Höga byggander i betong. En översikt av produktionstekniker

I denna artikel presenterar Anders Lindvall resultaten från SBUF-projektet Produktionsteknik för höga byggnader i betong. Bakgrunden till projek tet är ett ökat intresse för byggnation av höga byggnader i Sverige.

nternationellt har byggnader överstigande 100 m uppförts under lång tid. Fram till slutet av 1800-talet rörde det sig främst om monumentalbyggnader. Det bärande systemet i dessa byggnader bestod av bärande ytterväggar, vilket också begränsade höjden på byggnaderna. Under andra halvan av 1800-talet började en ny typ av höga byggnader uppföras, betecknade ”skyskrapor”, där det bärande systemet bestod av en stomme av betong och stål. Med en bärande stomme gick det att uppföra betydligt högre byggnader än med enbart bärande ytterväggar. I dagsläget finns det minst 4 900 byggnader i världen som har en höjd som överstiger 150 m (enligt The Skyscraper Center). Den högsta byggnaden i Sverige just nu är Turning Torso som är 190 m hög och har 54 våningar.

Fokus i projektet har varit på produktionsteknik för höga byggnader, där speciellt tre områden har studerats:

Materialfrågor, där det under de senaste 40 åren har skett en omfattande utveckling av materialet betong, t.ex. genom användning av moderna tillsatsmedel och tillsatsmaterial. Detta har medfört att allt högre byggnader har kunnat uppföras i betong.

Produktionstekniken på arbetsplatsen. Det har skett en omfattande utveckling inom exempelvis formsystem där moderna formsystem medfört ett allt mer effektivt byggande. Vilken typ av formsystem som används beror exempelvis på utformningen av det bärande systemet och höjden på byggnaden samt valda betongkvaliteter.

Materiallogistik till/från och på arbetsplatsen, som är av stor vikt för att få ett effektivt byggande. Många gånger uppförs höga byggnader i stadskärnor där möjligheterna att lagra material på arbetsplatsen är begränsade vilket gör att planering av materiallogistiken är viktig.

BYGGNATION AV HÖGA BYGGNADER– KORT HISTORIK

En förutsättning för att kunna uppföra höga byggnader är utvecklingen av modern armerad betong, som började användas från mitten av 1850-talet. Under andra halvan av 1800-talet utvecklades den armerade betongen och byggnader började uppföras i materialet. Den första höga byggnaden i armerad betong, var Home Insurance Building (42 m hög) som uppfördes 1884 i Chicago och revs 1931. Den första riktiga skyskrapan som uppfördes med armerad betong var The Ingalls Building (64 m hög) som uppfördes 1903 i Cincinnati, Ohio. En bidragande faktor till att Ingalls Building kunde uppföras var användningen av E.L. Ransomes patent med ”vridna järn” som bidrog till att betongens bärförmåga blev tillräckligt hög. Betongen som användes till Ingalls Building blandades på arbetsplatsen i en blandare som hade en kapacitet på ca 750 l (18 ft3) och transporten på arbetsplatsen gjordes i en bask med volymen ca 800 l (1 yr3).

När Ingalls Building uppfördes användes dåtidens senaste teknik, t.ex. var det bäran de systemet uppbyggt av ett monolitisk balk/pelarsystem. Fram till början av 1960-talet skedde ingen större utveckling och detta medförde att det var få byggnader som uppfördes högre än 20 våningar. Under början av 1960-talet började dock tekniken för höga byggnader i betong att utvecklas, t.ex. vad gäller utformning av bärande system, vilket resulterade i allt högre byggnader.

I Europa har höga byggnader uppförts sedan 1950-talet, främst i Ryssland. I dagsläget finns det ca 900 byggnader i Europa som har en höjd som överstiger 100 m belägna i 30 olika länder, enligt The Skyscraper Center.

En stor del av utvecklingen att kunna uppföra allt högre byggnader beror på tillkomsten av allt mer effektiva strukturella system och beräkningsmetoder, se t.ex. Ali & Kyoung ((2007). Parallellt har också material och produktionsteknik utvecklats, Ali (2001): Utveckling av formar: det har skett en utveckling både vad gäller formmaterial och typer av formar. Utveckling av tillverkning och transport av betong: modern betong tillverkas under kontrollerade former i speciella betongfabriker och transporteras till arbetsplatsen med speciella roterbilar. Utveckling av metoder för att gjuta betong: den vanligaste metoden att transportera betongen till arbetsstället är genom pumpning.

