Björn Schouenborg, Bent Grelk, Jan Anders Brundin & Lisbeth Alnaes Buktningsprovning av marmor för fasadbeklädnad NORDTEST-projekt 1443-99 SP Rapport 2000: 28 Byggnadsteknik Borås 2000

2

Abstract Bowtest for cladding panels of marble Facade cladding of marble has, in several cases, suffered from problems with bowing panels that also loose strength. When not exchanged or repaired there is an obvious risk of panels falling down with time. The project objectives are to develop a laboratory test method for the detection of marble with a potential risk of bowing and to develop a field site investigation method. In addition an equipment with sufficient precision to measure the development in bowing on the actual building cladding from year to year should be developed. The laboratory method presented has proven good correlation with field observation of damaged buildings. Problematic stone types observed on buildings tend to show a clear bowing in the laboratory, while the reference materials did not show any bowing. A measuring rig, the “Bow-meter” has been developed to measure the amount of bow on the facade. The reproducibility of this equipment in use is better than 0,2 mm. The coefficient of variation is better than 0,8 %. A method for inspection of buildings is also presented. Further investigations and refinement of the methods will be done within a five year long, European, R&D project called TEAM (Testing and Assessment of Marble and limestone). The progress of TEAM can be followed on the project web site: www.sp.se/building/team. Key words: Marmor, buktning, fasadbeklädnad, provningsmetod, fältundersökning Marble, limestone, bowing, claddings, test method, building assessment SP Sveriges Provnings- och SP Swedish National Testing and Forskningsinstitut Research Institute SP Rapport 2000: SP Report 2000: 20 ISBN 91-7848-829-X ISSN 0284-5172 Borås 2000 Postal address: Box 857, SE-501 15 BORÅS, Sweden Telephone: +46 33 16 50 00 Telex: 36252 Testing S Telefax: +46 33 13 55 02 E-mail: info@sp.se Bjorn.schouenborg@sp.se

3

Innehållsförteckning Abstract 2

Innehållsförteckning 3

Förord 5

Sammanfattning 6

1 Introduktion 8 1.1 Bakgrund 8 1.2 Syfte 8 1.3 Metodik 9

2 State-of-the-art 10 2.1 Inledning 10 2.1.1 Historisk baggrund vedrørende skader på facader beklædt med marmor og

kalksten 10 2.1.2 Rapporterede skader 10 2.1.3 Brug av tynde plader 10 2.2 Årsager 11 2.2.1 Klimatiske forhold 12

3 Provmaterial 13 3.1 Marmor 13 3.2 Kalksten 13 3.3 Granit - referens 14

4 Laboratorieprovning 16 4.1 Laboratoriemetod 17 4.2 Resultat 20

5 Fältmetod 21 5.1 Fältutrustning 21 5.2 Nyköpings stadshus 22 5.2.1 Fältmätning 22 5.2.2 Resultat 23

6 Hållfasthet kontra deformation och vittring 24 6.1 Provmaterial 24 6.2 Provningsmetoder och resultat 24 6.2.1 Böj-draghållfasthet och buktning 24 6.2.2 Ultraljud 25

7 Slutsatser och förslag till fortsatta undersökningar 26

8 Referenser 28 8.1 Citerade referenser 28 8.2 Bibliografiska referenser i alfabetisk ordning (Referenser som ligger till

grund för state-of-the-art.) 28

4

Bilagor Bilaga 1: Förslag till Nordtestmetod: Test for bowing of cladding panels Bilaga 2: Förslag till Nordtestmetod: Field method for measurement of bowing cladding panels Bilaga 3: Laboratorieresultat från buktningsförsök Bilaga 4: Resultat från fältmätning av plattor på Nyköpings stadshus Bilaga 5: Reproducerbarhetsmätningar på fasadplattor från Nyköpings stadshus Bilaga 6: Laboratorieprovning på marmor från Nyköpings stadshus och nymonterade plattor

5

Förord Projektet är utfört i samarbete mellan: SP, Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, sektionen för Byggnadsmaterial, Rambøll, avdelningen Brodrift og Betonteknologi, Köpenhamn, Danmark Jananders Consulting AB, Ängelholm, Sverige SINTEF Bygg og miljøteknikk, avdelning Bergteknikk, Trondheim, Norge Projektet är samfinansierat av projektdeltagarna och Nordtest (projektnummer: 1443-99). Björn Schouenborg, SP har varit projektledare. Bent Grelk, Rambøll har koordinerat de Danska aktiviteterna. Jan Anders Brundin har framför allt svarat för fältmetoden. Lisbeth Alnæs, SINTEF har lett de Norska aktiviteterna. Genom projektarbetet har även kontakter skapats med ett större nätverk av europeiska organisationer med intresse för denna problematik. Vidare har ett Europeiskt forskningsprojekt kunnat startas upp delvis genom dessa nya kontakter och på grund av de lyckade försöken inom ramen för Nordtestprojektet. Se vidare www.sp.se/building/team. Ytterligare material än de som presenteras i undersökningarna har anskaffats. Dessa kommer att ingå i fortsatta försök inom TEAM. Björn Schouenborg Borås, November 2000 Stort tack till Nyköpings kommun för att de ställde sitt stadshus till projektets förfogande. Nyköpings kommun är numer även projektdeltagare i TEAM. Stor tack även till följande stenproducenter/leverantörer för deras bidrag med stora mängder tillsågat stenmaterial: Borghamnsten AB, Sverige Ölandsten AB, Sverige Ankerske Naturstein AS, Norge Nordic Stone, Norge Johansen Granitt, Norge SAVEMA, Italien

