STABILITET AF DE BÆRENDE KONSTRUKTIONER Udarbejdet af Nicolai Green Hansen og Hans Emborg august 2007. 1
Byggeskader Årsagerne til de store skader skyldes mange forskellige forhold som f. eks.: 1. Byggesjusk, dårlig håndværksmæssig udførelse. 2. Beregningsfejl. Manglende kontrolberegninger. 3. Projekteringsfejl. Manglende projektgranskning og kvalitetssikring af projektet. 4. Manglende styr på kraftforløb og kraftoverførende samlinger. 5. Dårlig kommunikation imellem de projekterende og de udførende. Der er igennem de senere år gennemført mange forsøg på at forhindre alle de forfærdelige skader. Alle byggeriets parter er naturligvis interesserede i at undgå disse, men der er stadigvæk alt for mange svigt i bygge- og anlægssektoren. Hvilke tiltag kan formindske skadesomfanget: Ad 1: Bedre tilsyn på byggepladsen. Bedre kommunikation imellem de projekterende og entreprenørerne/håndværkerne. Ad 2: Bør ikke forekomme. Kvalitets sikring af projektet. Der skal altid udføres kontrolberegninger af tredje person. Ad 3: Forbedre kommunikationen imellem de involverede parter i projekteringen. Arkitekter, ingeniører, bygningskonstruktører, teknikere m.fl. Ad 4: Mere fokus på kraftforløb og kraftoverførende samlinger. Udføre og dokumentere kraftforløb på alle projekter, også mindre byggerier. Der er i dag utrolig mange byggeskader indenfor småhusbyggeri. Ikke så ofte og så voldsomt som på de viste billeder. Men mange småskader, så som revner og deformationer, der ikke medfører sammenstyrtning, men som skæmmer meget. Der er utrolig mange klager fra bygherren over disse skavanker. Så derfor få styr på alle bevægelserne i konstruktionerne inden byggeriet påbegyndes. Der er mange håndværkere og entreprenører, der sparer eller undlader at tage ingeniøren med på mindre byggerier. Desværre med risiko for ovenstående skader. Ad 5: Forbedre kommunikationen imellem de projekterende og de udførende både skriftlig og mundtlig. 2
Opfølgning af punkt 3 4 og 5. For at undgå projekteringsfejl bør man være meget opmærksom på sammenhæng imellem den statiske analyse og den senere udførelse af de bærende konstruktioner. Man bør sikre sig at den overordnede stabilitet af hovedkonstruktionerne er i orden. Klart fastlægge og dokumentere kræfternes forløb igennem konstruktionerne til jord. Fastlægge de kraftoverførende samlinger. Udføre samlingerne/knudepunkterne sådan at de kan overføre nødvendige kræfter Sikre stabiliteten af alle de elementer der indgår i byggeriet. Sikre at de nødvendige informationer udveksles imellem de involverede parter. I kurset GSA-BS1 vil vi i de første 5 dobbeltlektioner forsøge at give de studerende nogle værktøjer, som kan anvendes i forbindelse med ovenstående opfølgning. Vi vil se på, hvordan kræfterne løber igennem en konstruktion, se på konstruktionens overordnede stabilitet og se på de kraftoverførende samlinger. 3
Stabilitet At en bygning er stabil, betyder, at den i sin helhed er i ligevægt med alle ydre laster, såsom egenlast, snelast og vindlast m.m. Vi kalder det den overordnede stabilitet af konstruktionen - i en del litteratur også kaldet hovedstabilitet. Man kan også tale om et enkelt elements stabilitet. Vi vil i starten af dette kursus se på den overordnede stabilitet. Senere hen vender vi tilbage til de enkelte elementers stabilitet. Når vi ser på byggeskaderne, må vi konstatere, at i mange af eksemplerne er den overordnede stabilitet tilsyneladende i orden, men der ligger en betydelig risiko for stabiliteten i selve samlingen imellem de enkelte bygningsdele. På de viste skader er der sket en voldsom ukontrolleret bevægelse med det til følge at konstruktionen i sin helhed svigter. Selv om bevægelserne ikke behøver at være så store, at de medfører de ovenfor viste dramatiske resultater, kan de alligevel hurtigt vise sig som en mindre katastrofe (revnedannelse, lokalt brud o.s.v.) Her er altså to hensyn, vi må tage ved udformning af konstruktioner: 1. Stabilitet ved ligevægt med alle ydre kræfter. 