Hem Teknik Karlatornets avancerade konstruktion

Karlatornets avancerade konstruktion

Karlatornet
Utriggarvåning med bältväggar och åtta utriggarväggar som kopplar ihop kärna och fasad. Verksamheten i dessa plan nyttjas till installationer.

På Lindholmen i Göteborg reser sig nu Karlatornets första våningar efter ett avancerat grundläggningsarbete. Byggnaden kommer att vara den högsta i Norden när den är färdigställd och dess konstruktion är avancerad även ur ett internationellt perspektiv. Här berättar konstruktören Erik Beets om detaljerna.

Text: Erik Beets, VBK Konsulterande ingenjörer.

Karlatornet är den första etappen i Karlastaden, ett stadsutvecklingsprojekt som drivs av Karlastaden Utveckling AB. Projektet initierades av Serneke som nu även är entreprenör och utför arbetena på plats.

Projekteringen har pågått i flera år och till en början var den amerikanska arkitektfirman SOM (Skidmore, Owings & Merrill) drivande som vinnare av arkitekttävlingen.

SOM gjorde även initiala analyser av den konstruktiva stommen i systemhandlingsskedet, men sedan ett par år tillbaka har VBK konstruktionsansvaret för hela byggnaden där projekteringsgruppen består av drygt 20 personer. Projekteringen pågår, framförallt för tornets övre delar och intilliggande podiumbyggnad.

Karlatornets stomme i översikt.
Karlatornets stomme i översikt.

Konstruktionen består nästan uteslutande av platsgjuten betong, vilket är ett lämpligt material på så vis att det ger en hög styvhet i förhållande till dess kostnad. Ytterligare en viktig faktor är att göra produktionen så oberoende av byggkranar som möjligt för att minimera risken för stillestånd vid kraftiga vindar.

Pumpad betong och extra stora bygghissar, som kan frakta fasadelement (av curtain wall-typ) och armering, medför att bygget kan fortgå till stor del även utan hjälp av byggkranar.

Konstruktioner av höghus styrs till stor del av vindlaster och detta gäller även Karlatornet. Byggnormerna i Sverige (Eurokoder) gäller inte för byggnader över 200 meter, vilket föranleder att särskilda utredningar måste göras. Eurokoderna tar till exempel inte hänsyn till virvelavlösning för byggnader och det finns risk för både över- och underskattning av lasterna för höga byggnader.

För Karlatornet gjordes en serie av vindtunneltest där hänsyn togs till aktuella vindförhållanden, samt omkringliggande terräng och byggnader. Efter ett tidigt vindtunneltest genomfördes en rotation av byggnaden för att anpassa placeringen till de dominerande vindarna från havet och lasteffekten kunde på så vis reduceras kraftigt.

Vindtunnelförsöken påvisade också lägre laster jämfört med byggnormerna. En reduktion om cirka 20 procent av byggnadens totala inspänningsmoment från vindlast kunde göras, jämfört med värdet för byggnormens extrapolerade vindlast.

Även lastfall i bruksgränstillstånd studeras i vindtunneln och för Karlatornet innebär detta 1-årsvind och 10-årsvind där byggnadens acceleration utvärderas. Accelerationen i byggnaden riskerar att ge upphov till obehag för brukarna och men påverkar inte konstruktionen i sig. Obehag på grund av accelerationer är, likt åksjuka, individuellt och vissa är mer känsliga än andra. Därför görs detta empiriskt med vindtunnelbolagets och branschens historiska erfarenheter som grund. Komfortkraven för bostäder är de hårdaste och de ingående pelarnas och väggarnas dimensioner i byggnaden har därför i stor utsträckning styrts av komfortkrav.

Erik Beets
Konstruktören Erik Beets.

Karlatornets statiska system är en utriggarkonstruktion med två utriggarnivåer, en tolv våningar upp från marknivå och en 67 våningar upp. På dessa nivåer binds kärnan ihop med fasadens pelare via tvåvåningshöga väggar. I utriggarnivåerna löper bältväggar runt hela fasaden som kopplar samman pelarna och sedan kopplas dessa bältväggar till kärnan via utriggarväggar.

