Development of prefabricated timber-concrete composite floors

Abstract: Samverkanskonstruktioner i trä och betong utvecklades ursprungligen för broar och uppgradering av träbjälklag, men idag används de även i flervåningshus. Merparten av den forskning som genomförts på dessa konstruktionssystem har fokuserat på fallet när förbindare förmonterats i träbalkarna och en betongplatta sedan gjutits ovanpå. I den här avhandlingen presenteras ett nytt sätt att tillverka samverkanskonstruktioner där förbindarna gjuts in i betongplattan och träbalkarna monteras efter att betongplattan härdat.
En fördel med att prefabricera betongplattan är att betongens krympning utvecklas innan plattan sätts ihop med träbalkarna, vilket starkt reducerar krympningens ökning av nedböjning och böjspänning i samverkanskonstruktionen. En annan fördel är att prefabricering reducerar kostnaderna genom att flytta arbete från byggplats till fabrik. Forskningen i denna avhandling har särskilt fokuserat på att utveckla förband som är enkla att producera och montera för att effektivisera byggprocessen.
Olika typer av förbindare lämpade för prefabricering har undersökts; franska träskruvar (ensamma eller i kombination med ett urtag i träbalken), stålplåtar (limmade eller spikade), dymlingar och spikplåtar som gjutits in i betongplattan. De experimentella testerna har omfattat; (i) skjuvförsök på 7 olika förbandstyper, (ii) böjprov i full skala till brott kompletterat med en numerisk analys och (iii) långtidsförsök i full skala med konstant last kompletterat med numerisk analys. Resultaten av experimenten visar att det är möjligt att åstadkomma goda mekaniska egenskaper för prefabricerade system, särskilt om förbandstypen med franska träskruvar kombinerat med ett urtag i balken används. De mekaniska egenskaperna för de prefabricerade förbanden kan användas i dimensioneringsmetoden i Eurocode 5.
De experimentella och numeriska undersökningarna visar att de nya förbandstyperna är lämpliga för prefabricerade samverkanskonstruktioner och att de har samma prestanda som platsgjutna system. Det är möjligt att nå hög bärförmåga och styvhet (upp till 98% samverkansgrad) med de nya förbanden. Det är också möjligt att tillverka prefabricerade samverkansbjälklag och vissa av dem har också fördelen att de kan demonteras när livslängden nåtts.
De numeriska analyserna visar att i slutet av livslängden (50 år) har prefabricerade system fortfarande goda mekaniska egenskaper. Nedböjningen i mittsnitt ligger inom den accepterade nedböjningen L/250 (Eurocode 5). Från de numeriska analyserna kan man också konstatera att prefabricering resulterar i en reduktion av nedböjningen över tid om betongplattan får härda åtminstone 56 dagar innan den sätts samman med träbalkarna. Produktionsmetoden för bjälklagen (stämpat eller inte) påverkar de platsgjutna systemen mera. Stämpen skall lämnas kvar i minst sju dagar i ett platsgjutet system, medan i ett prefabricerat system kan stämpen tas bort efter en dag, vilket leder till en ekonomisk fördel. Slutligen kan konstateras att långtidsnedböjningen påverkas mycket lite av tiden mellan montage och påförsel av nyttig last.