6

Sammanfattning Projektet är ett nordiskt samarbete mellan naturstensindustrin, forskningslaboratorier och konsultfirmor. Bakgrunden är de problem med buktande tunna, fasadplattor av marmor som observerats på ett flertal byggnader runt om i världen. Syftet har varit att få fram en laboratoriemetod för att bedöma stenmaterials potential för buktning i sådana applikationer samt att ta fram en metod för fältobservation av skadade byggnader. En litteratursökning redovisas som en sammanfattande state-of-the-art, med tillhörande referenslista över relevant litteratur. I laboratorieförsöken har 9 stensorter ingått; 1 referensmaterial av granit, 3 kalkstenar och 5 marmorsorter. Genom att utsätta provmaterialen för en varierande fuktgradient och temperaturcykler har projektet lyckats efterlikna de buktningar som observerats på byggnader. En preliminär provmetod presenteras. Metoden bör dock utvecklas vidare, vilket kommer att ske inom ramen för EU-projektet TEAM. Vidare bör en mer omfattande jämförelseprovning genomföras för att få fram kompletta precisionsdata. De observationer som utförts på Nyköpings stadshus har legat till grund för ett förslag till fältmetod för inspektion av skadade byggnader. I detta sammanhang har även ett mätinstrument tagits fram som möjliggör noggranna mätningar av den aktuella buktningen in situ. Dessutom rekommenderas uppföljande mätningar för att bedöma utvecklingen de kommande åren. Som nödvändigt komplement krävs bestämning av plattornas hållfasthet. En fortsättning är planerad inom TEAM-projektet för att kunna komplettera fältmetoden med en riskanalys och mer detaljerade rekommendationer avseende åtgärder.

7

Denna sida (6) skall vara blank!

8

1 Introduktion 1.1 Bakgrund Natursten har genom århundraden varit ett betydelsefullt och mycket vanligt byggnadsmaterial. Tidigare användes det ofta som bärande väggkonstruktion och senare som fasadbeklädnad. Normalt har natursten ett gott rykte på grund av dess estetiska värde och goda beständighet. Senare har även naturstenens fördelar framför andra material påtalats genom livscykelanalyser i kombination med låga miljöbelastningar. Inom de senaste 30 åren har användningen av marmorplattor för fasadbeklädnad ökat markant. De senaste 10-20 åren har man emellertid observerat ett stigande antal skador. En stor del av marmorfasaderna som är utsatta för väder och vind visar tydliga deformationer i form av buktning. Några av de mer kända fallen i Norden är Finlandiahuset i Helsingfors, Sydsvenskans byggnad i Malmö, Ö. Nordstan i Göteborg. Det är i synnerhet fasader klädda med vit Carrara marmor från Italien och i mindre omfattning marmor av portugisisk, grekisk och nordisk ursprung, som har givit upphov till problem i form av buktning. På flera byggnader har enskilda plattor fallit ned med risk för personskador. Det höga och stadigt växande antal skadefall har börjat ge vissa sorters natursten dåligt rykte som byggmaterial. Även om det verkar beröra ett relativt begränsat antal marmor och kalkstenssorter så har det medfört en generellt fallande försäljningstrend av all kalksten och marmor, vilket i första hand drabbar små och medelstora företag. 1.2 Syfte Med en bra provnings- och utvärderingsmetodik så skulle risken för att på felaktiga grunder döma ut nordiska stensorter minimeras samtidigt som möjligheterna att sortera ut olämpliga stensorter öka. Tidigare Nordtestprojekt Nr 1019-91 Nordisk naturstensprovning” och en av de metoderna som utarbetades inom projektet, ”Värmeutvidgningskoefficient” (NT BUILD 479), visade tydligt att det finns ett behov för att utvärdera buktning hos marmor på ett speciellt sätt. Projektet syftar därför till att utforma en gemensam nordisk metod för att bedöma risken för att en stensort skall bukta sig vid klimatexponering samt att skapa en metodik för att övervaka och prediktera utvecklingen på befintliga fasader där skador observerats. I sammanhanget är det viktigt att betona att det verkliga problemet är den kraftiga reduktion i styrka som sker i materialet samtidigt som det buktar sig.

9

1.3 Metodik Provmaterialet valdes främst utifrån, i Norden, förekommande kända skador på fasader samt ett ”referensmaterial” (granit) som inte givit upphov till skador. Dessutom har analyser utförts på marmor och kalksten som inte uppvisat denna skadebild. En laboratoriemetod (bilaga 1) har tagits fram för att simulera de klimatväxlingar som förekommer på verklig fasad men samtidigt accelerera dem. Provmaterialen har därför utsatts för omväxlande fukt och temperatur under tiden deras planhet övervakades. Parallellt med laboratoriearbetet har fältmätningar utförts med hjälp av utrustning framtagen för in situ mätning av buktning. Erfarenheterna har sammanställts i form av ett förslag till fältmetod (bilaga 2).

10

2 State-of-the-art 2.1 Inledning 2.1.1 Historisk baggrund vedrørende skader på facader beklædt med

marmor og kalksten Natursten har igennem århundreder været anvendt som bygningsmateriale til bl.a. belægninger og facadebeklædninger. Natursten har mange gode egenskaber og har haft et meget fint omdømme som bygningsmateriale, bl.a. fordi natursten i relation til holdbarhed, æstetik samt miljø har en række klare fordele fremfor andre typer byggematerialer. Indenfor de sidste 40 år er brugen af kalksten- og marmorplader til facadebeklædning steget markant, ofte i form af tynde plader (3-6 cm eller tyndere). Opsætningen er typisk sket med forankringer af rustfri stål og med bagvedliggende ventileret luftspalte. Samtidigt hermed har brugen af nye kalksten- og marmortyper og gamle typer til nye formål og under andre klimatiske forhold vundet mere indpas i branchen. 2.1.2 Rapporterede skader Man har desværre i de sidste 10-20 år observeret et stigende antal skader. F.eks. viser en stor del af marmorfacaderne, som er udsat for vejr og vind, tydelige deformationer i form af en udbøjning af marmorpladerne. Der er rapporteret om skader på bygningsfacader i mange lande, herunder bl.a. Sverige, Danmark, Frankrig, Tyskland, Finland, USA, Canada og Østrig. Blandt de mest “berømte” internationale eksempler kan nævnes den 82-etagers høje Amoco-bygning i Chicago, Finlandia-huset i Helsingfors og nu senest Bastille Operaen og L´arche de la Défense i Paris. 2.1.3 Brug av tynde plader Oprindeligt blev natursten anvendt som bærende vægge og søjler i tidligere tiders konstruktioner, mens man i nyere tid er gået over til at anvende tynde plader af natursten som facadebeklædning og klimaskærm udenpå bærende vægge af mursten, beton og/eller stål mv. I årene efter 2. Verdenskrig var teknologien ved bl.a. forarbejdning af marmor imidlertid blevet så udviklet, at man fra at bruge over 100 mm tykke plader gik over til at anvende kun ca. 20-40 mm tykke plader. Denne udvikling medførte bl.a., at man i USA og Canada fra engang i 60’erne nu også begyndte at anvende tynde marmorplader som facadebeklædning på højhuse og skyskrabere i stor stil. Dette relative hurtige skift til brugen af tynde plader var et resultat af nye skæreteknikker samt indførelsen af mere avanceret produktionsudstyr i naturstensindustrien. Det var udsigten til en åbenlys økonomisk gevinst, der var drivkraften bag denne udvikling. Man kunne på den ene side reducere mængden af anvendt materiale per m2 facade samtidigt med, at denne blev reduceret væsentlig i vægt.

