KTH utvecklar nytt lägenhetsskiljande träbjälklag


Av Andreas Falk och Dan Engström, KTHs Arkitekturskola

Ett nytt träbaserat bjälklagssystem, under utveckling vid KTH, syftar till att länka samman arkitektur och konstruktion, slutkund och leverantör.

Sedan slutet av 1800-talet har vi i Sverige haft brandskyddsregler som hindrat trä som bärande material i vertikalled av stommen för hus med mer än två våningar. I kombination med en kraftigt ökad arbetstakt har detta brutit kontinuiteten i den svenska träbyggnadsteknikens utveckling. Tack vare de nya funktionsbaserade brandskyddsreglerna är det nu möjligt att återuppta utvecklingen och återskapa det vi förlorat efter moderna krav och modern produktionsteknik. Tillväxten i den svenska skogen är idag mycket större än avverkningen.
I mars 2000 utannonserade Nutek [1] en tävling om utveckling av träbaserade bjälklagssystem. Denna tävling är en del av en investering som syftar till att stimulera utvecklingen i träindustrin. Av de sex insända bidragen till bjälklagstävlingen valdes tre projekt ut för finansiering av den vidare utvecklingen. Ett av dessa tre projekt pågår som bäst och resultaten kommer att presenteras i Husbyggaren senare i år.
I projektet ifråga deltar ett antal företag från skogs- och sågverksnäringen samt inom hustillverkning. Arbetet leds från Avdelningen för Konstruktionslära vid KTHs Arkitekturskola. Arbetet vid Konstruktionslära bedrivs med målet att bättre länka samman arkitektur och ingenjörskonst. Avdelningen bidrar till arkitektutbildningen med undervisning som syftar till konstruktiv och teknisk förståelse. Arbetet behandlar också de arkitektoniska möjligheter som nya konstruktionstekniker tillhandahåller; exempelvis möjligheterna till tunna bjälklag med lång spännvidd tack vare en ny typ av bjälklagssystem.

Interaktiv utveckling
Kommunikationsbrister mellan arkitekt och konstruktör är ofta ett svårt och allvarligt problem i projektering och konstruktion, och kan påverka slutresultatets kvalitet negativt. Ett sätt att minska detta problem är att arkitekter och ingenjörer samarbetar redan från ett tidigt stadium i projekteringen. Ett nära samarbete i utvecklingen av byggtekniker har också förutsättningar att ge goda resultat [2]. Man kan åstadkomma mycket, och undvika många missförstånd, om det förs en kontinuerlig dialog mellan de berörda yrkeskategorierna. En interaktiv, interdisciplinär grupp, bestående av arkitekter, konstruktörer, installatörer, tillverkare etc, kan inkludera alla viktiga tekniska och arkitektoniska synpunkter från början.
Analyser av den arkitektoniska potentialen är av stor vikt i alla stadier av utvecklingsprojekt. Detta förbättrar möjligheterna att utveckla en teknisk detalj och kan också vara en arkitektonisk komponent, d v s som ett sätt att stärka det arkitektoniska uttrycket och öka dess användbarhet. Att överbrygga ett spann med få stöd, vilket exempelvis massivträplattor tillåter, kan resultera i helt andra plan- och volymlösningar än med regelstommar. Eftersom den bärande stommen ändå är en absolut nödvändighet kan det vara effektivt och intressant från arkitektonisk, teknisk, ekonomisk etc synpunkt att använda den som bas för byggnadens arkitektur, även estetiskt sett.

