Stål lättare än trä?

Förtätning genom påbyggnad av befintlig bebyggelse nämns ofta som ett sätt att minska bostadsbristen och samtidigt kunna dra nytta av redan befintlig infrastruktur och kollektivtrafik.

Vid påbyggnad är det viktigt att belastningen på underliggande konstruktion blir så låg som möjligt. Det kan spara mycket pengar eller möjliggöra fler våningar beroende på vilket behov som finns och vad som tillåts i gällande detaljplan. Men vilket stommaterial är egentligen lättast?

Materialens densitet

Det är lätt att föreställa sig att trä är det lättaste stommaterialet eftersom limträ inomhus har en densitet på ungefär 430 kg/m3, att jämföra med stål som har en densitet som är drygt 18 gånger högre, nämligen 7850 kg/m3. En träkub med sidan 100 mm väger alltså 430 gram medan motsvarande stålkub väger 7850 gram. Men, stommaterialet ska ju också fylla en funktion som bärverk till påbyggnaden och då måste jämförelsen relateras till materialets styrka för att bli relevant.

I Sverige används vanligen limträ i hållfasthetsklass GL30c och den stålsort som används för pelare och balk är S355.

Jämförelse av vikt med hänsyn tagen till materialens styrka – dragbelastning.

Dimensionerande draghållfasthet för GL30c är 13,7 N/mm2 (inomhuskonstruktion utsatt för belastningar med medellång varaktighet, för små tvärsnitt (<600m) får bärförmågan ökas med som mest 10%). Det innebär att ett kvadratiskt tvärsnitt 100×100 mm (trävikt 4,3 kg/m) GL30c kan bära en last på 13,7 ton.

Dimensionerande bärförmåga i drag för S355 är 323 N/mm2. Ett kvadratiskt tvärsnitt 100×100 mm (stålvikt 78,5 kg/m) S355 kan alltså bära en last på 323 ton. För att bära 13,7 ton krävs ett tvärsnitt på 21×21 mm (stålvikt 3,5 kg/m).Vid ren dragbelastning är stål alltså 19% lättare än trä. Om inga begränsningar finns i hur mycket materialet får förlängas vid belastning finns också möjlighet att välja starkare stål, draghållfasthet upp till 700 N/m2 täcks av nuvarande svenska byggregler och europastandarder (det finns mycket starkare stål än så). Det ger en stålvikt på cirka 1,75 kg/m, det vill säga 50% lättare än motsvarande konstruktion i limträ.

Vän av ordning kan nu påpeka att GL30c är upp till 25% starkare i tryck än i drag och mer än 50% starkare i böjning. Dessutom är det ju i huvudsak tryck- och böjbelastningar som husstommar utsätts för, så jämförelsen med dragbelastning är därför ointressant och missvisande!Stålkonstruktion

Jämförelse av vikt med hänsyn tagen till materialens styrka – tryckbelastning, pelare.

Dimensionerande tryckhållfasthet för GL30c är 15,7 N/mm2 (inomhuskonstruktion utsatt för belastningar med medellång varaktighet). Även stålet är något starkare i tryck än i drag och den dimensionerande bärförmåga i tryck för S355 är 355 N/mm2. Skillnaden i bärförmåga har inget med materialet i sig att göra, utan den beror endast på att man vid drag räknar ner bärförmågan på grund av att en större säkerhet önskas mot dragbrott).

En ren jämförelse mellan materialen utan hänsyn tagen till instabilitetsfenomen ger då på motsvarande sätt som för jämförelsen vid ren dragbelastning ovan att stål även vid denna jämförelse är cirka 19% lättare än trä. Observera att även i detta exempel skulle man kunna använda ett stål med bärförmågan 700 N/m2.

För pelare får man dock sällan rena tryckbrott utan det är nästan alltid något instabilitetsfenomen, normalt böjknäckning, som är dimensionerande. Vid en jämförelse mellan de olika tvärsnitten, 100×100 mm GL30c och 21×21 mm S355 och en pelarlängd på 3 meter så skulle stålpelaren gå till brott långt innan limträpelaren. Men, eftersom stål är formbart görs stålpelare inte massiva utan tvärsnittet formas så att materialets bärförmåga utnyttjas i så hög grad som möjligt. För större belastningar där relativt tjockt material behövs används normalt rör medan man för mindre belastningar använder öppna kallformade profiler av tunnplåt, mindre än 3 mm tjock plåt. I tabell 1 nedan har största tillåten last för limträpelare tagits från Limträ – Dimensioneringstabeller framtagen av Skogsindustrierna tillsammans med bygg- och trävaruhandeln. Värden för stålets bärförmåga har tagits från Konstruktionstabeller rör – balk – stång, framtagen av SSAB-företaget Tibnor.

Tabell 1:
Viktjämförelse limträ- och stålpelare

Av tabellen kan utläsas att för den lägre lasten så så skiljer 7 % i vikt till fördel för limträ, medan stål är 40 % lättare för den större lasten. För den lägre lasten skulle ett kallformat tvärsnitt av tunnplåt förmodligen gett betydligt lägre vikt.

Jämförelse av vikt med hänsyn tagen till materialens styrka – böjbelastning, balkar.

För att bära stora transversallaster används normalt stålbalkar med ett tvärsnitt i form av ett stort I. Vid mindre laster används precis som för pelare öppna kallformade profiler i tunnplåt. Limträbalkar har normalt ett rektangulärt tvärsnitt. Under förutsättning att balkarna är vippningsförhindrade beräknas bärförmågan vid böjning som dimensionerande böjhållfastheten multiplicerat med böjmotståndet. I Tabell 2 nedan jämförs ett antal olika tvärsnitt, deras bärförmåga och vikt.

Tabell 2:
Tabell 2: Viktjämförelse av limträ- och stålbalkar

Från tabell 2 kan utläsas att vikten för valsade standardtvärsnitt i stål är ungefär samma som för limträ med motsvarande bärförmåga för böjning. Att stålbalkarna inte blir lättare beror på att konstruktionshöjden är låg i förhållande till limträbalkarna. Ofta är det en fördel att hålla nere bjälklagshöjden då många detaljplaner har begränsningar i högsta höjd, men om det inte är ett problem och vikten är högsta prioritet kan för låga laster kallformade balkar av tunnplåt väljas istället.

Slutsats

Vid en jämförelse av limträ GU30c med valsade standardprofiler i stål så är stål betydligt lättare vid tryck- och dragbelastningar. Vid böjbelastning är vikten likvärdig vid jämförelse med valsade standardprofiler. Med stål ges dock en betydelsefull höjdbesparing, alternativt eventuell möjlighet till viktbesparing vid användning av kallformade tunnplåtsprofiler istället för valsade standardprofiler. En jämförelse mellan kallformade tunnlåtsprofiler och trä med fokus på vikt kommer inom kort.

/ Björn Uppfeldt

Förbundsdirektör MVR

By | 2017-08-18T11:02:04+00:00 May 30th, 2017|Regelverk, Teknik|