Figur 1: Flervåningshus i trä, Strandstaden i Sundbyberg, Stockholm. Foto: Petra Bindel, Arvet.
Artikelförfattare Peter Persson, LTH, Anne Landin, LTH och Peter Folkow, Chalmers
Strävan efter ett hållbart byggande med miljövänliga material har bidragit till ett ökat intresse för trämaterial. Samtidigt förtätas städerna alltmer och mark nära kollektivtrafik behöver tas i anspråk. Eftersom lätta konstruktioner kan vara känsliga för vibrationer finns risk för att husen som byggs inte tillfredsställer kraven på en god inomhusmiljö med avseende på buller och vibrationer. Om det går att beräkna och förutsäga buller och vibrationsnivåer tidigt i designprocessen så finns det goda möjligheter att hitta tekniska lösningar som fungerar. Problemet idag är att beräkningsmodellerna är alltför komplicerade och kräver specialistkompetens. Vår ambition är att utveckla en användarvänlig, effektiv och rimligt säker modell för att prediktera vibrationer i lätta trähus nära spårbunden trafik.
I våra städer runt om i världen sker en befolkningsökning, vilket i kombination med begränsad tillgänglig markyta leder till förtätning av befintliga urbana områden.
Parallellt med denna förtätning har två konstruktionstrender fått spridning. Den ena trenden är byggande med lättare stommar, där längre spännvidder och lättare material, såsom trä, ofta används. I figur 1 visas ett exempel på ett flervåningshus i trä. Den andra trenden är ökad användning av prefabricerade byggnadsdelar, till exempel korslimmat (KL) trä, eller hela rumsmoduler i trä. Denna utveckling har flera miljömässiga fördelar jämfört med traditionella byggnadssätt. Dock leder båda designtrenderna till byggnader som kan vara mer känsliga för vibrationer än traditionella tyngre konstruktioner baserade på huvudsakligen stål och betong. Träbyggnader är dessutom svåra att analysera på grund av den naturliga variationen i materialegenskaperna och på grund av många och komplexa anslutningar mellan byggnadsdelar.
Figur 2: Möjlighet till att påverka utformningen av byggnaden (designfrihet) minskar över tid, samtidigt som designkunskapen ökar.
Utmaningen
I städer finns ofta outnyttjad mark nära kollektivtrafikstråk som är svår att bebygga på grund av att problemen med buller och vibrationer inte gått att lösa. Speciellt gäller detta vibrationer från spårtrafik som sprids genom marken och grundläggningen och in i byggnaden. Förutom att vibrationer kan vara störande i sig, kan de generera buller som kan vara hälsovådligt för de boende.
Utmaningen att kunna förutsäga vibrationsnivåer, antingen i designstadiet för nya strukturer, eller vid bedömning av vibrations- och bullernivåer på befintliga platser, är mångfasetterad. Noggrann prediktion kräver beräkningsmodeller med hög tillförlitlighet av komplexa och interagerande system. Mer specifikt måste en modell ta hänsyn till inverkan av vibrationskällan (till exempel tåg), mediet genom vilket vibrationsinducerade vågor sprider sig (mark, grundläggning, etc.), byggnaden (inte bara dess bärande stomme, utan också ickebärande komponenter såsom innerväggar), interaktionen mellan grundläggning och mark samt mellan byggnad och grundläggning.
Men, alltför komplicerade modeller är förknippade med långa beräkningstider och svårigheter när det gäller både an-vändning och kalibrering. Trots att det är tekniskt genomförbart så är detaljerade beräkningsmodeller kostsamma att utveckla och ofta opraktiska att användas av byggindustrin. Även om en sådan modell skulle utvecklas som omfattar flera fastigheter i närheten av en vibrationskälla, så skulle osäkerheter kring materialegenskaper, markförhållanden, laster etc. kraftigt försvåra prediktioner av god noggrannhet.