11

Desværre var denne udvikling i brugen af tynde naturstensplader ikke ledsaget af eller baseret på en større forståelse og kendskab til naturstenenes fysiske og kemiske egenskaber. I de sidste 40-50 år har den øgede anvendelse af tynde plader resulteret i et stærkt stigende antal skader. Bygninger som Lincoln First Tower, Rochester N.Y.[8], Finlandiahuset i Helsinki [32] og Amoco bygningen i Chicago [22] har nu mindre end 30 år efter deres opførelse alle fået deres naturstensfacader udskiftet. Marmorbeklædningen på Lincoln First Tower blev i 1988 erstattet med paneler i aluminium til en samlet sum af 20 millioner dollars. I 1989 blev marmorfacaderne (Bianco Carrara) på Amoco-bygningen erstattet med facadeplader i granit for et sted mellem 60 og 80 millioner dollars. I perioden 1998-99 blev marmorbeklædningen på Finlandiahuset erstattet af en ny marmorbeklædning, af samme type (Bianco Carrara) som den oprindelige, vel vidende, at der er stor risiko for, at denne næppe holder meget længere end den første dvs. mindre end 30 år. Det er især facader beklædt med hvid Carrara-marmor fra Italien der har givet anledning til problemer, men også marmorplader af portugisisk, græsk, norsk og amerikansk oprindelse har givet anledning til problemer i form af betydelige deformationer (udbøjninger) i facadepladerne. Det er vigtigt at bemærke, at der også er bygninger beklædt med marmor fra Carrara-området, som tilsyneladende klarer sig godt. 2.2 Årsager Alle rene marmortyper består af enten calcit eller dolomit eller en blanding af disse. Det er imidlertid interessant at bemærke, at der i alle dokumenterede tilfælde af bøjede marmorplader tilsyneladende kun er tale om calcitiske marmortyper såsom Carrara, Trigaches, Vermont og Porsgrunn/Hove. Der er så vidt vides ingen rapporterede skader med dolomitiske marmortyper eller typer, hvor dolomit udgør en væsentlig bestanddel, såsom typerne Ekeberg og Thassos. Marmor er en metamorf bjergart, som er dannet i forskellige geologiske perioder i tilknytning til bjergkædefoldninger af kalkstenslag, som er en sedimentær bjergart. Dannelsesforholdene har varieret meget, alt fra lave til meget høje tryk og temperaturer. Dette afspejler sig bl.a. ved, at de enkelte marmorforekomster kan have meget forskellige egenskaber. Det har fra forskellig side være nævnt, at dannelsesbetingelserne kunne bevirke, at der blev indbygget større eller mindre indre spændinger i bjergarten, som efterfølgende vil kunne blive udløst, f.eks. i forbindelse med brydningen og forarbejdningen af stenmaterialet eller senere i relation til skiftende fugt- og temperaturpåvirkninger af materialet. Denne udløsning af indre spændinger mener flere forskere er årsagen til de formforandringer, der især kan iagttages på meget tynde marmorplader. Der er flere forskere, som hævder, at kornstørrelsen er en meget vigtig parameter. Det har været nævnt, at problemet kun var aktuelt for meget finkornede marmortyper. Der er dog imidlertid ingen, som kan forklare de mange observationer af bøjede marmorplader, som

12

også indbefatter grovkornede marmortyper. Suenson [41] omtaler en særlig Carrara marmor, som ”sukker marmor” med en kornstørrelse på 0,25-0,75 mm, som værende den mest ustabile type. Tshegg [45] fastslår, at der eksisterer et pessimum mht. kornstørrelsen, dvs. en kornstørrelse ved hvilken marmoren er mest kritisk i relation til formforandringer. Forskellen i kornstørrelse kan imidlertid ikke forklare, hvorfor dolomitholdige marmor tilsyneladende klarer sig så meget bedre end ren kalcitmarmor, idet disse ikke er mere grovkornede end de kalcitiske marmortyper. Winkler [48] nævner, at Georgia, Cherokee marmor (grovkornet) begyndte at bøje på facaden af Marshall Field bygningen i Chicago efter kun 9 år. 2.2.1 Klimatiske forhold I 1943 omtalte Suenson [41], at det ikke nødvendigvis er særligt høje temperaturer der skal til for at få marmor til at bøje, men at det i højere grad er mange (gentagne gange) små cykliske temperaturændringer, som i den henseende er kritisk i relation til bøjning af marmorplader. Han hævdede også, at problemet med bøjede marmorplader var et almindeligt fænomen, og at grovkornede marmortyper var de farligste i den henseende. Suenson omtalte tillige, at der var flere kendte tilfælde, hvor tætte kalksten havde givet anledning til krumning. Fugt er efter alt at dømme en helt nødvendig faktor for at bøjning skal kunne indtræffe. Bucher er i [47] citeret for at sige, at bøjede marmorplader kun er rapporteret fra lande hvor der falder rigeligt med regn. Ifølge ham vil en høj fugtighed på en side af en stenplade og en lav på den anden side vil medføre en ekspansion af pladens fugtige side og derpå til bøjning af pladen. Kessler [18] udførte forsøg med bl.a. opvarmning/afkøling, udtørring/opfugtning af en lang række kalksten og marmortyper. Han fandt, at opfugtning måske var mere skadelig i relation til styrketab end frost/tø-påvirkninger. Han mente, at dette kunne skyldes en svækkelse i materialet bl.a. i form af en nedsættelse af friktionen mellem krystallerne og dermed lette føre til glidning af krystaller mellem hinanden.

