of 62 /62
Examensarbete Dimensionering av limträkonstruktion Dimensioning of glulam construction Examensarbete inom huvudområdet Maskinteknik Grundnivå 30 högskolepoäng Vårtermin 2021 Sara Svensson Stina Andersson Handledare: Dr Tobias Andersson Examinator: Docent Lennart Ljungberg

Examensarbete - his.diva-portal.org

  • Author
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Examensarbete - his.diva-portal.org

Sara Svensson Stina Andersson
I
Sammanfattning Moelven Töreboda jobbar med ett av dagens mest aktuella och förnyelsebara byggnadsmaterialet, limträ. Då jordens klimat blir allt varmare är det viktigare än någonsin att välja klimatsmarta alternativ som tar hänsyn till miljöpåverkan idag och i framtiden. Syftet med arbetet är att ta fram en stomme till en stallkonstruktion samt att genomföra en miljöjämförelse. Miljöjämförelse utfördes där limträ visar sig vara det bättre alternativet att använda i jämförelse med stål för fasen vagga till grind, med avseende på miljöpåverkan.Vid beräkning och dimensionering av en konstruktion är det viktigt med en väl utförd grund för att undvika fel i utförandet, vilket skulle kunna leda till förödande konsekvenser. Således användes tre beräkningsverktyg: teoretiska beräkningar, Statcon Structure och FEM-analyser för att skapa en hög validitet och reliabilitet för resultaten. Analyserna resulterade i komponenter med olika hållfasthetsklasser och dimensioner i limträ för den slutliga stallkonstruktionen, detta för att få en så optimal konstruktion som möjligt som tillgodoser kraven.
II
Abstract Moelven Töreboda works with one of today’s most current and renewable building materials, glulam. As the earth’s climate becomes warmer, it is more important than ever to choose climate-smart alternatives that take into account the environmental impact today and in the future. The purpose of the work is to produce a frame for a stable construction and to carry out an environmental comparison. The environmental comparison was carried out where glulam proves to be the better alternative to use in comparison with steel for the phase cradle to gate, with regard to environmental impact. When calculating and dimensioning a structure, it is important to have a well-executed foundation to avoid design errors, which could lead to devastating consequences. Thus, three calculation tools are used: theoretical calculations, Statcon Structure and FEM-analyses to create a high validity and reliability of the results. The analyses resulted in components with different strength classes and dimensions in glulam for the stable cnstruction, in order to obtain as optimal a construction possible that meets the requirements.
III
Intyg Denna uppsats har lämnats in av Sara Svensson och Stina Andersson till Högskolan i Skövde som uppsats för erhållande av betyg på grundnivå G2E inom huvuområdet Maskinteknik. Undertecknande intygar härmed att allt material i denna uppsats som inte är resultatet av eget arbete har redovisats med källangivelse. Uppsatsen innehåller inte heller material som undertecknande redan tidigare fått tillgodoräknat sig inom sina akademiska studier.
Sara Svensson Stina Andersson
IV
Förord Detta examensarbete är det avslutande momentet i maskiningenjörsutbildningen på Högskolan i Skövde. Arbetet omfattar 30 hp och har pågått mellan januari och juni 2021 i samarbete med Moelven Töreboda.
Vi vill tacka alla medarbetare på Moelven Töreboda för ett varmt bemötande. Vi vill särskilt tacka vår handledare Fredrik Morell och konstruktionschef Erik Johansson som har ställt upp och besvarat våra frågor under arbetets gång.
Vi vill även tacka vår handledare på Högskolan i Skövde, Tobias Andersson som fungerat som ett bollplank under arbetets gång och vår examinator Lennart Ljungberg.
Mariestad maj 2021
1.3 Avgränsningar ............................................................................................................. 2
2.3 Teoretiska beräkningar ................................................................................................ 4
2.4 Statcon Structure .......................................................................................................... 4
3.2 Limträ .......................................................................................................................... 7
3.2.1 Materialegenskaper .............................................................................................. 7
3.2.2 Hållfasthetssortering ............................................................................................. 8
3.3 Miljöjämförelse ........................................................................................................... 9
4.2.1 Moelven Töreboda ............................................................................................. 16
5 Resultat ............................................................................................................................. 25
5.1 Marknadsundersökning ............................................................................................. 25
5.2 Miljöjämförelse ......................................................................................................... 25
6.1 Förslag på fortsatt arbete ........................................................................................... 29
Referenser ................................................................................................................................. 30
Bilagor ...................................................................................................................................... 33
Bilaga 4 – Vindlastzoner ...................................................................................................... 37
Bilaga 5 – Planlösning .......................................................................................................... 38
Bilaga 7 – Miljödeklaration Moelven Töreboda .................................................................. 47
Referenser bilagor ................................................................................................................. 52
VIII
Figurförteckning
Figur 1.1 Illustration av de olika komponenterna i stommen. ................................................... 1 Figur 1.2: Visar hur de tre indelningarna måste uppfyllas för att uppnå en hållbar utveckling (KTH, 2020). .............................................................................................................................. 2 Figur 1.3: Vattenfallsmodell av rapporten. ................................................................................ 3 Figur 3.1: Jämförelse mellan olika byggmaterials koldioxidutsläpp vid tillverkning (Skogsindustrierna, 2013). ......................................................................................................... 5 Figur 3.2: Illustrerar belastningar i drag, tryck och böjning (Skogsindustrierna, 2013). ........... 5 Figur 3.3: Visar hur trä bibehåller sin bärförmåga vid brand till skillnad från obehandlat stål (Skogsindustrierna, 2013). ......................................................................................................... 6 Figur 3.4: Illustration som visar hur de fyra faktorerna måste inverka för att mikroorganismer ska uppstå (Skogsindustrierna, 2013). ........................................................................................ 7 Figur 3.5: Illustration av hur en fingerskarv ser ut (Svenskt Trä, 2020). ................................... 8 Figur 3.6: Måttbeteckningar för limträbalkens tvärsnitt (Skogsindustrierna, 2013). ................. 9 Figur 3.7: Visar träprodukters kretslopp från vaggan till graven (moelven töreboda Del 2: Projektering av limträkonstruktioner, 2016). ........................................................................... 10 Figur 3.8: Illustration av stålets kretslopp (Jernkontoret, 2010). ............................................. 11 Figur 3.9: Indelningar av Eurokoderna samt vad de innefattar (Skogsindustrierna, 2019). .... 12 Figur 3.10: Illustration över hur taklutningen genererar formfaktorn (Isaksson & Mårtensson, 2020). ........................................................................................................................................ 13 Figur 4.1: Jordbruksverkets rekommendationer för boxstorlekar (Jordbruksverket, 2021). ... 16 Figur 4.2: Visar den takås som beräknades i hela konstruktionen. .......................................... 18 Figur 4.3: Balken som analyseras i de teoretiska beräkningarna. ............................................ 18 Figur 4.4: Visar var de fem olika snitten på balken gjordes..................................................... 19 Figur 4.5: Momentdiagram som visar värdena för momenten i varje snitt. ............................. 19 Figur 4.6: Analyserad balk från Statcon Structure med belastningar. ..................................... 20 Figur 4.7: Visar sidobalkens i hela konstruktionen .................................................................. 20 Figur 4.8: Visar den inre pelaren i hela konstruktionen. .......................................................... 20 Figur 4.9: Visar de applicerade randvillkoren och lasten på takåsen. ...................................... 21 Figur 4.10: Hela konstruktionen med de olika komponenterna obelastad och belastad. ......... 22 Figur 4.11: Visar var snittet gjordes för att analysera infästningen. ........................................ 23 Figur 4.12: Meshelement för både plattan och balken. ............................................................ 23 Figur 4.13: Applicerade randvillkor och laster för analys av infästningen. ............................. 24 Figur 5.1: Spänningar som uppstår i takåsarna vid belastning av den utbredda lasten q. ........ 26 Figur 5.2: Momentdiagram som visar de uppmätta värdena vid varje snitt. ............................ 26 Figur 5.3: Stora plattan med spänningar och tjocklek 2 mm. .................................................. 27 Figur 5.4: Mellanplattan med spänningar och tjocklek 5 mm. ................................................. 27
Snölastfaktor kN/m2
1
1 Inledning Limträ är ett av framtidens material och fördelarna är många. Limträ är ett nytt konstruktionsmaterial i jämförelse med dess konkurrenter stål och armerad betong. Över 100 år av forskning och vidareutveckling av limträ har gjort det till ett av dagens mest attraktiva material för konstruktioner. Styrkan som limträ besitter i förhållande till sin egenvikt bidrar till en återhållsam materialåtgång vid tillverkning av konstruktioner. Trä som material är naturligt, energieffektivt och förnybart vilket är fördelaktigt i dagens samhälle då mer fokus ligger på miljön och miljöpåverkningar. Limträ som konstruktionsmaterial har en hög formbarhet, vilket innebär stora möjligheter för arkitekter och konstruktörer i skapande och utformning av byggnader.