Utveckling av nya betongsammansättningar: modern betong kan skräddarsys för sin användning. Detta kan exempelvis vara en betong med en hög sluthållfasthet och/eller hög tidig hållfasthet. På detta sätt kan dimensioner på bärande konstruktionsdelar minskas och/eller bärande delar belastas tidigare.

Huvuddelen av projektet har genomförts som en litteraturstudie där fokus har varit på materialfrågor (betong) och produktionsteknik samt hur materiallogistik till/ från och på arbetsplatsen kan lösas. Även frågor rörande säkerhet på arbetsplatsen har behandlats. Två fallstudier har också inkluderats i projektet, där erfarenheter från byggnationen av The Shard i London och Turning Torso i Malmö har samlats in.

Allmänna frågor

En viktig faktor för att få ett effektivt byggande är att tidigt involvera samtliga byggprocessens aktörer i planeringen av olika konstruktionslösningar för att på så sätt få en god byggbarhet (”Buildability”), speciellt utifrån byggentreprenörens perspektiv. Detta gäller allt byggande men speciellt vid uppförande av höga byggnader då detta normalt är komplexa projekt som uppförs på begränsade utrymmen. Säkerheten på arbetsplatsen måste alltid komma först, inte minst vid projekt med höga byggnader. Exempelvis får inga lösa delar lossna vid transporter på arbetsplatsen, inte minst om transporten sker med kran. Därför är det en fördel om transporter av material kan göras med andra metoder än kran, t.ex. i hissar eller pumpning av betong.

Även säkerheten vid transporter av personal vid byggnation av höga byggnader är en utmaning, där transporten normalt sker med hissar. Det är också viktigt att planera inför eventuella krissituationer som vid brand eller evakuering från hög höjd. En sådan planering innefattar bland annat utbildning av personalen så att alla på arbetsplatsen vet hur de ska bete sig vid krissituationer, Isgren (2019). Utrymningsvägar måste också förberedas och personalen informeras om dessa.

Materialfrågor

Under de senaste 40 åren har det skett en omfattande utveckling av materialet betong, t.ex. har betong med allt högre hållfasthet och styvhet, elasticitetsmodul, utvecklats. Det har möjliggjort att allt högre och mer komplexa byggnader har kunnat uppföras. Parallellt med utvecklingen av materialet betong har också den konstruktiva utformningen av höga byggnader utvecklats, vilket har möjliggjort uppförande av allt högre byggnader. Utvecklingen av materialet betong har både varit drivande och en förutsättning för utvecklingen av den konstruktiva utformningen. Exempel på sådant som har utvecklats är betongens mekaniska egenskaper (främst hållfasthet och elasticitetsmodul men också att betongens hållfasthetstillväxt sker snabbare) och den färska betongens egenskaper (där inte minst betongens pumpbarhet är av stor vikt). Denna utveckling har möjliggjort både genom att nya och bättre delmaterial används och att tekniken för att blanda och gjuta betong har utvecklats.

En annan faktor som driver utvecklingen av betong är hur klimatpåverkan från byggandet kan minskas. Detta är något som bland annat Alsamasam m.fl. (2008) tar upp, där det beskrivs att den mest effektiva åtgärden för att minska klimatpåverkan är att minska andelen cementklinker i bindemedlet genom att använda tillsatsmaterial främst flygaska eller mald granulerade masugnsslagg, s.k. GGBS.

I litteraturen finns en del rekommendationer kring sammansättning av betong till höga byggnader, Bester (2013), Clark (2014) och fib (2014):

■■ Hållfasthet: där betong med hög hållfasthet normalt behövs eftersom laster i höga byggnader är stora. I många fall är det också önskvärt att få en hög tidig hållfasthet, för att bättre kunna utnyttja formar. För att uppnå detta krävs betong med låga vct och med tillsatser av tillsatsmaterial främst flygaska eller GGBS kombinerat med lämpliga ballastmaterial. I litteraturen finns flera exempel på höga byggnader där betongens hållfasthet vid 28 dygns ålder har överstigit 100 MPa. Det bör också noteras att om betongen skall få god pumpbarhet blir normalt hållfastheten över 50–60 MPa vid 28 dygns ålder.

