Puujulkisivujen ja terassien kestävyys ja sen mallintaminen. Hannu Viitanen, VTT PUUPÄIVÄ , Wanha Satama. Uusinta puututkimusta

Transkriptio

1 Puujulkisivujen ja terassien kestävyys ja sen mallintaminen Hannu Viitanen, VTT PUUPÄIVÄ , Wanha Satama. Uusinta puututkimusta

2 2 Sisältö Puutuotteiden käyttöluokat, toimivuus ja kestoikä Kestävyyteen vaikuttavat keskeiset tekijät Ympäristöolot ja rasitukset Materiaalit Rakenteet Käyttö ja huolto Kestävyyden mittaaminen ja mallintaminen Laboratorio- ja kenttäkokeet Käytännön seuranta ja kohdetarkastelut Kestoikätarkastelu

3 3 Rakennukseen kohdistuvia biologisia ympäristörasituksia voidaan arvioida käyttöluokka-arvioinnilla. Vaikuttavia tekijöitä ovat: mm. kosteus, sade, auringon säteily -> home, laho, hyönteiset Julkisivut ja ulkopinnat Käyttöluokat UC 2 ja 3.1 (EN 335-1) Kutnik 2008 Parvekkeet, terassit, aidat Käyttöluokka 3.2 (EN 335-1) Kutnik 2008

4 Rasitukset ja kriittiset raja-arvotilat Rasitusolojen ja toimivuuskriteerien tarkastelu Kosteus / vanhenemis / vioittumisprosessit Huom. Ulkopintojen pintaan kertyy luonnossa mikrobeja käyttöolot: ilmasto-olot -> laaja-alainen / paikallinen kohdistuminen -> rakenneosien mukaan Rakenteen kosteustekninen toimivuus Rakenteellinen lujuus ja kestävyys, käyttöikä, esteettinen kunto, vaikutukset sisäilmaan Kriittisen ominaisuuden hyväksyttävyyden rajatila: (limit states) hyväksyttävä / ei hyväksyttävä toimivuus Homekasvu sisäpinnoilla (homelajin / kasvun mukaan) Värivika ulkopinnoilla (värivian aste ja laajuus, osin kulttuurisidonnainen -> ulkopinnan harmaantuminen Rakenteen lahovika: lujuus (MOR, MOE), massahäviö Lahon aste, paikka ja laajuus vaikuttavat toimivuuteen Ulkopintojen värinmuutos Paikalliset lahoviat Laajat vauriot: rakenteen toimivuusrajat on ylitetty, jolloin kestoikätarkastelu muuttuu vauriotarkasteluksi

5 5 Kestävyyden kannalta kriittiset tarkastelutasot Sisäpinnat Kosteat tilat, Viileät rakenneosat (ullakko) Kantavat rakenteet / vaippa RH, kosteus lämpötila, vaikutusaika Materiaalit, suojaukset Ulkopinnat julkisivut, ikkunat Ulkorakenteet aidat, parvekkeet, terassit Käyttötarkoituksen mukainen tilanne Kriittiset yksityiskohdat Kosteus, Auringon säteily / Home / Laho / Muut rasitukset

6 6 Puutuotteiden toimivuus ja kestoikä Rakennusta ja materiaaleja välittömästi ympäröivän mikroilmaston olot, etenkin kosteus, lämpötila ja niiden vaikutusaika ovat merkittävimpiä kestävyyteen vaikuttavia tekijöitä. Siihen vaikuttavat mm: Maantieteellinen sijainti, Ilmasto-olot ja ympäröivä maasto (vesistön läheisyys, muut rakennukset, puusto ym) Rakenteiden suunnittelu ja toteutus (mm yksityiskohdat tärkeitä) Tuotteiden sopivuus käyttökohteisiin (materiaali, suojaus, tarvittava pinnoitus) Rakentamisen optimoitu suoritus (varastointi, sääsuojaus) Huolto ja korjaus käytön aikana

7 7 ISO 15686, Building and construction assets Service life planning. Part 1. Kestoiän arviointimenetelmä. ESL = RSL * f (A*B*C*D*E*F*G) ESL = arvioitu kestoikä (estimated service life) RSL = vertailukestoikä (reference service life) A = Komponentin laatu: puun osalta puun luontainen kestävyys ja suojauskäsittelyt (Quality of components) B = Suunnittelun taso: esim. räystäät, sokkelit, rakenneyksityiskohdat (Design level) C = Asennuksen laatu: työn toteutus ja huolellisuus, vaatimusten mukaisuus (Work execution) D = Sisäolosuhteet: lämpötila, ilman suhteellinen kosteus kondenssi (Indoor environment), E = Ulko-olosuhteet: kuten ilmasto, viistosateet, suojaavat ja altistavat tekijät (Outdoor Environment) F = Käyttöolot: kuormat, mekaaniset vaikutukset (In use conditions) G = Huollon taso: korjaukset, uudelleen maalaus jne. (Maintenance level)