2. Hindre ukontrolleret bevægelse. Hvis man vil forsøge, at opfylde især punkt 2, skal konstruktionsingeniøren inddrages i projekteringen på et meget tidligt tidspunkt. Allerede i dispositionsforslagsfasen (skitseforslag) kan arkitekten og ingeniøren i samarbejde designe en bygning, der tilfredsstiller både bygherrens og arkitektens ønsker. Samtidig med kan konstruktionerne udformes sådan, at bevægelserne bliver indenfor de rammer, som der opstilles for det pågældende byggeri. 4
5
Statisk analyse Historik I forbindelse med udformningen af bygningen og de bærende konstruktioner, vil det være meget hensigtsmæssig, at udføre en statisk analyse. Denne kan vise en statisk model af hele bygningen. I de tidlige faser gøres dette oftest skitsemæssigt. En statisk analyse kan f. eks. være en 3D skitse/tegning af bygningens konstruktioner, suppleret med en beskrivelse af konstruktionerne. Det giver et godt overblik over, hvordan konstruktionerne skal fungere sammen. Skitsen kan også følges op med en beskrivelse af kraftforløbet igennem byggeriet. Understøtningsformer Bevægelig simpel understøtning. Fast simpel understøtning. Indspænding. 6
Eksempler på byggerier Erhvervsbyggerier (skivehaller, søjle/bjælkehaller, kombinationshaller): 7
8
9
Boligbyggeri: 10
11
Eksempler på statiske modeller: Bygning 1: 12
13
14
Bygning 2: 15
16
Disponering af kraftforløb Vi indfører nogle statiske funktionskrav. Pladefunktion - evne til at videreføre laste vinkelret på en plan flade. Skivefunktion evnen til at videreføre laste parallelt med eller netop i elementets plan. Søjlefunktion evnen til at videreføre laste i elementets plan. Bjælkefunktion evne til at videreføre laste vinkelret på længdeaksen. Analysens metoder 17
18
19
Hvis dækskiven har 1 fast støttelinie er den bevægelig. Hvis dækskiven har 2 faste støttelinier er den bevægelig. Hvis dækskiven har 3 faste støttelinier er den stabil. 20
I forbindelse med disponering af kraftforløb indfører vi nogle statiske funktionskrav. Tidligt i forslagsfasen foretages en disponering af kraftforløbet i det samlede statiske system (bygningen). Da man på dette tidspunkt som regel endnu ikke er bundet til bestemte materialevalg, foretages disponeringen ud fra statiske principper, som kædes sammen til en stabil helhed. Principper Principper til at nå disse mål kan være et eller flere af følgende: a) Opstille funktionskrav til de enkelte bygningsdele. b) Indføre selvafstivende hovedkonstruktion. c) Indføre stabile trekanter (hjælpekonstruktioner). d) Klarlægge kraftoverførsel fra en bygningsdel til en anden. ad. a) Der arbejdes med funktionskrav til de enkelte bygningsdele. Pladefunktion Evne til at videreføre laste vinkelret på plan flade. 21
Skivefunktion Evne til at videreføre laste parallelt med eller netop i en plan. Bjælkefunktion Evne til at videreføre laste vinkelret på længdeaksen. Søjlefunktion Evne til at videre føre laste parallelt med eller netop i længdeaksen. 22
ad. b) Af almindeligt forekommende systemer kan nævnes: Søjle-dragesystem med indspændte søjler. 2-charnier buer. 2-charnier rammer med momentstive hjørner. 3-charnier rammer med momentstift hjørne. 23
ad. c) Trekantkonstruktioner Diagonaler udføres i form af trækog/eller trykstænger, således at disse i forbindelse med hovedkonstruktionen danner stabile trekanter evt. gitterkonstruktioner. ad. d) Dette kan blive afgørende for udformning af samlingen f. eks. Hvordan overføres vandrette kræfter fra en tagskive til en gavlvæg. Hvorledes overføres en kraft fra et vindbånd til den underliggende konstruktion o.s.v. 24
