Ämnesområdet betongbyggnad avser bärförmåga, stabilitet och funktion hos betongkonstruktioner och omfattar analys, dimensionering och konstruktiv utformning. Nuvarande forskning är främst inriktad på brottmekaniska tillämpningar på betongkonstruktioner, betongelementkonstruktioner, konstruktioner av höghållfast betong samt samverkanskonstruktioner.
Betongkonstruktioner är den dominerande konstruktionstypen vad gäller byggnads- och anläggningskonstruktioner. Prestanda för de ingående delmaterialen och kunskapen om dessa utvecklas kraftigt. Idag används ofta betong med väsentligt högre hållfasthet än vad som var vanligt för några år sedan. I speciella tillämpningar kan nu också extremt högpresterande betong användas. Utvecklingen har dock inneburit att nya typer av brottfenomen blir aktuella. Ett exempel på detta är att den höghållfasta betongen är tätare än normalbetongen och därmed sprödare. Detta gör t ex att sprickbildningen vid brott blir annorlunda. I takt med materialteknikutvecklingen, men också genom hela samhällets utveckling, har användningsområdet för betong och betongkonstruktioner ökat kraftigt. Nya tillämpningsområden och miljöer för betongkonstruktioner är nu aktuella, för vilka dock kunskap och erfarenhetsunderlag i flera fall saknas.
Byggeriet har av tradition relativt mycket av hantverk i sig. I byggbranschens fn djupa lågkonjuktur pågår dock en smärtsam förändringsprocess. Efter denna kris måste byggbranschen sannolikt anpassa sig till att verka på en mer avreglerad marknad där större vikt än i dag läggs på att uppfylla brukarens funktionella krav, men också på en marknad med större internationell konkurrens. Detta kommer att öka den ”tekniska friheten” och kreativiteten, men också framtvinga en ökad effektivisering av byggprocessen bla genom en ökad grad av industrialisering. Industrialiseringen av byggprocessen med större effektivitet och längre produktionsserier medför bla större krav på exakthet och förutsägbarhet i konstruktionsprocessen och kräver en motsvarande utveckling av analys- och dimensioneringsmetoder, konstruktionspraxis, byggregler etc.
Forskningsinriktning
Forskningen i betongbyggnad omfattar i huvudsak följande moment:
- Utveckla betongkonstruktioner/konstruktionstekniken med nya material- och materialkombinationer samt i nya tillämpningar och miljöer.
- Utveckla robusta datorbaserade olinjära analysmetoder för betongkonstruktioner, byggda på internationell plattform, för användning både i forskning och industri.
- Tillämpa dessa verktyg i kombination med experiment för djupare förståelse för mekaniskt verkningssätt.
- Använda denna djupare förståelse för att förbättra och modernisera befintliga analytiska dimensioneringsmetoder samt medverka, tex med förfinad säkerhetsfilosofi, i implementeringen av dessa i föreskrifter och dimensioneringsstandarder.
Analys- och modelleringstekniken baseras främst på numeriska beräkningar med olinjär finit elementteknik. Modellerna tillämpas på utvalda kroppar för säker intrimning mot verkligheten genom experiment i laboratorium. Här avses såväl mindre försök, där grundläggande egenskaper kan bestämmas, som större stickprovsmässiga verifierande försök. För ett tillämpat ämne är detta en mycket viktig del. Det generella angreppssättet med FEM-metodik innebär således att godtyckliga konstruktioner senare kan analyseras. Strävan är också att i så stor utsträckning som möjligt bygga på kommersiellt tillgängliga datorprogram. Detta är ett utmärkt sätt att både nationellt och internationellt addera ny kunskap till befintlig på ett helt integrerat sätt. Det innebär också unik möjlighet till spridning av forskningsresultaten och att direkt praktisk användning av forskningsresultaten och den tekniska utvecklingen möjliggörs!
Figur 1. Belastad betongskiva med sprickbildning. Den numeriska analysen är utförd med en nyutvecklad materialmodell för betong och olinjär finit elementmetod.
Vi arbetar med att utveckla nya och mer robusta materialmodeller för betong och vidhäftning mellan armering och betong. Modellerna implementeras i finita elementprogram och verifieras med experiment. Dessa verktyg ger en generell metod att studera olika brottfenomen i godtyckliga kroppar. Figur 1 visar en betongskiva som belastats till kraftig sprickbildning. Analysen är utförd med ett kommersiellt finit elementprogram i vilken en nyutvecklad materialmodell för betong implementerats. Modellen beskriver främst dragbrottet i betong och är av sk ”inbäddad sprickmodell-typ”, i vilken godtycklig sprickbildning inom ett element kan simuleras. Detta arbete har utförts i nära samarbete med byggnadsmekanik på Chalmers.
