Samverkansbalk limträ-
Stålfräs
Samverkansbalk limträ med stålfräs
Samverkansbalkar som bildas genom att betongplattorna ansluts till stödjande stålbalkar har använts i många år. Mycket av forskningen kring denna konstruktionsform har koncentrerats på den mer traditionella konstruktionen av armerad betong och TRP däck i metall. Denna konstruktion har använts i USA sedan 20-30 talet tom tidigare.
Vid kompositbalkskonstruktion är skjuvkontaktens hållfasthet av stor betydelse eftersom längsgående skjuvkrafter måste överföras över gränssnittet mellan stål och betong genom mekanisk verkan av skjuvkontakter. Anslutningens skjuvstyrka och styvhet är inte bara beroende av styrkan i själva kontaktdonet, utan också av betongplattans motstånd mot längsgående sprickbildning som orsakas av den höga koncentrationen av skjuvkraft vid varje kontaktdon.
Kraftöverföringar i sammansatta strukturer beror på styrkan och styvheten hos de olika komponenterna i konstruktionen samt dess skjuvhållfasthet. För att prova skjuvkapaciteten och samverkan mellan olika material används push-out tester.
Dessa prover låg till grund, när Vägverket först och Banverket några år senare bestämde sig i mitten av 80 talet att dimensionera stålbalkar med s.k. studs fastsvetsade i överflänsen och som gjuts in i betongdäcket. Bronormen för vägbroars samverkan mellan I-balkar och vägbanan av betong blev beskrivna i BRO 86.
Push-out tester har simulerats med hjälp av finita element baserade mjukvaror. Omfattande studier har också genomförts för olika storlekar av studs samt och tryckhållfasthet av betong.
Det finns mängder med litteratur om dessa push out tester men det kan konstateras att grunderna för dimensionering av samverkanskonstruktioner bygger på push-out tester och som är grunden för dimensioneringen enligt EN 1994-1-1.
Ett liknade push-out test skulle vara lämpligt att utföra mellan en limträbalk och en stålfläns som jag visat på bild och beskrivning.
Bilden nedan visar en Push out test. Studs är svetsad på en stålbalk vilka är ingjutna i betong. I fallet limträbalkar byts betongen ut mot en del av en limträbalk. Studsen byts ut mot helgängade stänger som går in i limträbalken. Prov utförs med olika längd och dimension på skruvarna för att kontrollera skjuvning mellan stålfläns och limträbalk och skruvar samt styrkan och styvhet av limträbalkens material (hålkanttryck). Även kontrolleras skjuvning mellan limträbalkens lameller.
Push- out prov av betongkonstruktion med samverkan betong – studs
Förslag till push- out prov av samverkansbalk limträbalk – stålfläns
Diagrammet nedan visar att skjuvkrafterna är störst vid upplagen, dvs. tätare med skruvar. I balkmitt finns inga skjuvkrafter.
Utgångspunkten för samverkansbalken dimensionering är att limträbalken endast utsätts för tryckkrafter och underflänsen av stål för dragkrafter.
Ovan beskriver och beräknas ett mellanbjälklag i en byggnad. Det kan också vara en takbjälklag eller en brokonstruktion. Jag har valt att visa denna konstruktion med förhållandevis låga huvudbalkar i limträ med stålunderfläns. Fördelarna med denna samverkanskonstruktion är att den har låg egenvikt 5x lättare än betong men stålets fördelar. Det blir små nedböjningar, klarar större spännvidder och får mindre svikt. Det blir en mycket optimal konstruktion. Om limträbalken byts ut mot en motsvarande stålbalk kommer stålbalken att väga ca 130 kg/meter. Den blir dyrare att tillverka och montera än limträbalken och dessutom har den svårigheter att tekniskt att samverka med KL skivorna, pga. av infästning KL skiva mot stålfläns.
Vid en beräkning av ett bjälklag med kontorslast blir följande resultat:
Bjälklaget klarar en spännvidd av 15 meter fritt upplagd på två stöd (ett spann). Ett bjälklag i betong med motsvarande konstruktion klarar 7,5 meter spännvidd om samma villkor ska uppfyllas. Några beräkningssiffror kan nämnas för ett bjälklag med 15 meters spännvidd.