Slanka takbärverk – Ras, erfarenhetsåterföring och enkätstudie

Under de snörika vintrarna 2009/10 och 2010/11 rasade fler än 180 tak i Sverige. Snölasterna under dessa vintrar var högre än vanligt i de områden rasen skedde men de normföreskrivna snölasterna, det vill säga de lasterna taken borde ha varit dimensionerade för, överskreds inte i en generell mening. Detta indikerar grova fel i konstruktionerna som primära rasorsaker – fel som kan ha begåtts redan på ritbordet eller fel som uppstått på grund av misstag som skett i ett senare skede under produktionen.

Det bör emellertid nämnas att många av de rasade taken, cirka 30 procent, var av enklare typ, till exempel lantbruks-byggnader, som inte nödvändigtvis varit dimensionerade enligt gällande regelverk. Majoriteten av taken som rasade var flacka och av materialen stål respektive trä. Mer om rasen finns att läsa i en rapport av SP, LTH och Skanska [1].
Händelserna under vintrarna beskrivna ovan är inte unika, många takras har skett också under andra snörika vintrar. Under vintern 1976/77 rasade fler än 86 tak i Sverige (i samma områden som under 2009/10 och 2010/11), vintern 2006/07 rasade fler än 50 tak i Österrike, Polen och Tyskland och under vintern 2008/09 rasade fler än 105 takkonstruktioner i USA (Spokane, Washington). Gemensamt för alla dessa vintrar och vintrarna beskrivna tidigare, är att snölasterna i generell mening inte överskred de normföreskrivna lasterna. Det är också samma typer av rasorsaker som är återkommande, vilket indikerar bristfällig erfarenhetsåterföring.

Figur 1: Den böjda pyramiden i Dashhur.

Orsaker

Vanliga rasorsaker hos slanka tak under snörika vintrar är instabilitet, oftast orsakad av bristfällig stagning, och brott i förband. Även rena materialbrott såsom böj- och skjuvbrott förekommer. Under vintern 1976/77, för att nämna exempel från en av vintrarna, så var det cirka 20 fall av ras orsakade av instabilitet och cirka 12 ras orsakade av brott i förband. Fördjupad läsning om olika ras finns i en rapport från Lunds tekniska högskola [2].
Historiskt sett har lärdomar från byggnadskollapser varit viktiga för att föra kunskapen om konstruktionsteknik och dimensioneringsprinciper framåt och ett antal intressanta exempel med tusenåriga perspektiv kan nämnas enligt följande. Det finns indikationer på att principer om försök och misslyckande ligger bakom lutningen på Egyptiska pyramider; till exempel pyramiden i Dashhur som troligen inte var tänkt att vara byggd med två lutningar på sidorna utan snarare ha den brantare lutningen hela vägen upp till toppen, vilket inte var möjligt på grund av bärighetsmässiga skäl, se figur 1. Utförandet och dimensionerna vid valvslagning i medeltida katedraler och liknande konstruktioner i Europa lär ha varit resultat av experimenterande i full skala. Hundratals ras av järnvägsbroar under 1800-talet har varit en viktig källa för utvecklandet av moderna dimensioneringsprinciper. Ett mer nutida exempel är raset av World Trade Center år 2001 som har lett till utökad forskning inom robusthet och fortskridande ras. Mer intressant läsning om betydelsen av ras kan fås i en bok av ingenjör Henry Petroski [3].
Onekligen är det alltså viktigt att dra lärdom av tidigare erfarenheter för att undvika att liknande fel upprepas och för att förbättra dimensioneringsprinciper. Detaljerad information om olika ras och andra problem som uppkommer under byggnation bör därför göras tillgänglig för att kunna användas av ingenjörer vid framtagande av nya byggnader – ett förfaringssätt som dessvärre inte verkar ha tillämpats på ett tillfredställande sätt efter omnämnda takras. Informationsutbyte av denna typ begränsas dock dessvärre, å andra sidan, ofta på grund av försäkringsvillkor och/eller en rädsla för att få dåligt rykte när ett fel har begåtts.

Figur 2: Taksystem som stabiliseras med vindfackverk och åsar. Exempel som användes för att fråga deltagarna om lämpligt val av vippningslängd för huvudbärverket.