■■ Övriga mekaniska egenskaper: där betongen bör ha hög styvhet dvs. hög elasticitetsmodul och låg krympning. Dessa egenskaper uppnås i många fall genom att välja en lämplig ballast, där en ballast med hög elasticitetsmodul bör väljas.

■■ Värmeutveckling, där hög värmeutveckling kan innebära problem speciellt i massiva konstruktionsdelar, t.ex. sprickbildning. För att begränsa värmeutvecklingen kan kritiska konstruktionsdelar kylas och/eller betong med tillsatsmaterial användas.

■■ Arbetbarhet: där många konstruktionsdelar är hårt armerade vilket ställer krav på att betongen har god arbetbarhet. Exempelvis kan självkompakterande betong användas.

■■ Pumpning: där betongen i de allra flesta fall pumpas till arbetsstället. Det är därför av vikt att betongens pumpbarhet är god, vilket normalt fås genom att ha en viss mängd finmaterial, bindemedel och/ eller filler, i betongen. Detta i sin tur medför att betong med god pumpbarhet vanligen också får en hög hållfasthet.

■■ Utförande: där anvisningar i utförandestandarderna SS-EN 13670 och SS 137006 ska följas (vilket gäller för alla betongkonstruktioner och inte är något unikt för höga byggnader).

Produktionsteknik

Valet av produktionsteknik påverkas av vilket bärande system som används i byggnaden. I fib (2014) ges några generella rekommendationer rörande val av bärande system:

■■ Bärande kärna: fyra principiella typer av formsystem kan användas: två typer av lyftformar och två typer av glidformar.

■■ Bärande pelare och väggar: kan utformas på flera olika sätt med olika grad av standardisering.

■■ Bjälklag: dessa görs normalt som platsgjutna konstruktioner. Det rekommenderas att tjockleken på bjälklag hålls nere och att volymen betong per gjutning görs så stor som möjligt. För att snabba byggprocessen kan också prefabricerade bjälklag användas helt eller delvis.

■■ Armering: där kan antingen slak- eller spännarmering användas. En fördel med spännarmering är att cykeltider för formar kan kortas ned.

Vid byggnation av höga byggnader är ett optimalt utnyttjande av formar viktigt. Det finns två principiella metoder för detta, An m.fl. (2004): den första är att använda en betong med snabb hållfasthetstillväxt och/ eller hög sluthållfasthet och på så sätt kunna avforma tidigt. Den andra metoden är att använda fler formar. Med dessa metoder kan kostnaden för betong eller formar öka men den totala byggkostnaden minska. Det finns en del rekommendationer i litteraturen kring val av formsystem, t.ex. Sharmila & Christopher (2016), där fyra nyckelfaktorer har identifierats:

1. möjlighet till anpassning och flexibilitet,2. byggnadsspecifika faktorer3. jobbspecifika faktorer4. lokala förhållanden.

Ofta uppförs också många olika konstruktionsdelar parallellt i en hög byggnad vilket gör det svårt att på ett optimalt sätt välja formsystem. Materiallogistik till/från och på arbetsplatsen Materiallogistiken är av stor vikt när höga byggnader uppförs, eftersom det krävs stora mängder material som skall transporteras vertikalt till höga höjder. Normalt uppförs höga byggnader i stadskärnor, vilket betyder att det också är ont om plats på arbetsplatsen. Detta kan ställa till problem både vad gäller transporter av material till och transport av material på arbetsplatsen. Om det är ont om ytor på byggarbetsplatsen finns det heller inga möjligheter att lagra material på byggplatsen i någon större utsträckning utan material måste transporteras direkt till arbetsstället.

Bild: Arbetsställe för gjutning av bjälklag på hög höjd i The Shard, där säkerhetsskärmarna syns tydligt.

Transporter av material till byggarbetsplatsen sker normalt med lastbil. På arbetsplatsen transporteras normalt materialet till arbetsstället med kran eller för betong ofta med pump. Vid transport av material till höga höjder är säkerheten under transporten av stor vikt. Inga lösa delar får förstås lossna om den exempelvis sker med kran. Det finns också en risk att väderleken påverkar transporter om dessa sker med kran. Därför är det en fördel om transporter av material kan göras med andra metoder, t.ex. i hissar eller pumpning av betong. En viss mängd material bör också lagras på arbetsstället uppe i byggnaden. Parallellt med transporter av material sker också transporter av manskap – dessa transporter behöver samordnas för att undvika att dessa transporter kommer i konflikt med varandra, Isgren (2019).

