Konstruktion – KLIMATGUIDEN

Klimatmedvetet konstruktionsarbete

Val av livslängds- och exponeringsklasser
Optimering av armeringsmängd genom mer beräkning
Optimering av dimensioner
Ökning av antalet prefabricerade elementtyper i en byggnad

Kombination av slak- och spännarmering
Oarmerad betong enligt EK 2
Beaktande av betonghållfasthet
Uttorkning och produktion
Betydelse av olika klimatsmarta val
Modellprojektering (BIM)
Rekommendationer

Inledning

En konstruktör utformar betongkonstruktioner och har en mängd olika val att göra. Det är många olika mekanismer att ta hänsyn till och de hänger också ofta ihop. Detta kan göra de olika valen komplexa.

Samverkanskonstruktioner betong/stål samt betong/trä är alltmer vanliga både på komponent- som på byggnadsnivå. På så sätt kan materialens fördelar bättre utnyttjas.

Optimering av egenskaper innebär inte alltid att exempelvis högre betonghållfasthet är bra. Nedan ges en schematisk bild över optimering av betongkonstruktioner och denna princip kan användas på produkter samt för hela stommar.

Betong kan även ingå som en del i samverkanskonstruktioner. Det finns idag exempel på produkter som består av både trä och betong eller stål och betong och det är även vanligt att kombinera material i en stomme. Rätt material med rätt egenskaper på rätt plats bör vara en ledstjärna i val av stomme och produkter.

Moment som ingår i en konstruktörs arbete är främst att

dimensionera konstruktionen så att den ska kunna bära aktuella laster med rätt säkerhetsmarginal
bestämma livslängds- och exponeringsklasser så att konstruktionen får önskad beständighet
beakta uttorkning av bjälklag i bostäder och kontor m.m.
ange krav på ingående material samt ansvara för klimatoptimering.

Resultatet av konstruktörens arbete dokumenteras i bygghandlingar som är styrande i utförandeskedet. Bygghandlingarna har tidigare främst bestått av ritningar med en inledande föreskriftsritning. Sedan en tid tillbaka ingår även informationstunga byggnadsinformationsmodeller (BIM) som en del av handlingarna. Modellerna innehåller inte bara geometrier utan även egenskaper hos de modellerade objekten. En sådan egenskap kan t.ex. vara dess klimatpåverkan. Om alla objekt i modellen har sådana egenskaper summeras lätt olika utformningsansatser vilket underlättar optimeringen.

Optimering ska göras på helheten vilket är produkten av ingående material och deras klimatpåverkan. Det är konstruktionens sammanlagda påverkan som räknas. Det innebär att det kan vara rätt att använda material med större GWP om det kompenseras med mindre mängd material.

Val av livslängds- och exponeringsklasser

Dimensionering med avseende på beständighet har mycket stor påverkan på konstruktionens klimatpåverkan. Beständigheten garanteras genom rätt val av livslängdsklass och exponeringsklass.

Livslängdsklass styr med dagens normer täckande betongskikt och tillåten sprickvidd varav den senare är signifikant ökar klimatbelastningen för främst anläggningskonstruktioner på grund av påverkan av armeringsinnehåll. För anläggningskonstruktioner är valet av exponeringsklass en av de starkaste faktorerna som påverkar konstruktionens klimatpåverkan. Exponeringsklass styr alla ingående faktorer i GWP-beräkningen.

Genom att genomföra konstruktionsarbetet med hållbarhet i fokus kan klimatpåverkan begränsas. Exempel på indikativ klimatpåverkan i GWP beroende på betongens exponeringsklass ges i tabellen nedan.

Andra sätt att undvika onödigt klimatdrivande exponeringsklasser är exempelvis att utrymmen i tunnlar hellre bör skyddas från takdropp med membranduk än med betongbjälklag. Andra exempel är att föreskriva tätskiktsmattor på betongbjälklag i parkeringsutrymmen eller att en vägg i ett parkeringsgarage kan ha en mindre aggressiv exponeringsklass ovanför stänkzonen.

Svenska Betongföreningens Betongrapport nr 11 (LÄNK) kan användas som hjälp för att välja rätt och rimliga exponeringsklasser.

Det har funnits omfattande restriktioner i regelverk och normer för val av bindemedel och vct_ekv, särskild i anläggningsbranschen. Detta har gradvis justerats och arbetats bort i senare utgåvor. Exponeringsklass och vct_ekv-krav är avgörande faktorer för betongens klimatpåverkan.

Optimering av armeringsmängd genom mer beräkning

För att kunna optimera armeringsmängderna behövs i många fall fler och mer omfattande beräkningar. Därför är det också en ekonomisk fråga hur långt man kan gå när det gäller armeringsoptimering.