Arkitektur
Oavsett om det görs med avsikt eller ej, kommer en byggnad att "berätta" något för besökaren om hur den byggdes och hur den fungerar. Det är uppenbart att om man går in i en byggnad med små rum och låg takhöjd kommer man att få ett annat intryck av byggnaden än om den har stora, öppna rum. Olika rumsvolymer ger olika effekt när det gäller dagsljus, luftväxling etc. Men rumsvolymernas form har också potential att visa oss något om sin huvudkonstruktion, sin bärande stomme. Vid varje punkt där konstruktiva delar är synliga kommer vi, mer eller mindre medvetet, att få ett intryck av byggnadens konstruktiva pålitlighet. Är man ointresserad kommer budskapet antagligen att passera obemärkt. Om man å andra sidan har ett intresse och är uppmärksam, har man möjligheten att "läsa" byggnaden som en bok.
Förändringar i ett delsystem kommer sannolikt att leda till att förändringar behöver göras i andra delsystem. En ny utformning i något delsystem kan leda till en bättre helhetsfunktion. Förändringar som stöttas av korresponderande förändringar i andra system kan leda till en synergieffekt där förbättringarna av helheten blir än större. Detta är fallet både när det gäller teknik och arkitektur. Av denna anledning har vi gjort ansatsen att ha en helhetssyn i utvecklingen av bjälklagssystemet.
Det kan vara överraskande att bjälklagstjockleken är av intresse i fråga om arkitekturen hos en byggnad. Eftersom detaljplaner ofta ger en högsta tillåtna höjd hos byggnader, kommer bjälklagstjockleken att ha en direkt effekt på hur många våningar man kan bygga. Av ekonomiska skäl vill man bygga så många våningar som möjligt; tunna bjälklag kan därvidlag ge utrymme för ytterligare en våning, vilket långsiktigt leder till bättre ekonomi.
Ett annat fall, där bjälklagstjockleken kan ha tydlig effekt, är när man går i en trappa. När man passerar det genomskurna bjälklaget kan man se dess dimensioner, varvid man får ett intryck av dess pålitlighet. Hur kommer detta bjälklag att motstå min tyngd? Kan jag ställa mitt piano i detta rum? Det finns också en påtaglig fysisk effekt när man går på bjälklaget. Om det inte är tillräckligt styvt kommer det att böja ner och/eller svaja under belastningen.
Håltagningar i bjälklag är nödvändiga för installationer; elektricitet, ventilation, vatten etc, samt för trappor och hissar. Det finns dock andra tillfällen då håltagningar och öppningar är av intresse. I exempelvis en hall eller i ett vardagsrum kan dubbel våningshöjd ge intryck av en mera generös rymd och bättre komfort än vad som faktiskt tillhandahålles. Detta kan man ofta se i mera påkostade lägenheter och hus, ofta i storlek av hela rum. Det är dock inte nödvändigt att låta öppningar täcka hela rum för att skapa variation i intrycken. En eller två kvadratmeter, lämpligt placerade, kan vara tillräckligt för att skapa tydliga rumsliga effekter, till exempel som ljusschakt genom ett eller flera bjälklag.

Planlösning
I Nuteks bjälklagstävling [1] är målet satt till sex meters spännvidd. Delvis på grund av att akustiska krav och krav på styvhet är typiska spännvidder i flervånings trähus något kortare än så. Stora spännvidder har stor effekt på friheten att utforma golvet och planlösningen och att förändra planlösningarna under byggnadens livstid. Stora spännvidder är också en nödvändighet när bostadshus kombineras med andra användningar, exempelvis kommersiella aktiviteter - ett typexempel är affärer i bottenplan. De ger också möjlighet att gestalta lägenheter på olika sätt på olika våningsplan eftersom bärande väggar inte behöver stå rakt ovanför varandra.

Restaurering / ombyggnad
Restaureringar är ofta relativt komplicerade byggprojekt. Vid val av material och teknik finns flera viktiga frågor att ta hänsyn till, när en gammal befintlig byggnad är i behov av en större åtgärd för fortsatt användbarhet eller ändrad användning. Balansen mellan det nya och det gamla är viktig, både i fråga om utseende och styvhet. En nybyggd konstruktion kommer sannolikt att röra sig något när material och grund anpassar sig till de nya förhållandena, medan äldre konstruktioner ofta har nått jämvikt och är stilla. Det uppstår lätt problem när nya material placeras i en redan åldrad kontext. Nya material är dessutom oftast starkare än äldre.
När ett befintligt bärverk och/eller marken och grundläggningen är svag, kan sten och betong vara alltför tunga material för att användas i tillbyggnader. Om kraven på autenticitet och homogenitet är starka kan förstärkning av den befintliga konstruktionen vara det enda realistiska alternativet. Om kraven på moderniserad användning däremot dominerar kan förändringar i material och teknik leda till stora förbättringar i ekonomi, arbetstid och användbarhet hos slutresultatet. Det kan också långsiktigt leda till en mer omsorgsfull renovering av byggnaden (och därigenom till ett mer autentiskt resultat) eftersom det kräver mindre ingrepp än vad en förstärkning av den befintliga stommen gör.
Ett proportionellt lättare material som trä kan tillhandahålla en metod att bygga ett nytt mellanbjälklag till exempelvis i en gammal lada, ett lager eller en mekanisk verkstad. Ett massivt träbjälklag har en flexibel användning eftersom det ger möjlighet till olika arrangemang; det kan bäras på stolpar, hängas från de befintliga väggarna om de tillåter en sådan last eller bäras på balkar om detta skulle anses lämpligt. Massivträkonstruktioner är avsevärt lättare än betongkonstruktioner. De är tyngre än regelstommar, men fortfarande enkla att vid behov måttjustera på plats.

