TEKNINEN TIEDOTE Puun kosteuskäyttäytyminen

Transkriptio

1 TEKNINEN TIEDOTE Puun kosteuskäyttäytyminen SISÄLTÖ 1.0 YLEISTÄ TASAPAINOKOSTEUS PUUTAVARAN KUIVAAMINEN SUUNNITTELUKOSTEUSTILA SAHATAVARAN KUIVUMINEN CLT JA LVL KUIVUMISEN AIHEUTTAMA HALKEILU KOSTEUDENHALLINTA VARASTOINTI TYÖMAALLA

2 1.0 YLEISTÄ Puu on hygroskooppinen materiaali eli puulla on kyky sitoa ja luovuttaa kosteutta ilman suhteellisen kosteuden vaihteluiden mukaan. Kosteuden vaihteluiden seurauksena puu kutistuu tai turpoaa sekä muuttaa muotoaan. Puun kosteus ilmoitetaan prosentteina ja sillä tarkoitetaan puussa olevan veden painon suhdetta puun absoluuttiseen kuivapainoon. Puu on anisotrooppinen materiaali eli puun ominaisuudet ovat erilaiset eri suunnissa. Tämä näkyy myös puun kosteuskäyttäytymisessä. Puun syiden suuntainen kutistuminen/turpoaminen eli kosteuseläminen on hyvin vähäistä verrattuna syitä vastaan kohtisuorassa suunnassa tapahtuvaan kosteuselämiseen. Kuva 1. Kuivumisen vaikutus sahatavarakappaleen muotoon, kun kappale on sahattu tukin eri kohdista. Puun kuivuessa soluonteloissa oleva vapaa vesi poistuu ensimmäisenä. Puun kosteustilaa, jossa vapaa vesi on poistunut soluonteloista, mutta soluseinämät sisältävät enimmäismäärän vettä, kutsutaan puun syiden kyllästymispisteeksi. Puun kosteus on tällöin noin 30 % (tuore havupuu). Soluonteloissa olevan vapaan veden poistumisen jälkeen alkaa soluseinämiin sitoutunut vesi poistua, jonka seurauksena puu alkaa kutistua. Kutistuminen aiheuttaa puuhun muodonmuutoksia, jotka taas aiheuttavat puuhun sisäisiä jännityksiä. Sisäiset jännitykset aiheuttavat puuhun halkeamia ja sahatavarakappaleissa sisäisten jännitysten vaikutus saattaa näkyä esimerkiksi kieroutumisena, kuperoitumisena ja syrjä /lapevääryytenä. Puun kosteuden ollessa 20 %, on se yleensä turvassa lahottajasieniltä, homeilta ja muilta biologisilta tuholaisilta. Kuusi reagoi sitä ympäröivän kosteuden vaihteluihin hitaammin kuin mänty. Tämä johtuu siitä, että kuusen soluseinämien huokosten läpät (torukset) jäävät puun kuivuessa kauttaaltaan kiinni asentoon, kun taas männyn pintapuussa ne jäävät auki asentoon. Männyn sydänpuussa huokoset ovat tukkeutuneet pihkalla. Soluseinämien huokosten ominaisuudet vaikuttavat myös siihen, että kuusi on vaikea painekyllästää ja männyssä kyllästysaineet voivat tunkeutua vain pintapuuhun. Kuivan puun lujuus ja jäykkyysominaisuudet ovat märkää puuta paremmat. Lujuusominaisuuksien paraneminen puun kuivuessa perustuu soluseinämien liikkumiseen lähemmäksi toisiaan ja toisiinsa kiinnittymiseen. Lujuusja jäykkyysominaisuuksiltaan kuusi ja mänty ovat samankaltaisia. 2

3 Vaihe 1 Puun kosteus > 30 % Soluonteloissa vapaata vettä Vaihe 2 Puun kosteus ~ 30 % Soluseinämissä enimmäismäärä vettä Puun syiden kyllästymispiste Vaihe 3 Puun kosteus < 30 % Vesi alkaa poistua soluseinämistä Vaihe 4 Veden poistuminen soluseinämistä jatkuu Puu alkaa kutistua Kuva 2. Veden poistuminen puun solukosta. 2.0 TASAPAINOKOSTEUS Puu asettuu aina sitä ympäröivän ilman suhteellisesta kosteudesta ja lämpötilasta riippuvaan tasapainokosteuteen. Tämän takia on erityisen tärkeää huolehtia, että puutavaran kosteus ei pääse suuresti vaihtelemaan käyttökohteeseen suositellusta arvosta varastoinnin, kuljetuksen ja asennuksen aikana. Tasapainokosteuteen johtava tasaantumisprosessi on suhteellisen hidas ja sen nopeuteen vaikuttavat kosteuden muutoksen suuruus, ilman lämpötila ja puutavaran koko. Esimerkiksi järeällä hirrellä tasaantumisprosessi saattaa kestää useita viikkoja. Tasaantumisprosessin nopeuteen voidaan vaikuttaa myös kosteuden siirtymistä hidastavalla puun pintakäsittelyllä. 3