1.1 Moelven Töreboda
Examensarbetet utfördes i samarbete med Moelven Töreboda som är en del av Moelven koncernen som omfattar totalt 34 produktionsbolag med 42 produktionsplatser i Norge och Sverige. Moelven har försäljningsverksamhet i flera länder över hela världen med totalt 3350 anställda (Moelven AB, 2021). I Töreboda har företaget byggt och konstruerat i limträ sedan 1919 och limträfabriken är den äldsta i världen. Limträ är idag mer aktuellt än någonsin och Moelven Töreboda kan titulera sig som en av Europas ledande limträtillverkare. Företaget har sedan starten levererat material och konstruktioner till arenor, hallar, broar och flervåningshus. Stommen i centralstationen i Stockholm tillhör ett av de mest kända projekten skapade i limträ och av Moelven Töreboda (Moelven Töreboda, 2015).
1.2 Syfte och mål
Syftet med examensarbetet är att dimensionera takåsar (A), sidobalkar (B), inre pelare och infästningar i nock (C) för en limträkonstruktion avsedd för en stallbyggnad, se figur 1.1.
• Målet är att ta fram förslag på balkar och infästningar med så hög utnyttjandegrad som möjligt vilka även klarar de laster och spänningar som uppstår vid belastning.
• Målet är att analysera olika infästningar som är aktuella för konstruktionen för att ta fram den som lämpar sig bäst för belastningarna med avseende på Eurokoderna. Eurokoderna är en europeisk standard som används inom byggindustrin.
• Arbetet har som mål att svara på om limträ ur miljösynpunkt är det mer fördelaktiga materialet att använda i jämförelse med stål, med avseende på fasen från råmaterialutvinning till leverans till kund.
Figur 1.1 Illustration av de olika komponenterna i stommen.
2
1.3 Avgränsningar
Rapporten strävar efter att dimensionera en limträkonstruktion och avgränsas till att endast beräkna takåsar, sidobalkar, inre pelare och infästningar i nock. Således kommer rapporten inte fokusera på att analysera andra komponenter för konstruktionen. De teoretiska beräkningarna avgränsades endast till att beräkna takåsen för att sedan jämföra resultaten med de resultat som genererades av andra metoder. Arbetet avser att använda det utbud som finns tillgängligt hos Moelven Töreboda vad gäller tvärsnitt och dimensioner. Miljöjämförelsen kommer avgränsas till fasen, från vagga till grind då resterande värden för livscykelanalysen saknas i miljödeklarationerna. Slutligen tas ingen hänsyn till vindlastens lyftkrafter, utan endast på de vindlaster som påverkar konstruktionen i form av tryckkrafter.
1.4 Hållbar utveckling
Rapporten strävar efter att uppnå en hållbar utveckling för att säkerställa att framtidens generationer kan tillgodose sina behov (Ammenberg, 2012). För att en hållbar utveckling ska uppfyllas gäller det att tre olika kategorier uppnås, ekologisk, social och ekonomisk hållbarhet, vilket visualiseras i figur 1.2. Det innebär god planering genom hela projektet och produktionen och de val som utförs bör ha tydliga argument till varför de är valda samt att de hänvisar till de tre aspekterna för hållbarhet.
1.4.1 Ekologisk hållbarhet
Ekologisk hållbarhet rör allting som har med jordens ekosystem att göra och är den del av hållbara utvecklingen som sätter ramarna för de andra delarna. Ammenberg (2012) menar att utan ett ekologiskt hållbart system har de andra delarna i den hållbara utvecklingen, social och ekonomisk hållbarhet, ingen egentlig betydelse. I arbetet kommer den ekologiska hållbarheten involveras så komponenterna har en hög utnyttjandegrad för att minimera materialåtgången och undvika överdimensionering.
1.4.2 Social hållbarhet
Social hållbarhet behandlar frågor om människors behov, utveckling och hälsa. Där en målsättning är att kunna gynna människors behov både idag och i framtiden. Enligt Gulliksson & Holmgren (2015) definieras social hållbarhet som ett samhälle som är rättvist, jämlikt, inkluderande, säkert och skapar trygghet. Stallets öppna planlösning ger upphov till en rymlig atmosfär, samtidigt som den förespråkar en ergonomisk och säker arbetsplats. Stallet kommer även ha plats till förvaring och indraget vatten inomhus för att underlätta vardagen för brukarna av platsen.
Figur 1.2: Visar hur de tre indelningarna måste uppfyllas för att uppnå en hållbar utveckling (KTH, 2020).
3
1.4.3 Ekonomisk hållbarhet
Ekonomisk hållbarhet syftar på en ekonomisk tillväxt som inte sker på bekostnad av den sociala och ekologiska hållbarheten. Det innebär även att planera långsiktigt med en hög användbarhet och chans till återanvändning eller återvinning (Ammenberg 2012). Stallet har en öppen planlösning för att öka användbarheten och möjligheterna till att använda byggnaden i annat syfte i framtiden, utan att det krävs stora ombyggnationer eller rivningar. Boxarna i stallet kommer även att utformas efter de största hästarnas mått för att kunna användas av hästar i alla storlekar. Planlösning i stallet är utformat för att kunna användas med fler eller färre antal boxar och på så sätt kan samma grundkonstruktion användas, men även anpassas efter efterfrågan.
1.5 Metodkritik
Vetenskapliga arbeten måste vara tillförlitliga och utförda på rätt sätt för att slutresultatet ska kunna anses som giltigt. För att uppnå metodmedvetenhet används ofta validitet, reliabilitet och objektivitet som beskrivande begrepp (Säfsten & Gustavsson, 2019). Med metodmedvetenhet menas att författarna analyserat och övervägt vilka metoder som lämpar sig bäst att använda i ett specifikt fall. Validitet, reliabilitet och objektivitet anses vara åtgärder för att uppnå en högre trovärdighet. Där validitet syftar på giltighet, det vill säga i vilken grad arbetet undersökt det som var avsett att undersökas. Reliabiliteten handlar om tillförlitlighet, att samma resultat ges då samma område undersöks flera gånger. En hög objektivitet medför att de resultat och val som görs är tydligt motiverade och grundar sig i studiens undersökningar. Genom en objektiv bedömning av arbetet vägs inte personliga åsikter in och fakta som presenteras blir mer korrekt (Björklund & Paulsson, 2012).
Rapporten avser att uppfylla de tre ovan nämnda begreppen för att uppnå en hög tillförlitlighet och giltighet med arbetet. Validiteten stärks genom att använda triangulering, vilket innebär att fler än en metod kommer användas för att komma fram till dimensionerna för takåsen, sidobalken och inre pelaren (Säfsten & Gustavsson, 2019). Reliabiliteten för arbetet implementeras då komponenterna analyseras enskilt, men även då de är sammansatta med varandra för att säkerställa att samma resultat uppnås. De resultat som framkommit ska presenteras objektivt och vara korrekta för att ett tillförlitligt och giltigt arbete ska uppnås (Björklund & Paulsson, 2012).
1.6 Rapportöversikt
4
2 Teoretisk referensram Den teoretiska referensramen syftar till att kortfattat förklara de metoder som användes, men även hur de implementerades i arbetet.
2.1 Marknadsundersökning
Marknadsundersökningar används för att ta reda på konsumenters inställning och användning av produkter och tjänster (Säfsten & Gustavsson, 2019). En marknadsundersökning genomfördes för att skapa en uppfattning om vad som finns på marknaden, vanliga storlekar och hur stallen är planerade. De som granskades var företag som hade ett färdigt konstruktionsförslag för stallbyggnader på sin hemsida. Tre olika inriktningar valdes: stål, betong och trä för att se eventuella skillnader och likheter.
2.2 Analys av miljödeklarationer
För att kunna jämföra materialen limträ och stål, användes två miljödeklararioner till analyserna. Moelven Törebodas deklaration för limträbalkar och pelare samt en deklaration för företaget LLENTABs stomstål jämfördes för fasen vagga till grind för 1 kg material. Analyserna utfördes för att ta reda på vilket av materialen som har störst negativ inverkan på miljö och samhälle. Det som ligger till grund för miljöjämförelsen är sammanställd data från miljödeklarationer för de olika företagen och livscykelanalyser för både limträ och stål.
2.3 Teoretiska beräkningar
Teoretiska beräkningar användes för att bilda en uppfattning för hur systemet och komponenten beter sig då den utsätts för belastning. Det användes även för att jämföra om resultatet visar samma dimension för takåsen som de andra beräkningsmetoderna. Beräkningarna utfördes på en takås med vissa förenklingar av systemet. De förenklingar som gjorts är att punkt B har ändrats från fast inspänd till ett stöd och överhänget vid punkt A har tagits bort. Förenklingarna av systemet var nödvändiga för att lösa fallet som ett statiskt bestämt problem. Ingen hänsyn har tagits till balkens egenvikt då dimensionen för balken ännu var okänd.
2.4 Statcon Structure
Statcon Structure är ett beräkningsprogram som användes för att dimensionera balkarna och pelarna i limträ. Beräkningarna inkluderar de eurokoder som berör limträet och konstruktionen som ska analyseras. De faktorer som fylls i av användaren är klimatklass, takkonstruktion, taklutning, takets egenvikt, geografisk plats och mått. I programmet angavs de kriterier som behövs för att analysera och dimensionera komponenterna.