Genom att planera sina beräkningssnitt kan man optimera sin insats. Generellt sett är det en fördel med en god planering så att tid finns för beräkningar och utvärdering av metoder samt armeringsval. En pressad situation för konstruktören resulterar ofta i grova antaganden och mer armering än vad som erfordras vid en mer noggrann dimensionering. Genom att utnyttja moderna optimeringsverktyg och lägga lite mer tid i projekteringsskedet kan den totala kostnaden minskas då materialåtgången kan optimeras.

Optimering av dimensioner

Att minska dimensionerna på en betongkonstruktion utsatt för t.ex. moment kan innebära ett behov av större armeringsmängd då den armeringens hävarm minskar. Minskade dimensioner innebär också ofta minskad flexibilitet för framtida behov av exempelvis lastförändringar eller håltagningar. En minskad betongvolym medför alltså inte med självklarhet en minskad klimatpåverkan.

Det finns också andra krav som kan behöva beaktas såsom exempelvis ljud, brand och flexibilitet för framtida ändringar. En tät dialog mellan byggherre, konsulter och entreprenör med en gemensam målbild är viktig.

För optimering krävs analyser av flera alternativ, som faller ut olika beroende på relationen mellan betongens påverkan och armeringens påverkan. Normalt sett krävs ökad projekteringstid. Ett sätt att undvika ökad projekteringstid är att använda optimeringsalgoritmer för att hitta den mest klimatsmarta utformningen.

KTH har under Costin Pacoste, LÄNK och LÄNK, genomfört optimeringsstudier på broar där allt ifrån grundläggningssätt, antal stöd, spännviddsindelning, konstruktionshöjd och dimensioner optimerats med avseende på både produktionskostnader och klimatbelastning. Det är tänkbart att sådana studier, utförda med t.ex. Monte Carlo-simuleringsmetodik, blir vanligare i framtiden.

Hur betongkonstruktioner ska utformas för att minimera klimatpåverkan utreds runt om i forskarvärlden. Även Chalmers och företag som t.ex. CCL Spännarmering har studerat vad som är möjligt att uppnå.

Ökning av antalet prefabricerade elementtyper i en byggnad

En ökning av antalet beräkningssnitt i en byggnad möjliggör klimatoptimering. I vertikalled delar man ofta in byggnader i delar och beräknar last/armering i olika snitt. I figuren nedan visas ett exempel på hur mer beräkning innebär mindre utsläpp.

Om man i stället för tre snitt väljer fem snitt i en tiovåningsbyggnad får vi mindre mängd armering och betong. Alternativ 2 i figuren är alltså bäst ur klimatsynpunkt. Fem snitt ger en sänkning av utsläppet med 12 %.

Kombination av slak- och spännarmering

I vissa konstruktionsdelar kan med fördel slak- och spännarmering kombineras. Man utnyttjar därmed den spännkraft som erhålls efter uppspänning för att minska på dimensioner och/eller armeringsmängd.

Det finns två principiellt olika system:

”Bonded” – där spännarmeringen gjuts fast efter uppspänning.
”Unbonded” – där spännarmeringen löper fritt i foderrör.

Bjälklag med efterspänd armering

I bjälklaget läggs foderrör som följer momentkurvan för aktuell belastning, se figur nedan.

För mer information, se avsnittet ”Post-tensioned Concrete Floors”, Concrete Centre, LÄNK.

Det finns många fördelar med efterspända bjälklag, såsom exempelvis:

Minimerad bjälklagstjocklek
Långa spännvidder
Flexibilitet
Minskad materialåtgång
Kostnadseffektivitet

Stabiliserande väggar med efterspänd armering

Även väggar kan efterspännas, se figur nedan.

I efterspända väggar kan både stänger (exempelvis Dywidag och Macalloy) och linor (exempelvis Freyssinet) användas för att med hjälp av spännkraften stabilisera väggar och byggnader. Till skillnad mot bjälklag behöver inte spännarmeringen anordnas efter momentkurvan. Spännarmeringen förläggs i foderrör och spänns upp efter gjutning.

Efterspända linsystem har den fördelen att flera våningar kan efterspännas samtidigt och har i övrigt liknade fördelar som för bjälklag. Ovannämnda system har tekniska specifikationer i form av ETA, d.v.s. European Technical Assessment.

Både efterspända stång- och linsystem är relativt vanliga på den svenska marknaden. Rätt använda kan dessa system spara både betong och armering.

Oarmerad betong enligt EK 2

Enligt EK 2, kapitel 12, kan exempelvis innerväggar av betong som inte är stomstabiliserande utföras oarmerade eller lätt armerade. Vid detta betraktelsesätt faller även kravet på minimiarmering enligt EKS bort. Skillnaden i armeringsmängd mellan en med nät dubbelarmerad vägg och en oarmerad vägg med samma dimension är ca 5 kg/m².