Avsikten med detta system är att aktivera hela byggnadens bredd för hantering av horisontella laster och därigenom öka dess styvhet. När byggnaden böjdeformeras på grund av vind så aktiveras utriggarväggarna, vilka för över normallaster till pelarna i fasaden.

På detta vis sprider man inspänningsmoment från kärnan till pelarna och aktiverar därmed hela byggnadens bredd i det stabiliserande systemet. Hur effektivt detta system är beror till stor del på styvheten i de ingående byggnadsdelarna. Vekare utriggare (böjning) eller vekare pelare (axiellt) minskar effektiviteten och större del av momentet tas då av kärnan, vilket är negativt för komforten i byggnaden.

Då konstruktionen är statiskt obestämd ökar den analytiska komplexiteten markant. En uppsprickning av betongen i vissa element reducerar styvheten och omfördelar lastspridningen i byggnaden. Långtidseffekter som krypning och krympning ger också en varierande lastspridning av byggnadens egenvikt över tid. Egenviktens fördelning är också i hög grad beroende av när utriggarkonstruktionerna kopplas till övriga element.

Pelarna har en högre normalspänning av egenvikt än kärnans väggar och det uppstårdärför en differentialsättning i byggnaden som varierar med tiden, i takt med att krypning och krympning fortgår. Detta medför att den större sättningen i pelarna skapar en extra lastspridning genom utriggaren som är förhållandevis styv. Utriggaren som är tänkt att ta upp vindlaster kommer alltså oundvikligen att föra över egenvikt under dess livslängd, vilket påverkar dimensioneringen av utriggarna i hög grad.

För att minimera den här oönskade effekten så lämnas en gjutlucka i den nedre utriggaren öppen till dess att den övre utriggaren färdigställts. Fasadpelarnas sättning sker därför oberoende av utriggaren under byggnationen och den relativt stora elastiska deformationen som stommens uppförande ger upphov till, kan alltså ske utan att belasta utriggarväggarna. Detta är helt nödvändigt för att kunna bibehålla aktuell geometri på utriggarväggarna.

Det är också nödvändigt att modellera byggnadens uppförande i FE-analysen, för att på ett korrekt vis addera laster sett över tid och på så sätt kunna analysera de tidsberoende effekter detta renderar i. Att analysera endast byggnadens färdiga skede (vilket är normalt praxis för byggnader i Sverige) ger en kraftigt avvikande lastfördelning för kritiska element.

”Utriggarna är extremt hårt ansträngda och utrymmet i väggarna trångt”

En annan ovanlig aspekt av differentialsättningar uppstår vid de fyra hörnpelare som utgår över byggnadens twist som utgör 20 plan. Frånvaron av hörnpelare på dessa våningar beror på arkitektoniska orsaker och det innebär ett stort mervärde för lägenheterna. Detta åstadkoms relativt enkelt då bjälklagen hanterar denna konsolverkan som nu krävs utan hörnpelare.

För pelarna differentialsättning skapar detta dock vissa problem då det uppstår en stor skillnad i normalspänning mellan hörnpelaren under twisten och dess intilliggande grannpelare på samma våning (ca fem meter in från hörnet). Hörnpelaren på den 37:e våningen bär endast ett våningsplan då pelaren sedan försvinner från detta läge högre upp i twisten, medan grannpelaren bär last från hela den ovanliggande byggnaden.

Långtidseffekterna i form av krypning och krympning skapar en orimligt stor differentialsättning för fasadelementen sett över tid. Efter ett stort antal analyser av olika åtgärder kan det konstateras att den mest effektiva lösningen är att efterspänna hörnpelarna med invändiga vajerstag. En högre normalspänning uppstår då i pelaren och differentialsättningen mot grannpelaren, sett över tid, reduceras. Uppspänning måste dock ske efter montage av fasad i detta fall, vilket komplicerar utförandet ytterligare.

Stålnod i kärnans hörn
Stålnod i kärnans hörn som kopplas till armering via gängning. Motsvarande cirka 600 stycken Ø32-järn möts i samma punkt i kombination med 16 stycken efterspända vajerstag.

För att optimera konstruktionen efterspänns också utriggarna med horisontella vajerstag som skapar en tryckt normalkraft i utriggarväggarna. Detta minskar den nödvändiga styvhetsreduktionen på grund av betongens uppsprickning och håller på så vis dimensionerna nere.