2.5 FEM-analyser
Finita elementmetoden, FEM, är ett beräknings- och analyseringsverktyg som simulerar deformationer och spänningar i konstruktioner genom att lösa komplicerade differentialekvationer (Zienkiewicz & Taylor, 2000). Abaqus är ett program som använder FEM, vilket tillämpas vid modellering och visualisering av elementanalyser. Programmet gör det möjligt att bilda en förståelse för pänningar och moment innan konstruktionen byggs. Programmet gör det även möjligt att analysera komponenter enskilt och som en sammansatt konstruktion för att få ett helhetsperspektiv. Abaqus användes för att se var de största moment och spänningarna uppstår i komponenterna, men även för att se om de klarar av lasterna.
5
3 Förstudie Förstudien implementeras som en teoretisk bakgrund för att läsaren ska bilda en sig förståelse för de ämnen som innefattas och som är fördelaktigt att ha med sig senare i rapporten.
3.1 Trä
Trä är ett byggnadsmaterial som kan användas i stor utsträckning samtidigt som det är hållbart för miljön då trä har lågt koldioxidutsläpp vid tillverkning (Allwood et al., 2017), se figur 3.1.
70 % av Sveriges yta består av skogsmark och råvarorna från skogen kan ersätta andra inte lika miljövänliga alternativ, det vill säga fossila material och bränslen (Naturskyddsföreningen, 2021). Majoriteten av den svenska skogen består av barrträd medan lövträden endast står för cirka 12 % av den procentuella trädslagsfördelningen. Trä är en naturlig produkt bestående av 3 olika huvudämnen: kol, väte och syre.
3.1.1 Materialegenskaper
Träets fysikaliska och mekaniska egenskaper beror på olika faktorer som träslag, defekter, temperatur och densitet men också hur en belastning angriper materialet. Generellt för alla träslag är att de är starkare i materialets fiberriktning, det vill säga vid parallella belastningar gentemot vertikala belastningar mot fiberriktningen se figur 3.2. De har även en högre draghållfasthet jämförelsevis med tryckhållfasthet i fibrernas riktning (Skogsindustrierna, 2019). Kvistar och defekter leder till fiberstörningar som påverkar materialets hållfasthet negativt. Fiberstörningar innebär att fibrerna blir vridna eller kröker sig runt kvisten istället för att hålla en jämn linje genom materialet (Skogsindustrierna, 2019). Kvistarnas position på det sågade virket och deras storlek har betydelse för hur mycket virkets styrka påverkas. En kvist påverkar hållfastheten negativt i synnerhet då träet utsätts för böjning och extra om kvisten finns på den dragna sidan av materialet (Leijon, 2014).
Figur 3.2: Illustrerar belastningar i drag, tryck och böjning (Skogsindustrierna, 2013).
Figur 3.1: Jämförelse mellan olika byggmaterials koldioxidutsläpp vid tillverkning (Skogsindustrierna, 2013).
6
Densiteten innebär uppbyggnaden utav träets anatomi och skiljer sig åt mellan de olika träslagen. Ett träslags densitet är fuktberoende vilket betyder att massan per volymenhet påverkas av det befintliga fuktinnehållet. Andelen fukt i träet påverkar även de mekaniska egenskaperna, vilket medför att en låg fuktkvot ökar hållfastheten och styvheten i träet (Skogsindustrierna, 2019). Trä är ett hygroskopiskt byggnadsmaterial vilket betyder att det kan ta upp och avge fukt. Detta medför att densiteten för materialet påverkas av omkringliggande luftfuktighet och temperatur. Trä strävar alltid efter att anpassa sig till miljön runt omkring sig och beter sig olika beroende på träslaget, vilket är viktigt att ta hänsyn till vid urvalet. Definitionen av fuktkvot är ett procentuellt förhållande mellan fuktigt material och torrt material. Om ändringar av fuktkvoten sker uppstår en förändring av volymen, vilket medför att det sker en krympning eller svällning. Detta kan i sin tur påverka dimensioneringen, hållfastheten samt livslängden (Skogsindustrierna, 2013). Trä är ett material som besitter goda termiska egenskaper, vilket medför en hög värmeisolerande förmåga. Då trä inte har någon mjukningspunkt påverkas inte hållfastheten avsevärt vid brand, vilket innebär att förkolningen sker långsamt (Leijon, 2014). Sammanställt bidrar dessa egenskaper till att trä kan bibehålla sin ursprungliga konstruktion under en stor del av brandutvecklingen vilket illustreras i figur 3.3.
Figur 3.3: Visar hur trä bibehåller sin bärförmåga vid brand till skillnad från obehandlat stål (Skogsindustrierna, 2013).
3.1.2 Hållfasthetssortering
Trä som byggmaterial har en varierande hållfasthet, styvhet och densitet inom samma träslag. Exempelvis kan gran ha en skillnad i böjhållfastheten mellan 10 och 90 MPa (Skogsindustrierna, 2019). Trä är en naturlig råvara och kan därför inte styras till vissa önskvärda egenskaper, vilket leder till en variation av materialegenskaper. Med anledning av detta delas trä och träslag upp i olika hållfasthetsklasser. Till följd av uppdelningen är det möjligt att kontrollera materialets egenskaper inom både hållfasthet och styvhet och då få en gemensam hållfasthetsklassificering på marknaden. I nuläget finns två typer av sortering: visuell och maskinell sortering. Maskinell hållfasthetssortering fastlägger materialets fysikaliska egenskaper som elasticitetsmodul, densitet och inre struktur, men tar inte hänsyn till kvistar, svampangrepp eller snedfibrighet. Därför är det nödvändigt att även göra en visuell hållfasthetssortering. Det virke som används till konstruktionsmaterial måste CE märkas, vilket innebär att det måste uppfylla Europeiska Unionens hälso-, miljö- och säkerhetskrav. Virket ska också märkas enligt den svenska och Europeiska standarden SS-EN 14081-1 (Skogsindustrierna, 2013).
3.1.3 För- och nackdelar
Fördelarna med trä som byggnadsmaterial är många. Det har en hög hållfasthet i förhållande till sin vikt vilket är fördelaktigt och medför en minskad materialåtgång. Trä är som tidigare nämnt en förnyelsebar råvara som det finns gott om i Sverige, men det betyder att avverkningen
7
och tillväxten av skogen måste gå hand i hand. Fördelen med att implementera trä som byggnadsmaterial på marknaden är att det kan ersätta stål och betong som inte är förnyelsebara material, har en energikrävande tillverkning och producerar mer koldioxid vid tillverkning (Skogsindustrierna, 2013).
En av nackdelarna med trä som byggmaterial är de faktum att de kan angripas av olika mikroorganismer, exempelvis röta, blånad och mögel. Orsaken till att dessa angrepp uppstår grundar sig i en förhöjd fuktighet och temperatur i materialet (Leijon, 2014). När svampar växer bryter de ner viktiga byggnadselement, cellulosan, i träet vilket kallas för röta. Röta innebär att både formen, färgen och hållfastheten i materialet försämras. De fyra huvudsakliga faktorer som möjliggör att röta uppstår är en hög fuktkvot, hög temperatur, tillgång till näring och syre och visas i figur 3.4. För att undvika att röta uppstår räcker det med att en av dessa faktorer motverkas (Skogsindustrierna, 2013).
Figur 3.4: Illustration som visar hur de fyra faktorerna måste inverka för att mikroorganismer ska uppstå
(Skogsindustrierna, 2013).
Trä kan även angripas av olika skadedjur som förstör materialet och hållfastheten. Vilka skadedjur som angriper beror på vilka förhållanden som existerar. Varma temperaturer är attraktivt för husbockar och termiter, medan fukt och röta kan dra till sig gnagare. Trä kan skyddas från angrepp av mikroorganismer och skadedjur genom att tillföra kemikalier, antingen genom impregnering, doppning eller målning av materialet (Skogsindustrierna, 2013).
3.2 Limträ
Limträ är en vidareutveckling och förbättring av trä som råvara och byggnadsmaterial. Träslaget som huvudsakligen används för limträtillverkning är gran och till viss del furu. Limträ har, precis som massivt trä, god hållfasthet i förhållande till sin vikt vilket gör det möjligt att konstruera med stora spännvidder (Limträhandbok Del 1: Fakta om limträ, 2016).
3.2.1 Materialegenskaper
Limträ är en sammansättning av lameller eller plankor, som är limmade och ihoppressade med varandra för att få en ökad hållfasthet och styvhet. Lamellerna placeras med fibrerna liggande parallellt med produktens längdriktning och limmas ihop på längden i en så kallad fingerskarv, se figur 3.5, för att kunna tillverka långa längder utan att få en synlig skarv.
8
Figur 3.5: Illustration av hur en fingerskarv ser ut (Svenskt Trä, 2020).