Konceptet med oarmerad betong bygger på teori i EK 2, kapitel 12.
En förutsättning för användning är att konstruktionsdelen i huvudsak upptar tryck. Som exempel kan nämnas väggar, fundament eller pålar. Konstruktionsdelen får inte heller vara utsatt för dynamiska laster. Oarmerad betyder att kraven på generell minimiarmering inte behöver följas men armering kan ändå behöva anordnas för exempelvis lyft av ett element (se nedan).

Genom att använda denna metod kan mängden armering i exempelvis väggar minimeras utan att bärförmågan minskas. I figuren nedan visas ett exempel på en oarmerad prefabricerad innervägg. Armering förläggs vid lokala tryck- och lyftpunkter, i övrigt oarmerat tvärsnitt. Utnyttjande av icke-linjär FEM (Finita Elementmetoden) är ett annat beräkningsalternativ för att optimera konstruktionen.

Beaktande av betonghållfasthet

Generellt sett rekommenderas inte en föreskriven högre betonghållfasthet, men i vissa fall kan den högre hållfastheten medge en möjlighet att minska både betongvolym och armeringsinnehåll. Denna effekt kan främst utnyttjas för konstruktioner utsatta för stora tryckkrafter såsom pelare och förspända konstruktioner.

Betong i exponeringsklasser med lägre vct_ekv har redan en högre hållfasthet som bör utnyttjas.

Uttorkning och produktion

För bjälklag i bostäder och kontor m.m. är det ofta uttorkningskrav och önskemål om korta produktionstider som styr bindemedelshalt. Mer bindemedel (lägre vct_ekv) ger snabbare uttorkning och högre produktionstakt, men också som bekant en större klimatpåverkan. Kan man arbeta med klimatförbättrad betong, högre vct_ekv, längre produktionstider eller alternativa golvbeläggningar öppnas möjligheter att få ned klimatpåverkan. Betonghandbok Material Del 2, kapitel 17 (LÄNK) beskriver mekanismerna bakom betongens uttorkning.

Uttorkningstid beror inte bara på betongkvalitet utan också på konstruktionstjocklek, hur uttorkning kan ske, temperatur, luftfuktighet samt härdningsförhållanden. Regnvatten kan fördubbla uttorkningstiden. Ett flertal beräkningsprogram finns framtagna. Här visas exempel på dessa samt hänvisningar.

Det finns en osäkerhet kring de metoder som finns för att uppskatta uttorkningstid. Är beräkningsprogrammen uppdaterade med de nya cementtyperna? Är mätutrustning och mätmetoder tillförlitliga? Osäkerheten gör att det ibland ställs onödigt höga krav på betongen, d.v.s. lägre vct_ekv än nödvändigt.

Användning av s.k. självtorkande golvavjämning är ett sätt att minska tiden till applicering av ytskikt. Avjämningen torkar kemiskt även efter det att ytskiktet lagts.

För att kunna utnyttja fördelen hos självtorkande produkter krävs att underliggande betong har nått den relativa fuktighet (RF) som ytskiktet kräver, innan den självtorkande golvavjämningen appliceras. Golvbranschen, GBR (LÄNK) har tagit fram rekommendationer för uttorkning av golvavjämning (LÄNK). Även normaltorkande golvavjämning beskrivs. Golvbranschen, GBR är en ideell paraplyorganisationen för företag i golvbranschen. Inom GBR finns entreprenörer, golvfackhandlare och leverantörer

Golvbranschen, GBR, rekommenderar generellt att bjälklagets RF-kontrolleras innan golvavjämningen appliceras så att det säkerställs att fuktnivån inte överstiger aktuellt RF-krav för ytskiktet. GBR hänvisar till auktoriserade fuktkontrollanter (LÄNK) inom Rådet för byggkompetens (RBK).

När det gäller utformning av prefabricerade bjälklagselement har håldäcket som sådant ett gynnsamt tvärsnitt med relativt tunna liv och mycket omslutande luftarea. Oavsett betongens egenskaper måste man ha rätt förutsättningar för uttorkning även på byggarbetsplatsen.

Genom en noggrann planering av byggprocessen, användning av täckning, byggtorkar eller självtorkande avjämningsmassa kan uttorkningen bli minst lika effektiv som genom att öka bindemedelsmängden.

