T1

Vanliga stommaterial

• Trä
• Tegel
• Stål
• Lättbetong
• Betong

Väsentliga egenskaper för stommaterial

• Hållfasthet
• Deformation
• Volymbeständighet
• Brandbeständighet
• Beständighet mot nedbrytning
• Täthet mot vind
• Täthet mot vatten
• Värmeisolering
• Ljudisolering
• Fuktfixering

Hållbart byggande

• Krav på byggnader:
  • Hållbarhet: God beständighet och låg energianvändning.
  • Användbarhet: God funktion och hälsosam inomhusmiljö.
  • Skönhet: God arkitektur.
• Materialval ska vara klokt och hållbart.
• Exempel: Betong kräver lång livslängd pga högt CO2-utsläpp.

Hållbarhetens dimensioner

• Ekologisk
• Ekonomisk
• Social

Absorption och adsorption

• Absorption: Bindning mellan två material där det ena materialet (gas eller vätska) upptas och fördelas jämnt inuti det andra.
• Adsorption: Bindning mellan två material där det ena materialets molekyler binds vid ytan av det andra materialet, exempelvis på porväggarna. Denna bindning är inte lika stark och därför landar och lämnar molekylerna ständigt ytan.

Amorf och kristallin struktur

• Amorf: Oordning i molekylernas orientering i materialstrukturen.
  • Exempel: Glas, akrylplast, gummi.
• Kristallin: Ordning i molekylernas orientering i materialstrukturen.
  • Exempel: Metaller.

Isotropa och anisotropa material

• Isotrop: Lika egenskaper i alla riktningar.
  • Exempel: Betong.
• Anisotrop: Olika egenskaper i alla riktningar.
  • Exempel: Trä.

Kompositmaterial

• Heterogent material.
  • Exempel: Betong och plast.
• Material blandas för att förstärka egenskaper.
• Exempel: Epoxiplast med armering av kolfiber för att förstärka betongkonstruktioner.

Porositet

• Förhållandet mellan materialets porvolym och materialets totala volym.
  • P = \frac{V_p}{V}
  • V_p = Volym av porer (m^3)
  • V = Hela materialets volym (m^3)
  • P = Porositet (%)
• Porer delas in i öppna (genomströmningsbara & icke genomströmningsbara) och slutna.

Skrymdensitet

• Densitet inklusive porvolymen.
  • \rho = \frac{m}{V}
  • m = massa (kg)
  • V = volym (m^3)
  • \rho = Skrymdensitet (kg/m^3)

Kompaktdensitet

• Densitet exklusive porvolymen.
  • \rhok = \frac{m}{V - Vp}
  • m = massa (kg)
  • V = volym (m^3)
  • V_p = porvolym (m^3)
  • \rho_k = Skrymdensitet (kg/m^3)

Densitet

• Om endast ordet densitet används, menas skrymdensitet.

Samband mellan porositet, skrymdensitet och kompaktdensitet

• P = 1 - \frac{\rho}{\rho_k}

Torrdensitet

• Densiteten för en uttorkad provkropp.

Typer av porer

• Öppna porer:
  • Genomströmningsbara.
  • Icke genomströmningsbara.
• Slutna porer.

Porfyllning vid vattenupptagning

• Frivillig vattenupptagning: Fyller de öppna porerna.
• Vakuumvattenmätning: Fyller de slutna porerna.

Specifik yta

• Karakteriserar ett materials porer. (m^2/kg)
• \Sigma_{Porernas omslutningsytor vid en viss mängd av materialet}

Materialegenskaper påverkade av porositet

• Hållfasthet.
• Värmekonduktivitet (värmeisoleringsförmåga).
• Hög densitet = Lågre porositet = Hög värmekonduktivitet
• Låg densitet = Högre porositet = Låg värmekonduktivitet

Värmeflödestäthet

• Värmetransport genom en viss ytenhet (W/m^2).

Mekanismer för värmeöverföring i poröst material

• Strålning
• Ledning
• Konvektion

Konvektion

• Strömmande medium (luft) transporterar värmen mellan olika temperaturområden.