13

3 Provmaterial Till laboratorieförsöken har följande stensorter använts: marmor, kalksten och granit. Granit är inkluderad som ett ”stabilt” referensmaterial, som inte visar samma buktningsproblem som karbonatbergarterna. En närmare beskrivning av provmaterialen ges nedan och i figur 2 A – E. 3.1 Marmor

A) Grå färg med slirig struktur. Ej fullständigt omvandlad kalksten/marmor. Oregelbunden kornstorlek och kornform.. Mycket finkornig gråbrun matrix mellan omvandlade öar av kalcitomvandlade fossil. Vanligt med små opaka (malmkorn) mineral,

B) Grå – gråvit med fläckig struktur. Varierande kornstorlek ( mm), raka kornfogar, helt omkristalliserad. C) ”Vit” med svag grågrön ton. Finkornig ( mm). Dolomitmarmor. Vanliga raka korngränser, viss orientering mest tydlig i form av glimmer och amfibol (Muskovit respektive Tremolit). Enstaka längre dolomitkristaller har samma orientering. Finkornig, relativt jämnkornig D) Vit. Jämnt finkornig. Ren kalcitmarmor, dvs. utan den Mg-komponent som givit upphov till dolomit, muskovit och tremolit i stensort C. Dessutom har en vit marmor från fasaden på Nyköpings stadshus ingått i projektet. Den betecknas I i resultatredovisningen, kapitel 6.2.

3.2 Kalksten Samtliga kalkstenar är levererade av Ölandsten AB

E) Ölands Röd, B1 Finkornig med rödbrun färg och tydligt lagrad, struktur samt rikligt förekommande inslag av fossila skalfragment. Även lerslag förekommer. De fossila skalfragmenten är kalcitomvandlade. F) Ölands Grå, G2 Som ovan men gråbrun. G) Ölands Grå, G1 Som ovan men ljusgrå.

14

3.3 Granit - referens

H) Granit från Småland, Sverige. Mahognyfärgad med enhetlig färg och medelkornig med större (ca 1 cm) mörkt brunröda strökorn av fältspat. Materialet har valts för att granit mkt sällan eller aldrig uppvisat problem med buktning på fasad.

Figur 1. Foto av provmaterialen i den ordning de är beskrivna i texten; A – B – C – D – E - H. Obs! Endast Ölands röd (E) är med av kalkstenarna.

15

Figur 2 A, B. Mikroskopifoto av stenproverna A och B

Figur 2 C, D. Mikroskopifoto av stenproverna C och D.

Figur 2 E, F. Mikroskopifoto av stenprov E samt mm skala som är avbildad md samma förstoringsgrad som stenproverna.

16

4 Laboratorieprovning I resultat från tidigare projekt (se state-of-the-art, kap. 3) samt interna skadeutredningsuppdrag har det framkommit att det sannolikt krävs en cykling av både temperatur och fuktighet för att åstadkomma den buktningen som kan observeras på vissa marmorfasader. Enbart cykling av temperatur ger i regel en mindre expansion än det man kan mäta på en husfasad (se fig. 3). Tidigare Nordtestprojekt (1019-91: Testing of Nordic natural stones) påvisade problemet med att bestämma värmeutvidgningskoefficient på torra provkroppar. Vid provning av torr sten erhålles inte någon slutlig expansion. Då fukt tillförs stenmaterialet fortsätter nämligen expansionen. Efter mer än 100 cykler har inte expansionshastigheten avtagit.

Figur 3. Diagram visande skillnad mellan provning av värmeexpansion i torrt och

Expansionstest - Marmor, A

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 25 50 75 100 125Temperaturcykler (20-80C)

Expa

nsio

n (%

) Torr

Våt

Våt/torr

vått tillstånd för en norsk marmor. De icke relevanta provningsresultaten resulterade i följande kommentar i NT BUILD 479: “It must be stated that bending/curving of natural stone elements has been known to result from other causes than temperature fluctuations alone, e. g. for Carrara marble”. Vid försök där provkroppar sänks ned i vatten och temperaturen varieras erhålles en homogen expansion, dvs utan buktning. För att även åstadkomma buktning krävs att man har en fuktgradient i stenen. Dessa “slutsatser” utgör grunden till den direkta laboratoriemetod för buktning som tagits fram, se nedan.

17

4.1 Laboratoriemetod Den variation av temperatur och fukt som förekommer i stenmaterialet på en husfasad har projektgruppen försökt simulera genom att låta stenplattor ligga på en vattenmättade sandbädd samtidigt som temperaturen på ovansidan höjts från ”normal” laboratorie-temperatur (ca 20 –23 °C) till ca 80 °C. Uppvärmningen utfördes med hjälp av infravärmare. Värmeutrustningen har startats på morgonen och slagits av vid lunch. Under tiden torkar sanden delvis vilket medför en varierande fuktgradient. Mätning av buktning har därefter utförts på svala provplattor med jämna tidsintervall. Efter hand som erfarenhet vunnits har provuppställningen modifierats, under projekttiden, och ett förslag till utrustning visas nedan i figur 4A - C och i bilaga 1.

Figur 4A. Skiss på provningsuppställning för ensidig befuktning och uppvärmning av provplattor på en sandbädd. Isolerade väggar är en fördel.

Figur 4B. ”Container” i rostfritt stål för fukt-temperatur cycling. Tre infravärmare ca 0,5 m ovan provkropparna.

18

Figur 4C. Detalj av bräddavloppet som är justerbart i höjdled för att möjliggöra styrning av vattennivån. Dessutom kan man låta vatten cirkulera och styra dess temperatur. Mätningen av den resulterande buktning sker med en digital mätklocka gentemot ett referensstycke enligt figur 5 nedan. Mätklockan är indelad i tusendels mm.

Figur 5. Utrustning för mätning av buktning i laboratorium efter cykling av T och Rf.

19

Tre stödpunkter samt tre hörn säkerställer att provkroppen alltid hamnar på samma ställe vid upprepad mätning. Provkroppsdimension har företrädelsevis varit 400x100x30 mm. Inverkan av provkropparnas tjocklek på buktningens storlek har inte undersökts på grund av projektets begränsade budget. Av samma skäl har endast ett temperaturintervall om ca 20 – 80 °C undersökts. Valet av dimension och temperaturintervall har baserats på resultatet av litteraturgenomgången samt enstaka förtest. Ett varierande antal provkroppar har använts för att få ett så stort materialunderlag som möjligt. Vanligtvis har mellan 1 och 4 plattor av samma stensort använts (se vidare kapitel 2 för beskrivning av provmaterialen). Provkropparnas yttemperatur har säkerställts genom mätning under pågående provning. Även infravärmarnas jämnhet i värmespridning har uppmätts för att säkerställa en så jämn temperaturspridning som möjligt.

