I takt med att byggbranschen i allt högre grad inriktar sig på konstruktioner med lägre koldioxidutsläpp, blir hybridkonstruktioner som kombinerar trä med stål eller andra material alltmer eftertraktade lösningar. Vi på Buro Happold noterar och stödjer detta...
Trä erbjuder både mångsidighet och utmärkt seismisk prestanda, medan stål ger styrka och anslutningar. Att kombinera båda materialen för ditt projekt är ofta det mest effektiva sättet att uppnå optimala resultat.
Anpassningsförmåga
Hybridkonstruktioner ger ofta högre prestandanivåer än enbart timmer, men framgången beror ofta på flera faktorer, bland annat hur väl komponenterna är anslutna och om de har testats tillräckligt. På grund av den komplexitet och tidsåtgång som är förknippad med designprocesser som denna bör konstruktörerna ta den tid som krävs för att utveckla ett effektivt anslutningssystem och testa för laster som de kommer att utsättas för i verkliga tillämpningar.
I takt med att byggnadsägare fokuserar mer på att minska sina koldioxidavtryck har yrkesverksamma inom byggnadsingenjörsyrket eftersträvat effektiva konstruktioner med lägre energiförbrukning som ett viktigt mål för konstruktionsdesign. En metod för att uppnå detta mål är att kombinera golvpaneler av korslimmat trä (CLT) med stålstommar. För att bidra till att uppnå detta mål mer effektivt utvärderades i denna studie vilka tvärsnitt av hybridbjälklag av KL-trä och stål som gav optimal effektivitet när de utvärderades mot flera beslutskriterier för minskning av växthusgasutsläpp i produktionsskedet.
För att detta ska fungera effektivt måste hybridkomponenternas lastbärande kapacitet maximeras. Därför testades olika metoder för att öka förbindningen mellan trä och stål. Lim visade sig vara en idealisk metod för att sammanfoga dessa material jämfört med fästelement av dymlingstyp och stansade metallplåtfästelement (PMPF), med småskaliga prover som användes för att utvärdera bindningsstyrkan mellan materialen; limbindningar visade sig vara överlägsna med upp till 82% jämfört med både fästelement av dymlingstyp och PMPF-fästelement, vilket resulterade i en maximal lastbärande kapacitet på 82% skjuvkapacitet för hybridkomponenten!
I takt med att efterfrågan på trä- och hybridkonstruktioner ökar anpassar sig byggherrar, konstruktionsteam och myndigheter snabbt. Detta förinspelade webbinarium kommer att utforska innovativa projekt där hybridsystem av trä och stål maximerar fördelarna med varje material. Dessutom diskuteras några utmaningar som är förknippade med att inkludera hybridelement i höga träbyggnader samt lösningar.
Energieffektivitet
Genom att använda hybridkonstruktioner som kombinerar trä med stål eller andra material får man mer energieffektiva byggnader. Detta tillvägagångssätt kombinerar strukturell effektivitet med den värme och flexibilitet som trä ger, samt ökad motståndskraft mot seismiska och vindrelaterade risker. Hybridkonstruktioner bidrar också till att sänka koldioxidutsläppen i byggnader.
En hybridkonstruktion innebär att limträ kombineras med stålribbor för att bilda en hybrid fackverkskonstruktion. Stålet ger den styvhet och styrka som krävs för att bära upp de smala träelementen. Ett hybridsystem är en ekonomisk lösning som är både enkel och mångsidig att använda. Trä fungerar inte alltid optimalt tillsammans med stål och därför måste man ta hänsyn till detta i planeringen. Det är t.ex. viktigt att träelementen placeras nära toppackordet (i tryck) medan stålet ligger kvar vid bottenackordet (i drag). Dessutom bör anslutningarna utformas så att det inte uppstår värmeutvidgningsgap mellan komponenterna. Det är också mycket viktigt att arbeta med tillverkare som förstår både trä- och ståltillverkningsprocesser eftersom deras anslutningsdetaljer skiljer sig avsevärt från AESS-standarderna.
Konstruktionsvirke har länge använts inom byggbranschen, men det är först på senare tid som det har blivit ett allt vanligare material för att bygga storskaliga konstruktioner. Denna trend kan spåras tillbaka till dess fördelar jämfört med betong och stål: bland dessa fördelar är dess mångsidighet när det gäller att skapa invecklade former utan att öka kostnaderna avsevärt. Med Engineered timber kan arkitekterna förverkliga sina visioner och samtidigt spara in på kostnaderna.
Trä har många fördelar: koldioxidlagring och status som förnybar resurs; dess estetiska kvaliteter överträffar stål och betong; trä saknar dock en del av den styvhet och hållfasthet som höghus behöver - därför kombinerar ingenjörer ofta trä med andra material som erbjuder mer styvhet eller bärförmåga än vad det egna materialet kan erbjuda.
Den vanligaste metoden för limning av trä till stål är med lim. Olika metoder har testats, bland annat fästelement av dymlingstyp och fästelement av stansad metallplåt (PMPF). I en nyligen genomförd studie drogs slutsatsen att limförband ger överlägsen prestanda i hybridsektioner av trä och stål jämfört med dymlingar (draghållfastheten är upp till 9 gånger högre) och PMPF (5,55 gånger högre skjuvkapacitet än dymlingar). Dessutom kan hybridbyggnader av stål och timmer minska koldioxidutsläppen från överbyggnaden med upp till 5-35% jämfört med byggnader av stål och betong.