Typer av konvektion

• Naturlig konvektion: Drivs av temperaturskillnader; varm luft stiger, kall luft sjunker.
• Påtvingad konvektion: Yttre påverkan sätter igång luftrörelse (ex. vind, fläkt).

Värmekonduktivitet

• Sammanlagda värmetransport i ett material. (W/mK)
• Anger hur bra/dåligt värme leds genom ett material.

Stationärt tillstånd

• Värmekonduktiviteten beräknas med formeln: \lambda = \frac{q \cdot d}{\Delta T}
• Förutsättning: q och temperaturerna är konstanta.

Stationärt värmeflöde

• Samband: q = \lambda \cdot \frac{\Delta T}{d}

Parallellmodellen

• Lämplig för material där värmen flödar runt porerna istället för igenom dem.
• Exempel: Autoklaverad lättbetong.
• n=1

Seriemodellen

• Lämplig för material där värmen flödar genom porerna.
• Exempel: Betong.
• n=-1

Konvektion och strålning i byggnadsmaterial

• Större porer = ökad konvektion och strålning.
• Exempel: Cellplast och mineralull.
• Luft i stora porer har låg värmeledningsförmåga.
• Konvektion kan ske inne i porer.

Värmeledningsförmågans variation med densitet

• Hög densitet = Lågre porositet = Hög värmekonduktivitet
• Låg densitet = Högre porositet = Låg värmekonduktivitet

Temperatur

• Värmekonduktivitet ökar starkt med temperaturökning.

Fuktinnehåll

• För minull ökar \lambda lite grann i början om man höjer fuktinnehållet men sen blir ökningen av λ konstant i samband med att fukthalten ökar.
• För autoklaverad betong ökar sambandet mellan fuktinnehåll och \lambda linjärt.
• Trä håller sig hyfsat konstant (liten ökning av \lambda när fukthalten ökar).

Frysning

• \lambda ökar kraftigt efter 0 grader (fryspunkten).

Specifik värmekapacitet

• Värmemängd som behövs för att höja materialet med 1 grad.
• Betecknas c (J/kgK).
• Joule = wattsekund.

Volymetrisk värmekapacitet

• Specifik värmekapacitet per volymenhet: Betecknas C (stort) (MJ/m^3K).

Hänsyn till volymetrisk värmekapacitet

• Tas vid lätta (trä, stål) och tunga (Betong, tegel) stommar.
• Tunga stommaterial kan lagra värme vilket påverkar värmebehovet i en byggnad.

Fuktinnehållets påverkan på materialegenskaper

• Värmeisolering försämras.
• Hållfastheten försämras.
• Beständigheten försämras.
• Ger fuktrörelser i material, svällning.

Fuktkällor

• Fukt i uteluft
• Fuktproduktion inne (ex dusch, träning, matlagning)
• Nederbörd, främst slagregn
• Markfukt
• Byggfukt
• Läckage från installationer

Definitioner

• Ånghalt: Mängd vattenånga i luften, betecknas v (g/m^3).
  • Högst på sommaren, lägst på vintern.
• Mättnadsånghalt: Den ånghalt som inte kan överskridas, temperaturberoende, betecknas vs
  • Om ånghalten överstiger mättnadsånghalten kondenserar en del av vattenångan så ånghalten sjunker till mättnadsånghalten.
• Daggpunkt: Lägsta temperatur som fuktig luft kan ha utan att fukt kondenserar till vätska. Ett mått på luftens fuktinnehåll.
• Relativ fuktighet: =\% = \frac{ånghalt}{mättnadsånghalt}
  • Anger mängden vattenånga i luften i förhållande till hur mycket luften kan ta upp.
  • Högst på vintern, lägst på sommaren.

Kapillärkondensation

• Kondens uppstår i fina kapillärporer vid normal relativ fuktighet i omgivande luft (redan vid 34% RF).

Fukttillskott

• Fuktproduktion inomhus.
• Från människor och djur (svett, dusch, matlagning).

Byggfukt

• Fukt som ska torkas ut ur materialet för att komma i fuktjämvikt med omgivningen.

Byggfukt i betong och trä

• Betong: 60-90 kg/m³
• Trä: 40 kg/m³
• Betong ska torka ut ungefär dubbelt så mycket fukt som trä.