20

4.2 Resultat Figur 6 nedan redovisar en sammanställning av de laboratorieförsök som utförts enligt föreslagen metod. Av figur 6 framgår att två av de provade marmorsorterna uppvisar en markant buktningstendens, medan de två andra inte gör det. Detta stämmer väl överens med erfarenheten om hus stenmaterialen uppför sig på husfasader. Övriga provers utveckling faller inom felmarginalen. Den observerade variationen, och till och med, negativa trenden för kalksten kan bero på den initiala konditioneringen av provkropparna. Granit-referensen visar som väntat ingen tendens till buktning.

Figur 6. Medelvärden från buktningsförsök

Buktningsförsök

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 10 20 30 40 50 60

Antal cykler (20 - 80 C)

Buk

tnin

g i m

m

HADCBE, F, G

Diagrammet i figur 6 representerar medelvärden av totalt 24 analyser. Buktningen är inte uppmätt efter varje temperaturcykel. Flera datapunkter i diagrammet representerar därför interpolerade värden. Detta redovisas i bilaga 3. Några traditionella precisionsdata har inte varit möjliga att ta fram inom ramen för projektets budget. Projektgruppen har istället prioriterat utprovningen av så många stensorter som möjligt för att kunna validera metodens resultat jämfört med information om verkliga skadefall. I kapitel 8, ”Slutsatser och förslag till fortsatta undersökningar”, anges därför att metoden bland annat bör kompletteras med mer omfattande precisionsdata från en större jämförelseprovning. Vid mätning på 2 till 5 provkroppar i varje serie indikerar detta en spridning på ca 0,025 mm. Uttryckt som repeterbarhet motsvarar detta 0,069 mm.

21

5 Fältmetod I hela Europa finns byggnader med marmorfasader där buktning har observerats. Då buktningen får fortgå utan åtgärd kommer till slut fasadplattorna att spricka i infästningarna och ramla ned med risk för personskada. Det är därför oerhört viktigt att, vid en undersökning, kunna bedöma graden av skada samt den hållfasthet som återstår i plattorna och utvecklingen de närmaste åren framöver. 5.1 Fältutrustning I samband med en översiktlig besiktning av en fasad med buktande plattor räcker det vanligen att använda en rätskiva tillsammans med en mm-graderad kil. För att kunna prediktera den fortsatta buktningen och hållfasthetsutvecklingen är det emellertid avgörande att undersökningen sker på ett systematiskt sätt och med hög precision. Av denna anledning har projektet utfört en besiktning på Nyköpings stadshus med hjälp av nyutvecklad mätutrustning. Mätutrustningen är tillverkad av FAX Maskinfabrik ApS, Rødovre i Danmark, efter instruktioner från Rambøll. Den ”mätbryggan” (se figur 7) som konstruerats innebär att bråkdelar av mm kan mätas. Det digitala skjutmåttet som är monterad på mätbryggan, är graderad i tusendels mm. För att minimera inverkan av rörelser i mätbryggan på mätresultatet har utrustningen gjorts så styv som möjligt, dock med hänsyn tagen till vikten. Mätbryggan är tillverkad av 3 limmade aluminiumprofiler och har flyttbara stödpunkter (ena sidan med 1 stödpunkt och andra med 2) och infästning för skjutmåttet.

Figur 7 A. Mätbrygga med digitalt skjutmått samt logger för kontinuerlig registrering av mätdata.

22

Figur 7 B. Detaljbild av skjutmått och ena änden med 2 stödpunkter. Mätbryggan väger drygt 3 kg, lite beroende av utrustning. En tidig prototyp vägde ca 8 kg, vilket visade sig vara för tungt. Rent hanteringsmässigt var den svårarbetad. Dessutom ökade risken markant för att göra märken (fördjupningar) i stenplattorna under stödpunkterna. En felkälla som är av största vikt att minimera vid upprepade mätningar flera år i rad. 5.2 Nyköpings stadshus 5.2.1 Fältmätning Huvudsakligen undersöktes 3 av byggnadens fasader, ÖNÖ samt VSV utanför restaurangen och VSV uppe på taket på huvudbyggnaden mot Slottsgatan (se figur 8

nedan). Figur 8. Karta over Nyköpings centrum. N uppåt. Pilen pekar mot stadshuset (nr 15).

23

Mätningarna utfördes genom s. k. mittpunktsmätning av diagonalerna (se figur 9) samt vertikalt och horisontellt för att få en uppfattning om plattornas form. Dessutom mättes samma platta flera gånger för att få en uppfattning om spridning i mätning mellan olika personer.

Figur 9. Tidtagning vid upprepad mätning av diagonal. 5.2.2 Resultat Vid mättillfället var 6 personer närvarande. För att bestämma reproducerbarheten (R) användes två olika plattor. R beräknades till mindre än 0,2 mm. Motsvarande siffror har uppmätts i laboratorium med otränad personal vilket får betraktas som godkänt. En reproducerbarhet om ca 0,1 mm är sannolikt realistisk efter övning. Medelvärdet hos variationskoefficienten beräknades till 0,8 %. Se vidare bilaga 5 för alla delresultat. Det är mot bakgrund av den beräknade mätosäkerheten som redovisade mätdata skall användas. Generellt kan man säga att störst skador i regel förekommer högt uppe på fasaden samt i hörnen. Störst buktning observerades vid mätning av plattor på taket, dvs. de områden som är mest utsatta för regn. Mätningarna på de fasader som vänder mot VSV och SSO gav en buktning i snitt mellan 15 och 20 mm/m. Delresultat redovisas i bilaga 4. Vidare utvärdering av plattornas hållfasthet presenteras i nästa avsnitt.

