KAI JYRKIÄINEN POLYMEERIKUITUBETONINEN SANDWICH-ELEMENTTI

Transkriptio

1 KAI JYRKIÄINEN POLYMEERIKUITUBETONINEN SANDWICH-ELEMENTTI Diplomityö Tarkastaja: Professori Matti Pentti Tarkastaja ja aihe hyväksytty talouden ja rakentamisen tiedekunnan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 13. elokuuta 2014

2

3 TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennustekniikan koulutusohjelma JYRKIÄINEN, KAI: Polymeerikuitubetoninen sandwich-elementti Diplomityö, 80 sivua, 75 liitesivua Marraskuu 2014 Pääaine: Rakennesuunnittelu Tarkastaja: Professori Matti Pentti Avainsanat: ksw-elementti, sanwich-elementti, polymeerikuitubetoni, lamellikivivilla, pistokas, pistoansas, CE-merkintä Betonisandwich-seinäelementit ovat olleet suosittuja vuosikymmenien ajan talonrakentamisessa Suomessa. Energiansäästötavoitteet, rakenteiden pitkäaikaiskestävyys ja ulkonäölliset tekijät ovat ohjanneet elementtien kehittämistä. Sandwich-elementin kasvanut rakennepaksuus ja kohonneet valmistuskustannukset ovat luoneet tahtotilan kehittää ohuempi, kevyempi ja halvempi tuote ohutkuorinen polymeerikuitubetoninen sandwich-elementti, jonka kehitystyö on aloitettu jo viime vuosikymmenellä. Työssä kootaan yhteen elementistä tehtyjen tutkimusten tuloksia ja tehdään uusia tutkimuksia. Polymeerikuitubetonisen sandwich-elementin soveltuvuutta ulkoseinärakenteeksi talonrakentamisessa tarkastellaan aiempien tutkimusten tulosten sekä elementtiä koskevien julkaisujen perusteella. Tavoitteena on tarkastella kattavasti kyseisen elementin ominaisuuksia ja laatia sen perusteella elementin suunnitteluohje teollisuuden käyttöön. Lisäksi työssä osoitetaan kohteen lisätutkimusten tarve. Työ muodostuu viidestä luvusta ja liitteistä. Ensimmäisessä luvussa kerrotaan työn lähtökohdista, tavoitteista ja toteutuksesta. Toisessa luvussa perehdytään sandwichelementin historiaan, kehitykseen ja nykytilanteeseen Suomessa. Kolmas luku sisältää varsinaiset tutkimukset, mittaukset ja tarkastelut. Rakennusfysikaalisista toiminnoista tarkasteltiin lämmöneristävyys, kosteustekninen toiminta ja ääneneristävyys. Elementin rakenteellista toimintaa selvitettiin siitä tehtyjen tutkimusten analyysilla. Rakenteellista toimintaa on aiemmin tutkittu ulkokuoren viruman, pistokkaiden tartuntalujuuden, palonkestävyyden ja elementille syntyvien kuormitusten vaikutuksesta elementin kantavuuteen sekä muodonmuuksiin. Polymeerikuitubetonia tarkasteltiin julkaisujen lisäksi taivutuslujuuskokeilla. Neljännessä luvussa käsitellään elementille pakollista harmonisoidun eurooppalaisen tuotestandardin mukaista CE-merkintää.Viidennessä luvussa tutkimuksen tärkeimmät asiat ja päätelmät koottiin yhteenvedoksi. Yhteenvedossa todetaan tutkimuksen tavoitteiden täyttyneen ja tutkimuksen kohteena olleen ohutkuorisen polymeerikuitubetonisandwich-elementin soveltuvan käytettäväksi seinäelementtinä. Lisätutkimuksiksi ehdotetaan kustannusvertailua ja täysimittaisia sääkokeita rakenteen toiminnan varmistamiseksi. Työn liitteenä oleva suunnitteluohje on julkaistu elementtisuunnittelu.fi-sivustolla maaliskuussa i

4 ii

5 ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Civil Engineering JYRKIÄINEN, KAI: Polymer Fibre Reinforced Concrete Sandwich Panel Master of Science Thesis, 80 pages, 75 Appendix pages November 2014 Major: Structural Engineering Examiner: Professor Matti Pentti Keywords: sandwich panel, polymer fibre concrete, rock wool lamella, wythe ties, CE-marking Since the 1960s, precast concrete sandwich panels have been a popular exterior choice for wall structures in buildings in Finland. Energy efficiency, long-term durability and appearance have driven the development of sandwich panels. These factors have increased panel thickness and production cost, henceforth creating a need to develop a thinner, lighter and cheaper product. This risen need was the incentive for the development of Polymer Fibre Reinforced Concrete Sandwich Panel (PSW-Panel) in the 2000s. The structure of the PSW-Panel consists of a thin outer polymer fibre reinforced concrete slab, rock wool lamella thermal insulation, inner steel reinforced concrete slab, and wythe ties that connect the slabs to each other. The thesis compiles facts from relevant publications, results of earlier studies and new analyses included in this study. The goals of the study are to analyse PSW-Panel s feasibility as an exterior wall structure by surveying broadly different features of PSW-panel, to publish Design Guidelines of PSW-Panel for industry use and to establish the need for further research. The thesis consists of five chapters and as an attachment, Design Guidelines. The first chapter introduces the current state of the industry and highlights the background of the subject and establishes the goals of this study. The second chapter focuses on history, development and the current use of concrete sandwich-panels in Finland. The third chapter reviews the PSW-Panel s structure and functions and the analysis of measurements carried for the study. Thermal insulation, moisture performance and soundproofing are focused on. The evaluation of structural functioning includes the research of outer slab creep, wythe tie concrete bond and fire-resistance grading. Loads that affect PSW-Panel, therefore creating stress on the structure s loadbearing and the resulting deformation are assessed. The flexural strength of a polymer fibre reinforced concrete slab is tested and the results are compared with figures in relevant publications. Mandatory CE-labeling of exterior wall panels is explained in chapter four. The last chapter compiles the most important facts and conclusions of the study in a summary. It is stated in the summary, that the goals of the study have been reached and that the PSW-Panel is suitable for exterior wall structures. A comparison of costs and testing of full-scale effects of weather on the PSW-Panel are recommended for future research. The Design Guidelines of PSW-Panel was published on the elementtisuunnittelu.fi web site in March iii

6 iv

7 ALKUSANAT Tämä työ on laadittu osana Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) diplomi-insinöörin tutkintoa vuosien aikana. Diplomityöhön sisältyi suunnitteluohjeen laatiminen elementtisuunnittelu.fi -sivustolle. Diplomityön tilaajana ja rahoittajana toimi Rakennusteollisuus RT ry. Tilaajan edustaja Arto Suikka toimi myös työn ohjaajana. Suikka määritteli työn aiheen ja tutkimuksen sisällön yhdessä minun ja Ralf Lindbergin kanssa. Lindberg toimi työn ohjaajana eläköitymiseensä (kevät 2014) asti. Diplomityön tarkasti professori Matti Pentti Tampereen teknillisestä yliopistosta. Suunnitteluohjeen laatimisessa auttoi Suikan ja Lindbergin lisäksi Rakennustuoteteollisuus RTT ry:n betonielementtivaliokunta, joka tarkasti ja hyväksyi suunnitteluohjeen helmikuussa Suunnitteluohje detalji- ja mallipiirustuksineen on tämän työn liitteenä. Kiitän suuresti tilaajaa rahoituksesta sekä ohjaajia ja tarkastajaa heidän panoksestaan työn valmiiksi saattamisessa. Edellä mainittujen lisäksi haluan kiittää kaikkia projektin eri vaiheisiin osallistuneita tahoja ja erityisesti seuraavia henkilöitä: Jukka Sevon (Paroc Oy Ab), Rauno Luoma (Betoniluoma Oy), Tomi Strander (TTY) Matti Lipsanen ja Juhani Silvast (Lipa-Betoni Oy). He auttoivat lähdemateriaalien hankinnassa ja tutkimusten käytännön järjestelyissä, ja lisäksi sain heitä haastattelemalla arvokkaita tietoja sekä kokemuksia tutkimuskohteesta. Työnantajaani Ramboll Finland Oy:tä kiitän työn tekemiseen tarjotuista puitteista ja käyttööni tarjotuista ohjelmistoista. Iso kiitos kuuluu myös perheelleni ja läheisilleni, jotka ovat tukeneet minua tämän työn ja koko opintojeni aikana. Tampereella Kai Jyrkiäinen v