De enkelte bygningsdele Der vil naturligvis også være et krav om stabilitet af de enkelte bygningsdele. Disse vil yderligere blive belastet f. eks. af kræfter stammende fra temperatursvingninger, ekcentrisk placerede kræfter p.g.a. unøjagtighed i udførelsen m.v. Hensyn til disse kræfter må tages på et senere tidspunkt i projekteringen. Herefter følger eksempler på hvordan kraftforløb kan beskrives og udføres i projekterne. Dette kan udføres på mange forskellige måder. Her er vist to væsentligt forskellige metoder. Metode A: En blanding af tekst og skitser. Metode B: En streng skematisk form. 25
Eksempel 1 Disponering af kraftforløb i en mindre en-etages bygning. Oplæg til eksempel Uddrag af konstruktionsbeskrivelse Tagkonstruktion: Vingetegl på lægter med underlag af plastfolie. Trægitterspær med 45º taghældning. Loftsbeklædning af 19 mm hv. pl. brædder. 200 mm isoleringsmåtter. Murværk: Udv.: 350 mm hulmur med isolering og stålbindere. Indv.: 11 cm mur. Lette facader: Træskeletkonstruktion. 200 mm isolering. Slagfast udv. og indv. beklædning. Metode A Disponering af kraftforløbet. Vindlast på facader Lasten føres af vægfladen ved pladefunktion til facadefundament og tagflade. Via tagfladens stivhed (skivefunktion eller vindbånd) føres lasten videre til gavlfladerne, der ved skivefunktion afleverer lasten til gavlfundamenterne. 26
Vindlast på gavle Lasten udføres af vægfladen ved pladefunktion til facaderne, og heraf ved skivefunktion til facadefundamenterne. Lodret last Tagfladens last føres via spærrene (bjælkefunktion) til facaderne og herfra gennem bjælker, søjler og murværk til fundamenterne. Metode B Disponering af kraftforløbet. Signatur: BJ = bjælkefunktion PL = pladefunktion SØ = søjlefunktion SK = skivefunktion VB = vindbånd 27
Vindlast på facader Vindlast på gavle Lodret last 28
Eksempel 2 Disponering af kraftforløb i en mindre en-etages halbygning. Oplæg til eksempel Uddrag af konstruktionsbeskrivelse Bærende hovedkonstruktion: 3 charnier bue med tilhørende punktfundamenter. Tagkonstruktion: Tagpap på underlag af 250 mm isoleringselementer med færdiggjort underside. Murværk: Udv.: 400 mm hulmur med isolering og stålbindere. Let gavlparti: Skeletkonstruktion med 200 mm isolering. Slagfast udv. og indv. beklædning. 29
Metode A Disponering af kraftforløbet. Vindlast på facader Lasten føres af vægfladen ved pladefunktion til hovedkonstruktionens 3-charniers buer, som ved deres selvafstivende funktion fører lasten videre til punktfundamenterne i facaden. Vindlast på gavle Lasten føres af vægfladen ved bjælkefunktion til vindbjælker og herfra videre til gavlfundament og tagflade. Via tagfladens åse (trykstænger) føres lasten videre til vindbånd og herfra ved træk til facadens fundament. Lodret last Tagfladens last føres via åsene (bjælkevirkning) til hovedkonstruktionens 3-charniers buer, som ved bjælke- søjlefunktion fører lasten videre til punktfundamenterne i facaden. 30
Metode B Disponering af kraftforløbet. Signatur: BJ = bjælkefunktion PL = pladefunktion SØ = søjlefunktion SK = skivefunktion VB = vindbånd Vindlast på facader Vindlast på gavle 31
Lodret last 32
Eksempel 3 Disponering af kraftforløb i en mindre to-etages bygning. Oplæg til eksempel Uddrag af konstruktionsbeskrivelse Tagkonstruktion: Pap på brædder. Loftskonstruktion: kl. 1 beklædning med isolering. Etageadskillelse: Huldækelementer. Vægge: Stueetage: Udv.: Betonsandwichelementer. Indv.: Betonelementer. Overetage: Træbaseret letvæg med udv. bræddebeklædning og indv. kl. 1 beklædning. 33