24

6 Hållfasthet kontra deformation och vittring 6.1 Provmaterial Tre stycken fasadplattor demonterades från fasaden på Nyköpings stadshus i samband med besiktningen. Dessutom fick projektgruppen tillgång till oexponerat material i form av en platta som suttit vid en inre hissentré och sockellist. Vidare, reserverades extra material från de nya plattor som monterades istället för de demonterade. Dessa tillhandahölls av en Italiensk leverantör och var betecknade Bianco Carrara. Även tillsågade prismor klara för provning levererades av samma firma. Plattorna transporterades till SP för bestämning av böj-draghållfasthet, buktning, densitet samt ultraljudshastighet. Böj-draghållfastheten bestämdes för att undersöka resthållfasthet och jämföra med ursprungsvärden.

s Figur 10. Demontering av 2 plattor från övre VSV fasaddelen. 6.2 Provningsmetoder och resultat 6.2.1 Böj-draghållfasthet och buktning Böj-draghållfastheten bestämdes enligt DIN 52112-A. Upplagsavståndet var 300 mm och trepunktsbelastning användes. Provkropparnas dimension var samma som för buktningsförsöken, dvs. 400x100x30 mm. Resultaten presenteras i tabell 1 nedan.

25

Tabell 1. Provningsresultat avseende böj-draghållfasthet hos demonterade fasadplattor från Nyköpings stadshus. Siffrorna avser medelvärden. Delresultat redovisas i bilaga 6. Bokstäver för plattornas identitet hänför sig till beteckningar i bilagan. Platta och placering på huset Böj-drag

(MPa) Buktning (mm/m)

D, G: Nyproducerad platta från Italiensk leverantör. 12,1 0,0 D, F: Nyproducerad platta från Italiensk leverantör. 11,8 0,0 I1: Vertikalt. Platta från ytterfasad. Sydväst tak (fig. 8 ovan), botten 1:a skift. Provkropparna har utsågats längs med plattans vertikalplan.

5,6

15,7

I2: Horisontellt. Sydöst tak. Provkropparna har utsågats längs med plattans horisontalplan.

3,0

13,6

I3: Platta från inre hissentrè 16,9 0,0 * Plattorna G och F är utsågade vinkelrätt mot varandra

Resultaten visar en markant minskning av den ursprungliga hållfastheten med mellan 3 och 5 gånger under de ca 30 åren sedan fastigheten byggdes. Även ersättningsmaterialets hållfasthet bestämdes och kommer att följas under de närmaste 5 åren. 6.2.2 Ultraljud Ultraljudshastigheten bestämdes med MATEST C368 med en 200 kHz elektrisk omvandlare. Resultaten som presenteras i tabell 2, visar tydligt att reduktionen i hållfasthet följs av en ”uppluckring” i materialet med en minskad hastighet som resultat. Den ursprungliga högre hållfastheten på det originalmonterade stenmaterialet reflekteras även den av högre hastighet jämfört med ersättningsplattorna. Det är dock för tidigt att uttala sig om detta är en relation som gäller generellt och kan användas på andra marmorsorter. Tabell 2. Provningsresultat avseende ultraljud hos demonterade fasadplattor från Nyköpings stadshus. Siffrorna avser medelvärden. Delresultat redovisas i bilaga 6. Bokstäver för plattornas identitet hänför sig till beteckningar i bilagan. Platta och placering på huset Resultat

(m/s) D, G: Nyproducerad platta från Italiensk leverantör. 4800 * D, F: Nyproducerad platta från Italiensk leverantör. 5200 * I1: Vertikalt. Platta från ytterfasad. Sydväst tak, botten 1:a skift. Provkropparna har utsågats längs med plattans vertikalplan.

3200

I2: Horisontellt. Sydöst tak. Provkropparna har utsågats längs med plattans horisontalplan.

2600

I3: Platta från inre hissentrè 6100 * Plattorna G och F är utsågade vinkelrätt mot varandra

26

7 Slutsatser och förslag till fortsatta undersökningar

Problemet med buktande marmorfasader är fortfarande olöst. Vid det nyligen (1998-99) genomförda utbytet av över 7 000 m

2 fasadsten på Finlandiahuset har de nya plattorna

redan börjat bukta sig. Såväl Nordtestprojektets undersökningar som den kunskap som efterhand har etablerats om skadade fasader runt om i Europa, visar att det inte bara är problem med den italienska Bianco Carrara. Även marmor från Norge, Grekland och Portugal har visat samma problem med buktning. Att Bianco Carrara är mest känd beror på att den är mest spridd och använd. I Carrara finns flera hundra aktiva stenbrott med naturliga variationer i sammansättning och textur varför det är felaktigt att sammanföra alla under ett namn i detta sammanhang. Små variationer kan ha stor betydelse för potentialen till buktning, något som kommer att utvärderas mer i detalj inom TEAM-projektet. Det verkliga problemet är inte buktningen i sig utan den kraftiga reduktionen i hållfasthet som följer parallellt med buktningen och vittring i allmänhet. I samband med en av flera utredningar om Finlandiahuset utvärderades styrkereduktionen relativt buktningen (fig. 11). Detta förhållande påverkas naturligtvis även av den vittring som sker på grund av andra klimatbelastningar, såsom frostpåverkan etc. Faktorer som inte finns representerade i diagrammet.

Figur 11. Korrelation mellan styrkeparameter och buktning hos marmorplattor, efter Mustonen. De få punkter i ett sådant diagram som provningarna på material från Nyköpings stadshus representerar ligger parallellt med punkterna från Finlandiahuset. Det är dock för tidigt att uttala sig om de följer samma trend. Prover kommer därför att tas från Nyköpings stadshus om ett antal år framöver. Dessutom kommer accelererad åldring/buktning att utföras i laboratorium för att, om möjligt, få ett bredare bedömningsunderlag. En reservation skall dock göras för att de laboratorieåldrade proverna inte utsätts för samma klimat inkl. frys-tö cykler och därför inte enkelt kan jämföras med naturligt åldrade på fasad.