4 ~ 8 % Kuva 3. Puun tasapainokosteuden riippuvuus ilman suhteellisesta kosteudesta ja lämpötilasta /1/. 4

5 3.0 PUUTAVARAN KUIVAAMINEN Ulkona ilmakuivatun puutavaran kosteus vaihtelee välillä % riippuen ulkoilman suhteellisen kosteuden vaihteluista. Teollisessa sahatavaratuotannossa puutavara keinokuivataan tavallisesti jatkuvatoimisella kanavakuivaamolla. Muita kuivaamotyyppejä ovat mm. kamarikuivaamo, kuumakuivaamo, lauhdekuivaamo, alipainekuivaamo ja puristuskuivaamo. Puutavaran kuivaamiseen ei ole yleisesti yhtä parasta menetelmää, joten käytettävä menetelmä valitaan puutavaran käyttökohteen ja sen asettamien laatuvaatimusten mukaan. Kuivausmenetelmällä voidaan oleellisesti vaikuttaa lopputuotteen laatuun (halkeilu, kieroutuminen yms). Suositusarvot puutavaran kosteudelle käyttökohteen mukaan runkopuutavara 20 % ulkoverhous 18 % sisäverhous 16 % lattiaverhous 10 % Tyypillisiä puutuotteiden toimituskosteuksia vientikuiva perussahatavara 20 % (± 4 %) sahatavarasta valmistetut lattialaudat 6 10 % liimapuu, CLT % (tehdastoimitettuna) vaneri, LVL 8 10 % (tehdastoimitettuna) liimapuu, vaneri, LVL, CLT 20 % (varastotoimitettuna) 4.0 SUUNNITTELUKOSTEUSTILA Puun lujuus ja jäykkyysominaisuudet muuttuvat puun kosteuden mukaan. Tämän takia puurakenteiden mitoituksessa käytetään kolmea käyttöluokkaa, jotka ovat seuraavat: Lämmitettyihin sisätiloihin tulevat puurakenteet suunnitellaan käyttöluokassa 1, jolloin keskimääräinen puun kosteus on alle 12 % (RH 65 %, 20 C). Katetut puurakenteet lämmittämättömässä tilassa suunnitellaan käyttöluokassa 2, jolloin keskimääräinen puun kosteus on enintään 20 % (RH 85 %, 20 C). Puurakenteet, jotka eivät kuulu käyttöluokkiin 1 tai 2, suunnitellaan käyttöluokassa 3. Esimerkiksi ulkona säälle alttiina, kosteassa tilassa tai veden välittömän vaikutuksen alaisena olevat puurakenteet kuuluvat käyttöluokkaan SAHATAVARAN KUIVUMINEN Sahatavarakappaleen kosteuselämisen suuruus (mittamuutokset) voidaan määrittää likimäärin taulukossa 1 esitetyillä arvoilla. Kosteuseläminen tulee huomioida puurakenteiden suunnittelussa. Esimerkiksi sahatavarakappaleen kosteuden vaihtelusta johtuvat poikkileikkauksen mittamuutokset saattavat olla useita millimetrejä. 5

6 Taulukko 1. Ohjeelliset arvot havupuusahatavaran kosteusvaihtelun aiheuttamien mittamuutosten määrittämiseen. KOSTEUDEN MUUTOS POIKKILEIKKAUKSEN MITTAMUUTOKSET PITUUDEN MITTAMUUTOS 1 % yksikkö 0,25 % 0,02 % Sydänhalkaistu sahatavarakappale kuperoituu Radiaalisahattu sahatavarakappale kutistuu, mutta säilyttää paremmin muotonsa Ydinkeskeinen sahatavarakappale halkeilee keskeltä ja ohenee syrjistä Kuva 4. Esimerkkejä sahatavarakappaleen kuivumisen aiheuttamista poikkileikkauksen muodonmuutoksista. POIKKILEIKKAUS PITUUSSUUNTA Kosteus 30 % Kosteus 25 % Kosteus 20 % Kosteus 15 % Kosteus 10 % Kuva 5. Esimerkkejä sahatavarakappaleen mittamuutoksista kappaleen kosteuden muuttuessa (mitat mm). 6