8 vi

9 SISÄLLYS Tiivistelmä... i Abstract... iii Alkusanat... v Lyhenteet ja merkinnät... ix 1 Johdanto Lähtötilanne Aikaisemmat tutkimukset Tutkimuksen tavoitteet ja rajaus Tutkimuksen toteutus ja raportointi Sandwich-elementin taustatiedot Sw-elementtien historiaa Suomessa Sw-elementtien tekninen kehitys Sw-elementtien nykytilanne Suomessa Päätelmät Kuitubetonisandwich-elementti Tutkittavan elementin rakenne Ksw-elementin rakennusfysikaalinen toiminta Lämmöneristeen ominaisuudet Lämmöneristävyys Seinäelementin kosteustekninen toiminta Ksw-elementin ääneneristävyys Elementin rakenteellinen toiminta Ksw-elementin kantavuus ja rakennekerroksien yhteistoiminta Ksw-elementin pitkäaikainen muodonmuutos FEM-laskentatarkastelu Betonikuorien väliin asennettavat pistokkaat Pistokkaiden mitoitus Ksw-elementin polttokoe Ksw-elementin paloturvallisuuslausunto Polymeerikuitubetonin ominaisuudet Kuitujen käytön historia Betonin lujuusominaisuudet Polymeerikuitujen ominaisuudet Polymeerikuitujen käyttö betonissa Kuitubetonin ominaisuudet Kuitubetonin lujuustestit Päätelmät EN-tuotestandardit ja CE-merkintä CE-merkintä Harmonisoitu eurooppalainen tuotestandardi vii

10 4.2.1 Soveltaminen Vaatimukset Testausmenetelmät ja vaatimustenmukaisuuden arviointi Merkintä ja tekninen dokumentaatio CE-merkintä menetelmät (tuotestandardin liite ZA) Menetelmän valinta Menetelmät ja merkintä Vaatimustenmukaisuuden osoittamismenettelyt Päätelmät Yhteenveto Lähteet Liitteet Liite A: Suunnitteluohje: Ohutkuorinen polymeerikuitubetoninen sandwich-elementti (ksw-elementti) (33 sivua) Liite B: Suunnitteluohjeen liite 1: Ksw-elementtien detaljit (35 sivua) Liite C: Suunnitteluohjeen liite 2: Mallisuunnitelmat (7 sivua) viii

11 LYHENTEET JA MERKINNÄT Sw-elementti Ksw-elementti CE-merkintä PSW-Panel FEM VTT TTY BES EPS-eriste PUR-/PIR-eriste SFS-EN U-arvo betonisandwich-elementti, joka koostuu kahdesta betonikuoresta ja niiden välissä olevasta lämmöneristeestä sekä teräsansaista kuitubetonisandwich-elementti, jonka ohut ulkokuori on polymeerikuitubetonia, lämmöneriste lamellikivivillaa ja betonikuorien välissä on pistoansaita eli pistokkaita valmistajan ilmoitus siitä, että tuote täyttää sitä koskevat Euroopan unionin vaatimukset (Conformité Européenne) Polymer Fibre Reinforced Concrete Sandwich Panel Finite Element Method eli elementtimenetelmä Teknologian tutkimuskeskus VTT Tampereen teknillinen yliopisto betonielementtistandardi Expanded Polystyren eli paisutettu polystyreenieriste polyuretaani-/ polyisosyanaraattieriste suomalaisessa ja eurooppalaisessa standardoimisjärjestössä vahvistettu standardi rakenteen kokonaislämmövastuksen käänteisluku RH Relative Humidity eli suhteellinen kosteus R t rakenteen kokonaislämmönvastus [m²k/w] R si rakenteen sisäpuolinen lämmönvastus [m²k/w] R se rakenteen ulkopuolinen lämmönvastus [m²k/w] R rakennekerroksen lämmönvastus [m²k/w] d r rakennekerroksen paksuus [m] n rakennekerroksen normaalinen lämmönjohtavuus [W/mK] A g tuuletusurien poikkipinta-ala tarkasteluleveydellä [m²] A rakenteen tarkastelupinta-ala [m²] d 1 eristeen nimellispaksuus [m] d 2 eristeen keskimääräinen paksuus [m] d u uran paksuus [m] U x lämmönläpäisykertoimen lisäys [W/m²K] X j yhden pistokkaan aiheuttama lisäkonduktanssi [W/K] n j R w pistokkaiden lukumäärä ilmanääneneristysluku ix

12 R w +C ilmanääneneristysluku raide- ja lentomelua vastaan R w +C tr ilmanääneneristysluku liikennemelua vastaan d uk ulkokuoren paksuus [m] A uk ulkokuoren pinta-ala [m²] d betonin tilavuuspaino [kn/m³] A d onnettomuuskuorma 2,1 yhdistelykerroin Q k,1 tuulikuorma (tuulen imusta) [kn/m²] F pk yhden pistokkaan tartunnan ominaislujuus [kn] c betonin osavarmuuskerroin P d ulkokuorelle kohdistuva kuormitus [kn/m²] F pd yhden pistokkaan tartunnan mitoituslujuus [kn] f ck betonin lieriölujuuden ominaisarvo 28 vrk ikäisenä [MPa] f ck, cube betonin kuutiolujuuden ominaisarvo [MPa] f cm betonin lieriölujuuden keskiarvo 28 vrk ikäisenä [MPa] f ctm betonin keskimääräinen vetolujuus [MPa] f ctk,0,05 betonin vetolujuuden ominaisarvo (5 % fraktiili) [MPa] f ctk,0,95 betonin vetolujuuden ominaisarvo (95 % fraktiili) [MPa] E cm betonin kimmokerroin [GPa] c1 betonin puristuslujuutta f c vastaava puristuma [ ] f cd betonin puristuslujuuden mitoitusarvo [MPa] cc betonin puristuslujuuden pienennyskerroin cc,pl raudoittamattoman betonin puristuslujuuden kerroin f ctd betonin vetolujuuden mitoitusarvo [MPa] ct betonin vetolujuuden pienennyskerroin ct,pl raudoittamattoman betonin vetolujuuden kerroin f ctm,fl betonin keskimääräinen vetolujuuden mitoitusarvo [MPa] n suoritettujen kokeiden määrä X i yhden koekappaleen taivutuslujuus [MPa] f cf taivutuslujuus [MPa] F suurin kuorma [N] d koekappaleen leveys [mm] h koekappaleen korkeus [mm] l kuormitustukien välimatka [mm] R n kuormitusnopeus [N/s] s valittu jännityksen kasvunopeus [N/(s*mm²)] x

