Anvedelse av innovative knutepunkt i limtrefagverk for å øke konkurransedyktigheten mot fagverk i stål

Abstract

Den økende bevisstheten vedrørende miljø og klima i byggenæringen har gjort det mer ettertraktet å erstatte de tradisjonelle materialvalgene, stål og betong, med tre. Det er bruk av tre i større bærende konstruksjoner som skaper utfordringene med å oppnå tilstrekkelig bæring ved store spenn. I disse konstruksjonene kan fagverk i limtre benyttes. Fagverksmodellen tar opp store krefter i forhold til materialforbruket, men de massive limtretverrsnittene skaper allikevel et høyt materialforbruk. Kravene til knutepunktenes kapasitet og stivhet resulterer i kompliserte, kostbare løsninger og i kombinasjon med materialbehovet gjør det konkurransedyktigheten til limtrefagverk mer tvilsom.

I forprosjektet ble det beskrevet at fagverket i limtre skulle sammenlignes med fagverk i stål og massivbjelke i limtre. Den massive bjelken i limtre oppfylte ikke krav for det lange spennet på 30 meter, selv med det største mulige tverrsnittet, og ble derfor sløyfet fra oppgaven. Et annet avvik fra forprosjektet er beskrivelse av en økonomisk undersøkelse som skal inneholde faktoren produksjonstid og vanskelighetsgrad av valgt løsning for knutepunktene. Den økonomiske undersøkelsen ble forenklet til å kun inneholde kostnader ved produksjon av materialer og forbindelser.

En felles fagverksmodell for et spenn på 30,0 m er blitt utviklet for henholdsvis bruk av limtre og stål. For begge materialvalgene har fagverket flere geometriske likhetstrekk for å sikre et godt sammenligningsgrunnlag. Det ble gjennomført en optimaliseringsprosess ved hjelp av FEM-design som sikrer lavest mulig materialforbruk ved maksimal utnyttelsesgrad på 80 %. Videre ble hvert tverrsnitt kontrollert i henhold til Norsk Standard og ved bruk av egenkomponerte regneark i beregningsprogrammet Mathcad.

For å øke konkurransedyktigheten til fagverk i limtre ytterligere, er det i arbeidet også satt fokus på forenkling av knutepunktene. I Sverige har Martinsonskonsernet utviklet og tatt patent på knutepunkt i limtrefagverk med kun bruk av skråstilte skruer. Denne løsningen skal redusere produksjonskostnadene med 40 %. Egne kapasitetsberegninger på en tilsvarende variant av knutepunkt er gjennomført i henhold til Norsk Standard, alternativ beregningsmetode basert på forsøk og ved bruk av Mathcad. Trevirkets varierende fastheter og materialegenskaper i de ulike fiberretningene gjør det vanskelig å oppnå tilstrekkelig kapasitet og stivhet i knutepunktene. Vanligvis blir det benyttet løsninger som er kompliserte, og derav svært tidkrevende og kostbart.

Konklusjonen for beregninger av knutepunktene er at skruene ikke oppfyller krav etter Eurokode 5, men kravene for den alternative metoden blir derimot oppfylt. Grunnet mangel på beregninger av nødvendig antall dybler og innslissede stålplater, kan man ikke konkludere med at de innovative knutepunkt gir en kostnadsreduksjon på 40 %. Likevel kan man observere en kostnadsreduksjon siden det omtrent er samme pris for dybler og skruer, og at man dermed sparer på å ikke betale for stålplatene.

Samling av resultatene for klimagassverdiene viser at limtre har vesentlig lavere totalutslipp. Produksjonen av limtre kommer til dets fordel ved at det er miljømessig mye gunstigere fremfor stål. Dette vil si at selv om materialbehovet for limtre i et fagverk er flere ganger større enn for stål er det fortsatt et bedre valg med tanke på miljø. Kostnadene øker derimot kraftig med volumdifferansen mellom de to materialene. Byggenæringen har et behov for mer kostnadseffektiv produksjonen av limtre. Da ville valg av limtre som byggematerialet i større konstruksjoner kunne lønne seg både fra et miljømessig- og økonomisk perspektiv.

The increasing focus on climate impacts in the building industry has made timber a desirable substitute for the more common choices such as steel and concrete. The introduction to timber as a building material for use in larger structures has brought attention to new challenges concerning design and expenses. In terms of evaluating the competitiveness of timber against steel a common truss model was designed for both materials. Seen as the strength of glulam is different depending on the various grains it usually results in complicated and expensive connections. To enhance timbers ability to compete with steel a new simplified design of the connections in the truss has been investigated. This thesis will then compare glulam and steel with focus on costs, environmental impact and production.

The trusses shall both have a span of 30 meters which is ideal for using glued laminated timber (glulam). By the use of FEM design have the structural component been optimized with a fixed maximum degree of utilization at 80 %. This brings the required amount of glulam and steel down to a minimum which affects the expenses and environmental impact. Subsequently are the cross sections, recommended by FEM design, controlled by hand with directions following the Norwegian Standard in the engineering math software Mathcad. The massive cross sections of glulam compared to the thin cross sections of steel resulted in a great difference in the total volume.

It was chosen to investigate the connections in the glulam truss to simplify todays assemblage which makes production complicated, time consuming and also expensive. The innovative and simplified solution is based on Swedish patent developed by Martinsons. It substitutes complex connections with the use of inclined self-tapping screws as the only component. The screws great capacity against axial loading gets utilized by aligning them with the diagonal truss members.

The calculations conclude that the new innovative connections do not meet the requirements set in Eurocode 5. Therefore, a new method of design has been used to accieve sufficent capacity to resist different load combinations. The lack of resourses and calculations on the connections composed of steel plates and dowels makes it hard to support the theory of a 40 % cost reduction with the new innovative connections. Nevertheless, we can observe a cost reduction by the removal of steel plates, since dowels and screws are equal in price. The results regarding environmental impacts conclude that glulam has a considerably lower total emission of greenhouse gasses compared to steel. This, considering the difference in required material, confirms the environmental benefits of glulam production versus steel. However, the costs in the production phase will not gain the competitiveness of glulam. The building industry depends upon developing a better, cost efficient way of manufacturing glulam. Then it will become a good choice, for use in larger constructions, both from an environmental and economic perspective.