 Osäkerheter

Det är allmänt känt att konstruktörer behöver hantera många osäkra parametrar, det vill säga göra ingenjörsmässiga antaganden, eller rentav subjektiva val, för att kunna dimensionera en byggnad. Detta gällde uppenbarligen förr när man använde sig av enklare modeller anpassade för handberäkningar. Mindre känt är att man även idag vid användning av moderna modelleringstekniker, baserade på till exempel finita elementmetoden, också behöver specificera en mängd mer eller mindre osäkra parametrar. Emellertid så gör kommersiella program av denna typ ofta en hel del val automatiskt vilket kan leda till att användaren inte alltid i detalj behöver reflektera över alla bakomliggande antaganden. Exempel på osäkra parametrar vid modellering av slanka tak är stagningsstyvheter (infästningar och så vidare), olika potentiella knäckningsmoder, randvillkor och geometriska imperfektioner.
Hanteringen av de osäkerheter som råder vid dimensionering av slanka tak, och även andra konstruktioner, förbättras sannolikt inte av den process som ofta tillämpas i projekteringen av en byggnad i Sverige. Bara på konstruktörssidan är det vanligen flera inblandade discipliner i ett projekt, nämligen grundkonstruktör och stomkonstruktör och i vissa fall även olika konstruktörer för olika delar av överbyggnaden (såsom för till exempel takskivan och primärbärveket). Det är uppenbart att det krävs god samordning mellan dessa aktörer för adekvat utförande.

Figur 3: Kontinuerliga takbalkar som under-stöds av pendelpelare. Exempel som användes för att bland annat be deltagarna föreslå ett stabiliseringssystem. I detta fall behövs stabilisering både i och ut ur planet.

Enkätstudie riktad till erfarna konstruktörer

Känt från tidigare rasutredningar och andra typer av relaterade studier är alltså att många nutida byggnadskollapser i grund och botten är orsakade av mänskliga fel, det vill säga misstag eller försumlighet, snarare än brist på teknisk kunskap i en allmän mening: Det vill säga fel som borde ha upptäckts vid grundlig granskning. Vidare så vet vi enligt beskrivningarna ovan att det finns brister i erfarenhetsåterföring i byggbranschen eftersom likande takras skett upprepat vid olika vintrar. Vi vet också att man vid dimensionering av byggnads-verk hanterar en mängd osäkerheter och ingenjörsmässiga antaganden (ibland subjektiva val), även om det inte finns några belägg för att det är just dessa som leder till ras. Varför dessa mänskliga fel uppstår är emellertid öppet för spekulation, men ett möjligt sätt att bilda sig en bättre uppfattning om problemen är att vända sig till erfarna konstruktörer och på ett systematiskt sätt samla in deras kunskap och erfarenhet i ämnet.
Så, för att utreda hur slanka tak hanteras vid dimensionering/projektering i praktiken och identifiera potentiella felkällor utfördes en enkätstudie riktad till erfarna byggnadskonstruktörer. Studien fokuserade på konstruktörernas dimensioneringsantaganden avseende slanka takkonstruktioner men innehöll också en mer generell del om konstruktörsyrket i allmänhet och projekteringsprocessen. Konstruktörerna som deltog i studien var verksamma i 6 olika länder, nämligen Sverige, Norge, Polen, England, Italien och Iran. Deras genomsnittliga (relevanta) arbetslivserfarenhet var vid tidpunkten för studien 20 år. Totalt deltog 17 konstruktörer i studien. Resultatet från studien sammanfattas nedan.
Enligt resultaten från enkätstudien tror många verksamma konstruktörer att undermåliga konstruktioner till stor del är resultatet av bristfälliga konstruktionsberäkningar. De tror också att mer granskning och förbättrad kommunikation i dimensioneringsprocessen skulle möjliggöra ökad säkerhet hos slanka konstruktioner. Detta stödjer tesen att många inblandade discipliner i ett projekt är ett potentiellt problem i praktiken.

Figur 4: Ramkonstruk-tion som är stabil i sitt eget plan. Exempel som bland annat användes för att be deltagarna föreslå ett stabiliseringssystem. I detta fall behövs bara stabilisering ut ur planet.