13 1. Johdanto [Type text] [Type text] [Type text] 1 JOHDANTO 1.1 Lähtötilanne Suomessa talonrakentamisessa on käytetty yli puoli vuosisataa betonikuorista ja niiden väliin asennetusta lämmöneristeestä tuotantolaitoksissa esivalmistettuja ulkoseinäelementtejä, joita on kutsuttu sandwich-elementeiksi. Sandwich-elementtejä (jatkossa swelementtejä) on kehitetty jatkuvasti tutkimustiedon ja käyttökokemusten avulla sekä muuttuneiden teknisten ja ulkonäöllisten vaatimusten seurauksena. Sw-elementit ovat kokemusten kautta osoittautuneet teknisesti toimiviksi ja 2000-luvun ensimmäisen vuosikymmenen aikana sw-elemettien rakenne on jokseenkin vakiintunut, mutta samalla lämmöneristepaksuus on kasvanut ja uusia pintamateriaaleja on otettu käyttöön. Myös erilaisten lämmöneristemateriaalien käyttö perinteisen mineraalivillan rinnalla on yleistynyt lämmöneristysvaatimusten kiristyessä. Sw-elementtien suunnittelu, tuotantotavat, kuljetus ja asentaminen ovat yleisesti hyvin tunnettuja sekä prosessit optimoituja. [28] Sw-elementin rakennepaksuus on kasvanut vaadittujen lämmöneristepaksuuksien kasvaessa ja kalliiden ruostumattomien raudoitteiden käyttö ulkokuoressa on yleistynyt pitkäaikaiskestävyysvaatimusten kiristyessä. Nämä tekijät ovat lisänneet sw-elementin tuotantokustannuksia ja vaikeuttaneet niin kuljetusta kuin asennustakin. Ksw-elementin kehitystyö on saanut alkunsa tahdosta tuoda markkinoille rakennepaksuudeltaan ohuempi ja kustannuksiltaan perinteistä sw-elementtiä halvempi tuote. Rakennepaksuuden pienentämiseksi on ideoitu betonisen ulkokuoren ohentamista ja ulkokuoren raudoitteiden toiminnallisten ominaisuuksien korvaamista jäykällä lämmöneristeellä sekä betoniin sekoitetuilla polymeerikuiduilla. Lisäksi on ajateltu ruostumattomasta teräksestä valmistettujen, elementin betonikuoret toisiinsa sitovien, ansaiden korvaamista kuorien kiinnittymisellä lämmöneristeeseen valmistusvaiheessa ja pistoansailla. Näistä lähtökohdista on saanut alkunsa ohutkuorisen polymeerikuitubetonisen sandwich-elementin (jatkossa ksw-elementti) kehitystyö. Kehitystyön aloittivat Betoniluoma Oy, PAROC Oy ja PiiMat Oy yhteispatentilla viime vuosikymmenellä. Ksw-elementin kehitystyötä kohti uutta kaupallista tuotetta on jatkettu Betoniteollisuus ry:n Elementtijaoksen johdolla. Ksw-elementtiin liittyvää tutkimustyötä on tehty vuodesta 2009 alkaen. Tässä tutkimuksessa yhdistän näiden tutkimusten päätelmiä, teen puuttuvia tutkimuksia ja laskelmia sekä tarkastelen ksw-elementin toimintaa kokonaisuudessaan. Tämän opinnäytetyön lisäksi laadin suunniteluohjeen teollisuuden käyttöön ja arvioin lisätutkimusten tarvetta. Tein tutkimustyön vuosina ja kirjallisuustutkimusten lisäksi se sisälsi käytännön kokeita, rakenneteknisiä laskelmia ja rakennepiirustusten laatimista. 1

14 1. Johdanto 1.2 Aikaisemmat tutkimukset TTY:ssä on tutkittu ulkokuoren kiinnittymistä lamellikivivillaan ja pistokkaiden tartuntalujuutta ulkokuoreen vuonna 2009 [2]. VTT on tutkinut elementin teknistä toimintaa FEM-laskentaohjelmalla vuonna Kyseistä tutkimusta ei ole sisällytetty tähän tutkimukseen, sillä VTT:n suorittaman tarkastelun elementti eroaa olennaisesti tämän tutkimuksen kohteena olevasta ksw-elementistä. Ksw-elementin toimintaa tutkittiin FEMlaskennalla TTY:ssä vuonna 2013 [1]. Ksw-elementin palonkestävyyttä ulkopuolista paloa vastaan tutkittiin polttokokeella TTY:ssä vuonna 2014 [4]. Polttokokeen tulosten perusteella TTY on laatinut paloteknisen lausunnon ksw-elementistä [3]. Kswelementeillä on toteutettu onnistuneesti kaksi pientalokohdetta vuosina Näiden pilottikohteiden elementtien betonikuorien väliset pistokkaat ja lämmöneristeet eroavat kuitenkin tyypiltään hieman tämän tutkimuksen ksw-elementissä käytetyistä, eikä niiden teknistä toimintaa ole tästä syystä selvitetty tarkasti tässä tutkimuksessa. Toteutettujen kohteiden elementit valmisti Betoniluoma Oy. Elementtien valmistus-, kuljetus-, asennus- ja käyttökokemuksista olen kerännyt tietoa haastattelemalla kyseisissä projekteissa mukana olleita osapuolia. 1.3 Tutkimuksen tavoitteet ja rajaus Tutkimuksen tavoitteena on (1) laatia kuitubetonisandwich-elementin suunnitteluohje alan teollisuuden käyttöön, (2) laatia tutkimuksesta opinnäytetyö diplomi-insinöörin tutkintoon ja (3) selvittää lisätutkimusten tarve aiheesta. Tarkastelen työssä kswelementtiin liittyvien aiempien tutkimusten tuloksia ja tämän tutkimuksen osana tehtyjen kokeiden ja laskelmien tuloksia. Hyödynnän tutkimuksessa sandwich-elementeistä julkaistua tutkimusaineistoa, standardeja, suunnittelu- ja valmistusohjeita. Tämän tutkimuksen yhteydessä tehty suunnitteluohje julkaistiin maaliskuussa 2014 mallipiirustuksineen elementtisuunnittelu.fi -Internetsivustolla [57], ja se on tämän tutkimuksen liitteenä. Suunnitteluohje on laadittu Rakennustuoteteollisuus RT ry:n betonielementtijaoston valiokunnan ohjauksessa ja hyväksytty sen kokouksessa. Tutkimuksessa käytettävät polymeerikuidut ja lämmöneristeet on rajattu tiettyihin tuotteisiin. Nosto-osien ja pistokkaiden tarkastelu on rajattu kahteen vaihtoehtoon. Osana tätä tutkimusta tehdyt betonin taivutuslujuuskokeet ja laskennalliset tarkastelut on määritelty yhdessä tilaajan kanssa. FEM-tutkimuksessa [1] suositeltuja täysimittaisia sääkokeita ei ole tehty tässä tutkimuksessa, vaan sään vaikutuksia on pyritty arvioimaan aiempien tarkastelujen ja tutkimusten perusteella. Tutkimussuunnitelmassa oli mukana kustannusvertailu perinteisen sw- ja ksw-elementin välillä, mutta se jouduttiin jättämään pois tutkimuksen laajuuden rajoittamiseksi. Kustannusvertailun vaatiman ajantasaisen ja luotettavan tiedon hankkiminen osoittautui liian vaikeaksi vertailun sisältämien liikesalaisuuksien takia. Kustannusvertailusta tulisi laatia oma tarkastelu luotettavien tulosten saamiseksi. 2

15 1. Johdanto 1.4 Tutkimuksen toteutus ja raportointi Ensikosketuksen tutkimukseen sain keväällä 2013, kun Rakennustuoteteollisuus RT ry hyväksyi minut suunnitellun tutkimuksen toteuttajaksi. Tässä vaiheessa polttokokeita [4] varten tilattujen ksw-elementtien valmistustuksesta oli jo sovittu yhdessä Lipa- Betonin kanssa. Ennen varsinaisen tutkimustyön aloittamista menin seuraamaan ja dokumentoimaan polttokoe-elementtien valmistusta toukokuussa 2013 Lipa-Betonille Pieksämäelle. Varsinainen tutkimus aloitettiin tilaajan (Arto Suikka) määrittelemän tutkimuksen sisällön läpikäynnillä aloituskokouksessa kesäkuussa 2013 yhdessä työn ohjaajan (Ralf Lindberg) ja tilaajan kanssa. Aloituskokouksen perusteella laadin tutkimussuunnitelman, jonka työn tilaaja ja ohjaaja hyväksyivät myöhemmin. Tutkimustyön aloitin syksyllä 2013 perehtymällä aiheesta tehtyihin tutkimuksiin, betonista valmistettujen seinäelementtien kehityshistoriaan Suomessa sekä standardeihin ja suunnitteluohjeisiin. Syksyn aikana perehdyin lähdemateriaaleihin, tein laskelmia ja kirjoitin diplomityötä siihen vaiheeseen, että suunnitteluohjeeseen tarvittavat asiat olivat pääosin selvillä. Syksyllä suoritin kuitubetonin taivutuslujuuskokeet siten, että koekappaleet valettiin Lipa-Betonilla lokakuussa ja taivutuslujuuskokeet tein Tampereen teknillisen yliopiston betonilaboratoriossa marraskuussa. Polttokoe tehtiin Tampereen teknillisen yliopiston palolaboratoriossa joulukuussa, ja sen raportti valmistui tammikuussa Polttokokeen tuloksiin perustuva palotekninen lausunto [3] valmistui maaliskuussa Polttokokeen tulosten valmistuttua suunnitteluohjeen viimeistely aloitettiin yhteistyössä Rakennustuoteteollisuus RT ry:n betonielementtijaoston valiokunnan kanssa. Suunnitteluohje liitteineen julkaistiin elementtisuunnittelu.fi-sivustolla [57] maaliskuussa Suunnitteluohjeen julkaisun jälkeen tutkimus jäi hieman taka-alalle muiden opintojen takia. Diplomityön ohjaaja professori Ralf Lindberg jäi eläkkeelle kevään 2014 aikana ennen kuin sain työn viimeisteltyä. Kesäkuussa 2014 sovin diplomityön ohjaamisesta ja loppuun saattamisesta professori Matti Pentin kanssa. Diplomityön aihe ja kieli hyväksyttiin samassa tiedekunnan kokouksessa tekniikan kandidaatin tutkinnon hyväksymisen kanssa elokuussa Diplomityön viimeistely, kieliasun tarkastus ja ohjaajan tarkastus tehtiin syksyllä Tutkimuksen raportti jakautuu neljään päälukuun. Johdannossa (luku 1) selvitän tutkimuksen taustatietoja, tavoitteita, rajauksia ja tietoja tutkimuksen käytännön toteutuksesta sekä aikataulusta. Luvussa 2 (sandwich-elementin taustatiedot) kerron betonisandwich-seinäelmenettien historiasta, teknisestä kehityksestä ja nykytilanteesta Suomessa. Luvussa 3 esittelen tutkimuksen kohteena olleen ksw-elementin rakennetta, yksityiskohtaissia teknisiä ominaisuuksia ja rakennusfysikaalisia laskelmia. Luku 4 on omistettu tutkimuskohteeseen liittyvien CE-tuotestandardien ja niiden toteutusmenetelmien analyysille. Työn liitteenä on ksw-elementin suunniteluohje malli- ja detaljipiirustuksineen. 3