Bjälklag till kontorshus byggs mycket ofta i med s k håldäckselement. Dessa tillverkas på fabrik i betong med förespänd armering, dvs armering i långa längder spänns upp med en viss kraft, varefter betongen fylls på och får härda innan avspänning av armeringen sker. Längderna kapas sedan till plattor i önskade längder. Vid denna kapning dras den också kapade spännarmeringen in i betongen en liten bit, sväller lite på grund av att förspänningen i änden försvinner, och kan på så sätt orsaka sprickbildning. Vår uppgift var att för både nordiska och europeiska intressenter undersöka vådan av denna sprickbildning, eftersom det befarades att en ur produktionssynpunkt omöjlig tilläggsarmering annars skulle vara nödvändig. Vi byggde en ny materialmodell för att simulera vidhäftningen mellan armering och betong, implementerade denna i ett finit elementprogram, verifierade modellen mot befintliga experiment samt genomförde numeriska finita elementanalyser som visade att betongens seghet räckte till för att ta hand om uppträdande spjälkspänningar, se figur 2.
Figur 2. Bjälklagsplatta i prefabricerad betong. Plattan är analyserad med en nyutvecklad vidhäftningsmodell och olinjär finit elementmetod.
Bärförmåga hos ramhörn till betongkonstruktioner med olika armeringsutformningar är ett annat område där arbete pågår. Här används ”brottmekanik” tillsammans med finit elementanalys och experiment för att få djupare förståelse för mekaniskt verkningssätt och brottprocessen i konstruktionerna. Figur 3 visar en jämförelse mellan resultaten från en olinjär finit elementanalys i dator och experiment i laboratorium.
Figur 3. Olinjär finit elementanalys av en betongram jämförd med motsvarande belastningsprovning i laboratorium.
Framtida betongkonstruktioner
Framtida betongkonstruktioner kommer sannolikt att genomgå ett antal förändringar och utvecklingar. Nya material kommer att ge konstruktionerna bättre prestanda genom ökad hållfasthet, seghet och beständighet. Denna utveckling sker genom de ingående delmaterialen, genom tillsatser, fibrer etc. Även nya kombinationer av betong med olika hållfastheter i samma konstruktion samt med andra material som stål, trä, plast etc kommer att öka.
Nya tekniker kommer att tas i bruk som kommer att påverka konstruktionerna som t ex en utvecklad konstruktionsprocess med IT, CAD/CAE etc. Nya produktionsmetoder, snabbare och effektivare sådana, kommer också att påverka. Kanske kan kombinationer av prefab-platsgjutet utnyttjas mer optimalt, tex genom användning av extremt högpresterande fiberbetong i fogar och anslutningar för homogenisering av prefabkonstruktioner.
Ett antal nya krav kommer att ställas som också starkt kommer att påverka och förändra, tex krav med hänsyn till funktionen för brukaren, materialåtervinning, beständighet och livslängd, miljö etc. Nya tillämpningar kommer också, tex nya typer av broar, anläggningar för energiproduktion och processindustri, underjords- och undervattensbyggande etc. För dessa nya typer av konstruktioner i nya krävande tillämpningar och miljöer saknas ofta nödvändig kunskap och erfarenhetsunderlag.
Fortsatt forskning
Den fortsatta forskningen i betongbyggnad avser utveckling av robusta datorbaserade icke-linjära analysmetoder för bärförmågan hos betongkonstruktioner, tillämpning av dessa verktyg i kombination med experiment för djupare förståelse för mekaniskt verkningssätt samt utveckling av betongkonstruktioner med nya material- och materialkombinationer och i nya tillämpningar och miljöer. Av stor vikt är att verksamheten bedrivs med både djup och bredd, med metodinriktad och problemlösningsorienterad forskning och undervisning. Ämnets centrala placering gör oss dessutom till en naturlig spelförare för en bredare forskning och utveckling både inom högskolan och inom byggverksamheten i övrigt. En kraftsamling inom Sverige behövs för en konkurrenskraftig verksamhet och utveckling i en mycket större internationell omgivning. Av största vikt är således en stark omvärldsförankring både i det nationella och i det internationella perspektivet.
(Texten publicerades 1996 i skriften Ny kunskap.)