Kondens

• Om temperaturen sänks i ett klimat (eller ett material) så att mättnadsånghalten blir lägre än ursprungliga ånghalten kondenserar överskottsvattnet.

Vattenfixering

• Olika sätt som vatten kan vara fixerat till ett material (ordnat efter bindningsstyrka):
  • Kemiskt bundet vatten: Del av materialets struktur, räknas ej som fukt. Materialet bryts ner om denna fukt avges.
  • Adsorberat vatten: Molekyler bildar lager på ytan.
  • Kapillärt vatten: I porer, bundet genom kapillärkondensation eller kapillärsugning.
  • Fritt vatten: I mycket grova porer eller utanför materialet.
    • Delas upp i flyktigt och icke-flyktigt.

Förångningsbart och icke förångningsbart vatten

• Förångningsbart: Adsorberat vatten som är förångningsbart.
• Icke förångningsbart: Kemiskt bundet vatten.

Definitioner av vattninnehåll

• Fukthalt: (kg/m^3) W = \frac{vikt(vatten)}{volym(torrt\ material)}
• Fuktkvot: (%) u = \frac{vikt(vatten)}{vikt(torrt\ material)}
• Jämviktsfuktkvot: Materialets porers fuktinnehåll kommer i jämvikt med omgivningens temperatur och RF. Högre RF i luften ger högre jämviktsfuktkvot.

Samband mellan fuktkvot och fukthalt

• W = u \cdot \rho_{torr}

Hygroskopisk fukt

• När porerna har kontakt med luften.

Sorptionsisoterm

• Andra benämningar: Jämviktsisoterm, hygroskopisk sorptionskurva
• Visar sambandet mellan fukthalt och relativ fuktighet i ett material.
• Visar hur mycket hygroskopisk fukt ett material innehåller vid jämvikt.

Absorptions- och Desorptionskurva

• Absorption: Tar upp fukt (materialet är torrt från början).
• Desorption: Avger fukt (materialet är blött från början).
• Desorption är alltid högre än absorption.

Sorptionshysteres

• När kurvorna för desorption och absorption i en sorptionskurva ser olika ut (inte speglade).

Temperaturändring och Relativ Fuktighet (RF)

• RF ändras inte direkt vid en temperaturändring. Fukthalten i materialet behöver ändras för att RF ska påverkas.

Fuktinnehåll i material vid jämvikt (RF=50%)

• Material ordnade efter ökande fuktinnehåll: lättbetong, tegel och trä.

Vattenavvisande material

• Hydrofobt material, exempelvis silikon.

Kapillär stighöjd

• Störst i finporösa material.

Darcys lag

• Används för att beräkna fukttransport i porösa material. Beskriver hastigheten med vilken fukt rör sig genom mediet under en tryckgradient.

Mekanismer för fukttransport av vattenånga

• Konvektion: Luften rör sig och tar med sig vattenånga.
• Diffusion i luftfyllda porer: Vattenmolekylerna rör sig från hög till låg ånghalt.
• Diffusion av adsorberat vatten: Vattenmolekylerna rör sig från högt till lågt RF.

Fuktkonvektion

• Luften rör sig och tar med sig vattenånga.
• Problem: Exempelvis i ett vindsbjälklag med otätheter. Luftläckage transporterar stora mängder fukt.
• Välisolerat bjälklag ger låg temperatur på vinden, vilket ökar risken för kondensation.

Fuktmotstånd (ånggenomgångsmotstånd)

• Z = \frac{d}{\delta}
• d = materialets tjocklek (m)
• \delta = fukttranssportkoefficienten (m^2/s)
• Beräknas vid stationära förhållanden.

Bestämning av fukttransportkoefficienten

• Genom koppmetoden:
  • Materialet används som lock för en skål med vatten eller saltlösning.
  • Skålen förvaras i klimatrum med konstant temperatur och RF.
  • Skålen vägs och tiden mellan vägningar registreras för att bestämma fuktgenomgången.

Kritiskt fukttillstånd

• Anger hur högt fuktinnehållet får vara innan det blir risk för skador.

Uttorkningsberäkningar för betong

• Svåra att göra för nygjuten betong eftersom porstrukturen ändras med tiden och därmed även fuktegenskaperna.