16 4

17 2. Sandwich-elementin taustatiedot 2 SANDWICH-ELEMENTIN TAUSTATIEDOT 2.1 Sw-elementtien historiaa Suomessa 1940-luvun lopulta lähtien pilari-palkki -järjestelmä on toiminut kantavana runkona tuotanto- ja toimitilarakennuksissa. Runkoa täydennettiin välipohja-, väliseinä- ja julkisivuelementeillä. Koska ulkoseinän ei tarvinnut toimia kantavan osana, siinä alettiin käyttää pilareista ripustettuja tai itsensäkantavia seinäelementtejä luvulla pilaripalkki -järjestelmää käytettiin jonkin verran myös asuntorakentamisessa, mikä mahdollisti lämpöeristettyjen julkisivu- eli sw-elementtien käytön. Sw-elementit vaikuttivat suuresti rakennuksen ulkonäköön, ja yleisin sw-elementtityyppi lukujen vaihteessa oli yhtenäisen ikkunalinjan muodostava nauhaelementti. Tuotannolle ja arkkitehtuurille nauhaelementit sopivat paremmin, mutta työmaan prosesseihin sopi paremmin yhden kerroksen korkuinen ruutuelementti. Ulkonäöllisesti tylsinä pidetyt ruutuelementit syrjäyttivät myöhemmin nauhaelementit asuntorakentamisessa 1960-luvun loppupuolella. Asuinrakennuksien runkona yleistyi kantavista päätyseinistä ja kantavista poikittaisista väliseinistä koostuva kantavat väliseinät -malli. Kantavat väliseinät -mallin yhteydessä julkisivuissa käytettiin sekä nauha- että ruutuelementtejä. Sw-elementti julkisivusta ja kantavat väliseinät -rungosta tuli yleisin yhdistelmä suomalaisessa asuntorakentamisessa. [28, s ] Vuonna 1970 valmistuneen BES-tutkimuksen suosittelema kantavat seinät -järjestelmä oli hyvin lähellä paljon käytettyä kantavat väliseinät -mallia, joten julkisivuissa jatkettiin sw-elementtien käyttöä. Asuinrakentamisen hulluina vuosina 1970-luvun alkupuolella sw-ruutuelementtejä käytettiin paljon. Sw-elementtien ulkokuoren lämpö- ja kosteusliikkeiden takia niiden väliin on jätettävä elastiset massalla tiivistetyt saumat. Saumat antoivat oman leimansa betonielementtitalojen julkisivuille, joita arvosteltiin tylsiksi ja yksitoikkoisiksi jo rakennusaikana ja etenkin jälkeenpäin. Sw-elementit saivat myös paljon kritiikkiä laatuvaihteluista ja huonosta pitkäaikaiskestävyydestä. Suurimmat ongelmat johtuivat elementtien valmistuksessa käytetystä lämpökäsittelyllä nopeutetusta muottikierrosta ja pakkasrapautumisen estävän suojahuokostusten puutteesta. Ulkokuorivaurioita, kuten terästen korroosiota ja pakkasrapautumaa, alkoi ilmetä laajasti 1970-luvulla rakennettujen asuinkerrostalojen julkisivuihin. Julkisivuelementtien laatu, ulkonäkö ja pitkäaikaiskestävyys paranivat 1980-luvun alussa tehdyn Julkisivu-BES -tutkimuksen jälkeen. Tultaessa 1990-luvulle julkisivuelementeissä oli edelleen joitakin, lähinnä laatuun liittyviä ongelmia, mutta yleisesti betonielementti asuntorakentamista pidettiin persoonattomana massatuotantona. Laatu- ja imago-asioiden korjaamiseksi toteutettiin Julkisivu 2000 tutkimus [29; 30] vuosina Betonisandwichjulkisivujen käyttöä tuotanto- ja toimitilarakentamisessa edesauttoi vuonna 1983 julkaistu Runko-BES, jossa esitettiin pilari-palkki -betonielementtijärjestelmä. [28, s , 111, , 179, 186; 29; 30] 5

18 2. Sandwich-elementin taustatiedot 2.2 Sw-elementtien tekninen kehitys Sw-elementtien rakenne ja valmistustekniikka ovat kehittyneet tutkimustiedon ja uusien innovaatioiden lisääntyessä. Kehitykseen on vaikuttanut etenkin pitkäaikaiskestävyyden tutkiminen ja parantaminen. Ympäristötietoisuus ja energiansäästötavoitteet ovat vaikuttaneet ulkoseinien lämmöneristysvaatimuksiin, mikä on kasvattanut lämmöneristekerroksen paksuutta. Asuinrakennusten julkisivuille asetetut ulkonäkövaatimukset ja muiden materiaalien sekä rakennustekniikoiden kilpailu ovat tuoneet markkinoille jatkuvasti uusia sw-elementtien pintamateriaaleja. Nostokaluston kehitys, mikä on mahdollistanut suurempien ja painavampien elementtien käytön rakentamisessa. [28, s ] Sw-elementin pitkäaikaiskestävyys riippuu lähinnä sen ulkokuoren ominaisuuksista, kuten betonin lujuudesta, suojahuokoistuksesta, kuoren paksuudesta, raudoitteiden betonipeitteestä ja valmistustekniikasta. Betonirakenteiden ominaisuuksia on ohjattu erilaisilla ohjeilla ja suosituksilla, joita esimerkiksi Betoniyhdistys ry, Rakennusinsinööriliitto (RIL) ja Rakennustuoteteollisuus (RTT) ovat julkaisseet. Ohjeiden ja suositusten noudattaminen on ollut valmistaja- ja rakennuttajakohtaista, kuten myös laadunvalvonta, joten valmistuneiden kohteiden ominaisuudet saattoivat poiketa paljonkin voimassa olevista ohjeista ja suosituksista. Betonin lujuus ilmoitetaan 150 mm kuutiokoekappaleen puristuslujuutena siten, että K20 betonin koekappaleen puristuslujuus on riittävällä todennäköisyydellä yli 20 MPa (MN/m²). Betonin korkeampi lujuus lisää betonin tiiveyttä, mikä hidastaa karbonatisoitumisen etenemistä rakenteessa parantaen näin pakkasenkestävyyttä. Pakkasenkestävyyttä parannetaan pääasiassa suojahuokoistamalla betoni, jolloin betonissa olevan veden jäätymisestä johtuvan tilavuuden kasvun aiheuttama paine ohjautuu suojahuokosiin eikä riko betonia. Ulkokuoren paksuudella ja betonipeitteellä voidaan suojata ulkokuoren karbonatisoitumista ja ehkäistä siten raudoitteiden korroosiota. Raudoitteet voidaan korvata myös ruostumattomilla raudoitteilla, jolloin ei tarvita suojapeitettä eikä betonille korkeaa lujuutta suojaamaan rakennetta korroosiolta. Valmistustekniikan ja laadunvalvonnan kehitys auttoivat hallitsemaan betonin ominaisuuksia, parantamaan suunnitelmanmukaisuutta ja pienentämään valmistustoleransseja. [28, s ; 16; 29] Sw-elementtien tehdasvalmistuksen alkaessa 1960-luvulla ulkokuori valmistettiin 50 mm vahvuisena, jolloin raudoitteena oli rullaverkkoraudoite ja betonipeitteen paksuus 15 mm. Elementeissä käytettiin K20 betonia ja vuosikymmenen puolivälissä siirryttiin K25 betoniin ja diagonaaliansaat alettiin valmistaa ruostumattomasta teräksestä luvun alussa ulkokuoren paksuus kasvoi 60 mm:iin ja raudoitteena alettiin käyttää jäykkää verkkoraudoitetta. Vähän myöhemmin tutkimuksissa huomattiin, että betonin valmistusta nopeuttava voimakas lämpökäsittely aiheuttaa rapautumaa betonissa ja näin lämpökäsittelystä luovuttiin. Vuonna 1976 julkaistun Betonin säilyvyys by 9 -ohjeessa betonin suojahuokosuhteen suositus oli >0,15 ja 1980 julkaistun Betoninormit by 15 - ohjeessa esitettiin pakkasenkestävyysvaatimus, ja betonipeitteen vaatimus kasvoi 25 mm:iin. Raudoitteiden asennustoleranssi oli kuitenkin ±10 mm, joten toteutuneet peite- 6