Massivträbjälklag
I sin enklaste form är ett massivt golv mycket effektivt, särskilt ifråga om spännvidd och bärförmåga. I de europeiska länderna produceras ett flertal typer, exempelvis där plankor fästs intill varandra flatsida mot flatsida (så kallade "Brettstapelbau") eller med korslagda plattor i olika dimensioner (där "Dreischichtsplatten", som har tre skikt, är vanliga). När man måste öka ljudisoleringen adderar man ofta ett undertak. Detta gör bjälklaget tydligt tjockare, oavsett om undertaket hängs in eller om det har en egen bärande stomme.
Med en bärande balk under någon typ av massiv platta blir resultatet en T-formad sektion där den konstruktiva effektiviteten beror av graden av samverkan mellan platta och balk. Alltså kommer styvheten i förbandet mellan flänsen (plattan) och livet (balken) att vara av stor betydelse. Antingen används mekaniska förband som spik, skruv eller dymling, eller limmade förband, alternativt en kombination av dessa. Håltagningar kan förenklas tack vare den lastfördelning som ovanstående samverkan mellan balkarna medför.
Projektet är inriktat på lägenhetsskiljande bjälklag för bostadshus. Eftersom lägenhetsskiljande träbjälklag kan ha problem med sin ljudisolering (på grund av sin låga vikt) ligger en relativt stor del av utvecklingsarbetet på att säkerställa goda akustiska egenskaper. I detta projekt är de huvudsakligen intressanta frågorna kring bjälklaget : spännvidd, ljudisolering, installationer, miljöeffekter samt produktions- och transporteffektivitet.

Teknisk utveckling
För dagens och morgondagens träbyggnader finns ett behov av ökade spännvidder. Vi bygger idag större och högre komplex än tidigare, i kontexter där träbyggnader inte tillåtits under mycket lång tid. Detta ställer nya krav på former och variationsmöjligheter hos bjälklagen. Man har här olika angreppssätt i olika byggkulturer. Det är exempelvis möjligt att spänna mer än tio meter med bjälklag som har trä i dragzonen och betong i tryckzonen [3] och lådbalkar kan nå 8,5 meter [4].
Den valda tekniska utformningen består av ett bjälklag med ett övre golv och ett undertak, båda med en samverkanssektion med T-tvärsnitt, som arbetar oberoende av varandra (Fig 1). De båda liven pekar mot varandra och är sidoförskjutna så att bjälklagstjockleken på så sätt kunnat minskas med bibehållna möjligheter till fri spännvidd.
Den övre delen fungerar som bjälklagets primära bärning, och består av en 50-100 mm tjock korslagd, skiktad platta. Detta övergolv skruvas, limmas eller skruvlimmas till balkar av limträ, Swedlam, sågat virke e dyl. Om man kan räkna med en limmad fog kan dimensionen i bjälklagsbalken bli så liten som 45x145 mm2. Plattan tillverkas av lågvärdigt virke, medan balkarna, som kommer att få större belastningar, görs av virke med goda egenskaper. Detta syftar dels till att optimera materialåtgången i fråga om spänningar, dels till att använda mindre mängd material än vanliga massivträbjälklag. Massiva plattor uppvisar god lastfördelning, men också goda miljöegenskaper. En anledning är den temperaturbuffring och fuktutjämning som äger rum i den massiva skivans yttre skikt. Det yttre skiktet - och därmed de positiva miljöeffekterna - kvarstår i denna utformning av bjälklaget.
Den nedre delen av bjälklaget fungerar som ett inhängt undertak och bär ljudisoleringen; mineralull och ett tyngre material som exempelvis lerplattor. Balkarna i undertaket kan ha tunnare liv, exempelvis av plywood. Den kombinerade statiska effekten av balk och platta är här ett positivt alternativ men inget krav.
Fig 1. Perspektiv av bjälklaget och dess stöd. Preliminärt utförande.
Det är ofta att föredra om man kan koncentrera installationsdragningar till så få schakt som möjligt. En håltagning i ett bjälklag är en kritisk punkt, bland annat för bärförmåga, ljudisolering och brand. Inte minst vid byggande med massivträ växer behovet av att låta installationer (exempelvis för sprinkling) löpa horisontellt genom bjälklagen. Vid utformning av bjälklagen blir därför underhållet av installationerna viktigt. I bjälklagssystemet ifråga är underhåll möjligt genom undertaket.
Ett skäl att separera bjälklagets två delar är att installationerna kan monteras på byggplatsen innan den övre delen av bjälklaget är på plats. Separationen tillåter också att huset levereras som volymelement om man så önskar. En huvudanledning för separationen är dock ljudtransporten genom materialet. Separationen isolerar kontakten mellan de båda ingående delarna till kontaktpunkten i väggen där hammarband möter syll. För att undvika flanktransmission planerar vi att låta balkarna ligga upplagda på flexibla reglar som hängts på väggen. Sådana flexibla reglar tillverkas av komprimerad asp och är en kommersiellt tillgänglig produkt. De två delarna av bjälklaget kan läggas upp på två skilda reglar eller på en enda (Fig 2).
Fig 2. Vertikalsnitt genom bjälklaget. De två delarna på separata stöd (n t v) respektive på ett enda stöd (n t h).