27

De inledande laboratorieförsök som givit upphov till förslaget till Nordtestmetod för buktningspotential, visar att det är möjligt att skilja på marmor som har potential att bukta sig och sådan som inte har det. Samtliga marmorsorter som uppvisar buktning på fasader har även visat buktning med den föreslagna metoden. Motsvarande gäller för de marmor och kalksten som inte visar någon buktning på fasad samt för referensstenen av granit. Fortsatta buktningsförsök kommer att utföras, inom ramen för TEAM-projektet, för att definiera optimal tjocklek hos provkropparna samt det optimala temperaturintervallet (t ex 0 – 60°C, 10-70°C eller 20 – 80°C). Det är även lämpligt att definiera det antal cykler som krävs för att kunna bedöma stensortens buktningspotential. De material som visar en buktning i den föreslagna provningen har inte visat någon tendens till avtagande buktning med antal cykler. För att kunna bestämma en sådan gräns krävs bättre underlag i form av referenser i fält. En omfattande jämförelseprovning med minimum 8 deltagande laboratorier bör utföras för att ta fram relevanta precisionsdata för laboratoriemetoden. Projektets syfte har inte varit att, i detta första skede, undersöka vilka materialegenskaper som har betydelse för buktningsfenomenet eller vilka geologiska och mineralogiska egenskaper som avgör om en marmorsort kommer att ge problem eller inte vid sådan användning. Detta bör därför närmare undersökas tillsammans med vilka yttre faktorer som har betydelse för buktningsfenomenet, såsom plattornas dimension, förankringssystem, fasadens konstruktion i övrigt. Likaså att studera inflytandet av variationer i miljöpåkänningar såsom fukthalt, temperaturintervall etc. Detta har sannolikt stor betydelse för laboratoriemetodens utveckling. Genom Nordtestprojektet har det varit möjligt att utveckla en fältmetodik som kan användas för existerande fasader med problem. Vidare har en laboratoriemetod tagits fram som gör det möjligt att bedöma om en marmorsort har potential till buktning eller ej. Utveckling av in-situ mätning av beständighet och hållfasthet är ett viktigt område för fortsatta forskningsinsatser. Mätning av vattenabsorption kan ge en indikation på uppluckring av stenmaterialet, liksom ultraljud. Ultraljud eller Schmidthammare används inom betong och putsområdet. Dessa teknikers användbarhet bör även utvärderas här Fukt är en kritisk faktor för uppkomst av buktning och expansion hos marmor och kalksten. Av denna anledning bör även olika möjligheter att minska fukthalten i fasadstenarna undersökas framöver. Exempel är att belägga fasaden med semipermeabelt klotterskydd eller att impregnera stenplattorna. Detta kan göras i samband med produktion, före installation eller i efterhand för att motverka fortsatt buktning och hållfasthets-reduktion.

28

8 Referenser 8.1 Citerade referenser Schouenborg, B. & Alnæs, L. 1994: Testing of Nordic Natural Stones. Nordtest project 1019-91, SP REPORT 1994:19, NT TECHNICAL REPORT 236. NT BUILD 479: NATURAL BUILDING STONES - Coefficient of thermal expansion DIN 52 52112-A Prüfung von Naturstein – Biegeversuch (bending test) 8.2 Bibliografiska referenser i alfabetisk ordning

(Referenser som ligger till grund för state-of-the-art.) [1] AB Jacobson & Widmark ”Formändringar hos vit carrara-marmor”, Forskningsrapport

BFR 950430-7, Stockholm, 19 p., 1997. 29 [2] Amrhein, J.E., Merrigan, M.W. ”Designing successful stone slab veneer” Stone World,

Nov., pp. 46-, 1993. 100 [3] Badan, B., Bacelle, G., Marchesini, L. ”Surface reactivity of marble and stone: Quarry and

alterated samples”. 60 [4] Bain, G.W. ”Geological, chemical and physical problems in the marble industry” American

Inst. of Mining and Metallurgical Engineers, technical publication, no. 1261, p. 16, 1940. 112

[5] Barsottelli, M., Fratini, F., Giorgetti, G., Manganelli Del Fa, C., Molli, G. ”Microfabric and

altaration in Carrara marble: a preliminary study” Science and Technology for Cultural Heritage 7 (2), pp.115-126, 1998. 99

[6] Bortz, S.A., Erlin, B., Monk, C.B. Jr. ”Some field problems with thin veneer building

stones”, ASTM STP 996, ed. B. Donaldson, pp. 11-31, 1988. 68 [7] Chakrabarti, B., Yates, T.J.S., Ferrier, W. ”Studies of the causes of failure of thin stone

cladding 1993-95” BRE Client Report CR159/95, 1995. 95 [8] Cohen, J.M., Monteiro, P.J.M. ”Durability and integrity of marble cladding: A state of the

art review" Journal of the performance of constructed facilities, 5(2), pp. 113-124, 1991. 16 [9] Donaldson, B. ”New Stone Technology, Design and Construction for Exterior Wall

Systems” ASTM, STP 996, 1988. 109 [10] Dunakin, R. ”Mechanical aspects of weathering in marble crack growth” M.Sc. Thesis,

dept. materials science, royal institute of technology, stockholm, p. 60, 1999. 116 [11] Erlin, B. ”When is a bow not a bow?” Stone World, Feb., 1989. 6 [12] Franzini, M. ”Stones in monuments: Natural and anthropogenic deterioration of marble

artifacts” Eur. J. Mineral., 7, pp. 735-743, 1995. 48 [12] Grimm, W-D. ”Marmor als werkstein und denkmalgestein” Naturstein, (12), 1996. 4

29

[13] Hagerman, T. ”Om svenska bergarter och deras provning för konstruktionsändamål"

Statens Provningsanstalt, meddelande 85, 5p., 1943. 97 [14] Hawes, F. ”Designing stone buildings to prevent weathering” Stone World, Nov., pp. 27-,

1993. 102 [15] Hook, G. "Look out Below - The Amoco Building Cladding Failure" Progressive

Architecture, Feb., 75, pp. 58-62, 1994. 94 [16] Howarth, D.F. ”Experimental study on the relationship between rock texture and

mechanical performance” Trans. Instn Min. Metall., Vol 95, A41- A45, 1986. 35 [17] Karhapää, E., Koskinen, P., Pyy, H., Silvennoinen, K., Sipari, P. ”Weather resistance tests

of carrara type white marble” VTT, building technology, RTE5-IR-2/1994, 1994. 20 [18] Kessler, D.W. ”Physical and chemical tests on the commercial marbles of the united states”

Technologic papers of the bureau of standards No. 123, 1919. 28 [19] Labuz, J.F. ”Degradation of Natural Building Stone” Geotechnical Special Publication No.