19 2. Sandwich-elementin taustatiedot paksuudet saattoivat olla vain 15 mm luvulla ulkokuoren paksuus kasvoi jo 70 mm:iin. [28, s ] Vuonna 1992 julkaistussa Betonirakenteiden säilyvyysohjeet by 32:ssa erotettiin ulkokuoren vaatimukset siitä riippuen käytettiinkö sen raudoituksena tavallista raudoitusta vai ruostumatonta raudoitusta (kuva 2.1). Tavallisen raudoituksen kanssa betonin lujuuden tuli olla K45 ja todellisen betonipeitteen 25 mm, kun taas ruostumatonta terästä käytettäessä riittivät K35 betoni ja 15 mm:n peitepaksuus. Ulkokuoren paksuus oli 70 mm (tiilipintaisilla elementeillä 85 mm), eristepaksuus 140 mm ja sisäkuoren paksuus 80 mm tai 150 mm riippuen siitä, oliko seinä kantava vai ei. Ruutuelementin kokonaispaksuus vaihteli siis mm:n välillä luvulla toteutetun Julkisivu tutkimuksen [29; 30] perusteella etenkin materiaali- ja valmistustekniset asiat saatiin paremmin hallintaan. Tuolloin suositeltiin ulkokuoren lujuudeksi K35 ja ruostumattoman raudoitteiden käyttöä, koska korkeammilla lujuuksilla betonin kutistuminen oli aiheuttanut halkeamia ja pintavaurioita. Betonin suojahuokossuhde nostettiin arvoon >0,2 ja lisäksi tuli ohje suojahuokosjaolle, jonka tuli olla <0,27 mm. [28, s ; 27 s ; 29, s. 6] Kuva 2.1 Betonijulkisivujen materiaalitekniikan kehitys [57 (Elementtirakentamisen historia)] 7

20 2. Sandwich-elementin taustatiedot Ennen 1960-lukua sw-elementeissä käytettiin erilaisia lämmöneristeitä, mutta sen jälkeen enimmäkseen pehmeää mineraalivillaa. Aluksi tavallinen eristepaksuus oli 70 mm ja 1970-luvun öljykriisin jälkeen käytettiin jo 120 mm paksua eristekerrosta luvulle tultaessa eristepaksuus oli kasvanut 140 millimetriin ja sen ulkopintaan tehtiin ristiuritukset parantamaan rakenteen kuivumista. Ympäristön- ja ilmastonmuutoskysymysten noustessa tärkeiksi tiukennettiin rakennusten energiatehokkuusvaatimuksia asteittain. Vuonna 2010 sw-elementtien tyypillinen mineraalivillan paksuus oli jo 240 mm. Mineraalivillan puristuslujuus oli 1970-luvun noin 2 kn/m², kun se nykyään vaihtelee 5-15 kn/m² välillä, mikä on vähentänyt eristeiden painumista. Perinteisen mineraalivillaeristeisen sw-elementin lisäksi tuotanto- ja toimitilarakentamiseen kehitettiin erilaisia julkisivurakenteita, joilla päästiin suurempiin elementtikokoihin ja tehokkaampaan tuotantoon. Yksi sovellus oli solupolystyreeni-eristeinen (EPS) betonielementtiseinä, jossa ulkokuori liimattiin 120 mm paksuun lämmöneristeeseen. Rakennetta käytettiin erityisesti ontelolaattasisäkuoren kanssa hallimaisissa rakennuksissa, joissa tarvittiin pitkää jänneväliä. Kyseistä seinäelementtiä markkinoitiin SeinäVariax-nimellä. [28, s ; 34, s ; 34] Sw-elementtien ulkokuoren ulkopinnan käsittelytekniikat ja pintamateriaalit ovat kehittyneet jatkuvasti rakennusten ulkonäkövaatimusten tiukentuessa. Aluksi sw-elementtien pinnat vain harjattiin tai telattiin (kuva 2.2) luvulla kehitettiin pesubetonikäsittely, jossa muottiin levitettiin betonin kovettumista hidastava aine ja muotista noston jälkeen elementin ulkopinnasta pestiin vedellä kovettumaton betonipasta pois, jolloin runkoaine tuli näkyviin luvulla sw-elementtien pinnoissa alettiin käyttää tiiltä ja keraamisia laattoja eli klinkkerilaattoja luvun loppuun mennessä pesubetoni-, tiili- ja laattapinnat syrjäyttivät harjatun betonin julkisivujen yleisimpinä pintatyyppeinä. Myös reliefi- eli kohokuvapinnat tulivat käyttöön vuosikymmenen lopulla. Vuonna 1981 julkaistu Betonipintojen luokitusohjeet by 13 korvasi vanhan by 4 -ohjeen vuodelta luvulla betonielementtien pintoihin alettiin kiinnittää entistä enemmän huomiota ja niistä pyrittiin tekemään yksilöllisempiä ja tasokkaampia. Vuosikymmenen loppuun mennessä markkinoille oli tullut kiiltohiotut-, hienopestyt-, hiekkapuhalletut-, väribetoni- ja luonnonkivipinnat. Myös betonista valetut saumattommat sw-elementit sekä Ratija Palazzo-levyt otettiin käyttöön luvun alussa Suomeen rantautui muitakin tuotemerkki- ja lisenssipintoja, kuten Dimesio-teknologia, Gramos-levyt, Patina- ja Lasuuripintakäsittely. Vuonna 1994 julkaistu Betonirakenteiden pinnat by 40 [16] korvasi vanhemmat ohjeet. Ennen vuosituhannen vaihtumista julkisivuissa alettiin käyttää kaksoiskuori- ja eriytettyjä rakenteita, joita kutsutaan kuorielementeiksi luvulla ovat yleistyneet sw-elementtien saumattomat rappauspinnat, ja uusin innovaatio on graafinen betoni, jossa pinta kuvioidaan pintahidastimilla. [28, s ; 22; 27; 29; 16] 8

21 2. Sandwich-elementin taustatiedot Kuva 2.2 Betonijulkisivurakenteiden ja -pintojen kehitys [57 (Elementtirakentamisen historia)] 2.3 Sw-elementtien nykytilanne Suomessa Vuonna 2012 Rakennusteollisuus RT ry:n jäsenyritysten betonielementtiteollisuuden yhteenlaskettu liikevaihto oli 976 milj. euroa (kuva 2.3), josta 57 % eli 552 milj. euroa muodostui betonielementeistä ja elementtien asennustoimintaa oli 21 milj. euroa (kuva 2.4). Jäsenyritykset valmistivat vuonna 2012 sw-elementin tyyppisiä seinäelementtejä kaikkiaan yli m². Tilastoista arvioidaan puuttuvan noin 15 % koko betonielementtiteollisuuden liikevaihdosta, sillä kaikki yritykset eivät ole Rakennusteollisuus RT ry:n jäseniä. [51; 57] Kuva 2.3 Betoniteollisuuden liikevaihto vuosina (RT ry) [51] 9