Förband och knutpunkter
I bjälklagstävlingen var det ett önskemål att bjälklaget utvecklas för att hängas in i ytterväggarna. I detta ser man en tydlig inspiration från "baloon frames", som har kontinuerliga väggpelare, att jämföra med "platform frames" som har kontinuerliga bjälklagsbalkar. Mycket kan sägas till andra systems fördel, men vi valde ändå att anpassa vårt förslag till detta önskemål. Orsaken till varför Nutek valde att införa ett specifikt önskemål om upplagen är att genomtänkta knutpunkter är en viktig del i alla framgångsrika byggsystem.
Byggnader består av ett stort antal delar som bildar ett system om de kopplas på ett lämpligt sätt. Varje del, exempelvis väggar och bjälklag, är delsystem som kan optimeras på flera nivåer. Den potentiella eller önskade användningen av byggnaden ställer ett antal krav som de olika systemen måste uppfylla. Detta innebär inte bara rent tekniska krav, men också krav ifråga om funktion, miljö och arkitektur. Det senare är mer eller mindre integrerat i de andra.
Det är viktigt att studera gränssnitten mellan de olika systemen, exempelvis bjälklaget och väggen det kopplas till. Ett väl utformat gränssnitt ger stor frihet i utformningen av väggen och bjälklaget. Nuteks tävlingar om bjälklag respektive väggar är baserade på en idé [5] om ett öppet stomsystem, d v s ett system där komponenterna är utbytbara och kan tillhandahållas av olika tillverkare. Det krävs av alla komponenter i ett sådant öppet stomsystem att de ansluter till de på förhand givna förbandsutformningarna. I övrigt kan de ha valfri utformning så länge som de uppfyller kraven på säkerhet och funktion.
Förbanden kan inte studeras och utvecklas var för sig utan måste anses vara delar av ett system. För den byggda arkitekturen är förbanden viktiga av två anledningar. Dels fyller förbanden en av de allra viktigaste funktionerna i byggnaden genom att få de ingående delarna att fungera som en enhet, dels kan förbandsutformningen vara ett sätt att använda gränssnittet till att ytterligare berika byggnadens uttryck.
En viktig fördel med standardiserade förband är att de tydligt definierar gränserna mellan de olika delarna i byggnaden, vilket förenklar utvecklingen av prefabricerade system. Prefabricering blir idag allt viktigare eftersom det minskar byggarbetsplatsens arbetskostnad, som blir allt viktigare i förhållande till andra kostnadsposter. Minskade arbetskostnader möjliggörs av förband (inom komponenter) som klarar transporter och förband (mellan komponenter) som tillåter snabbt montage [6]. På grund av stora komponenter har prefabrikation som begrepp också gjort transporterna allt viktigare.

