MAANVASTAISET ALAPOHJARAKENTEET - KOSTEUSTEKNINEN MITOITTAMINEN JA KORJAAMINEN

Transkriptio

1 TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU JULKAISU121 TALONRAKENNUSTEKNIIKKA Virpi Leivo - Jukka Rantala MAANVASTAISET ALAPOHJARAKENTEET - KOSTEUSTEKNINEN MITOITTAMINEN JA KORJAAMINEN R a k e n n u s t e k n i i k a n o s a s t o T a m p e r e

2 TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU Talonrakennustekniikka alapohjarakenteet kosteustekninen mitoittaminen ja korjaaminen Virpi Leivo Jukka Rantala UDK ISBN (nid.) ISBN (PDF) ISSN Rakennustekniikan osasto Tampere 2002

3

4 1 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO Soveltamisala Määritelmiä Maanvastaiset alapohjarakenteet MAANVASTAISEN ALAPOHJARAKENTEEN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTEKNINEN TOIMINTA Kosteuden olomuodot ja siirtymistavat Maanvaraisen alapohjarakenteen olosuhteet MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEEN SUUNNITTELU Suunnittelun reunaehdot Suunnittelussa tarkasteltavat tapaukset Rakenteiden valinta MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KORJAAMINEN Yleisimmät vauriot ja vaurioitumismekanismit Korjausten suunnittelu Korjausvaihtoehdot...28 Lähdeluettelo LIITTEET LIITE 1: Maanvaraisen alapohjarakenteen lämpötila-, kyllästyskosteus- ja vesihöyrypitoisuuskäyrien määrittely tasapainotilanteessa...35 LIITE 2, Laskentaesimerkki 1: Pinnoitteen vaihtaminen läpäiseväksi...38 LIITE 2, Laskentaesimerkki 2: Tuulettuva lattiarakenne, diffuusiotarkastelu...40 LIITE 2, Laskentaesimerkki 3: Tuulettuva lattiarakenne, kapillaarinen tarkastelu...42

5 2 1 JOHDANTO 1.1 Soveltamisala Tämä julkaisu Maanvastaiset alapohjarakenteet kosteustekninen suunnittelu ja korjaaminen on tarkoitettu pohjamaan, täyttö- ja salaojituskerroksen tai muun karkearakeisen maamateriaalin kanssa pysyvästi kosketuksissa olevan rakennusosan, kuten maanvaraisen laatan, kosteusteknisen mitoituksen oppaaksi. 1.2 Määritelmiä Diffuusio eli vesihöyryn diffuusio tarkoittaa kaasuseoksessa vakiokokonaispaineessa tapahtuvaa vesihöyrymolekyylien liikettä, joka pyrkii tasoittamaan kaasuseoksen höyryn osapaine-erot. Huokosluku tarkoittaa maan huokostilavuuden ja kiinteän maa-aineksen tilavuuden suhdetta, e. Hygroskooppinen tasapainokosteus tarkoittaa sitä kosteuspitoisuutta, joka stationääritilassa sitoutuu huokoiseen aineeseen ympäristön tietyssä suhteellisessa kosteudessa ja lämpötilassa. Hygroskooppisuus tarkoittaa huokoisen aineen kykyä sitoa itseensä kosteutta ilmasta ja luovuttaa sitä takaisin ilmaan. Kapillaarinen tasapainokosteus tarkoittaa vesipitoisuutta, jonka huokoinen materiaali saavuttaa kapillaarivoimien vaikutuksesta ollessaan yhteydessä vapaaseen vedenpintaan. Kapillaarinen tasapainokosteus ilmaistaan yleensä kapillaarisen nousukorkeuden tai huokosalipaineen funktiona. Kapillaarikatkokerros tarkoittaa maanvastaisen alapohjarakenteen alla olevaa veden kapillaarisen nousun katkaisevaa kerrosta. Kapillaarisuus tarkoittaa ominaisuutta, jonka avulla huokoinen aine kykenee imemään nestettä vapaan nestepinnan yläpuolelle ja pitämään sen siellä. Kapillaarivesi on maamassaan pintajännitysvoimien vaikutuksesta pohjavedenpinnan yläpuolelle noussutta vettä. Kondensoituminen tarkoittaa vesihöyryn tiivistymistä rakenteissa vedeksi tai jääksi, kun ilman vesihöyrypitoisuus on saavuttanut kyseisessä kohdassa kyllästyskosteuden (RH=100%). Kondensoitumista tapahtuu yleensä materiaalien rajapinnoissa. Kosteus tarkoittaa kemiallisesti sitoutumatonta vettä kaasumaisessa, nestemäisessä tai kiinteässä olomuodossa.