Utvecklingen av limträ har bidragit till att kunna bygga på ett hållbart och miljövänligare sätt. I dagsläget används limträ ofta som bärande stomme i hallar, offentliga byggnader och alltmer i flervåningshus. Enskilda plankor av trä som har defekter, antingen fiberstörningar eller kvistar, kan påverka hållfastheten i stor omfattning, medan lamellernas defekter inte påverkar hållfastheten i lika stor grad. Detta beror på att de andra lamellerna stärker materialet där det finns defekter och sannolikheten för att flera lameller har defekter i samma linje eller zon är låg (Skogsindustrierna, 2013). Vid ihoplimningen av lameller används två olika limtyper, Limtyp 1 och Limtyp 2 med standarden SS-EN 14080 där valet av limtyp baseras på användningsområdet. Limtyp 1 är oberoende av omgivande klimat och innefattar Melaminlim och PRF-lim medan Limtyp 2 begränsas till konstruktioner som inte utsätts för väder och vind. Likt trä uppstår krympningar och svällningar i limträ då det utsätts för fukt. Fuktkvoten i limträ är anpassningsbar till omgivningens luftfuktighet och kan ändras över tid. Materialet har goda möjligheter att variera tvärsnitt och geometri samt att vridningar och krökar kan motverkas då limträ tillverkas med en kontrollerad fuktkvot redan från start. De faktorer som kan begränsa tillverkningen av limträ är möjligheterna att transportera förvara och tillverka materialet (Limträhandbok Del 1: Fakta om limträ, 2016). Trots att limträ är ett brännbart material har det goda brandskyddsegenskaper eftersom konstruktionerna består av stora enhetliga tvärsnitt. När limträ och trä brinner bildas ett kolskikt på utsidan som till viss del kan skydda insidan och därmed bidra till att materialet kan bibehålla sin bärförmåga.
3.2.2 Hållfasthetssortering
Limträets lamellvirke klassificeras enligt den svenska och Europeiska standarden SS-EN 14080 samt är CE-märkt. Limträprodukterna som produceras i Sverige kan tillverkas i exempelvis hållfasthetsklassen GL30. 30 betecknar böjhållfastheten uttryckt i Newton per kvadratmillimeter och GL står för glulam som är det engelska namnet på limträ. Beroende på hur många lameller en limträprodukt innehåller eller vilka dimensioner den har läggs antingen ett c, h eller cs till på hållfasthetsklassen. H står för homogent limträ och används då produkten har färre än fyra lameller med samma hållfasthet eller B-mått mindre än 180 millimeter. C står för combined eller kombinerat limträ och används då det är fyra eller fler lameller med olika hållfasthet eller med ett B-mått lika med eller större än 180 millimeter. CS används för limträklyvbalkar, det vill säga GL30c balkar som klyvs och används då A-måttet är mindre än 90 millimeter med hållfasthetsklassen GL28cs då böjhållfastheten är lägre (Skogsindustrierna, 2013). Limträbalkarnas beteckningar för tvärsnittet, A och B, visas i figur 3.6.
9
3.2.3 För- och nackdelar
Fördelarna med limträ som byggnadsmaterial är i stort sett samma som fördelarna för trä. Högt brandmotstånd, hög styrka i förhållande till egenvikt, förnyelsebart råmaterial och estetiskt tilltalande. Det som skiljer materialen åt är att limträ är en optimering av trä som råvara för att få ut så mycket som möjligt av materialet. Limträ har en hög formbarhet och kan tillverkas i många olika geometrier, vilket gör det till ett attraktivt byggmaterial. Nackdelarna med limträ är till stor del densamma som för trä. I och med att trä är ett av materialen som används i limträ finns fortfarande risken för skador såsom mikroorganismer, skadedjur samt fukt (Limträhandbok Del 1: Fakta om limträ, 2016).
3.3 Miljöjämförelse
De företag som tillverkar produkter för att sedan levereras till kunder har miljödeklarationer och byggvarudeklarationer som detaljerat redovisar produktens miljöpåverkan från råmaterial till färdig produkt. Deklarationerna sammanställs och redovisas från ett internationellt objektivt företag, Environmental Product Declaration EPD, som jobbar med att sammanställa produkter och tjänsters miljöpåverkan ur ett livscykelperspektiv. EPD är ett dotterbolag till IVL Svenska Miljöinstitutet, vilket är ett icke vinstdrivande aktiebolag som utför forskning inom miljö och hållbarhet. Företagets forskning är samfinansierad av staten och näringslivet, men även finansierat av statliga forskningsorgan, forskningsstiftelser och EU (IVL Svenska Miljöinstitutet, 2021). En produkts inverkan på miljön från råmaterial tills dess att den är förbrukad kan sammanställas i en livscykelanalys, LCA. Carlsson & Pålsson (2008) menar att en livscykelanalys är komplett då den följer en produkt från vaggan till graven. Kortfattat kan det beskrivas som en metod för att analysera hur en redan existerande produkt eller en påtänkt produkt kommer påverka eller påverkar den omkringliggande miljön, människor och miljön på stort (Carlsson & Pålsson, 2008). För att få en verklighetstrogen och god förståelse för hur produkten påverkar miljö och människa är det viktigt att analysera helheten och inte en enskild fas i processen. Första fasen i en livscykelanalys är råmaterialutvinning och tillverkning, vilket är den fas där den största miljöpåverkan sker. Därefter följer användningsfasen och till sist resthanteringsfasen som innefattar förbränning, kompostering och återvinning. När en produkt skapas till att den inte längre är brukbar, kommer faktorer som energianvändning, utsläpp från fabriker och transporter påverka miljön. Beroende på vilka val som görs gällande material, leverantörer och transportmedel så kommer dessa ha en olika stor inverkan på miljön och produkten som helhet (Carlsson & Pålsson, 2008).
10
3.3.1 Livscykelanalys limträ
En viktig utgångspunkt vid tillverkning av limträprodukter är att det som utvinns ur naturen ska användas, återanvändas och avfallshanteras med så liten miljöpåverkan som möjligt (Limträhandbok Del 1: Fakta om limträ, 2016). Det är viktigt att väga in alla delar av produktionen, från avverkning till returhantering för att få en så verklighetstrogen livscykelanalys som möjligt. Ett exempel på hur en livscykelanalys kan se ut visas i figur 3.7.
Figur 3.7: Visar träprodukters kretslopp från vaggan till graven (moelven töreboda Del 2: Projektering av
limträkonstruktioner, 2016).
Cykeln startar vid val av råvara till limträprodukterna som består av furu- eller granvirke, som i sin tur bör komma från ett hållbart skogsbruk. Det vill säga att avverkningen och tillväxten av skogen går hand i hand, så det ena inte överstiger det andra. Limmet som används vid limträtillverkningen består av icke förnyelsebart material, vilket påverkar limträets kretslopp negativt. Andelen lim i produkterna är så pass liten, endast en viktprocent och 9 procent av den totala energiförbrukningen, att dess påverkan kan anses som försumbar. Den största energiåtgången vid produktionen sker då lamellerna limmas samman och bildar limträprodukter (Bowers et al., 2017). Ytterligare steg i processen är torkning, där biprodukterna flis och spån som uppkommit vid produktionen av lamellerna används som bränsle. Användningen av biprodukter för utvinning av energi medför att fossila bränslen eller el kan minskas eller helt uteslutas (Petersen & Solberg, 2005). Tillverkningen av produkter i limträ måttanpassas utifrån beställarens efterfrågan. Detta bidrar till minskat svinn på byggarbetsplatsen då produkterna är klara för användning utan vidare bearbetning (Limträhandbok Del 2: Projektering av limträkonstruktioner, 2016).
Då en limträprodukt är färdig och ska levereras till kund packas den in i ett emballage. Emballaget som används består av återvinningsbart material och syftet är att skydda produkten
11
mot bland annat nederbörd och smuts. En del av limträets kretslopp som står för en stor del av energianvändningen, är transporten av produkter. Det blir således viktigt med en bra planering för att undvika onödiga och långa transporter om så är möjligt. Under limträets livslängd på plats i en konstruktion har det ingen ytterligare miljöpåverkan, om det inte finns behov av efterbehandling eller byte av defekta delar. Efter att produkterna uppfyllt sitt syfte är det möjligt att återanvända limträets delar så länge det kan fastställas att det har en fortsatt hög hållfasthet. Om så inte är fallet används istället restprodukterna till utvinning av energi liksom biprodukterna. Trä som råmaterial innehåller kol, i form av koldioxid som upptagits, då produkterna sen eldas eller förmultnar frigörs den koldioxiden som återigen kan tas upp av nya träd (Limträhandbok Del 2: Projektering av limträkonstruktioner, 2016).
3.3.2 Livscykelanalys stål
För att utföra miljöjämförelsen mellan materialen limträ och stål krävs även kunskap om livscykeln för stål ur ett teoretiskt perspektiv. Stålets livscykel kan delas in i fyra olika kategorier: produktion, tillverkning, användning och återvinning och visas som illustration i figur 3.8.
Figur 3.8: Illustration av stålets kretslopp (Jernkontoret, 2010).
Livscykeln startar med att icke förnyelsebart råmaterial i form av malm bryts från berg och gruvor. Malmen genomgår sedan flera olika energikrävande bearbetningar för att slutresultatet stål ska erhållas. Stålet kan också produceras genom att använda skrot, vilket kräver mindre energi för omsmältning än vid nyproduktion av stål. 70 % av det stål som producerats i Europa återvinns och kan återanvändas (Pinto et al., 2019). Därefter kommer nästa viktiga aspekt, som innefattar val av legeringar, vilket påverkas av vilka egenskaper som eftertraktas på det slutliga materialet. De olika legeringarna påverkar miljön olika mycket, där målsättningen är att välja en legeringssammansättning som har minst påverkan på miljön och uppfyller egenskaperna. Tillverkningen av produkter i stål kräver höga temperaturer vilket medför en hög energiförbrukning där de vanligaste energikällorna som används är olja, kol eller el. Industrins utsläpp och föroreningar av luft och land stod för 32 % av Sveriges totala utsläpp 2020, varav järn- och stålindustrin stod för 38 % (Naturvårdsverket, 2020).