Metode A Disponering af kraftforløbet. Vindlast på facader Overetage: Lasten føres af vægfladen ved bjælkefunktion til etageadskillelse og tagflade. Via tagfladens vindbånd føres lasten videre til gavlfladerne, der ved skivefunktion afleverer lasten til gavlfundamenterne. Stueetage: Lasten føres af vægfladen ved pladefunktion til facadefundament og etageadskillelse. Via etageadskillelsens skivevirkning føres lasten videre til gavlfladerne, der ved skivefunktion afleverer lasten til gavlfundamenterne. Vindlast på gavle Overetage: Lasten føres af vægfladens bjælkefunktion til etageadskillelse og tagflade. Via tagfladens vindbånd føres lasten videre til facaderne, der ved skivefunktion afleverer lasten til facadefundamenterne. Stueetage: Lasten føres af vægfladens skivefunktion til gavlfundament og etageadskillelse. Via etageadskillelsens skivevirkning føres lasten videre til længdevæg og facader, der ved skivefunktion afleverer lasten til fundamenterne. 34
Lodret last Tagfladens last føres ved spærrenes bjælkevirkning til let facade, som ved bjælke- og søjlevirkning fører lasten videre. Etageadskillelsens last føres ved etagens pladevirkning til facader og længdevæg, som afleverer lasten til fundamenterne. 35
Metode B Disponering af kraftforløbet. Signatur: BJ = bjælkefunktion PL = pladefunktion SØ = søjlefunktion SK = skivefunktion VB = vindbånd Vindlast på facader 36
Vindlast på gavle Lodret last 37
Kraftoverførende samlinger På baggrund af kraftdisponeringen kan vi nu følge op på de kraftoverførende samlinger. I de tidlige faser udføres håndskitser af de væsentlige kraftoverførende samlinger. Her kan de geometriske forhold afklares. Der kan overvejes hvilke principper man vil anvende og om der skal placeres mekaniske forbindelsesmidler i den pågældende samling, og om der er den nødvendige plads til dem En evt. overslagsmæssig bestemmelse af kræfterne på elementerne kan anvendes til at udføre en overslagsmæssig dimensionering af de enkelte elementer og evt. en overslagsmæssig dimensionering af kraftforløbet i de kraftoverførende samlinger. 38
39
40
Hvad kan danne skive? Jernbeton: In-situ støbt Betonelementer: Vær opmærksom på sammenstøbning og evt. stringere. Letbeton: Leca, Siporex, Gasbeton og lignende. Følg fabrikanternes anvisninger til opstilling og samlinger. Murværk: Belastet murværk. Ubelastet murværk: Meget problematisk især med hensyn til samlingerne. Træ: Plader af krydsfiner, spånplader, fiberplader og lignende. Format mindst 1,2 m x 2,4 m. Gipsplader. Bindingsværk og trækbånd i stål. Følg fabrikanternes anvisninger til opstilling og samlinger. Kræver ofte en beregning på antal søm og skruer. Se i øvrigt i brochurer og TOP pjecer. Stål: Tyndplader trapezformet: Følg fabrikanternes anvisninger. 41
Opgaver Opgave 1 Formål: Statisk system: Rumlig stabilitet kraftdisponering At indøve forståelsen af statiske systemer og deres virkemåde med hensyn til stabilitet over for lodrette og vandrette påvirkninger. Når der tales om et bygværks statiske system, menes det kompleks af bygningsdele, der tilsammen udgør den bærende hovedkonstruktion, hvorigennem kræfterne på bygværket føres til jorden. Dispositionsforslag:I dispositionsforslaget foretager man en vurdering af hovedkonstruktionens størrelse og virkemåde for at beslutte, om det foreliggende system er et brugeligt grundlag for det videre projekteringsarbejde, eller om det må forkastes og omarbejdes. Opgave: På de efterfølgende sider er vist nogle statiske systemer for forskellige bygværker (A, B, C, D, E og F). Systemerne ønskes bearbejdet med hensyn til den rumlige stabilitet. Hvis systemet ikke er stabilt, ønskes en anvisning på, hvordan rumlig stabilitet kan opnås. Gerne med alternative forslag, altså flere løsningsmodeller. Hvis