7 ESIMERKKI Talvella sisäilman suhteellinen kosteus vaihtelee välillä % ja kesällä välillä %. Sisäilman lämpötila on tavallisesti 22 C. Kuvasta 3 ja taulukosta 1 saadaan seuraavat tiedot: RH 20 %, lämpötila 22 C puun kosteus ~4,5 % RH 70 %, lämpötila 22 C puun kosteus ~13,5 % puun kosteuden muutos maksimissaan (13,5 % yksikköä 4,5 % yksikköä) = 9 % yksikköä poikkileikkauksen mittamuutos maksimissaan (9 % yksikköä 0,25 % ) = 2,3 % Edellä esityillä lähtötiedoilla esimerkiksi 140 mm leveän lattialaudan leveyden mittamuutos suhteellisen kosteuden vaihtelusta (RH %) on kokokonaisuudessaan 3,2 mm. Mikäli lattialaudan kosteus on asennushetkellä 7 % (RH 36 %, 22 C), turpoaa lattialauta kesällä 2,3 mm ja kutistuu talvella 0,9 mm. 6.0 CLT JA LVL Valmistamalla puutuote ristikkäisistä kerroksista (lauta, viilu jne.), saadaan kosteusvaihtelun aiheuttamia tuotteen tasossa tapahtuvia mittamuutoksia pienennettyä. Tulee kuitenkin muistaa, että paksuussuunnassa tällaiset tuotteet kutistuvat ja turpoavat kosteuden vaihtelusta kuten sahatavara. Kyseisten tuotteiden tarkat ominaisuudet löytyvät aina tuotteen valmistajan dokumenteista. Taulukko 2. Ohjeelliset arvot CLT:n ja LVL:n kosteusvaihtelun aiheuttamien mittamuutosten määrittämiseen. TUOTE KOSTEUDEN MUUTOS POIKKILEIKKAUKSEN MITTAMUUTOKSET B L H CLT 1 % yksikkö 0,02 % 0,02 % 0,24 % LVL (viilut samaan suuntaan) 1 % yksikkö 0,32 % 0,01 % 0,24 % LVL (osa viiluista ristikkäin) 1 % yksikkö 0,03 % 0,01 % 0,24 % 7

8 7.0 KUIVUMISEN AIHEUTTAMA HALKEILU Puun kuivumisen aiheuttama kutistuminen luo puutuotteen sisään poikittaisia vetojännityksiä. Poikittaisen vetolujuuden ylittyessä puutuote halkeaa. Mitä nopeammin kuivumisprosessi tapahtuu ja mitä kuivemmaksi puutuote tulee sitä helpommin se halkeilee. Puun solurakenteesta johtuen kuivuminen on nopeinta syysuunnassa. Esimerkiksi laudan päässä tietyllä matkalla kosteus pääsee poistumaan syysuunnassa erittäin nopeasti, jolloin laudan pää halkeilee kuivuessaan. Tällaista kuivumisen aiheuttamaa halkeilua voidaan estää pintakäsittelyllä (eng. End Grain Sealer), joka sulkee puun syiden päät. Kyseinen pintakäsittelyaine estää myös kosteuden pääsyä puutuotteen sisään, jolloin se estää myös puun turpoamista. Markkinoilla on erilaisia tuotteita tähän tarkoitukseen. Myös CLT ja LVL tuotteiden leikatut reunat suositellaan käsiteltäväksi tällaisella aineella. Kosteuden siirtymistä hidastava pintakäsittely Kuivumisen aiheuttamaa halkeilua Kuva 6. Puun syiden päät suositellaan suljettavaksi tähän tarkoitetulla pintakäsittelyaineella. 8

9 8.0 KOSTEUDENHALLINTA Runkorakentamisessa noudatetaan kosteudenhallintasuunnitelmaa. Suomessa suhteellinen kosteus on korkealla ympäri vuoden. Tästä johtuen rakennusaikainen sääsuojaus on erityisen tärkeä. Kastuneella puutavaralla on mahdollisuus kuivua Suomen ilmastossa homehtumiselta turvalliseen kosteuteen ( 20 %) hyvin lyhyellä aikajaksolla. Esimerkiksi Itävallan ilmastossa tämä aikajakso on noin kaksinkertainen. Näin ollen rakenteita ja rakennuksen toteutusmenetelmiä ei voida suoraan kopioida maasta toiseen. RH max 80 % Kuva 7. Helsingin vuotuiset ilmastotiedot /2/. 9

10 RH max 80 % Kuva 8. Wienin vuotuiset ilmastotiedot /2/. 10

11 9.0 VARASTOINTI TYÖMAALLA Työmaalla puutavara tulee varastoida aina kuivalla, tukevalla ja tasaisella alustalla siten, että puutavara on irti maasta eikä puutavaraan pääse syntymään haitallisia muodonmuutoksia ja ulkonäköä heikentäviä virheitä. Ulkona varastoitava puutavara suojataan säätä vastaan. Varastoinnin aikana tulee huolehtia, että puutavara pääsee tuulettumaan suojausten alla. Puutavaran varastointi tulee aina tehdä siten, että kosteusolosuhteet varastoinnin aikana vastaavat mahdollisimman hyvin puutavaran lopullisia kosteusolosuhteita käyttökohteessaan (tasapainokosteus). Sisäverhoustuotteiden varastoinnissa, suojamuovien poistamisajankohdassa ja tuotteen kosteuden tasaannuttamisessa tulee noudattaa valmistajan antamia ohjeita. Esimerkiksi lattialaudat kuivataan nykyisin niin kuiviksi, että ne hieman turpoavat asennuksen jälkeen. Tämän takia on erityisen tärkeää, että laudat säilytetään suojamuoveissaan aina asennushetkeen saakka etteivät laudat pääse sitomaan kosteutta ympäröivästä ilmasta ja turpoamaan ennen asennusta. Lähteet /1/ Kärkkäinen M; Puun rakenne ja ominaisuudet, Metsäkustannus, /2/ and climate.com 11