8 8 Ilmastorasitukset Ulko-olojen rasitusten arviointi: kosteus / lämpö / auringon säteily, Käyttöluokka 3 Euroopan makroilmaston vaikutus puun kestävyyteen on arvioitu sijoittamalla lahon kehitystä kuvaava malli ilmastodataan > kestävyyden isobaarit Euroopassa Auringon säteilyn jakauma Euroopassa on arvioitu säteilydatan avulla -> säteilyvyöhykkeet Jakaumien avulla voidaan arvioida makroilmaston vaikutus ulkorakenteisiin eri osissa Eurooppaa -> ilman kosteus, lämpötila, sademäärät, vaikutusaika, auringon säteily

9 9 Ilmaston aiheuttama säärasitus / kestävyys Sateelta suojattu rakenne (ei kestävyysongelmia valkealla alueella: Pohjois-Eurooppa sekä osa Välimeren alue) Sateelle altis rakenne (paras kestävyys: Pohjois-Eurooppa, hankalin: Portugali, Ranska-BeNeLux ja Norjan lounaisosa)

10 10 Yksinkertaistettu karttakaavio Euroopan ilmastoalueista. Luvut vertautuvat ilmaston rasittuvuuteen Helsingin tilanteeseen nähden. Alla malliin viittaavat kertoimet. Climate Zones Continental Europe Nordic Climate zone Atlantic Climate zones Mediterranean climate zone K factor 1,0 All Europe except the following zones 0,5 North part of Scandinavia (Cold temperatures) 1,5 West coast of Iberian peninsula, West part of continental Europe, West part of UK and Ireland, Southwestern parts of Scandinavia (Oceanic conditions) 0,8 (dry conditions)

11 11 Paikallisilmaston merkitys Makroilmastoon liittyvä paikallisilmastoa voidaan arvioida ottamalla huomioon rakennusten sijainti, ympäristön muodot, kasvillisuus, meren tai ison järven läheisyys Tekijöitä voidaan arvioida kestoikämallilla Malliin sisältyy keskeisiä tekijöitä, joiden vaikutus otetaan huomioon Mallin avulla voidaan arvioida Altistavien / suojaavien tekijöiden merkitystä ja vaikutusta kestävyyteen ja kestoikään (esim. ohessa). Suojaavan ympäristön vaikutus Suojaava ympäristö, avoin tila alle 10 m Suojaavien rakenteiden etäisyys m Osittain suojaava, etäisyys m Avoin ympöristö, suojaetäisyys yli 200 m Avoimen järven tai meren ranta Kerroin 0,6 0,8 1 1,2 1,5

12 Rakenteiden merkitys Räystään suojavaikutus on osittainen: seinän yläosaan sade osuu vähemmän kuin seinän yläosaan Viistosade kastelee seiniä enemmän, räystäistä riippumatta Sokkelin korkeus vaikuttaa sateen roiskumiseen, samoin ikkunapellitysten ja suojapellitysten asennuskulma Vettä keräävät yksityiskohdat hankalia: lautojen puskusaumat, pysty- ja vaakalaudoitusten liitokset. Pystylautojen alaosan poikkileikkauspinnat yleensä arimmat kohdat. Fully exposed H3 / H Fully protected H1 / H2

13 13 Puumateriaalin merkitys kestävyyteen (Viitanen 2006) Puumateriaalin kestävyyteen julkisivuissa vaikuttavat sekä lahonkestävyys että veden läpäisevyys. Myös pintakäsittelyllä on tärkeä merkitys.

14 14 Alustava malli puujulkisivujen ja terassien kestävyyteen vaikuttavien tekijöiden ja kestoiän arviointiin Malliin sisältyy keskeisiä kestävyyteen vaikuttavia tekijöitä (ISO 1 Service life estimator for claddings and deckings Consequence class 2 Is this a decking (horizontal structure)? Tick here if yes Otherwise this is a cladding (vertical structure) Is the solution acceptable Acceptable Service life factor [OK if? 1] 0,9 Cons RSLC Consequence class factor 1,1 A1 Materiaali Wood material 1,10 A2 Surface coating 0,57 B Suunnittelu Design /structural details rakenteet 0,69 C Työstö Construction / Toteutus works 1,00 D Climate conditions 2,34 F Repair and service procedures 0,81 Service life factor = Consequence class factor x A1 x A2 x B x C x D x F VTT Hannu Viitanen, Lasse Makkonen, Ruut Peuhkuri, Tomi Toratti date