22 2. Sandwich-elementin taustatiedot Sw-elementtejä käytetään asuinrakennuksissa, joissa välipohjat tukeutuvat kantavien väliseinien ja päädyissä sw-elementtien sisäkuorien varaan. Rakennuksen pitkillä sivuilla swelementit ovat yleensä ei-kantavia. Toimistorakennuksissa sw-elementtejä käytetään eikantavina kerroksittain vaakarakenteisiin tuettuina ruutu- tai nauhaelementteinä. Lisäksi sw-elementtejä käytetään lämmöneristettyinä sokkelielementteinä. Ei-kantavien elementtien sisäkuoren paksuus on tavallisesti 80 mm ja kantavien 150 mm, kun taas ulkokuoren paksuus on vähintään 70 mm riippuen pinnasta. Eristeinä käytetään mineraalivillaa, polystyreeni- eli EPS- ja polyuretaani- eli PUR-levyjä. Eristepaksuudet vaihtelevat lämmöneristemateriaalin, sen lämmöneristyskyvyn, suunnitellun seinän U-arvon ja ansaiden tai pistokkaiden määrän mukaan. Mineraalivillan paksuudeksi ehti jo yleistyä 240 mm, mutta eristeiden lämmöneristyskyvyn kehityksen ansiosta eristepaksuudeksi suositellaan nykyään 220 mm. EPS-eristeillä suositellaan paksuudeksi 180 mm ja PUReristeillä 150 mm. Suosituspaksuuksilla päästään vähintään U-arvoon 0,17 W/m²K ansastyypistä riippumatta. Tämä arvo riittää tavanomaisissa rakennushankkeissa, mutta matala- ja passiivienergiarakennuksissa tarvitaan paksumpia eristeitä. Ulkokuoren raudoitus koostuu tavallisesti ruostumattomasta teräsverkosta ja ruostumattomista pieliteräksistä, jolloin ulkokuoren paksuus on 70 mm, mutta käytettäessä tavallista raudoitusta ulkokuoren paksuuden tulee olla 80 mm. Elementin painon rajoittaa työmaalla tavallisesti käytössä oleva nostokalusto noin 10 tonniin. [57] Kuva 2.3 Betonielementtiteollisuuden kotimaan toimitukset tuoteryhmittäin vuonna 2012 (RT ry) [51] 10

23 2. Sandwich-elementin taustatiedot 2.4 Päätelmät Betonisandwich-seinäelementit ovat olleet useita vuosikymmeniä suosittuja Suomen asuntorakentamisessa. Sw-elementtien yleistymistä edisti niiden käyttö maaltamuuton aiheuttaman asuntopulan ratkaisuksi suunnitellussa BES-järjestelmässä. Swelementtien kehitys on ollut jatkuvaa energiansäästö-, pitkäaikaiskestävyys- ja ulkonäkövaatimusten muuttuessa. Kehitystä on ohjattu Betoniyhdistyksen ry:n, Rakennusinsinööriliiton (RIL) ja Rakennustuoteteollisuuden (RTT) julkaisemilla ohjeilla. Ohjeiden avulla sw-elementtien laatu, pitkäaikaiskestävyys, lämmöneristävyys ja ulkonäkö on saatu vastaamaan markkinoiden niille luomia vaatimuksia. Sw-elementit ovat edelleen yleisesti käytössä, mutta kasvanut rakennepaksuus on suunnannut kehitystyötä parempien eristeiden käyttöön kilpailukyvyn säilyttämiseksi. 11

24 12

25 3. Kuitubetonisandwich-elementti 3 KUITUBETONISANDWICH-ELEMENTTI 3.1 Tutkittavan elementin rakenne Tutkimuksessa käsitellään kuitubetonisandwich-elementtejä (ksw-elementti), jotka muodostuvat kuitubetonisesta ulkokuoresta, uritetusta kivivillaeristeestä ja betonisesta sisäkuoresta. Ulkokuoren paksuus on 40 mm, ja siinä käytetään polymeerikuituvahvistusta sekä mahdollisesti vahvistuksia ruostumattomasta teräksestä. Ulkokuori kiinnittyy eristeeseen valmistuksessa ja lisäksi ulkokuori kiinnitetään sisäkuoreen pistokkailla. Pistokkaat ovat ruostumatonta terästä ja asennetaan 45 asteen kulmaan. Lämmöneristeenä käytetään lamellivillaa PAROC COL 40 tai PAROC COL 40G (tuuletusuritettu). Sisäkuori on teräsbetonia ja sen paksuus vaihtelee välillä mm. 3.2 Ksw-elementin rakennusfysikaalinen toiminta Ulkoseinärakenteen tulee olla lämmöneristävyydeltään, tiiviydeltään ja kosteustekniseltä toimivuudeltaan sellainen, että sisäilmasto on vaatimuksien mukainen eikä terveysriskiä synny. Rakenteen läpi ei saa kulkeutua ulkopuolista vettä tai kosteutta eikä rakenteeseen saa kertyä haitallisessa määrin kosteutta, vaan sen on päästävä kuivumaan. Ulkoseinän tuuletusrakenteilla voidaan parantaa rakenteen kosteusteknistä toimintaa ja varmistaa rakennekosteuden poistuminen myös voimakkaasti kosteusrasitetuilla paksuilla mineraalivilla eristetyillä sw-elementeillä. [30, s. 31; 6, s. 124] 13

26 3. Kuitubetonisandwich-elementti Lämmöneristeen ominaisuudet Tutkimuksessa käytetään eristeenä pinnoittamatonta PAROC COL 40 tai PAROC COL 40 g lamellikivivillaa (taulukko 3.1). Eristeen tuotenimi muodostuu sen valmistajasta (Paroc Oy AB), tyypistä (Concrete Lamel), puristuslujuudesta 40 kpa ja tuuletusurituksesta (Grooved). Tuote on CE-merkitty standardin EN mukaan. Eriste valmistetaan 200 mm paksuna levynä ja sahataan eristepaksuuden määrittämään leveyteen. Elementtiä tehtäessä eriste käännetään siten, että sen paksuus muuttuu leveydeksi ja päinvastoin. Eristeen leveys on siis 200 mm, pituus 1500 mm ja paksuus mm. Eriste asennetaan kovettumattoman ulkokuoren päälle kappaleina. Tuuletusura kulkee jokaisessa eristekappaleessa pituussuunnassa ja se on leveydeltään 30 mm ja syvyydeltään 20 mm (kuva 3.1). Tuuletusura alkaa 30 mm:n etäisyydeltä elementin ulkokuoren sisäpinnasta. Vaakasuuntaiset tuuletusurat tehdään elementin valmistusvaiheessa. [52] Taulukko 3.1: PAROC COL 40 (G) ominaisuudet [52] Normaalinen lämmönjohtavuus n Paloluokka (Euroluokka) Puristuslujuus CS(Y) Vetolujuus TR Lyhytaikainen vedenimeytyminen WS Pitkäaikainen vedenimeytyminen WL(P) Vesihöyrynläpäisevyys (laskennassa käytetty) 0,039 W/mK A1 40 kpa 70 kpa 1 kg/m² 3 kg/m² 1,05*10^-10 kg/(m*s*pa) Kuva 3.1 PAROC COL 40 G lämmöneristeen pystytuuletusurat [Kuva: Kai Jyrkiäinen] 14