Planerat arbete
Arbetet i projektet kommer att genomföras stegvis under ett års tid och avslutas i februari 2002. Följande steg kommer att genomföras:
1. Genom teoretiskt arbete kommer ett antal varianter att utvecklas från det grundläggande utförandet, vilket förser den andra fasen av projektet med ett antal besläktade bjälklagstyper. Detta första stadium innehåller också beräkning av statiska egenskaper, preliminär utformning av detaljer, upplag och förband samt en diskussion om träkvalitet, isoleringsmaterial och miljöeffekter. De styrande faktorerna i analyserna är spännviddskravet på sex meter och den sökta minskningen i bjälklagstjocklek.
2. Under denna punkt kommer en av de deltagande husfabrikanterna att manuellt tillverka ett antal försöksbjälklag på 4x4 m2. En provningsrigg konstrueras och byggs för provning av bjälklagens akustiska egenskaper.
3. Ljudprovning i laboratorium av bjälklagstyperna. Dessa provningar kommer att sålla ut en eller ett par typer av bjälklag för fortsatt utveckling. I detta stadium av utvecklingsarbetet kommer väggen i provningsriggen att ha en konventionell stomme som akustiskt är väl dokumenterad.
4. En djup studie och fortsatt utveckling av bjälklagssystemet, utgående från provningsresultaten och tillverkningen. De deltagande hustillverkarna kommer överens om ett lämpligt objekt att använda bjälklagssystemet i, och det valda företaget implementerar bjälklaget i sin ordinarie fabriksproduktion.
5. Det mest effektiva bjälklagsalternativet tillverkas i sin slutliga form i det valda företagets ordinarie produktion.
6. De färdiga bjälklagskomponenterna byggs in i ett pågående byggprojekt.
7. Tester av de akustiska egenskaperna hos bjälklagen sker på plats i den färdiga byggnaden. Samtidigt pågår en utvärdering av de studerade aspekterna, vilket kompletterar den slutliga utvärderingen av arbetet.
8. Utvärdering av projektet och det slutliga bjälklaget, eventuellt inklusive planering av ytterligare ljudprovningar efter något år. En viktig fråga är hur väl projektet kunnat besvara frågorna om arkitektonisk potential. Presentation av slutrapport.
Vid utveckling av bjälklagssystem finns det ett stort antal aspekter som måste studeras, däribland akustik, produktion, spänningsfördelning, deformationer, klimat och miljöbelastning. Den korslaminerade träplattan är en ny produkt på den svenska marknaden och kräver därför särskilda studier av produktion och beteende. På grund av avsaknaden av erfarenhet i Sverige kommer ett antal varianter att studeras. Om detta visar sig vara framgångsrikt kan denna typ av produkt bli användbar, konkurrenskraftig och attraktiv för sågverksindustrin att tillverka och för konstruktörer och arkitekter att använda sig av.
Detta bjälklagsprojekt, som också redovisas i ref [7], är den första delen i en holistisk fullskalestudie av byggnaden som ett system av system [2].

Referenser
[1] Nutek: Inbjudning till projektansökningar. Träbjälklag. Stockholm, mars 2000.
[2] Engström D, Samuelsson S:, "Mediumrise, timberframed buildings as multilevel systems", Proceedings of the World Conference on Timber Engineering 2000, Whistler, British Columbia, Canada, sid. 6.2.3
[3] Natterer J, "Stapelbauweise und Holz-Beton-Verbundbauweise", Detail 1997.
[4] Sigrist C, "A four-storey school building in timber" Proceedings of the World Conference on Timber Engineering 2000, Whistler, British Columbia, Canada, sid 7.2.2
[5] Alsmarker, T, WIS Wood Interface System - Ett öppet träbyggnadssystem, Vinnova, Stockholm
[6] Schickhofer G, Hasewend B, Solid Timber Construction, Graz 2000.
[7] Falk, A, Engström, D och Samuelsson, S. Floors for Medium-rise Timber-framed Buildings. IABSE konferens Innovative Wooden Structures and Bridges, Lahtis, Finland, 29-31 augusti.







Källa: Husbyggaren (Nr 3 / 2001)