Vid användningen av stål som konstruktionsmaterial, finns det olika tillvägagångssätt för att minska miljöpåverkan. Konstruktioner delas in i aktiva eller passiva, där passiva stålkonstruktioner som hyllor och möbler inte har någon miljöpåverkan under
12
användningsfasen. Där är de enklaste alternativen att få ner materialåtgången och undvika långa eller onödiga transporter. För aktiva konstruktioner där bilar och tåg räknas in står användarfasen för 90 % av de totala miljöbelastningarna. En lösning är att justera eller minska bilens vikt och volym, vilket även medför att den totala miljöpåverkan kommer att sjunka (Jernkontoret, 2013). Generellt vid en livscykelanalys talas det om från vaggan till graven, medan för stål kan det istället uttryckas som från vagga till vagga. Det innebär att processen i största mån baseras på att återvinna och återanvända material istället för att använda nytt råmaterial. Stål har en god återvinningsbarhet, vilket medför att en stålprodukt som fullbordat sitt syfte kan smältas ner och en ny produkt kan skapas. Kunskapen inom återvinning har under åren haft en positiv utvecklingskurva då en effektivare sortering av insamlat skrot tillämpats. Metoderna för att behandla skrotet före smältning har även utvecklats, vilket leder till minskat utsläpp av metaller och organiska ämnen från stålverken (Jernkontoret, 2012).
3.4 Eurokoder
Eurokoder är ett system av metoder och regler som innefattar ett sextiotal olika standarder för dimensionering av bärverk i konstruktioner och anläggningar. Standarderna är beroende och kopplade till varandra och flera Eurokoder kan implementeras vid byggandet av en konstruktionsdel (Boverket, 2010). Koderna är sammanställda standarder som omfattar expertis från alla Europeiska länder och håller en hög teknisk kvalitet (Dietsch & Winter, 2018). Eurokoderna är uppdelade i tio olika koder som innefattar olika dimensioneringsregler och indelningarna visas i figur 3.9.
Figur 3.9: Indelningar av Eurokoderna samt vad de innefattar (Skogsindustrierna, 2019).
3.4.1 Eurokoder för limträkonstruktioner
Eurokod 0: grundläggande dimensioneringsregler för bärverk, är den viktigaste Eurokoden som lägger grunden för alla andra koder, oberoende för vilket material som ska användas. Koden innefattar dimensioneringsregler för konstruktioner inom områdena säkerhet, användbarhet och hållbarhet. Koden behandlar även vilka som ska få tillträde till konstruktionen och vilka krav som bör ställas på arbetande personal. Detta innebär att de som jobbar med en konstruktion ska vara tillräckligt utbildade samt kvalificerade för arbetet som utförs. Eurokoderna 3 till 9 kan inte användas utan Eurokod 0 då den förser de andra koderna med grundläggande information för konstruktionen (Gulvanessian et al., 2002). Innan en konstruktion skapas bör en analys utföras för att veta vilka laster och lastkombinationer som kan påverka den färdiga byggnaden. Eurokod 1: laster på bärverk, behandlar området och innehåller tio delar med olika
13
belastningsområden (Limträhandbok Del 2: Projektering av limträkonstruktioner, 2016). För konstruktioner finns en potentiell snölastfaktor S, som är en lastvariabel uttryckt i kraft per horisontell ytenhet. Värdet på snölasten beror på snöns densitet och djup, vilket resulterar i olika värden beroende på var i Sverige konstruktionen befinner sig. I bilaga 2 visas Sveriges indelning i dagens läge med snölastens grundvärde (Limträhandbok Del 1: Fakta om limträ, 2016). Parametrar som påverkar snölasten är exponeringsfaktor och termiska koefficienten som beror på takets värmeflöde, vilka normalt sätts till värdet ett. Ytterligare faktorer som avgör snölastens slutgiltiga påverkan är takets geometriska utformning, som ger formfaktorn (Isaksson & Mårtensson, 2020). 2 representerar den ena sidan av nocken för ett sadeltak och 5 den andra sidan, tillsammans med taklutningen genereras värden för formfaktorerna för vardera sidan av taket och visas i figur 3.10. Det största värdet används sedan till ekvation 1 med de andra värdena för att beräkna S.
= (1)
Figur 3.10: Illustration över hur taklutningen genererar formfaktorn (Isaksson & Mårtensson, 2020).
Vindlast är ytterligare en faktor som påverkar konstruktionen och består av en lastvariabel uttryckt i kraft per ytenhet riktad vinkelrätt mot ytan. Vindlast kan klassas som en bunden last där fördelningen beror på formfaktorn för utvändig vindlast 10 som är beroende av takets zonindelning och takets utformning. Det beror även på om vinden angriper från långsidan av byggnadens tak eller från kortsidan av byggnaden, vilket kan ses i bilaga 3. Likt för snölasten är Sverige uppdelat i zoner, där referenshastigheten skiljer sig beroende på var i Sverige konstruktionen ska byggas. Indelningen av Sverige kan ses i bilaga 4. Referenshastighet, konstruktionens höjd och terrängtyp ger värdet på det karakteristiska hastighetstrycket utvändigt () som kan ses i tabell 3.1.
14
Tabell 3.1 Värden för de karakteristiska hastighetstrycket utvändigt (Isaksson & Mårtensson, 2020).
Det finns fyra olika terrängtyper, öppen terräng med små hinder, öppen terräng med stora hinder, terräng med stora spridda hinder och tätortsbebyggelser. Kombinerat med varandra ger dessa faktorer ekvation 2 för att beräkna vindlast (Isaksson & Mårtensson, 2020).
= ()10 (2)
Eurokod 5: dimensionering av träkonstruktioner, är en del av den Europeiska samordningen för produkt- och konstruktionsstandarder. Trots de befintliga fördelarna med Eurokod 5, så är det flera länder som anser dem vara komplicerade och tidskrävande. Detta är länder som har en lång historia av att använda trä som konstruktionsmaterial och har således en redan fungerande och testad nationell standard på marknaden. Koderna ligger till grund för den gemensamma strukturella byggmarknaden som finns i Europa. Genom att komma fram till gemensamma principer för länderna i Europa, skapas en trygghet om säkert byggande, vilket ökat förtroendet för trä som konstruktionsmaterial (Dietsch & Winter, 2018).
15
4 Metod Metoderna som introduceras i detta kapitel användes i arbetet och var nödvändiga för att komma fram till de resultat som senare presenteras i rapporten.
4.1 Marknadsundersökning
4.1.1 Utbud
De företag som granskades var: Borga, som är inriktade på stål och plåt, Abetong, som är inriktade på betong samt Lundqvist, som är inriktade på trä. Utfallet från den genomförda marknadsundersökningen visade inte på något gemensamt stallutbud mellan de tre olika företagen. Antalet boxar och storlekarna skiljer sig åt mellan företagen vilket inte resulterade i något gemensamt grundutbud. Det som var gemensamt för marknadsundersökningen var stallens planlösning. Två boxrader med en stallgång mellan var det som dominerade för de olika utbuden, vilket även rekommenderas för att få ner ljudvolymen och undvika stressiga miljöer i byggnaden (Svenska Ridsportförbundet, 2020).
4.1.2 Lagar och regler
Då arbetet avser att konstruera ett stall för hästar bör de lagar och regler som gäller implementeras vid utformning av planlösning i konstruktionen. Djurskyddsbestämmelserna kräver en minsta takhöjd på 2,2 meter som standard, i andra fall multipliceras aktuella mankhöjden med 1,5 för att få den godkända takhöjden. Jordbruksverket (2011) menar att det vid planeringsstadiet av en konstruktion är viktigt att ha marginaler på exempelvis takhöjden då hästarnas storlek varierar. Det ska finnas minst två portar eller dörrar som är helt oberoende av varandra. Anledningen till detta är det brandskydd som ska finnas och säkerställa utrymningsvägen även om en väg skulle vara blockerad. Mått som har en stor inverkan på konstruktionen är bredden på stallgången och boxarnas storlek. Enligt djurskyddsbestämmelserna bör en stallgång vara minst 2,5 meter bred, men det rekommenderas ett större mått för att undvika skador (Jordbruksverket, 2011). För storleken på boxarna finns det en färdig mall som kan följas, se figur 4.1. Ytterligare rekommendationer är att ett stall bör ha en fölningsbox som är minst 16 kvadratmeter (Jordbruksverket, 2021). Detta underlättar möjligheterna till fölning utan att behöva flytta hästarna till annan plats, men även att stoet och fölet kan bo tillsammans efter födsel.
16
Figur 4.1: Jordbruksverkets rekommendationer för boxstorlekar (Jordbruksverket, 2021).
Det framgick även att den minsta boxstorlek för att alla storlekar på hästar ska godkännas uppgick till 13 kvadratmeter, därför är boxarnas storlek i stallet 13,5 kvadratmeter. Stallets lägsta takhöjd valdes till 3 m då stallet anpassas efter de största hästarna med en mankhöjd på 1,9 m. En bred stallgång med en minsta bredd på 2,5 meter var ett krav, men det rekommenderades en bredare gång. Således valdes denna till tre meter bred för att undvika skador och trängsel.