27 3. Kuitubetonisandwich-elementti Lämmöneristävyys Lämpötilaerojen tasoittumisen takia lämpö siirtyy rakenteen läpi ja se siirtyy aina lämpimämmästä kylmempään. Lämpö voi siirtyä kolmella tavalla: konvektiolla, säteilyllä ja johtumalla, joista johtuminen on yleisin lämmönsiirtymismuoto rakenteiden läpi. Lämpövirta eli lämpöteho ilmaisee energian siirtymisnopeuden. Lämmönläpäisykerroin kuvaa tietyn materiaalikerroksen lämmönsiirtokykyä ja sen käänteisarvo ilmaisee kerroksen lämmönvastuksen eli lämmöneristyskyvyn. Rakenteen kokonaislämmönvastus lasketaan rakenteen sisä- ja ulkopuolisten pintavastusten ja rakennekerroksien lämmönvastuksien summana (kaava 3.1). Normaalisena lämmönjohtuvuutena käytetään eristeelle CE-merkinnän mukaista arvoa 0,039 W/mK ja betonille arvoa 1,7 W/mK. [37; 29 s. 14] = missä R t R si R se R d r n on rakenteen kokonaislämmönvastus [m²k/w] on rakenteen sisäpuolinen lämmönvastus [m²k/w] = (kaava 3.1) on rakenteen ulkopuolinen lämmönvastus [m²k/w] on rakennekerroksen lämmönvastus [m²k/w] on rakennekerroksen paksuus [m] on rakennekerroksen normaalinen lämmönjohtavuus [W/mK] Tutkimuksen kolmikerroksisen rakenteen kokonaislämmönvastus (kaava 3.2): = (kaava 3.2) Rakenneosien lämmöneristävyyttä kuvataan niiden lämmönläpäisykertoimella eli U- arvolla. U-arvo osoittaa tarvittavan lämpötehon pinta-alaa kohti, jolla saavutetaan tietty lämpötilaero rakenteen sisä- ja ulkopuolen välille. Mitä pienempi U-arvo on, sitä parempi on rakenneosan lämmöneristävyys. Rakenteen lämmönläpäisykerroin lasketaan Suomen rakentamismääräyskokoelman osan C4 [39] mukaan. Rakenteen lämmönläpäisykerroin eli U-arvo on rakenteen kokonaislämmönvastuksen käänteisluku (kaava 3.3). [17; 21] = (kaava 3.3) Tutkimuksessa eristeen nimellispaksuus on 240 mm tai 220 mm, mutta lämmönläpäisykerrointa laskettaessa on otettava huomioon tuuletusurat (20*30 mm², jako 200 mm) ja käytettävä eristeen keskimääräistä paksuutta. Tuuletusura tuulettaa rakennetta vain lievästi, ja silloin tuuletusuran lämmönvastuksena voidaan käyttää arvoa 0,085 m²k/w. [6, s.17] Tuuletusuran lämmönvastusta ei kuitenkaan oteta huomioon tämän tutkimuksen lämmönläpäisykertoimen laskennassa. Tuuletusuran vaikutus otetaan huomioon vain eristeen keskimääräisenä paksuutena, joten U-arvon laskennassa on var- 15

28 3. Kuitubetonisandwich-elementti muutta. Eristeen keskimääräiseksi paksuudeksi saadaan 240 mm:n ja 220 mm:n eristepaksuuksilla 237 mm ja 217 mm (kaava 3.4). = ( ) + (kaava 3.4) missä A g A d 1 d 2 d u on tuuletusurien poikkipinta-ala tarkasteluleveydellä [0,1 m²] on rakenteen tarkastelupinta-ala [1 m²] on eristeen nimellispaksuus [m] on eristeen keskimääräinen paksuus [m] on uran paksuus [m] Tutkittavan elementin rakenteeseen muodostuu kylmäsiltoja pistokkaista. Pistokkaat aiheuttavat lisäyksen lämmönläpäisykertoimeen (kaava 3.5). Yhden pistokkaan aiheuttama pistemäinen lisäkonduktanssi tulee laskea tarkoitukseen soveltuvalla laskentamenetelmällä tai määrittää kokeellisesti [39]. Tässä tutkimuksessa käytetään VTT:n laskemaa pistokkaan (ruostumaton teräs, halkaisija 5 mm) arvoa 0,00122 W/K [8, s. 6]. = (kaava 3.5) <=> = 0, ² = 0,00122 ² missä U x on lämmönläpäisykertoimen lisäys [W/m²K] X j n j A on yhden pistokkaan aiheuttama lisäkonduktanssi [W/K] on pistokkaiden lukumäärä on rakenteen tarkastelupinta-ala [1 m²] Lämpimän tilan ulkoseinän lämmönläpäisykertoimen eli U-arvon vertailuarvo on 0,17 W/m²K [37, s. 7]. Vertailuarvoa käytetään rakennuksen lämpöhäviöiden tasauslaskennassa, jossa lasketaan rakennuksen vaipan, vuotoilman ja ilmanvaihdon yhteenlaskettu lämpöhäviö. Ulkoseinän rakenteen U-arvo voi ylittää vertailuarvon, mutta silloin se tulee kompensoida vaipan muiden osien, ilmavuodon tai ilmanvaihdon lämpöhäviöillä. Rakennuksen vaippaan kuuluvan seinän U-arvo saa enimmillään olla 0,60 W/m²K ja koko vaipan lämpöhäviö enintään 30 % vertailuarvoilla laskettua suurempi ja lämpöhäviön ylitys on tasattava pienentämällä ilmavuodon tai ilmanvaihdon lämpöhäviötä. [7; 8; 38; 39] 16

29 3. Kuitubetonisandwich-elementti Tutkimuksen kohteena olevan ei-kantavan ja kantavan elementin U-arvo on <0,16 W/m²K, kun eristeen nimellispaksuus on 240 mm ja pistokkaita enintään 1 kpl/m² (taulukot 3.2 ja 3.3). Taulukko 3.2: Ei-kantavan elementin U-arvo, eristepaksuus 240 mm ja pistokkaita 1 kpl/m² Kerros Paksuus d [mm] Lämmönjohtavuus [W/mK] Lämmönvastus R [m²k/w] Ulkopuolen pintavastus 0,04000 Ulkokuori betonia 40 1,700 0,02350 Mineraalivilla (Paroc COL 40 g) 237 0,039 6,07690 Sisäkuori betonia 80 1,700 0,04710 Sisäpuolen pintavastus 0,13000 Kokonaislämmönvastus [m²k/w] 6,31750 Lämmönläpäisykerroin [W/m²K] 0,15830 Lämmönläpäisykertoimen lisäys [W/m²K], 1 kpl 0,00122 Kokonaislämmönläpäisykerroin eli U-arvo [W/m²K] 0,15950 Taulukko 3.3: Kantavan elementin U-arvo, eristepaksuus 240 mm ja pistokkaita 1 kpl/m² Kerros Paksuus d [mm] Lämmönjohtavuus [W/mK] Lämmönvastus R [m²k/w] Ulkopuolen pintavastus 0,04000 Ulkokuori betonia 40 1,700 0,02350 Mineraalivilla (Paroc COL 40 g) 237 0,039 6,07690 Sisäkuori betonia 150 1,700 0,08820 Sisäpuolen pintavastus 0,13000 Kokonaislämmönvastus [m²k/w] 6,35870 Lämmönläpäisykerroin [W/m²K] 0,15730 Lämmönläpäisykertoimen lisäys [W/m²K],1 kpl 0,00122 Kokonaislämmönläpäisykerroin eli U-arvo [W/m²K] 0,

30 3. Kuitubetonisandwich-elementti Tutkimus kohteena olevan ei-kantavan ja kantavan elementin U-arvo on ~0,17 W/m²K, kun eristeen nimellispaksuus on 220 mm ja pistokkaita enintään 1 kpl/m² (taulukot 3.4 ja 3.5). Taulukko 3.4: Ei-kantavan elementin U-arvo, eristepaksuus 220 mm ja pistokkaita 1 kpl/m² Kerros Paksuus d [mm] Lämmönjohtavuus [W/mK] Lämmönvastus R [m²k/w] Ulkopuolen pintavastus 0,04000 Ulkokuori betonia 40 1,700 0,02350 Mineraalivilla (Paroc COL 40 g) 217 0,039 5,56410 Sisäkuori betonia 80 1,700 0,04710 Sisäpuolen pintavastus 0,13000 Kokonaislämmönvastus [m²k/w] 5,80470 Lämmönläpäisykerroin [W/m²K] 0,17230 Lämmönläpäisykertoimen lisäys [W/m²K], 1 kpl 0,00122 Kokonaislämmönläpäisykerroin eli U-arvo [W/m²K] 0,17350 Taulukko 3.5: Kantavan elementin U-arvo, eristepaksuus 220 mm ja pistokkaita 1 kpl/m² Kerros Paksuus d [mm] Lämmönjohtavuus [W/mK] Lämmönvastus R [m²k/w] Ulkopuolen pintavastus 0,04000 Ulkokuori betonia 40 1,700 0,02350 Mineraalivilla (Paroc COL 40 g) 217 0,039 5,56410 Sisäkuori betonia 150 1,700 0,08820 Sisäpuolen pintavastus 0,13000 Kokonaislämmönvastus [m²k/w] 5,84590 Lämmönläpäisykerroin [W/m²K] 0,17110 Lämmönläpäisykertoimen lisäys [W/m²K], 1 kpl 0,00122 Kokonaislämmönläpäisykerroin eli U-arvo [W/m²K] 0,