Det är i tidiga designskeden som de största möjligheterna finns för att kunna påverka utformningen av, exempelvis, nybyggnationen av ett hus eller spårtrafik. I figur 2 visas hur designfriheten är stor i tidiga skeden och hur den minskar över tid, samtidigt som kunskapen om den slutgiltiga designen är låg i de tidiga skedena och ökar över tid.
Figur 3: Exempel på visualisering av hastighetsrespons av ett träbjälklag vid 135 Hz. Beräkningarna är utförda med en modell som hanterar variation i träbalkarnas materialegenskaper.
För att komma runt nackdelarna med komplicerade beräkningsmodeller behöver modeller med en rimlig avvägning mellan noggrannhet, effektivitet och användarvänlighet utvecklas. I figur 3 visas en visualisering av hastighetsrespons av ett träbjälklag utförd med en sådan modell. Dessa modeller kan användas i byggprojekt som påverkas av vibrationer och buller för att kunna underlätta informerat och snabbt beslutsfattande. Detta kan i förlängningen resultera i tystare och mer hållbara städer såväl som öka konkurrenskraften för lätta flervåningshus av trä.
Forskningsprojekt
I det fyraåriga Vinnova-finansierade forskningsprojektet Wooden Buildings in Silent Sustainable Cities utvecklar vi metoder för att prediktera vibrationer och buller i förtätade städer, vilket möjliggör snabba och välgrundade beslut i byggprojekt. Vi arbetar också med kunskapsöverföring mellan forskarsamhället och byggbranschen för att kunna implementera de nya metoderna på ett tillförlitligt sätt och följaktligen underlätta branschens användning av dem.
Vår hypotes är att beslutsfattande baserat på relevant information kan uppnås genom utveckling och användning av en prediktionsmetodik som har en adekvat avvägning mellan noggrannhet, effektivitet och användarvänlighet. En modell kan endast vara värdeskapande för beslutskedjan om den är enkel och snabb nog att användas och om den är tillräckligt tillförlitlig för att ge relevant information. En sådan metod behöver möta nedan ställda krav:
• vara enkel att använda och tillåta analys från tidigt designskede till detaljerade konstruktionsberäkningar.
• baseras på mängden och kvaliteten på indata som är tillgänglig för beslutsfattarna till en låg kostnad; till exempel data tillgänglig från en ordinär geoteknisk undersökning.
• omfatta kvantitativ information om osäkerheter relaterade till prediktionen av vibrations- och bullernivåer.
• vara beräkningseffektiv, utan att göra avkall på viktiga fysikaliska fenomen såsom vågutbredning i mark och dynamisk beteende hos byggnadsdelar.
Projektmålet är att tillhandahålla och implementera beräkningsbaserade metoder för byggindustrin. De kan användas som beslutsstöd vid design av lätta konstruktioner i den byggda miljön med speciellt fokus på stadsområden med träbyggnader nära spårtrafik.
Samhällsnytta
För att kunna fokusera på effektiv och miljövänlig transport i tätbebyggda städer byggs bostäder och kontor nära ett nav i ett kollektivtrafiknätverk. EU-kommissionen påpekar att effektiv transport är nödvändig för att minska trängsel i trafiken och utsläpp av växthusgaser, samtidigt som den ger ökad sysselsättning och ekonomisk tillväxt [1]. Dessutom kan infrastruktur som värme- och kraftförsörjning eller sanitetssystem göras mer effektivt när fler människor bor på en mindre yta. Därmed kan förtätade städer leda till mer hållbara samhällen – såväl miljömässigt som ekonomiskt och socialt.
Att bygga bostäder och kontorsbyggnader med trä som det primära stommaterialet ökar ytterligare de ovan beskrivna positiva effekterna. Moderna trähus byggs ofta med en hög grad av prefabricering som ger kortare byggtider vilket är relevant i tät bebyggelse. Detta eftersom buller- och vibrationsstörningar för boende och företag i närheten av byggandet då minskas. Eftersom trä är ett lätt byggmaterial, kan utsläppen från transporter ytterligare minskas. Tillsammans med hållbart skogsbruk och effektiva produktions- och konstruktionstekniker ger träbyggnader möjligheter till en betydande minskning av utsläpp av växthusgaser från byggsektorn.