4.2 Analys av miljödeklarationer
Det som ligger till grund för miljöjämförelsen är sammanställd data från miljödeklarationer för de olika företagen och livscykelanalyser för både limträ och stål.
4.2.1 Moelven Töreboda
Moelven i Töreboda producerar virke som kommer från ett hållbart skogsbruk och strävar efter en hållbar framtid i trä som möjliggör kommande generationers möjlighet att bygga i trä (Moelven, 2021). Limträet som produceras kommer från lokala råvaror och är CE-märkt, vilket garanterar att ursprunget är från ett hållbart skogsbruk. Den miljödeklaration som analyseras utfördes 2016 och är baserad på Moelven Törebodas limträbalkar och pelare tillverkade av granvirke där värdena är beräknade per kubikmeter limträ och densiteten är 430 kg/m3. Miljödeklarationen finns att se i bilaga 7. Limträ binder kol lagrat i materialet, där 49 % av träets torrsubstans består av kol, vilket genererar ett negativt värde på 651,7 kg/m3 för den globala uppvärmningspotentialen. Däremot släpper fasen, från vagga till grind för 1 kg limträ ut 2,3 × 10−6 g skadliga ämnen som tunnar ut ozonskiktet, 0,9 g svaveldioxider som bidrar till försurning, 0,2 g fosfater som bidrar till övergödning, 0,08 g eten vilket skapar ozon och använder 7,7 × 10−5g antimon vilket utarmar de abiotiska resurserna. Tillverkningsfasen av limträ innefattar råmaterialutvinning, transport av råmaterial och produktion. Vid tillverkning av 1 m3 går det åt 12291 MJ, varav 10653 MJ är förnyelsebar energi och 1638 MJ är icke förnyelsebar energi. När produkterna är färdiga ska de transporteras
17
till kund och den genomsnittliga sträckan som materialet fraktas ut till kunder är 170 kilometer, vilket används för att ta fram värden för transporternas miljöpåverkan. Leveransen av produkter ut till kund står för en energiförbrukning på 61 MJ/m3 limträ där den största delen, 58 MJ/m3, kommer från icke förnyelsebara energibärare medan 3 MJ/m3 kommer från förnyelsebara energikällor. Under hela tillverkningsprocessen och transport till kund produceras totalt 5,93 kg/m3 avfall. Avfallen delas in i tre underkategorier: farligt, ofarligt och radioaktivt avfall. Av den totala vikten avfall står farliga och radioaktiva tillsammans för 0,02 kg/m3 medan det ofarliga står för 5,91 kg/m3 (The Norwegian EPD Foundation, 2016).
4.2.2 LLENTAB
LLENTAB arbetar med försäljning, design, tillverkning och montering av stålhallar, där utbudet består av olika storlekar, strukturer och färgkombinationer av stålkomponenter LLENTAB har verksamheter i flera länder, där den huvudsakliga produktionsanläggningen finns i Sverige. Företaget använder sig av ramverk i höghållfast stål, vilket innebär att den totala mängden material minskar utan att försämra konstruktionens styrka. LLENTAB strävar efter att optimera arbetet och produktionen för att minimera miljöpåverkan och menar att bygga i stål innebär ett effektivt användande av jordens resurser (LLENTAB, 2021). Den miljödeklaration som analyserades är från 2020 är utförd av EPD och är baserad på LLENTABs stomstål och finns att se i bilaga 6. Ståltillverkningen omfattar värden för malmbrytning, transport till fabrik och produktion. Analyserna är beräknade per kg tillverkat stål varav 0,08 av det kilogrammet härrör från återvunnet stål. Under fasen vagga till grind för 1 kg stål genereras 2635 g utsläpp som påverkas den globala uppvärmningen negativt, 7,2 × 10−6 g skadliga ämnen som tunnar ut ozonskiktet, 6,1 g svaveldioxider som bidrar till försurning, 0,02 g fosfater som bidrar till övergödning, 0,9 g eten vilket skapar ozon och använder 0,04 g antimon vilket utarmar de abiotiska resurserna.
För att producera 1 kg stål går det åt 28,98 MJ, där 1,28 MJ kommer från förnybar energi och 27,7 MJ kommer från icke förnyelsebar energi. När produkterna är färdiga ska de transporteras till kund och den genomsnittliga sträckan som materialet fraktas inom Sverige ut till kunder är 370 kilometer, vilket används för att ta fram värden för transporternas miljöpåverkan. Leveransen av produkter ut till kund står för en energiförbrukning på 0,36 MJ/kg stål där den största delen, 0,3 MJ/kg, kommer från icke förnyelsebara energibärare medan 0,02 MJ/kg kommer från förnyelsebara energikällor.
Från att malmen bryts till att färdiga produkter transporterats till kunder produceras 0,11 kg avfall per kg tillverkat stål. Andelen miljöfarligt och radioaktivt avfall är 0,01 kg och ofarligt resterande 0,1 kg (EPD International AB, 2020).
4.2.3 Sammanställning
Det som ligger till grund för miljöjämförelsen är insamlad fakta från miljödeklarationer för de olika företagen och livscykelanalyser för både limträ och stål. För att förenkla för läsaren har de värden som tidigare presenterats i metoden för de båda företagen sammanställts i tabell 4.1 med samma enhet. För limträ innebär detta att enheten kommer bytas från per m3 till kg, detta görs genom att dividera de tidigare värdena med densiteten för materialet, 43 kg/m3.
18
Parameter
Enhet
A1-A4 Limträ Stål
Energiförbrukning Energikälla förnyelsebar MJ 17,1 1,3 Energibärare förnyelsebar MJ 7,6 0 Energikälla icke förnyelsebar MJ 0,4 28 Energibärare icke förnyelsebar MJ 3,4 0 Totalt MJ 28,5 29,3 Miljöpåverkan Global uppvärmning g – 657,7 2635 Tunnar ut ozonskiktet g 2,3 × 10−6 7,2 × 10−6 Ozon g 0,08 0,9 Försurning g 0,9 6,1 Övergödning g 0,2 0,02 Utarmning av abiotiska resurser g 7,7 × 10−5 0,04
4.3 Teoretiska beräkningar
De teoretiska beräkningarna genomfördes endast på takåsen för konstruktionen, vilken visas i figur 4.2.
Takets egenvikt sattes till 0,9 vilket innebär betong- eller tegelpannor på taket med isolering och invändig beklädnad. Balken belastas av en utbredd last , vilket ses i figur 4.3, bestående av takets egenvikt, snölast och vindlast och räknas ut genom att använda ekvation 1 och 2.
Byggplatsen Töreboda, stallets höjd och terrängtyp två ger oss värdet för () på 0,66 kN/m2. Zon G och F genererade högst värde för 10 på 0,7 då vinden angriper rakt mot långsidan. Detta resulterade i ett värde för vindlasten på 0,46 kN/m2. Sadeltak med en lutning på 27 grader resulterar i ett högsta värde för formfaktorn på 0,97. Töreboda som byggplats ger värdet för på 2,5, sammanställt med alla insatta värden i ekvation 1 resulterar detta i en snölast på 2,42 kN/m2. För att beräkna en takås användes arean på taket som finns mellan takåsarna för att beräkna som den ska hålla upp. Totalt användes 13 stycken 7,2 m långa takåsar med ett
Figur 4.3: Balken som analyseras i de teoretiska beräkningarna.
Figur 4.2: Visar den takås som beräknades i hela konstruktionen.
19
avstånd på 1,2 m mellan vardera, vilket resulterade i 4,54 kN/m för . Totalt analyserades fem olika snittpunkter, som kan ses i figur 4.4, där böjmomenten var det intressanta att studera vid belastning.
Figur 4.4: Visar var de fem olika snitten på balken gjordes.
För att lösa problemet och ta reda på var det största momentet och böjspänningen uppstår vid belastningen används superposition för att först ta reda på reaktionskraften vid stödet P. Det största momentet kommer senare användas för att finna tvärsnittsarean på den balk som passar för konstruktionen. Tvärsnittsarean räknas ut genom att använda ekvation 3 med värden på böjmotståndet , den tillåtna spänningen och det största momentet . Böjmotståndet är beroende av tvärsnittets bredd och höjd, som används för att hitta en lämplig dimension.
=
(3)
De moment som uppmättes vid de fem olika snitten ses i figur 4.5. Av de teoretiska beräkningarna framgick det att största böjmomentet på balken sker nära stödet P, vid snitt 5.
Figur 4.5: Momentdiagram som visar värdena för momenten i varje snitt.
4.4 Statcon Structure
Byggplatsen angavs som Töreboda, klimatklass två och sadeltak med taklutning 27 grader. Från dessa kriterier räknade Statcon Structure ut en snölast på 2,5 kN/m och en vindlast på 0,68 kN/m med avseende på Eurokoderna för konstruktionen. De komponenter i konstruktionen som skulle analyseras och dimensioneras var takås, sidobalk och invändig pelare. De resultat och dimensioner som erhålls för takåsar, sidobalkar och pelare av Statcon Structure kommer att användas till analyser i Abaqus.