72, ASCE, 1997. 108 [20] Lewis, M.D. ”Choosing stone cladding for building facades” Stone World, March, pp. 44-,

1995. 101 [21] Lewis, M.D. ”Modern Stone Cladding” ASTM MNL 21, 1995. 114 [22] Logan, J.M., Hastedt, M., Lehnert, D. and Denton, M. ”A case study of the properties of

marble as building veneer” International journal of Rock Mechanics, Mining sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 30, pp. 1531-1537, 1993. 74

[23] Mamillan, M. ”Recent knowledge of the physical properties of building stones” Industrie

Minérale - Les Techniques, pp. 287-299, 1982. 40 [24] Mc Gee, E.S. ”Influence of microclimate on the deterioration of historic marble buildings”

APT (Association Preservation Technology) Bulletin, Vol. XXIII, pp. 37-42, 1991. 75 [25] Mobbs, S.F., Singvi, A.K. ”Low temperature thermoluminescence of marble and its

possible correlation with stress history” Modern Geology, 8, pp. 149-154, 1984. 15 [26] Oliveira, R., Rodrigues, L.F., Coelho, A.G., Cunha, A.P. ”Comparison of weathering

resistance of some building stones based on treatments simulating different external conditions” Proc. 7th Int. Con. Int. Ass. Of Eng. Geology, pp. 3613-3618, 1994. 33

[27] Perrier, R., Bouineau, A. ”Thermal decohesion in marble and marmoreal limestone”

www.informstone.es/t4.html, 21 p, 1999. 27 [28] Renard, F. ”Pressure dissolution: A mechanism of viscous deformation in rocks” 96 [29] Royen, N., ”Undersökningar Rörande sprickbildninger i kalkstensplattor” Byggmästaren,

nr. 16, Allmänna Uppl. 11, pp. 81-84, 1933. 98

30

[30] Royen, N. ”Naturstenens tekniska egenskaber och dess användning till husbyggnader och skyddsrumsäläggningar” Transactions of Chalmers University of Technology, Gothenburg, no. 8, p. 16, 1942. 111

[31] Royer-Carfagni, G.F. ”On the thermal degradation of marble” International journal of Rock

Mechanics and Mining Sciences, 36, pp. 119-126, 1999. 61 [32] Royer-Carfagni, G. ”Some considerations on the warping of marble facades: the example

of Alvar Aalto's Finland Hall in Helsinki” Construction and Building Materials, 13, pp. 449-57, 1999. 76

[33] Sage, J.D. ”Thermal microfracturing of marble” Engineering Geology of Ancient Works,

Monuments and Historical Sites, pp. 1013-1018, 1988. 44 [34] Sahlman, L., Tolstoj, N. ”Varför böjer sig marmorplattor på fasader?” Sten, 2/97, 1997. 31 [35] Schaffer, R.J. ”The Weathering of Natural Building Stones” Building Research, special

report No. 18, 1932. 110 [36] Schouenborg, B., Alnæs, L. ”Testing of nordic natural stone” Nordtest - projekt 1019-91,

technical report 236 or SP report 1994:19, 1994. 117 [37] Siegesmund, S., Weiss, T., Tschegg, E.K. ”Control of marble weathering by thermal

expansion and rock fabrics” Proceedings 19. Int. Congress Deterioration of Stones, Venice, Elsevier (in press), 2000. 89

[38] Siegesmund, S., Ullemeyer, K., Weiss, T., Tschegg, C. ”Physical wheathering of marbles

caused by anisotropic thermal expansion” Int. J. Earth Sciences, 65, (in press), 2000. 91 [39] Sorace, S. ”Long-term tensile and bending strength of natural building stones” Materials

and Structures, Vol 29, August/September, pp 426-435., 1996. 32 [40] Stocksiefen, W. ”Marmorschäden:Analyse und therapie” Naturstein, (12), 1996. 24 [41] Suenson, E. ”Byggematerialer, Natursten, 3die bind, Jul. Gjellerups Forlag, København,

1942. 57 [42] Thomasen, S.E., Ewart, C. S. ”Durability of thin-set marble” Proc. 3rd int. conf. on

durability of building materials and components, ASTM, pp. 313-323, 1984. 19 [43] Thomasen, S.E., Searls, C.L. ”Assessment of building facades in masonry and stone”

ASTM STP 1098, eds. Kelley and Marshall, pp. 108-116, 1990. 30 [44] Trewhitt, J., Tuchman, J. ”Amoco may replace marble on chicago headquarters” ENR,

march 24, pp. 11-12, 1988. 2 [45] Tschegg, K.E., Widhalm, C., Eppensteiner, W. ”Ursachen mangelnder formbeständigkeit

von marmorplatten” Zeitschrift der Deuetscher Geologischer Gescheltshaft, 1999. 59 [46] Widhalm, C., Tschegg, E., Eppensteiner, W. ”Anisotropic thermal expansion causes

deformation of marble claddings” Journal of the performance of constructed facilities, 10(1), pp. 5-10, 1996. 22

31

[47] Winkler, E.M. ”Properties of marble as a building material” Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 33(2), pp. 215-18, 1996. 18

[48] Winkler, E.M. ”Stone in Architecture: Properties, Durability”, Third edition, Springer,

1997 [49] Winkler, E.M. ”Weathering of crystalline marble at the field museum of Natural History,

Chicago” APT Bulletin (The Assoc. Preservation Technoco, Vol. XXIII, No.4, 1991), 1991.41

[50] Winkler, E.M. ”Buttressed expansion in granitic rocks in the field and on buildings” 4. Int.

Kolloquium Werkstoffwissenschaften und Bauinstandsetzen, pp. 537-542, 1996. 42 [51] Wonneberger, B. & Bortz, S.A. ”Comparing Laboratory and Field Durability Testing of

Stone” 8th Int. Conf. On Durability of Building Materials and Components, Vancouver, Canada, 1999. 106

[52] Zezza, U., Massara, E.P., Massa, V., Venchiarutti, D. ”Effect of temperature on

intergranular decohesion of the marbles” Proc. 5th int congr. on deterioration and conservation of stone vol. 1, ed. G. Felix, Lausanne, France?, pp. 131-140, 1985. 26