FN definierar hållbar utveckling som [2], ”… utveckling som uppfyller dagens behov utan att kompromissa med framtida generationers förmåga att tillgodose sina egna behov ”. Samtidigt påpekar WHO att nästan varje tredje person i Europa är skadligt påverkad av buller som genereras av trafik, och en av fem européer är regelbundet utsatt för ljudnivåer som i hög grad kan skada deras hälsa [3]. Dessutom, trenden är att antalet personer som utsätts för sådana nivåer ökar [4]. Hälsa definieras av WHO som ”… ett tillstånd av komplett fysiskt, mentalt och socialt välbefinnande och inte bara frånvaron av sjukdom” [5]. Exponering för störande vibrationer och buller kan orsaka till exempel stress, sömnstörningar, kognitiv nedsättning och hjärtsjukdomar. Dessutom anför FN i [2] att hållbar utveckling kan begränsas av den teknik som finns tillgänglig idag. Buller och vibrationer är inte bara en hälsokostnad; det är också en ekonomisk kostnad för vårt samhälle. Kostnaden inom EU uppskattas till att uppgå till 400 miljarder kronor per år [1]. I Sverige kan samhällskostnaderna nå 5 miljarder kronor per år [6].
Ovan nämnda omständigheter, nödvändigheten av förtätning och användning av mark nära kollektivtrafik å ena sidan och hälsoproblem som orsakas av buller och vibrationer på den andra sidan kolliderar. Denna kollision av hållbarhetsmål pekar på behovet av bättre verktyg i byggprocessen för att hantera buller- och vibrationsproblem som i sin tur kan möjliggöra önskad förtätning.
Breda samarbeten
För att möta utmaningarna är det viktigt med samverkan mellan akademi, industri och samhälle kring de ökande vibrations- och bullerutmaningarna i våra ständigt förtätande städer. Forskningen inom projektet involverar flera teknikområden – främst relaterade till akustik, dynamik, byggnadsmekanik samt geoteknik. En avgörande del är att implementera de innovativa verktygen i designprocessen. Detta kräver expertkunskap inom byggproduktion med fokus på intressenthantering och kunskapsöverföring.
Inom projektet har vi bildat en intressentgrupp med nationella experter inom området, exempelvis: Alf Ekdahl, Trafikverket; Dag Glebe, RISE; Ida Edskär, Lindbäcks bygg; Alexandra Adriani, LINK arkitektur; Jan Nordh, Sweco; Mattias Carlsson, AFRY; och Sandra Frank, Arvet. För att säkerställa att vår forskning når en hög internationell nivå har vi en referensgrupp inom akademin bestående av: professor Lars V Andersen, Aarhus universitet, Danmark; docent Andrew Peplow, Zayed University, UAE; och professor Loukas Kallivokas, The University of Texas at Austin, USA.
Pågående forskning
Våra tidigare och pågående insatser inom forskningsområdet har medfört ett antal intressanta resultat. Här visas ett urval av de studier som resulterat i särskilt viktiga slutsatser för lätta trähus i tätbebyggda städer:
• Trä har en stor spridning i sina materialparametrar i jämförelse med stål och betong. Variationen i mate-rialparametrar är så pass stor så att man behöver ta hänsyn till den om man ska tillförlitligt prediktera hur vibrationer fortplantar sig i ett träbjälklag. Det är visat hur man på ett beräkningseffektivt sätt kan ta hänsyn till spridningen i träbalkars materialegenskaper, samt även inverkan av variationen hos spånskivors materialegenskaper [8].
• Även om ett flervåningshus i trä har lägre massa i jämförelse med ett traditionellt byggd hus av betong och stål, är trähuset inte nödvändigtvis mer känsligt för markvibrationer. Det som är avgörande är om egenfrekvenserna för bjälklagen i byggnaden sammanfaller med markens resonans-frekvenser eller ej [9].