Fuktvandring i autoklaverad betong

• I en fuktig stav med temperaturgradient vandrar fukten från varmt till kallt.
• Ånghalten går från varmt till kallt.

Normalspänning och töjning

• Normalspänning: Spänning som verkar vinkelrätt mot en yta.
  • \sigma = \frac{F}{A}
    • F = kraft (N)
    • A = tvärsnittsyta (m^2)
    • \sigma = spänning (MPa)
• Töjning: Förhållandet mellan längdökning och ursprungslängd.
  • \epsilon = \frac{\Delta L}{L}
    • \Delta L = längdökningen (m)
    • L = Ursprungslängd (m)
    • \epsilon = töjning (%)

Arbetslinje

• Kallas även spänning-töjning-kurva.

Elastisk töjning

• Deformationer som återgår helt vid avlastning.
• Deformationerna är proportionella mot lastens storlek.
• Rätlinjig.

Elasticitetsmodul

• Deformationerna är proportionella mot lastens storlek. (Rät kurva).
• Hookes lag: \sigma = E \cdot \epsilon
• E = \frac{\sigma}{\epsilon}
• E=konstant som beskriver materialets elasticitetsmodul.

Plastisk töjning

• Deformationerna återgår INTE vid avlastning.
• Går ej att räkna ut, avläses i diagram.
• Över sträckgränsen.

Elasticitetsgräns och proportionalitetsgräns

• Då spänningen blir så hög att plastiska Deformationer börjar uppstå. Linjen blir inte längre linjär.

0,2-gräns

• Den spänning som ger permanent deformation (plastisk deformation) på 0,2%.

Skjuvspänning

• Uppstår i sneda snittytor.
• Kraften delas upp i komposanter av normalkraft och skjuvkraft.

Spröda material

• Trä
• Betong
• Tegel
• Gjutjärn

Sega och spröda material

• Sega: Deformering sker innan brott uppstår.
  • Metall och van der Waals-bindningar (svaga bindningar).
• Spröda: Spröda material tål knappt några deformationer.
  • Betong, trä (i vissa riktningar)
  • Jonbindningar och kovalenta bindningar (starka bindningar).

Kallbearbetning

• Töjning av materialet under kalla förhållanden (under materialets rekristallisationstemperatur).
• Höjer stålets hållfasthet och sträckgräns men det blir mer sprött.
• Kalldragning: Man trycker ett material genom ett för litet hål.
• Man får då högre sträckgräns (E-modul) men lägre hållfasthet.

Spröda material tryck vs. drag

• Spröda material har mikrosprickor.
• Sprickorna slits sönder vid drag, trycks ihop vid tryck.
• Tryckhållfastheten är många gånger större än draghållfastheten.

Anisotropi

• Exempel: Valsad stålplåt, trä.
• Tillverkningsprocessen har skapat anisotropi i material.

Bestämning av draghållfasthet

• Sega: Mäter längden innan och efter brott vid dragning, bestämmer längdskillnaden och beräknar E-modulen.
• Spröda: Svårt att mäta draghållfastheten direkt. Man testar böjdraghållfastheten genom böjprov eller sträckprov och räknar sedan ut draghållfastheten.

Faktorer som påverkar hållfasthetsprovning

• Storlek på provkroppar: Stora ger lägre värden.
• Avlånga provkroppar ger mindre värden.
• Långsam belastning ger mindre värden än snabb belastning.
• Våta provkroppar ger mindre värden än torra.

Krypning

• Deformation som uppstår när ett material utsätts för en last under en längre tid.

Elastisk och plastisk deformation

• Elastisk deformation: Töjningen är proportionell mot spänningen (Rät linje).
• Plastisk deformation:

Hookes lag

• Töjningen är proportionell mot spänningen (Rät linje).
  • \sigma = \epsilon \cdot E

Kryptal

• Vid en tidpunkt efter pålastningen får man ett konstant förhållande mellan krypdeformation och elastisk deformation.
  • \varphi(t) = \frac{Krypdeformation\ av\ tid\ t}{elastisk\ deformation} = a\varphi \cdot t^{b}

Längdutvidgningskoefficient

• Betecknas \alpha (1/K).
• Anger hur mycket ett föremål förändras i storlek vid en viss temperaturändring.