För pumpning finns det egentligen inga begränsningar i hur högt eller långt betong kan pumpas. Det nuvarande rekordet i vertikal pumpning av betong är 621 m vid byggnationen av Goldin Finance 117 i Tianjin Kina. Främst pumpning i vertikal led innebär dock en utmaning eftersom höga pumptryck, som kan skada både utrustning och betongen, kan uppstå. För att minska pumptrycken behöver betongen vara anpassad för pumpning dvs. ha god pumpbarhet kombinerat med att rätt pumpteknik används. En god pumpbarhet uppnås normalt genom att betongen innehåller en viss mängd finmaterial - bindemedel + filler – där finmaterialet stabiliserar betongen och motverkar att betongen separerar vid pumpning. En sådan betong får normalt en hållfasthet som överstiger 50–60 MPa vid 28 dygns ålder (motsvarande betongkvalitet ca C40/50 och bättre). Därför går det i praktiken normalt inte att använda lägre betongkvaliteter om betongen skall pumpas till höga höjder. Vid pumpning av betong rekommenderas också att inte allt för många betongsorter används, Isgren (2019). Detta för att underlätta hanteringen när betongen når arbetsstället på hög tid och inte minst för att undvika sammanblandning av olika betongsorter.

Bild: The Shard regerar i London.

FALLSTUDIER

I rapporten presenteras erfarenheter från två utvalda projekt, The Shard i London och Turning Torso i Malmö. Korta fakta om byggnaderna:

The Shard En 310 m hög byggnad, uppdelad på 87 våningar över mark och tre våningar under mark. Upp till våning 72 är byggnaden uppbyggd av ett centralt hissoch trapphus i betong samt betongbjälklag. Mellan våning 72 och 87 består byggnaden av ett ståltorn och betongbjälklag. Byggnaden uppfördes 2009–2012 och är i dagsläget Storbritanniens högsta och en av Europas högsta byggnader. Huvudsaklig användning av byggnaden är kontor.

Turning Torso En 190 m hög byggnad, uppdelad på 54 våningar. Turning Torso är uppbyggd med central kärna i betong för hiss- och trapphus och platsgjutna betongbjälklag. 2020 när detta skrivs är Turning Torso Sveriges och Nordens högsta byggnad.

NÅGRA ERFARENHETER FRÅN DESSA PROJEKT ÄR

Säkerheten på arbetsplatsen, som har varit i fokus i båda projekten. Bland annat har arbetsställen på hög höjd varit skyddade med speciella säkerhetsskärmar för att undvika att lösa föremål ska falla ned.

Tidig samverkan har varit viktig för att få en god byggbarhet och på så sätt också en effektiv byggprocess. Exempel på sådant som har bidragit till en god byggbarhet är:

■■ Betongarbeten, där ett fåtal betongsorter användes i projekten för att underlätta hanteringen på arbetsplatsen och undvika

sammanblandningar. I båda projekten har betongen huvudsakligen pumpats till arbetsstället i byggnaden, där sammansättningen på använda betonger har fått anpassas för att vara pumpbar. Vid byggnationen av The Shard har detta bland annat gjorts genom att tillsätta flygaska till betongen. Dessutom har betongens konsistens varierats, där betongens har gjorts lösare ju högre upp i byggnaderna arbeten har gjorts för att underlätta gjutningsarbeten. Speciell hänsyn har också tagits till gjutning av bottenplattor, där tillsatser av mald granulerad masugnsslagg (GGBS) har använts i betongen för att minska värmeutveckling under härdning.

■■ Planering av transport av material och manskap på arbetsplatsen, där det i projekten gjordes en noggrann planering för att på så sätt få en effektiv byggprocess. Exempelvis anordnades utrymmen för personalen uppe vid arbetsställen i byggnaden. Det visade sig också vara viktigt att planera för väderoberoende transporter, där det speciellt vid byggnationen av Turning Torso blev en del stillestånd på grund av höga vindhastigheter.

Mer information finns i rapporten: Produktionsteknik för höga byggnader i betong. Den finns att ladda ned från www.sbuf.se (projektnummer 13390).

ANDERS LINDVALL Projektledare C-lab® Thomas Concrete Group