Andra intressanta resultat från den generella delen av studien indikerar att många konstruktörer efterfrågar bättre byggnadsnormer för att erhålla säkrare takkonstruktioner. Det framgår inte av svaren exakt hur byggnadsnormerna (förmodat Eurocodes) bör förbättras, men en förenkling av dimensioneringsreglerna är en möjlig tolkning. Vidare så indikerar studien att viktiga egenskaper för att vara en framgångsrik konstruktör är att vara social och att ha ett holistiskt synsätt snarare än att vara en ensidigt duktig analytiker. Förmodligen så är det återigen samspelet med övriga inblandade i ett projekt som ses som överordnat viktigt.
I den mer specifika delen av enkätstudien bads deltagarna ta ställning till konkreta konstruktionslösningar och även föreslå stabiliseringssystem för några mycket vanliga stomsystem, se figur 3 och figur 4. Majoriteten av deltagarna svarade mycket bra och motiverade sina svar väl på de specifika frågorna. Dock så var det en liten varierande andel av deltagarna om cirka 10–20 procent vars svar inte var helt betryggande. Några av deltagarna gjorde ett osäkert val av vippningslängden (mycket kort vippningslängd) hos en stagad takbalk (L1 i figur 2). Ett val som potentiellt skulle spara material, men fel val av vippningslängd vid dimensionering kan leda till reducerad säkerhet; det vill säga risk för ras på grund av överskattad bärförmåga. Vidare så specificerade några av deltagarna system som var statiskt instabila. Till exempel så föreskrevs ingen i stabilisering i primärbärverkets plan i exemplet i figur 3, och i exemplet i figur 4 föreskrevs bara stabilisering i primärbärverkets plan trots att denna konstruktionstyp (en treledsram) per definition är stabil i sig själv i denna riktning. Studien visar alltså att även mycket erfarna konstruktörer kan begå grova misstag. Det ska däremot understrykas att resultatet av studien inte förtäljer hur stor andel av dessa fel som skulle ha uppdagats och rättats till i ett verkligt fall.
Resultatet från den specifika delen av enkätstudien, beskrivet ovan, bekräftar slutsatser från tidigare studier [4] av likartad karaktär. Det vill säga att det finns en tydlig diskrepans mellan olika konstruktörers arbete. Mer om enkätstudien kan läsas i en artikel publicerad i den vetenskapliga tidskriften Structures [5].

Minska risken för allvarliga fel

För att minimera risken för grova konstruktionsfel som inte upptäcks kan följande rekommendationer ges:
• tillse att minst en av konstruktörerna i ett projekt har ett holistiskt synsätt och adekvat erfarenhet avseende konstruktionstypen ifråga, denna konstruktör har förslagsvis också rollen som samordnande konstruktör i projektet,
• säkerställ att kommunikationen i projektet sköts tillfredställande och att alla discipliner har korrekt indata, det vill säga är samordnade,
•säkerställ att det finns tillräckligt med tid och budget i projekten för grundlig dimensioneringskontroll (helst av oberoende part).

Läs mer:
www.sbuf.se/ – Projekt 13169

Referenser
[1] Johansson, C.J., Lidgren, C., Nilsson, C & Crocetti, R. Takras vintrarna 2009/2010 och 2010/2011 – orsaker och förslag till åtgärd. SP Rapport 2011:32.
[2] Frühwald, E., Serrano, E., Toratti, T., Emilsson, A. & Thelandersson, S. Design of safe timber structures – How can we learn from structural failures in concrete, steel and timber. Konstruktionsteknik, LTH, 2007.
[3]. Petroski, H. To engineer is human: The role of failure in successful design. St. Martins’s press New York, 1985.
[4] Fröderberg, M. The human factor in structural engineering: a source of uncertainty and reduced structural safety.
[5] Klasson, A., Björnsson, I, Crocetti, R. & Frühwald Hansson, E. Slender roof structures – Failure reviews and a qualitative survey of experienced structural engineers. Structures 2018.

Artikelförfattare
Anders Klasson, Skanska
Roberto Crocetti, KTH

Artikeln är publicerad i Bygg & teknik 4/19