Träs huvudriktningar ordnade efter fuktbetingad deformation

• Fiberriktning (minst).
• Radiell riktning (mellan).
• Tangentiell riktning (störst deformations ändring).

Träs fibermättnadspunkt

• Efter denna punkt sker inga volymändringar.
• Cellväggarna är mättade och kan inte ta upp mer fukt (vatten). Då u=uf
• Därefter fylls lumen men då påverkas inte svällning av materialet längre.
• Betecknas uf (%).

Deformationstyper i porösa byggmaterial

• Elastisk deformation: Hookes lag \sigma = E \cdot\epsilon \Rightarrow \Delta L = \frac{\sigma \cdot L}{E}
• Krypdeformation: \Delta L = \alpha\Delta L \cdot t^b
• Temperaturbetingade deformationer: \Delta L = \alpha \cdot L \cdot \Delta T
• Fuktbetingade deformationer (ges genom tabeller och figurer).

Åldring och livslängd

• Åldring:
• Livslängd:

Nedbrytningsmekanismer

• Kemiskt angrepp: Syror, vätskor i kontakt, CO2 angriper betong=karbonatisering, lösningsmedel angriper plaster, stadsatmosfär (SO2 angriper kalksten, puts).
• Elektrokemiskt angrepp: Korrosion (rost). Kräver potentialskillnad, elektronacceptor (syre), elektrolyt (vatten, fukt).
• Fysikaliskt angrepp: Frost och saltsprängning, temperaturrörelser, fuktrörelser.
• Biologiskt angrepp: Levande organismer, röt- och mögelsvampar, alger, bakterier, insekter.
• Strålningsangrepp: Solstrålning.

Faktorer som påverkar angreppshastigheten vid kemiskt angrepp

• Materialets sammansättning.
• Materialets täthet.
• Omsättning av de aggressiva ämnena.
• Temperaturen.

Elektrolytiska spänningsserien

• För att korrosion ska uppstå behövs potentialskillnad.
• En elektrongivare och en elektronacceptor. Ädel metall blir katod, oädel anod.

Förutsättningar för korrosion

• Potentialskillnad (en ädel och en oädel metall).
• Elektronacceptor (syre).
• Elektrolyt (vatten, fukt).

Katodiskt skydd

• Metall som offras som anod (elektronacceptor).
• Elektrisk spänning tillsätts så att metallen som skyddas fungerar som katod (elektrongivare).

Karbonatisering av betong

• Luftens CO2 angriper betong i fuktig miljö.
• CO2 reagerar med kalciumkarbonat och bildar CaCO3, vilket sänker betongens pH-värde och passiviseringen bryts.

Metoder för att skydda mot korrosion

• Katodiskt skydd.
• Passivering: Yta överdras med tunt passiverande skikt (ofta Oxid).
• Ytbehandlingar (Oxidskikt, metallbeläggning, emaljering, rostskyddsmålning).
• Rostmån.
• Lämplig konstruktiv utformning.
• Lämpligt miljövanligt (undvik kombination av metaller med olika ädelhet).
• Se till att vatten kan rinna av.

Mekanism för saltsprängning

• Salter följer med fukten till ytan vid torkning. Saltet kristalliseras och bildar saltutslag.
• Om saltet kristalliseras i porerna kan saltsprängning uppstå.

Biologiska angrepp på byggmaterial

• Röt- och mögelsvampar.
• Alger.
• Bakterier.
• Insekter.

Strålningsangrepp på byggnadsmaterial

• Solstrålning, UV-strålning.

Vattens roll vid nedbrytning

• Medverkar till kemiska reaktioner.
• Elektrolyt vid korrosion.
• Frostsprängning.
• Transportmedel till salter vid saltsprängning.
• Fuktrörelser.
• Biologisk nedbrytning.

Acceleration av kemiska angrepp vid laborationsförsök

• Träs påverkan av solstrålning.
• Svampangrepp på trä.
• Angrepp av syror.

Synergism

• Att två faktorer kan förstärka varandra.
• Exempel: Gummi i ozonhaltig atmosfär och utspänt tillstånd.