4.4.1 Takås
Takåsen belastas efter de kriterier som angavs med byggplats, klimatklass, takutformning och takets egenvikt i programmet. När beräkningen är genomförd föreslår Statcon Structure en lämplig dimension för balken, men också hållfasthetsklass och utnyttjandegrad. Målet är att uppnå en så hög utnyttjandegrad som möjligt, det vill säga ett värde som är så nära 100 %. Detta för att utnyttja materialet så mycket som det går utan att det går sönder, men även för att få ner materialkostnaden och undvika överdimensionering. Det resultat som genereras för takåsen
20
jämförs sedan med resultatet från de teoretiska beräkningarna för att se eventuella skillnader eller likheter. Takåsen med de angivna och uträknade belastningarna visas i figur 4.6.
Figur 4.6: Analyserad balk från Statcon Structure med belastningar.
4.4.2 Sidobalk
För beräkning av sidobalken var tillvägagångssättet samma som för takåsen med skillnaden att lasten som applicerades var de krafter och moment som genererades från takåsen. Sidobalken som analyserades illustreras i figur 4.7.
4.4.3 Inre pelare
Figur 4.7: Visar sidobalkens i hela konstruktionen
21
På samma sätt som för sidobalken analyserades och beräknades pelarna som kommer vara inomhus i stallet. Lasten som applicerades var den som genererades från analyserna av sidobalken och takåsen.
4.5 FEM-analyser
FEM-analyser och abaqus användes för att ta fram komponenter med så hög utnyttjandegrad av materialet som möjligt utan att riskera att brista. Tillvägagångssättet för detta för varje komponent presenteras nedan, vilket används för att motivera de sltliga resultaten.
4.5.1 Takås
Takåsen skapades med hjälp av balkelement i 3D med den dimension som genererades från beräkningarna i Statcon Structure. Materialegenskaperna för takåsen består av elasticitetsmodul, skjuvmodul och Poissions tal. För alla analyser av komponenter i Abaqus användes totalt tre olika hållfasthetsklasser: GL30c, GL30h och GL28cs. Crocetti, R. (2021) menar att materialegenskaperna inte skiljer sig avsevärt mellan hållfasthetsklasserna för balkberäkning med finita elementmetoden. Således användes samma materialdata för alla beräkningar och analyser i programmet. De värden på materialegenskaperna som användes återfinns i tabell 4.2, (Persson, 2000).
Tabell 4.2:. De använda värdena för materialegenskaperna. Elasticitetsmodul MPa
700 400 13500
Skjuvmodul MPa 29 620 500
Poissons tal 0,24 0,018 0,013
Randvillkor användes för de punkter där takåsen är i kontakt med andra komponenter. De randvillkor som ersätter den inre och yttre pelaren kan rotera i Z-led. Randvillkoret i takåsens ände som motsvarar infästningen i nock sattes till fast inspänd. Det innebär att balken inte kan translatera eller rotera vid randvillkoret. Värdet på lasten q från de teoretiska beräkningarna applicerades som en utbredd last på takåsens övre yta. Lasterna och randvillkoren som tillämpades för takåsen visas i figur 4.9.
Figur 4.9: Visar de applicerade randvillkoren och lasten på takåsen.
För att öka resultatets trovärdighet ändrades meshstorleken för takåsen tills dess att ett konvergerande värde för spänningarna uppnåddes. Ett konvergerande värde uppnåddes vid en global elementstorlek på 0,05. Därefter genomfördes analyser för att se var på takåsen de högsta
22
spänningarna uppstod och om takåsen klarar av belastningen som den utsätts för. För att minska storleken på böjspänningen testades det att flytta den inre pelaren en halv meter mot ytterväggen. Detta innebar att spännvidden mellan yttervägg och den inre pelaren minskade från 5,1 m till 4,6 meter. Därefter ska de olika momentstorlekar som genererades vid de fem olika snittpunkterna analyseras för att sedan jämföras med de som genererats från de teoretiska beräkningarna. Den största spänning takåsen klarar innan brott räknades ut till 20,2 MPa och användes som gräns för analyserna.
4.5.2 Sidobalk
Tillvägagångssättet för analyserna av sidobalken är till stor del samma som för takåsen. Den balkdimension och hållfasthetsklass som användes för sidobalken till analyserna var de resultat som genererades från Statcon Structure. Meshkonvergens uppnåddes vid en global elementstorlek på 0,1 och användes på sidobalken för att få tillförlitliga resultat på analyserna. Lasterna som applicerades visualiserar tyngden från takåsarna och den utbredda lasten med hjälp av punktlaster där varje takås kommer i kontakt med sidobalken. Den största spänning sidobalken klarar innan brott räknades ut till 21,6 MPa och användes som gräns för analyserna.
4.5.3 Inre pelare
Tillvägagångssättet för analyserna av den inre pelaren är även den till stor del samma som för de tidigare analyserna. Den balkdimension och hållfasthetsklass som användes för pelaren till analyserna var de resultat som genererades från Statcon Structure. Meshkonvergens uppnåddes vid en global elementstorlek på 0,05 och användes i analyserna för att få så tillförlitliga resultat som möjligt. Även här är den största tillåtna spänningen innan pelaren knäcks 21,6 MPa, vilket användes som gränsvärde för analyserna.
4.5.4 Hela konstruktionen
Hela konstruktionen analyseras för att visualisera hur komponenterna beter sig vid belastning då de interagerar med varandra. Alla delar i stommen är sammansatta genom begränsningar som gör att kontaktytorna mellan de olika komponenterna binds samman. Detta innebär att det inte finns någon relativ rörelse mellan ytorna, utan begränsas till varandra. Figur 4.10 visar en illustration av hur stallets stomme ser ut.
Figur 4.10: Hela konstruktionen med de olika komponenterna obelastad och belastad.
23
4.5.5 Infästning i nock
För infästningarna analyserades tre olika spikplattor som är aktuella för den valda balkdimensionen på takåsarna. För att förenkla analyserna av infästningen snittades takåsen där de största spänningarna och momenten uppmättes. Var snittet gjordes visas i figur 4.11.
Analyserna genomfördes även för halva plattan och den ena sidan av nocken. Randvillkor användes på plattornas sida vilket representerar där plattorna är snittade och i verkligheten sitter ihop med andra sidan av plattan. Randvillkoret är satt som fast inspänd, vilket innebär att plattans sida inte kan flytta på sig eller rotera. Parten är en assembly med takåsen och en platta på vardera sidan på åsen. Delarna fäst samman med en hard contact mellan varandra vilket innebär att de fästs samman i ytorna. För de hål som finns i plattorna finns ett motsvarande hål i takåsen för att koppla samman delarna. Hålen på takåsen fungerar som styrande hål och plattornas fungerar som svarande hål. Den svarande delen följer den styrande delen, vilket medför att om balkens hål ändrar position eller roterar kommer plattornas hål göra detsamma. Styrande och svarande innebär för meshen att oberoende för den valda meshstorleken ska plattornas element alltid ha en mindre storlek än balkens element. Meshkonvergens nåddes då takåsen hade elementstorleken 0,015 och plattornas element hade storleken 0,01 och meshen för den stora plattan och takåsen visas i figur 4.12.
Figur 4.12: Meshelement för både plattan och balken.
Figur 4.11: Visar var snittet gjordes för att analysera infästningen.
24
Meshstorlekarna användes för alla analyser av de olika plattorna och takåsen och elementtypen är hex-dominated. Plattan belastades med de krafter som framkom vid analyser av snittet och representeras med en normalkraft, en tvärkraft och två punktlaster. Punktlasterna är placerade i vardera änden av takåsen för att ersätta det moment som genererades. Lasterna och randvillkoren som applicerades visas i figur 4.13.
Figur 4.13: Applicerade randvillkor och laster för analys av infästningen.
Därefter genomfördes analyser för de tre olika plattorna för att se vilken som lämpar sig bäst för fallet. Spikplattans sträckgräns och brottgräns användes som gränsvärde för att analysera om plattorna klarade belastningen eller inte. Den infästning som analyserades är en spikplatta gjord i varmförzinkat stål med en sträckgräns på 250 MPa och brottgräns på 350 MPa som vanligtvis används för denna typ av konstruktion. Plattornas längd 300 mm, tjockleken 2 mm och håldiameter 5 mm är densamma för alla tre plattor. Den stora plattan har en bredd på 200 mm och 22 hål, mellanplattan 140 mm med 16 hål och den lilla plattan 100 mm med 12 hål (Joma AB, 2018). Analyserna utfördes i von Mises effektivspänning och används för att jämföra de genererade spänningarna med sträckgränsen för materialet. Resultatet kommer illustreras i spänningar i olika färger, vilka representerar olika värden i komponenten där de gråa områdena överstiger materialets brottgräns. Medelvärdet 75 % användes, vilket innebär att närliggande element kommer generera ett medelvärde om de inte har en mindre skillnad än 25 % mellan spänningarna.
25
5 Resultat I detta kapitel presenteras de resultat som genererades från de metoder som användes.
5.1 Marknadsundersökning
De nämnda krav och värden som presenterades i metod kapitlet genererade den slutliga planlösningen för stallet som kan ses i bilaga 5.