• Bjälklag av trä kan göras mycket lätta i jämförelse med betongbjälklag. För träbjälklagen är det extra viktigt att genomföra en dynamisk analys för kontroll av komfortvibrationer. Typen av möbler, var de är placerade och hur höga de är, kan spela stor roll för lätta trägolvs dynamiska respons [10].
• Ett sätt att kraftigt förenkla datormodeller av lätta strukturer som innesluter luft är att utveckla prediktionsmått som kan användas i tidiga designskeden. Detta är demonstrerat för en fordonskaross [11]; dock är vår hypotes att det även är användbart för byggnadsstrukturer i trä, vilka delar många likheter med en fordonskaross vid prediktion av strukturburna vibrationer. Vi använder ett prediktionsmått som ger oss möjligheten att undvika att modellera inneslutande luft och ändå kunna förutsäga inverkan av strukturella förändringar på vibrationsprestandan.
• I en undersökning visas att innovativa lösningar i nya byggdelskomponenter har svårt att på ett rättvist sätt konkurrera med etablerade lösningar eftersom informationsflödet i de digitala plattformarna inte säkerställer att den information som presenteras för respektive komponent är jämförbar med liknande komponenter [12]. Detta kan exempelvis innebära att trä som byggmaterial inte får samma förutsättningar som stål och betong.
Möjligheter
Våra forskningsresultat pekar på att det är möjligt att utveckla beräkningsmodeller som ger snabba beräkningstider men ändå resultat som är värdefulla för att kunna fatta välinformerade beslut. Beräkningsmodellerna kan anpassas för att dels ge snabba resultat för tidiga skeden, och dels vara lämpliga för mer detaljerade konstruktionsberäkningar för att nå en optimerad byggnadsstruktur.
Referenser
[1] European Commission: White paper on transportation: Roadmap to a single European transport area – towards a competitive and re-source efficient transport. European Union, 2011. [2] United Nations. Report of the World Commission on Environment and Development: Our Common Future, 1987.
[3] World Health Organization. www.euro.who.int/en/health-topics/environment-and-health/noise/noise. [4] Socialstyrelsen. Miljöhälsorapport, Socialstyrelsen, 2009.
[5] World Health Organization, Preamble to the Constitution of the World Health Organization as adopted by the International Health Conference, 2016. [6] Trafikverket. Kapitel 10 Buller i Samhällsekonomiska principer och kalkylvärden för transportsektorn: ASEK 5, Trafikverket, Bor-länge, 2012.
[7] Persson P, Flodén O. (2019) Effect of material parameter variability on vibroacoustic response in wood floors. Applied Acoustics 146:38–49.
[8] Lim HU, Manuel L., Persson P, Andersen LV. A surrogate model to describe uncertainties in wood floor modal frequencies. Proceedings of the 7th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation, 121–126, Cape Town, South Africa, 2019. [9] Persson P, Andersen LV. Efficient finite-element analysis of the influence of structural modifications on traffic-induced building vibrations. Proceedings of Numerical methods in geotechnical engineering IX 2, 1557–1564, 2018. [10] Andersen LV, Frier C, Pedersen L, Persson P. Influence of furniture on the modal properties of wooden floors. Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series, 197–204, 2020. [11] Persson P, Flodén O, Pedersen B. Predicting vibroacoustic performance of thin-walled lightweight structures during conceptual design. Finite Elements in Analysis and Design 169:103342, 2020.
[12] Bahrami S, Atkin B, Landin A. Enabling the diffusion of sustainable product innovations in BIM library platforms. Journal of Innovation Management 7(4):106–130, 2019.
Forskningsprojekt
Inom projektet Wooden Buildings in Silent Sustainable Cities arbetar vi med utveckling av beräkningsmetoder för prediktion av buller och vibrationer i träbyggnader nära spårtrafik samt med kunskapsöverföring och implementering av dessa metoder för användning i byggindustrin. Detta möjliggör snabbt och välgrundat beslutsfattande i byggprojekt. Potentiella tillämpningar omfattar till exempel nya sträckningar av spårväg i befintliga stadsområden och/eller nya träbyggnader nära befintliga spårvägslinjer.