systemet er stabilt ønskes en anvisning på hvordan. Arbejdsform: Opgaven løses som gruppearbejde i grupper á 3 4 studerende. Løsningen kan være tegninger/skitser helst 3D suppleret med tekst. Desuden udføres en lille model i karton, der kan vise, hvordan det statiske system virker over for ydre påvirkninger. Løsningen suppleres med en mundtlig redegørelse. Bedømmelse: Materialer: Klassen og underviseren evaluerer øvelsen i fællesskab. Løsningen fremlægges i plenum for alle deltagere. Der udpeges en opponentgruppe til hvert hold. De skal se med særlig kritisk øjne på løsningsforslaget. Der udleveres karton, tynde lister, lim og OH-film. Der kan lånes knive, listesakse, save, limpistoler og tushpenne til OH-film. 42
Opgave 1A Materialebeskrivelse: Tag: Pap, brædder og spær pr. 0,80 m. Ydervæg: Nord: Murværk Syd: Åben Øst: Åben Vest: Murværk Opgave 1B Materialebeskrivelse: Tag: Eternitplader på åse pr. 0,80 m. Ydervæg: Nord: Let trækonstruktion Syd: Let trækonstruktion Øst: Vinduespartier Vest: Simpelt understøttet jernbetonvæg 43
Opgave 1C Opgave: "Størst muligt glasareal" Der udarbejdes 2 løsningsforslag. Opgave 1D Opgave: "Størst muligt glasareal" Der udarbejdes 2 løsningsforslag. 44
Opgave 1E Opgave: Konstruktionen skal fremtræde let og åben, men må naturligvis afstives mod vandrette påvirkninger. Der må godt anbringes ekstra stolper og tremmevægge, dog ikke i indkørselsfaget. Der bruges vingetegl på færdige præfabrikerede spær fra godkendt fabrik. Der skal laves mindst 2 principløsninger til det afstivede system. Der leves en statisk analyse (kraftdisponering) på det valgte system. 45
Opgave 1F Opgave: Den på tegningsbilaget viste tag- og rumform skal overholdes. Tagkonstruktionen udføres som bjælke- søjlesystem. Enkelte søjler må godt bryde systemet. Der er ikke fastlagt konstruktionsprincip for tag og underbygning. Tagets gavltrekanter udføres med glas. Tag- og vægflader er ikke fastlagt. Der skal laves forslag til konstruktionsprincip. Der skal redegøres for rummelig stabilitet uden beregning. 46
47
Opgave 2 Opgave: Stabilitetsvurdering af bygning En bygherre har anmodet en arkitekt om at lave et skitseforslag til en carport med redskabsrum. På baggrund af bygherrens ønsker har arkitekten lavet et oplæg (se skitsen nedenfor) som han beder jer om at vurdere med hensyn til rummelig stabilitet. I skal komme med et principforslag til konstruktiv udformning, statiske udfaldskrav og eventuelt gøre jer nogle overvejelser om de kraftoverførende samlinger. I skal redegøre for, at det forslag I udformer er i stabil ligevægt over for de påvirkninger, bygningen kan blive udsat for. Stikord: Arbejdsform: Kraftdisponering, isometri, eksploderet isometri, skiver, plader, bjælker, søjler, Er dit hus stormfast, SBI 186 Småhuses stabilitet, stabiliserende elementer. Opgaven løses i de samme grupper, som blev dannet i forbindelse med øvelser i rumlig stabilitet. Afleveringsform:Der afleveres et løsningsforslag pr. gruppe på A4 løsblade. Gerne en kombination af skitser og tekst. 48
Opgave 3 Opgave: Stabilitets- og kraftdisponering af bygning Nedenfor er vist plan og facader af et parcelhus. Huset er på ca. 189 m 2 inkl. carport. 1) Giv forslag til materialevalg og udformning af de bærende og stabiliserende konstruktioner. 2) Udfør en kraftdisponering for parcelhuset. (På skitseniveau) Udover det skitserede vinduesparti i stuen ønsker bygherren også glaspartier i hele sydfacaden (Køkkenet vender også imod syd). 3) Redegør for hvilken indflydelse det vil få på stabiliteten, og angiv de ekstra foranstaltninger, der evt. skal udføres. Arbejdsform: Besvarelsen er individuel. Afleveringsform:A4 løs-ark på skitseringsniveau suppleret med en forklarende tekst. 49