5.2 Miljöjämförelse
Sett till miljödeklarationen har limträ under fasen vagga till grind en hög energianvändning, men där majoriteten av energin utvinns från förnyelsebara källor. Råmaterialet järnmalm som används för att tillverka stål är en naturlig råvara där Sverige är den ledande producenten inom Europa. Däremot krävs det även en hög energianvändning för fasen vagga till grind för stålproduktion men här härrör majoriteten av energin från icke förnyelsebara energikällor. Andelen återvunnet stål i LLENTABs nyproduktion är 8 % av 1 kg nyproducerat stål, vilket är en relativt låg siffra då Pinto et al., (2019) menar att 70 % av allt producerat stål i Europa återanvänds eller återvinns. Limträ har även lägre värden för alla kategorier inom miljöpåverkningen ån stål.
5.3 Teoretiska beräkningar
De teoretiska beräkningarna resulterade i flera olika balkdimensioner i hållfasthetsklassen GL28cs som klarar av belastningarna. Den minsta balk som klarar belastningarna, 56 x 270 mm, valdes då den har högst utnyttjandegrad av de olika balkarna. Klimatklassen och hållfasthetsklassen användes för att räkna ut den största spänningen takåsen klarar av innan brott sker och räknades ut till 20,2 MPa.
5.4 Statcon Structure
5.4.1 Takås
Utifrån de angivna förutsättningarna som presenteras i metod kapitlet föreslog programmet en tvärsnittsarea på 56 x 270 mm med hållfasthetsklass GL28cs som har en utnyttjandegrad på 81,1 %.
5.4.2 Sidobalk
Beräkningarna resulterade i en balk med hållfasthetsklass GL30c och tvärsnittet 140 x 225 mm som har en utnyttjandegrad på 67,7 %.
5.4.3 Inre pelare
Den storlek som rekommenderades var 140x140 mm med hållfasthetsklassen GL30h och en utnyttjandegrad på 69,7 %.
26
5.5 FEM-analyser
5.5.1 Takås
Genom de teoretiska beräkningarna framgick det att den största spänningen takåsen klarar innan den går sönder var 20,2 MPa och användes som gränsvärde i analyserna. Analyserna av takåsen resulterade i en högsta spänning som uppgick till 16 MPa nära stödet P, vilket ger en utnyttjandegrad för takåsen på cirka 80 % och visas i figur 4.1 som den övre takåsen. När den inre pelaren flyttades uppstod de spänningar som visas i den nedre takåsen i figur 5.1. Genom att flytta pelaren genererades nu en högsta spänning i takåsen på 12 MPa nära stödet P, med en utnyttjandegrad på cirka 60 %.
Värdena för alla momenten visas i figur 5.2. Det framgick då att det största momentet uppmättes nära stödet P med ett värde på 11 kN.
5.5.2 Sidobalk
Den största spänningen i sidobalken uppmättes till 15 MPa vilket resulterar i en utnyttjandegrad på 69 %. För sidobalken testades det att addera två extra pelare mellan ytterväggen och den första pelaren på varje sida, för att analysera skillnaden i spänningarna. Med extra pelare blev den största uppmätta spänningen i balken istället 11 MPa vilket ger en utnyttjandegrad på 51 %.
Figur 5.1: Spänningar som uppstår i takåsarna vid belastning av den utbredda lasten q.
Figur 5.2: Momentdiagram som visar de uppmätta värdena vid varje snitt.
27
5.5.3 Pelare
Den största spänningen uppmättes till 14 MPa, vilket ger en utnyttjandegrad på 65 % för den inre pelaren.
5.5.4 Hela konstruktionen
Den högsta spänningen som uppmättes för hela konstruktionen var 12 MPa, vilket är en lägre spänning än de resultat som de enskilda analyserna visade.
5.5.5 Infästning
För den lilla och mellanplattan uppmättes spänningarna till högre spänningar än den gräns som angetts, men också högre än brottgränsen för materialet. Resultaten innebär att de båda plattorna inte klarar belastningarna och är således inte aktuella för fallet. Slutligen analyserades den stora plattan för att se vilka spänningar som genererades vid belastning. Analyserna resulterade i en uppmätt spänning på 275 MPa och plattan med spänningarna visas i figur 5.3.
Den stora plattan är den enda av spikplattorna som klarar av belastningarna utan att riskera att gå sönder, men går över sträckgränsen för materialet. Där de gråa fälten på takåsen finns uppstod höga spänningar till följd av punktlasterna som applicerades. Dessa områden kan bortses då det är plattan som är det intressanta att analysera. Plattans tjocklek ändrades till en tjocklek på 5 mm istället för 2 mm för alla tre plattor för att se hur det påverkar resultatet. Analyserna genererade ett resultat där mellanplattan går att använda i fallet. Mellanplattan med den största uppmätta spänningen 210 MPa visas i figur 5.4. Detsamma gäller för de gråa fälten för denna analys. De spänningarna kan bortses då det är plattan som analyseras
Figur 5.3: Stora plattan med spänningar och tjocklek 2 mm.
Figur 5.4: Mellanplattan med spänningar och tjocklek 5 mm.
28
6 Diskussion och slutsats Miljöjämförelsen som genomfördes visade på att tillverkningen av 1 kg limträ har en lägre negativ inverkan på miljön i jämförelse med tillverkningen av 1 kg stål. Limträ är mestadels ett förnyelsebart material med undantag för limmet som används, medan stål använder sig av järnmalm som grundsten, vilket inte är ett förnyelsebart material. Vid tillverkningen av de olika materialen används ungefär lika mycket energi, men energikällorna kommer från olika ursprung. Majoriteten av den energi som används för att tillverka limträ kommer från förnyelsebart ursprung medan stålets energi till största del kommer från icke förnyelsebar energi. Båda materialen påverkar miljön i form av försurning och övergödning med mera, men generellt påvisar limträ ett lägre värde på alla kategorier. Limträet har även en positiv påverkan på den globala uppvärmningen, vilket innebär att det binder koldioxid, medan stål har en negativ inverkan. Det är viktigt att ha i åtanke att limträ påverkas av fukt och är lättantändligt, medan stål inte påverkas på samma sätt av fukt och är inte ett lättantändligt material. Dessa faktorer bör finnas i åtanke för vad materialet ska användas till och var geografiskt det ska användas. Vid val av material till en konstruktion är det även viktigt att bestämma om ett slitstarkt eller miljömässig hållbart material är i fokus.
Slutsatsen är att, ses det bara till att materialet ska ha en hög slitstyrka och påverkas så lite som möjligt av yttre påverkan är stål möjligen det mer fördelaktiga materialet. Ses det istället till helheten, det vill säga människor, miljö och samhälle är limträ det mer fördelaktiga materialet att använda. Det är viktigt att förtydliga att jämförelsen är gjord på per kg material. Det vill säga att ytterligare analyser behöver göras för att få ett grundligare resultat. Slutligen är det viktigt att poängtera att de använda miljödeklarationerna för materialen inte är utförda på samma år. Deklarationen för limträ är utförd 2016 och är giltig till mitten av 2021, medan den för stål är utförd 2020 och är giltig till 2024. Det vill säga att förändringar kan ha skett sedan dessa utfördes som kan påverkat jämförelsen och således det slutliga resultatet av deklarationerna. Målet med arbetet var att ta fram dimensioner för takåsar, sidobalkar, inre pelare och infästning för konstruktionen. Detta genomfördes för takåsen genom att analysera den på tre olika sätt. Resultaten av detta påvisar att samma resultat framkom genom de olika metoderna med näst intill identiska resultat. De teoretiska beräkningarna och Statcon Structure kom fram till samma dimension och hållfasthetsklass för balken, 56 x 270 mm GL28cs. Det framgick även från de teoretiska beräkningarna och FEM-analyserna att de genererade momenten vid snittpunkterna är likvärdiga med en skillnad på cirka 1 kN. Genom analyserna i Abaqus visade det sig att det bildades höga spänningar i takåsen. Således testades det att flytta den inre pelaren en halv meter mot den yttre sidan för att få ner spänningarna, vilket resulterade i en minskning av spänningarna på 4 MPa. Att flytta pelaren innebär dock att den inte längre kommer ligga i den främre kanten av boxarna. Om pelaren skulle fortsatt ligga kvar i den främre väggen även efter den flyttats skulle det leda till en större stallgång men även en minskning av boxarnas storlekar från 13,5 m2 till 12 m2. Minskade boxar i stallet innebär även att användbarheten på stallet minskar, vilket motsäger sig arbetets strävan efter att ha en så hög användbarhet som möjligt. Med detta i åtanke och att takåsen klarar av belastningarna för båda fallen kommer den inre pelaren vara kvar på originalpositionen i stallet.
Det bildades även höga böjspänningar då sidobalken analyserades, därför lades två extra pelare till. Adderingen genererade en minskad spänning på 4 MPa och en sänkt utnyttjandegrad till 51 %. Att lägga till två extra pelare innebär även en extra pelare i den främre boxväggen, vilket skulle minska valbarheten av möjliga boxdörrar. Den extra pelaren skulle vara i vägen för att använda en skjutdörr, vilken var rekommenderad då den låter mindre och tar mindre plats. Alternativet skulle istället bli en slagdörr, vilken inte rekommenderas då den bidrar till mer
29
störande och stressande ljud för hästarna och den tar även upp mer plats i stallgången. Därför k