Betydelse av olika klimatsmarta val

För att minimera betongkonstruktioners klimatpåverkan gäller det för konstruktören att medverka i utformningen och bidra med konstruktiva aspekter i olika skeden. I utformningen av konstruktionen träffas ett antal val som har olika potential att minska klimatpåverkan. I tabellen nedan listas sådana val med skattningar mellan 1 och 3. 1 är liten klimatpåverkan och 3 är stor klimatpåverkan. Observera att det är subjektiva skattningar, d.v.s. exempel på hur man skulle kunna hantera sina val.

Då valen har olika betydelse för anläggnings- och för huskonstruktioner har tabellen två skattningskolumner.

Det är viktigt att tidigt i projekteringsprocessen utreda vilka möjligheter som finns.

Modellprojektering (BIM)

BIM står för ”Building Information Model” (byggnadsinformationsmodellering) och innefattar skapandet och användandet av digitala modeller av byggnadsverk. Det är ett sätt att hantera data kopplad till 3D-modeller.

Till skillnad mot 2D-projektering, där papper är informationsbärare, är det numera vanligt vid modellprojektering i 3D att till byggnadsdelar eller objekt koppla metadata som exempelvis kan vara tid, kostnad, kvalitet eller miljöparametrar där även klimatpåverkan kan vara en sådan parameter.

Idag utvecklas verktyg i aktuella mjukvaror i rask takt och i och med att datorers prestanda ökar kontinuerligt tas nya funktioner och arbetssätt i bruk.

Vid byggprojektering är de vanligaste 3D-verktygen Autodesk Revit eller utvecklingar baserade på AutoCAD såsom Tekla Structures och Strusoft IMPACT. Programvarorna tillhandahålls av Autodesk, Trimble och Strusoft.

Både Tekla Structures och Strusoft IMPACT har för närvarande moduler som möjliggör beräkning av klimatpåverkan per projekt.

Viktigt är att relevant klimatdata är baserad på aktuella leverantörers data och att dessa värden är uppdaterade.

Genom detta nya arbetssätt kan simuleringar av olika lösningar och dess effekter i olika avseenden undersökas. Framför allt kan val av stommar och produkter analyseras med avseende på klimatbelastning.

Utbyte mellan mjukvaror sker med hjälp av det standardiserade filformatet *.ifc och allt vanligare är att data är lagrad i någon form av molntjänst.

Till dessa olika mjukvaror utvecklas kontinuerligt olika påbyggnadsprogram. Ett exempel på ett sådant är Rhino Grasshopper, se figur nedan. Det är en mjukvara som möjliggör automatisering för att hitta optimerade lösningar baserade på 3D-modeller. Det finns redan idag företag som marknadsför integrationer för att snabbt kunna göra LCA-analyser.

Intresset för verktyg som även visualiserar klimatpåverkan ökar och utvecklingen av dem går snabbt. Verktygen använder sig av klimatdata från betongsektorn som också ständigt utvecklas och förbättras. För att kunna ge en nyanserad bild av klimatpåverkan är det bra om mer specifik klimatdata, såsom exempelvis EPD:er, används.

När en klimatdeklaration ska upprättas får generiska data från Boverkets klimatdatabas (LÄNK) eller specifika klimatdata för byggprodukter användas. Klimatdatan i Boverkets databas som ska användas för klimatdeklarationer är konservativt satta, det vill säga cirka 25 procent högre än genomsnittet för att stimulera användning av specifika klimatdata. Anledningen till att den generiska datan har ett påslag på 25% är för att öka framtagandet och användningen av produktspecifika data. Det är med andra ord mer fördelaktigt att använda produktspecifika data vid framtagning av klimatdeklarationer

Rekommendationer

Resurssnål utformning

Rätt betong på rätt plats. Undvik alltför höga hållfasthetsklasser.
Optimering av betong kontra armering för den aktuella konstruktionen.

Utnyttjande av livslängd

Ta hänsyn till den resurssnåla betongens beständighet för speciella exponeringsklasser och konstruktionstyper.
Föreskriv inte för höga hållfasthetsklasser eller längre livslängder än nödvändigt.

Flexibel användning

Tänk igenom och välj armeringsprincip. Antingen nyanserat efter momentkurva och motsvarande ELLER överstarkt med tanke på framtida ändringar.
Möjliggör att konstruktionens funktion ändras beroende på behovet.
Utnyttja värmelagringskapaciteten hos tunga stommar.

Maximera återanvändning och återvinning

Utforma konstruktionsdelen för demonterbarhet så att den kan återanvändas.
Utforma konstruktionen så att materialen enkelt kan separeras.

Maximera koldioxidupptaget där det tillåts

Använd en betong som karbonatiserar snabbt där beständighet inte är något problem samt ha obehandlade ytor om möjligt. Båda dessa saker är möjliga inomhus.
Tillåt krossad betong att ta upp så mycket koldioxid som möjligt.