31 3. Kuitubetonisandwich-elementti Seinäelementin kosteustekninen toiminta Vaatimukset Suomen rakentamismääräyskokoelman C2-osan mukaan: Ulkoseinän ja sen eri kerrosten sekä ulkoseinään liittyvien rakenteiden ja ulkoseinän liitosten vesihöyrynvastuksen ja ilmatiiviyden on oltava sellainen, ettei seinän kosteuspitoisuus sisäilman vesihöyryn diffuusion tai konvektion vuoksi muodostu haitalliseksi. Sekä rakennuskosteuden että seinää ulko- tai sisäpuolelta satunnaisesti tunkeutuvan veden on voitava poistua vahinkoa ja terveysriskiä aiheuttamatta. [40, s. 9] Kosteustekninen toimintaperiaate Seinärakenteille syntyy kosteusrasitusta rakenteiden sisältämästä kosteudesta, rakennusaikana rakenteeseen pääsevästä kosteudesta, sateesta, vuotovesistä, ulko- ja sisäilman kosteudesta sekä maaperästä nousevasta tai roiskuvasta kosteudesta. Betonielementtiin jää valmistuksessa kemiallisesti sitoutumatonta kosteutta ja rakennusvaiheessa kosteutta voi päästä eristetilaan elementin suojaamattomasta yläosasta ja avoimista saumoista. Kosteuden merkittävimmät siirtymismuodot seinärakenteessa ovat pinta- ja kaasudiffuusio, kapillaarinen imu ja konvektio sekä painovoimaisesti alaspäin ja tuulen vaikutus. Kaasudiffuusio on molekyylien liikettä, jossa kaasun pitoisuuserot pyrkivät tasoittumaan. Diffuusio tapahtuu korkeammasta pitoisuudesta matalampaan. Pintadiffuusiossa materiaalin kosteuspitoisuuden noustessa materiaalihuokosten seinämiin kertyvät vesimolekyylit palaavat takaisin huokosilmaan ja siirtyvät uudestaan uuteen huokoseen. Pintadiffuusio on siis kosteuden siirtymistä vesimolekyylien hyppimisellä, ja se tapahtuu tyypillisesti korkeammasta kosteuspitoisuudesta matalampaan. Kapillaarisessa imussa kosteus siirtyy huokosalipaineesta syntyvien voimien vaikutuksesta materiaalin ollessa kosketuksissa vapaaseen veteen. Pintadiffuusion ja kapillaarisen imun erottaminen toisistaan on vaikeata ja laskennallisessa tarkastelussa ne voidaan yhdistää. Konvektiolla tarkoitetaan vesihöyryn siirtymistä ilmavirtauksien mukana. [7; 9; 52] Sw-elementtiin siirtyy kosteutta vesihöyryn diffuusiolla elementin eri puolilla olevista kosteuspitoisuuseroista. Yleensä rakennuksissa diffuusion suunta on sisältä ulospäin, mutta kesällä kosteuden kulkusuunta voi muuttua olosuhteiden muuttuessa. Vesihöyryn konvektiota aiheutuu elementin yli vaikuttavista ilmanpaine-eroista, jotka synnyttävät ilmavirtauksia. Yleensä sisältä ulospäin virtaava ilma viilenee ja sen kosteudensitomiskyky pienenee, kun taas ulkoa sisäänpäin virtaavan ilman kosteudensitomiskyky kasvaa. Rakenteen läpi virtaava ilma voi viilentää tai lämmittää rakenteita, mikä on erityisen merkittävää saumoissa, liittymissä muihin rakenteisiin, läpivienneissä ja muissa epäjatkuvuuskohdissa. Seinärakenteen läpi kulkeva kosteus voi tiivistyä vedeksi pinnoissa, joissa lämpötila alittaa kastepistelämpötilan eli kosteuspitoisuus ylittää ilman kosteudensitomiskyvyn kyseisessä lämpötilassa. Kosteuden tiivistymisen ehkäisemiseksi pinnan lämpötilan tulee olla korkeampi kuin ilman kastelämpötilan. Tiivistynyt kosteus voi siirtyä rakenteessa painovoimaisesti, mikä tulee ottaa huomioon elementin suunnittelussa. Sw-elementissä kosteutta voi tiivistyä ulkokuoren sisäpintaan, josta se siirtyy paino- 19

32 3. Kuitubetonisandwich-elementti voimaisesti vaakasaumoissa oleviin tuuletusuriin ja sieltä edelleen poistoputkien kautta pois rakenteesta. Ulkokuoren sisäpintaan tiivistyvän kosteuden vuoksi eristeen ulkopintaan tehdään myös pystysuuntaiset tuuletusurat. Sateen ja tuulenpaineen yhteisvaikutuksesta voi vettä siirtyä rakenteisiin julkisivun epätiiveyskohdista. [9] Ksw-elementin kosteustekninen tarkastelu Tutkimuksessa käytettävä kivivilla on avohuokoinen lämmöneriste, joten lämpimän puolen rakennekerroksen (sisäkuori) vesihöyrynvastuksen tulee olla vähintään viisinkertainen kylmän puolen rakennekerrokseen (ulkokuori) nähden, muuten seinärakenteeseen tulee lisätä höyrynsulku. Vaatimuksesta voidaan poiketa, mikäli kokemukseen perustuen tai tutkimuksilla osoitetaan rakenteen olevan kosteusteknisesti toimintavarma. Tutkimuksen ksw-elementissä sisä- ja ulkokuoren vesihöyrynvastuksien ero ei ole viisinkertainen eikä elementtiin lisätä höyrynsulkua, joten kosteustekninen toiminta tulee varmistaa vertaamalla elementtiä laskennallisesti tutkimukseen tai kokemukseen perustuen toimintavarmaksi tiedettyyn rakenteeseen. Rakenteen kosteusteknisessä toimintatarkastelussa vesihöyryn diffuusion kondenssia eli tiivistymistä voidaan arvioida käsinlaskentamenetelmällä. Menetelmällä ei kuitenkaan saada riittävän luotettavia tuloksia kosteusteknisestä toiminnasta, vaan on käytettävä tietokoneohjelmia, jotka huomioivat muutkin kosteuden siirtymismuodot, lämpötilan muutokset sekä materiaalien kosteudensitomis- ja -luovutuskykyä. [9; 40] Kosteustekninen toiminta tutkitaan vertaamalla yleisesti käytössä olevien swelementtien toimintaa ksw-elementin toimintaan. Tarkastelussa arvioidaan vain sw- ja ksw-elementin kosteusteknisen toiminnan eroa eikä lasketa tarkkoja tiivistyvän kosteuden määriä. Laskentatarkastelu on tehty eristepaksuuksille 220 mm ja 240 mm, tuuletusurittamattomille sekä tuuletusuritetuille elementeille (kuvat 3.2 ja 3.3). Tuuletusurat on otettu huomioon laskennassa 5 mm:n tuulettumattomana ilmarakona, joka on swelementeissä ulkokuorta vasten ja ksw-elementeissä 20 mm ulkokuoren sisäpinnan sisäpuolella. Tarkastelussa oletuksena on, ettei ulkokuoressa ole halkeamia eikä elementtien välissä rakoja, joista sadevesi pääsisi kulkemaan painovoimaisesti eristetilaan. Ulkokuoren halkeilun hallinta ja elementtien saumojen tiiveys ovatkin tärkeä osa ksw-elementin kosteusteknistä toimintaa. Laskenta on suoritettu DOF-Lämpö 2.2 -ohjelmalla käyttäen Suomen rakentamismääräyskokoelman mukaisia U-arvoja ja kosteuskäyttäytymistä normaalisen lämmönjohtavuuden arvoilla (taulukko 3.5). Tarkasteluhetkenä on käytetty "kolmen päivän kylmin" -valintaa. 20