Strukturella förändringar i kristallina material vid hög temperatur

• Kristallstorleken ändras när atomer och molekyler rör sig.
• Förändrar hållfastheten i materialet.

Ståls sträckgräns och brottöjning vid ökande temperatur

• Sträckgränsen minskar.
• Brottgränsen ökar.

Keramiska materials hållfasthet vid hög temperatur

• Ofta högre hållfasthet i varmt än i avsvalnat tillstånd.
• Kvarts ändrar struktur och volym vid temperaturändringar.
• Oftast lägre hållfasthet efter en brand.

Förutsättningar för eld

• Brännbart material
• Syre
• Värme

Avflagningar vid hög temperatur

• Dåliga värmeledare ger ojämn värmefördelning och spänningsfördelning.
• Tryckspänningar på ytan.
• Dragspänningar vid avsvalning.
• Sprickor om dragspänningarna är större än draghållfastheten.

Termochockparametern

• Används när kallt vatten sprutas på materialet, vilket leder till större risk för sprickor/avflagningar i avsvalningsfasen.

Brandmotstånd (BBR)

• E = Integritet (täthet).
• B = Bärförmåga.
• I = Isolering.

Brandcell

• Avgränsning i en byggnad som ska hålla emot brand under en föreskriven tid.

Tegelmurverk vid brand

• Obrännbart.
• Inga skador under 800°C.
• Snabb temperaturändring (termochock) kan ge sprickor (kvartsomvandling).
• Murverket är den svaga länken: K-bruk klarar upp till 450°C, KC-bruk klarar upp till 550°C.

Varmvalsat stål vid brand

• Obrännbart.
• Sträckgränsområdet försvinner vid 250°C.
• Hållfastheten minskar när temperaturen ökar.
• Vid 600°C är sträckgränsen 0.
• Efter avsvalning återgår sträckgränsen till ursprunglig.
• Krypdeformationer vid 400°C och ökar därefter kraftigt.

Kallbearbetat stål vid brand

• Hållfastheten minskar när temperaturen ökar.
• Obrännbart.
• Efter avsvalning har sträckgränsen halverats.
• Krypdeformationer vid 400°C och ökar därefter kraftigt.

Metoder för att skydda stål mot höga temperaturer

• Klä in i gips.
• Brandskyddsmåla.
• Isolerade med stenull + skivmaterial.
• Sprutisolera (cement, polymera tillsatser, minull eller fibersilikat).
• Betong.
• Stenullsskivor.

Armerad betong vid brand

• Bra brandegenskaper, obrännbar.
• Vid 300°C blir betongen ljusröd men har kvar hela sin hållfasthet.
• Kvartsomvandling vid 573°C.
• Inre spänningar pga olika material.
• Vid 600°C har mycket av vattnet i cementpastan förångats och då har tryckhållfastheten halverats.
• Vid 1000°C har allt kemiskt bundet vatten förångats; då är tryckhållfastheten 0.
• Vanligt med ytavspjälkning och avflagning.
• Betongen fungerar som en sköld kring stålet (armeringen) och då håller den sin höga hållfasthet.

Autoklaverad lättbetong vid brand

• Klassas som obrännbart.
• Sprickbildning vid strak och långvarig upphettning

Lättballast vid brand

• Obrännbart.
• Lättklinker som är keramiskt material förstörs ej vid brand.
• Ger mindre risk för sprickor då det har lägre E-modul vilket ger mindre spänningar

Trä och limträ vid brand

• Brännbart.
• Vid 250-280°C börjar det brinna.
• Lång tid över 100°C ger förkolning som gör det mer lättantändligt.
• Innanför kolskiktet är träets hållfasthet oförändrad.
• Förbränner omkring 0,6mm/min.
• Bildar tre skikt: kolskikt, pyrolyszon och normalt trä eftersom trä har låg värmekonduktivitet och mycket vatten som behöver förångas.

Gipsskivor vid brand

• Innehåller kemiskt bundet vatten (kristallvatten) som elden behöver frigöra innan gipsen börjar brinna. kräver mycket energi= Brinner långsamt, detta kallas för kalcinering.
• Goda brandegenskaper

Termoplaster vid brand

• Brännbara.
• Mjuknar och smälter, vilket kan orsaka sekund