Flexibilitet
Hybridkonstruktioner ger större flexibilitet än konstruktioner med endast ett material, eftersom man kan dra nytta av träets fördelaktiga egenskaper när det behövs och använda andra material när det behövs. CLT-golv (korslimmat trä) kan minska koldioxidutsläppen medan ståltakstolar kan förbättra den seismiska prestandan; genom att använda flera material samtidigt kan hybridkonstruktioner balansera hållbarhet med styrka - något som miljömedvetna projekt måste ta hänsyn till.
Hybridkonstruktioner är ett område inom byggteknik som utvecklas snabbt, och nya tekniska lösningar tas ständigt fram för att möta marknadens krav. Peikko lanserade nyligen ett standardiserat sortiment av anslutningsdetaljer mellan trä och stål som är utformade för att förenkla utformningen av hybridkonstruktioner, vilket gör det mycket enklare för ingenjörer att skapa tillförlitliga hybridkonstruktioner.
Många experter är dock medvetna om att det finns utmaningar med att införa hybridkonstruktioner i större utsträckning, särskilt i Australien där höga byggnader med trä- och stålkonstruktioner inte har fått någon större spridning. För att motverka dessa svårigheter genomför forskarna flera experiment som syftar till att utforska Australiens potential för hybridkonstruktioner av trä och stål.
Ett sådant experiment omfattar test av prestanda hos hybridbalkar av stål och trä. Dessa balkar består av lameller av radiatatall och douglasgran som har bundits till inkapslade stålprofiler, och i dessa studier utvärderas deras böjhållfasthet, bärförmåga och påverkan från limtyper, storlek/placering/typ etc. för att utveckla effektivare strukturella konstruktioner för hybridbyggnader av stål och timmer i Australien.
Denna forskning kan få en enormt omvälvande effekt på hur höghus utformas i Australien. Målet är att minska deras globala uppvärmningspotential (GWP) genom att minska betonganvändningen.
Inom byggnadsindustrin sker en internationell övergång till hybridtekniker för höghus i stål och trä, vilket drivs av olika faktorer som dominerande geografi, byggnadsfunktion, höjdaspekter och andra variabler.
Hållbarhet
I takt med att byggmetoderna utvecklas mot mer miljövänliga tillvägagångssätt har trä framstått som ett eftertraktat byggmaterial med både miljömässiga och arkitektoniska fördelar. Tyvärr begränsar dess styrka och hållbarhet hur mycket trä kan användas i vissa projekt; för att maximera användningen i sådana fall vänder sig många designteam till hybridstrukturer som kombinerar fördelarna med massivträ med stål- eller betongstyrka för att skapa den perfekta hybridstrukturen.
Hybridkonstruktioner kan också erbjuda betydande hållbarhetsfördelar. Att använda olika material tillsammans kan minska de totala koldioxidutsläppen och förbättra energieffektiviteten samtidigt som det ger flexibilitet, anpassningsförmåga och kostnadsbesparingar. Att kombinera trä med betong som byggmaterial kan minska byggkostnaderna och påskynda byggprocessen, men det är viktigt att lämpliga kombinationer av material väljs för att skydda byggnadernas strukturella integritet.
Hybridbyggnader ger mer än bara koldioxidbesparingar; de kan också erbjuda förbättrad motståndskraft mot jordbävningar jämfört med traditionella stål- och betongkonstruktioner. I en nyligen genomförd studie undersöktes sex banbrytande fallstudier av hybridkonstruktioner som kombinerar stålstomme och fackverkskonstruktion i trä för jordbävningstålighet. Resultaten visar att hybridkonstruktioner ger mer miljövänliga alternativ samtidigt som de uppfyller alla seismiska krav i AEC-koden.
Träbyggnation har funnits i årtusenden och har på senare tid fått ett uppsving tack vare ökad uppmärksamhet på hållbara metoder och lägre koldioxidutsläpp. Allt fler byggföretag väljer nu trä som en del av en plan för att bekämpa klimatförändringarna och samtidigt skapa hälsosammare miljöer.
Microsoft och Gensler, som arbetar tillsammans med Thornton Tomasetti, genomförde nyligen forskning som visade hur användning av hållbart trä kan minska koldioxidavtrycket för ett datacenter betydligt jämfört med konventionell stålkonstruktion och 65 procent jämfört med prefabricerad betongkonstruktion. I kombination med innovativa tekniska lösningar och noggrann teamplanering är hybridkonstruktion ett attraktivt alternativ för byggherrar som vill minimera miljöpåverkan från sina projekt.
Trä är ett idealiskt material för högpresterande byggnader, men dess styrkor och svagheter måste beaktas noga under konstruktionen. Ingenjörer måste förstå dess styrkor (styvhet, hållbarhet), svagheter (genomsläpplighet) och miljöpåverkan innan de börjar använda det. Hybridkonstruktion har blivit en alltmer populär lösning som kombinerar olika fördelar med olika material för att skapa unika strukturer med varaktig visuell attraktionskraft och funktionalitet.
