentet. Särskild kontroll ska utföras av att tvärkraftskapaciteten räcker vid upplagen.

Med fackverk, underspända balkar och treledstakstolar kan konstruktionshöjden ökas och därmed ge ett mer optimalt materialutnyttjande.

Speciella åtgärder för att säkra stabiliteten och brandsäkerheten kan behövas.

Pelare

Pelare av limträ har normalt god bärförmåga. En inspänd, konsolerande pelare, som ej stagas i fria änden, har en knäcklängd som är ungefär dubbla pelarhöjden. För en vanlig pelare, så kallad pendelpelare, som är ledat infäst i topp och botten, gäller att knäcklängden = pelarhöjden.

Det är vanligt att husets utformning på ett naturligt sätt ger möjlighet att staga pelarna i toppen, som till exempel genom en anslutande takkonstruktion. Vid låga byggnader, upp till 3 – 4 m höga, är det normalt ekonomiskt att spänna in pelarna i grundkonstruktionen för att klara stabiliteten. Grundkonstruktionen måste då givetvis dimensioneras för de uppträdande momenten. Vid större höjder brukar det mest ekonomiska vara att montera krysstag eller så kallade vindfackverk. Pelare kan utformas avsmalnande mot upplagen, som anordnas så att krafterna kommer centriskt.

Figur 20 En fritt upplagd tvåstöds limträbalk med bredden b, höjden h och spännvidden L, belastad med jämnt fördelad last.

Figur 21 Styrkan hos en limträbalk ökar med kvadraten på höjden.

Figur 22 En limträsadelbalk, fritt upplagd, följer i princip momentkurvan. Den kan därför vara mer ekonomisk än en rak, jämnhög limträbalk.

Figur 23 Håltagning och urtag i limträ är en känslig åtgärd som kräver omdöme. Vid minsta osäkerhet bör sådana åtgärder undvikas. I zonen enligt ovan är viss håltagning möjlig efter samråd med en erfaren konstruktör. För ytterligare information, se Projektering av limträkonstruktioner.

Figur 24 Yttre moment och tvärkrafter vid fritt upplagd tvåstödsbalk, belastad med jämnt fördelad last.

Figur 25 Bågar medger ett effektivt materialutnyttjande, men kräver antingen fasta upplag eller dragband.

Figur 26 Spänningar i en belastad limträbalk fördelar sig så här: tryckspänningar och dragspänningar. I limträbalktvärsnittets mitt är spänningen noll. En limträbåge får till skillnad från limträbalken tryckspänningar genom hela tvärsnittet.

Figur 27 För takbalkar är konstruktionshöjden mellan L/15 och L/20 ofta mest kostnadseffektiv.

Figur 28 Ett fackverk består av olika stänger som bildar ett samverkande konstruktionselement.

Figur 29 Exempel på underspänd balk.

Figur 30 Ett sätt att reducera knäcklängden och därmed pelardimensionen är att utforma fristående pelare med tryckstag. Principutförande.