Betongens E-modul har också utvärderats noga då den är kritisk för styvheten. En betongkvalitet på C70/85 nyttjas i hög grad för kärna och pelare, där E-modulen långtidstestats med aktuellt recept och lokal ballast. För verifiering av komfortkrav nyttjas också betongens E-modul efter ett år istället för normala värden på 28 dagar, vilket anses rimligt med tanke på den långa byggtiden.

Trots detta är utriggarna extremt hårt ansträngda och utrymmet i väggarna är trångt med hänsyn till erforderlig armering och de efterspända vajerstagen. Särskilt de områden i kärnan där två utriggarväggar möter kärnans hörn är problematiska utrymmesmässigt. För att lösa detta nyttjas ingjutna svetsade stålnoder, där armering sedan gängas fast på plats.

Det finns dock flera begränsningar i utformningen av dessa och de har anpassats för statiska krav, temporära konstruktioner (som klätterformen, vilken nyttjas till att gjuta kärnan), effektivitet i utförandet och arbetsmiljömässiga krav.

Armeringen är så omfattande att det varit omöjligt att skapa luckor för gjutslang och vibratorstavar. Istället nyttjas självkompakterande betong med en stenstorlek på max åtta millimeter. Betongen kommer att pumpas in med tryck i formens lägre nivåer för att säkerställa god kvalitet vid gjutningen.

För tornets överbyggnad har utriggarna och byggnadens sättningar varit två stora utmaningar i projekteringen, men en annan komplicerad del är grundläggningen. Med klassisk Göteborgslera ned till ca 50–60 meters djup krävs grundläggning till underliggande berg för vertikala krafter. Horisontella krafter måste dock hanteras på annat vis och utgångspunkten är att tornet skall kunna stabilisera sig självt i det fall omkringliggande källarkonstruktioner inte blir utförda, till exempel vid en vikande konjunktur.

Samtidigt måste schaktning ned till cirka åtta meter kunna utföras strax intill tornets fotavtryck vid kommande byggetapper. Utformningen av pålarna styrs därför inte bara av vertikala krafter, utan de måste också ha en hög böjstyvhet för att kunna aktivera leran ned till stora djup.

Grävpålar i betong har valts delvis på grund av hög axialstyvhet men också med anledning av utförande- och kostnadsaspekter. Diametern valdes till två meter, utan att avvika för mycket från praxis och därmed begränsa möjliga utförare, just med hänsyn till erforderlig hög böjstyvhet för horisontella krafter.

Lasteffekten i pålarna ökar snabbt vid stora utböjningar i kombination med de ca 55 MN som är dimensionerande vertikallast i en påle. Därför övervakas pål- och jordrörelserna i området noga. För att möjliggöra schaktning och gjutning av bottenplattan efter pålarnas färdigställande utfördes en jetinjekterande jordförstärkning under den slutliga bottenplattan. Den här jetinjekteringen kopplade samman pålarna till en enhet och minskade rörelserna vid schaktningen, då pålarna fortfarande inte var ihopkopplade med en bottenplatta.

”Övervakningen kommer att fortsätta lång tid framöver”

Entreprenören Serneke Anläggning, VBK som konstruktör och projektets geotekniker Norconsult och Geos har arbetat mycket tätt för att utvärdera och analysera de rörelser som uppkommit under grundläggningsarbetena. Allt i syfte att verifiera pålarnas kapacitet och då har också aktuellt utförande av pålarna tagits med i beräkningen.

Arbetet har hittills varit framgångsrikt, men övervakningen kommer att fortsätta lång tid framöver då byggnationer sker på många håll i närområdet. Grävpålarnas integritet och bärförmåga måste säkerställas även för andra aktörers påverkan i form av grundläggningsarbeten på granntomterna i området.

Grundläggningsarbetet har varit förhållandevis osynligt, men stommens fortsatta arbeten kommer att bli alltmer synliga för omgivningen. Serneke planerar en arbetscykel på ett våningsplan per vecka som troligtvis nås strax efter en initial inkörningsperiod. Dock kommer bygget av den nedre utriggaren att utgöra en paus i tillväxt på höjden, då dessa arbeten är mycket komplexa. Utriggaren var en analytisk utmaning, men den kommer troligtvis även att vara den största utmaningen att utföra.