15 15 Mallien pohjan käytetään laboratoriokokeita, kenttäkokeita sekä käytännön havaintoja Laboratoriokokeet Materiaalien kestävyystestit haittaeliöitä vastaan ankarissa oloissa (worst case scenario) Kriittisten kosteus- ja lämpöolojen sekä vaikutusaikojen mittaus Kenttäkokeet Materiaalien toimivuus (kestävyys) vaihtelevissa luonnonmukaisissa oloissa Sovelletaan alttiita rakenteita ja yksityiskohtia (nopeuttu koe) Lähtöarvot malleihin ja mallien kontrollointi Käytännän havainnot ja seurantatutkimukset Rakennusten, rakenneosien ja materiaalien kestävyystarkkailut Ympäristöolot, rakenteet, detaljit, materiaalit, pintakäsittelyt Taustatietojen saanti ja kontrolli voi olla ongelmana

16 16 Esimerkki puutuotteen kestävyyden testaamisesta. Katkolahokoe: MOE- / painohäviö (sienen aiheuttama), käsittelemätön pintapuu / eri tavoin käsitelty Thermowood pintapuu (Metsä-Kortelainen & Viitanen 2009) Pine sapwood, soft rot test Pine heartwood, soft rot test Mass loss MOE loss Mass loss MOE loss 25,0 80,0 25,0 80,0 Mass loss (%) 20,0 15,0 10,0 5,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 MOE loss (%) Mass loss (%) 20,0 15,0 10,0 5,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 MOE loss (%) 0,0 0,0 0,0 0,0 untreated 170 C 190 C 210 C 230 C untreated 170 C 190 C 210 C 230 C The mass and MOE losses of pine sapwood after 32 weeks incubation, soft rot test The mass and MOE losses of pine heartwood after 32 weeks incubation, soft rot test

17 17 Esimerkki kenttäkokeesta, ns. lap-joint koe. Eri tavoin käsitelty Thermowood ja kyllästetty puu. Metsä-Kortelainen et al 2010 / 2011 Decay and discolouration after 9 years 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Spruce, untreated Spruce, 195ºC Spruce, 210ºC Pine, untreated Pine, 195ºC Pine, 210ºC Ref 1, CCA Ref 2, TBTO Decay Upside Decay Bottom Decay Joint area Discolouration Upside Discolouration Bottom Discolouration Joint area

18 18 Esimerkkejä käytännön havainnoista Puujulkisivu, hirsirakennus SL > 100 vuotta Puinen julkisivu, Thermowood, SL tähän mennessä ~ 9 vuotta arvioitu kestoikä yli 50 v

19 19 Yleispiirteinen kuvaus puutuotteiden suunnittelusta ja suojaustarpeesta käyttöolojen mukaan Määritä käyttöolot ja etenkin kosteuskuormitus 1) kuivat tilat 2) ajoittain kosteat tilat 3) ajoittain kosteat ulkorakenteet 4) pitkäaikaisesti kosteat ulkorakenteet Rakenteiden ja yksityiskohtien suunnittelu Valitse sopiva puumateriaali / puutuote Arvioi tarvittava puun luontainen kestävyys Määritä tarvittavat pinnoite- ja suojauskäsittelyt Määritä kriittiset suunnittelun tarpeet ja yksityiskohdat sekä huoltotarpeet Määritä tarvittavat puun modifiointi- tai kyllästystarpeet

20 20 WOODEXTER, Tekes dno 1529 Service life and performance of exterior wood above ground Work packages (SP) WP 1: Climatic data - exposure conditions (VTT, Finland) WP 2: Durability indicators degradation by decay (BRE, UK) WP 3: Interaction of wood and coatings - the effect on the performance of wood products (BFA, Austria) WP 4: Development of engineering tools for service life design in selected applications (LTH, Sweden) WP 5: Dissemination, education and utilisation of results (SP, Sweden) WP 6: Project management and co-ordination (SP, Sweden) WP 1: Climate data exposure conditions Partners involved: VTT, LTH, CTBA, UGOE Principal scientific staff at VTT: Hannu Viitanen, Tomi Toratti, Lasse Makkonen, Tuomo Ojanen, Ruut Peuhkuri, Saila Jämsä

21 21 Kiitokset Esitys pohjautuu pääosin WoodWisdom-Net hankkeen Woodexter tuloksiin. Hanketta rahoittavat Tekes ja teollisuus Building with Wood. WP6 WP6 Project Project Management Management and and Co-ordination Co-ordination WP2 WP2 Durability Durability Indicators Indicators WOODEXTER WP1 WP1 Climate Climate Data Data WP4 WP4 Service Service Life Life Model Model WP5 WP5 Knowledge Knowledge Transfer Transfer and and Demonstration Demonstration WP3 WP3 Interaction Interaction of of Wood Wood and and Coatings Coatings