6 3 Kosteuspitoisuus tarkoittaa haihtumiskykyisen veden määrää [kg/m 3 ] huokoisessa materiaalissa. Vrt. vesipitoisuus. Kuivatus on vesien johtamista päällysrakenteen pinnalta pintakuivatuksella tai maan sisällä salaojin ja salaojituskerroksin. Maanvastaisella tarkoitetaan maata vastaan olevaa rakennusosaa erittelemättä sitä, siirtääkö rakennusosa kuormia maarakenteelle. Esimerkiksi kantava alapohja, joka on kosketuksissa alapuolisen salaojituskerroksen kanssa, on maanvastainen. Maanvaraisella tarkoitetaan rakennusosaa, joka siirtää kuormia alapuoliselle maalle. Maanvarainen rakennusosa on aina myös maanvastainen. Pintavesi vettä. on maanpinnalla olevaa, maanpintaa pitkin virtaavaa tai katolta tulevaa Pohjavesi on vettä, joka on täysin kyllästänyt maa- tai kalliovyöhykkeen. Vesi voi olla myös paineellista. Rakeisuuskäyrä ilmaisee, miten suuri suhteellinen osuus, prosentteina ilmaistuna, tutkittavassa maalajissa on tiettyä raekokoa pienempiä rakeita, eli miten suuri on tätä raekokoa vastaavan seulan läpäisyprosentti. Rakennuskosteus tarkoittaa rakennusvaiheen aikana tai sitä ennen rakenteisiin tai rakennusaineisiin joutunutta rakennuksen käytönaikaisen tasapainokosteuden ylittävää kosteutta, jonka tulee poistua. Usein käytetään myös termiä rakennekosteus, jolla tarkoitetaan samaa. Routa on maassa, maan huokosissa olevan veden jäätymisen takia kovettunut eli jäätynyt maakerros. Salaojituskerros tarkoittaa maaperän kuivattamiseksi pintamaan alle tehtyä vettä johtavaa rakennetta tai karkearakeista maa-aineskerrosta, jota pitkin vesi voi siirtyä kuivatettavalta alueelta valumalla tai pumppaamalla. Huom. Salaojituskerroksen tehtävänä ei ole katkaista kapillaarista nousua. Kts. Kapillaarikatkokerros. Salaojajärjestelmä tarkoittaa salaojaputkien, salaojituskerrosten, salaojakaivojen, tarkastusputkien ja kokoojakaivojen muodostamaa sekä tarvittaessa padotusventtiiliä tai pumppauksella varustettua järjestelmää rakennuksen pohjan tai vastaavan kuivattamiseksi. Salaojaputki tarkoittaa salaojituskerroksessa käytettävää putkea, johon vesi pääsee ympäristöstä putken seinämässä olevien reikien kautta. Salaojitus vrt. salaojajärjestelmä. Suhteellinen kosteus =ilman suhteellinen kosteus RH ilmoittaa kuinka paljon ilmassa on vesihöyryä kyllästyspitoisuuteen verrattuna tietyssä lämpötilassa.

7 4 Stationääritila eli jatkuvuustila tarkoittaa tilaa, jossa systeemiin tuodaan ja sieltä poistuu vakiomäärä ainetta ja lämpöenergiaa samassa ajassa. Stationääritilassa lämpötilat ja eri aineiden pitoisuudet ovat saavuttaneet tasapainotilan eivätkä muutu ajan kuluessa. Tiiviysasteella tai sullonta-asteella määritetään maa-aineksen tiiviyttä suhteessa sen tiiveimpään mahdolliseen sullontatilaan. Tiiviysaste annetaan maa-aineksen kuivatilavuuspainon suhteena kuivatilavuuspainoon tiiveimmässä tilassa prosentteina ilmaistuna, D [%]. Vajovesi eli gravitaatiovesi on painovoiman vaikutuksesta rakenteessa hitaasti alaspäin liikkuvaa vettä. Valuma-alue on maanpinnan korkeussuhteiden perusteella määritetty alue, jolta pintavedet virtaavat alueen alimpaan kohtaan. Vesihöyry tarkoittaa vettä kaasumaisessa olomuodossa. Vesihöyryn konvektio tarkoittaa kaasuseoksen sisältämän vesihöyryn siirtymistä kaasuseoksen mukana sen liikkuessa kokonaispaine-eron vaikutuksesta. Konvektio syntyy ulkopuolisen voiman, pakotettu konvektio tai lämpötilaeron, luonnollinen konvektio vaikutuksesta. Vesihöyrynläpäisevyys (δ v tai δ p ) ilmoittaa vesimäärän, joka stationääritilassa läpäisee aikayksikössä pintayksikön suuruisen ja pituusyksikön paksuisen homogeenisen ainekerroksen, kun ainekerroksen eri puolilla olevien ilmatilojen vesihöyrypitoisuuksien ero tai vesihöyryn osapaine-ero on yksikön suuruinen. Vesihöyrynvastus (Z v tai Z p ) ilmaisee tasapaksun ainekerroksen tai tällaisista muodostuvan tasapaksun kerroksellisen rakenteen vastakkaisilla pinnoilla vallitsevien vesihöyrypitoisuuksien, tai vesihöyryn osapaineiden eron ja ainekerroksen tai rakenteen läpi jatkuvuustilassa pinta-alayksikköä kohti diffuntoituvan vesihöyryvirran. Vesihöyrynosapaine (p) ilmoittaa ilmassa olevan vesihöyryn paineen. Kts. myös vesihöyrypitoisuus. Vesihöyrypitoisuus (v) ilmoittaa ilmassa olevan vesihöyrymäärän. Ilmassa olevan vesihöyryn määrä voidaan ilmoittaa joko vesihöyrypitoisuutena tai vesihöyrynosapaineena. Vesihöyrypitoisuuksien ero pyrkii tasoittumaan diffuusiolla. Vesipitoisuus tarkoittaa maa-aineksessa olevan veden massan ja kuivan maa-aineksen massan suhdetta prosentteina ilmaistuna, w [%]. Vrt. kosteuspitoisuus.

8 5 1.3 Maanvastaiset alapohjarakenteet Maanvastaisten alapohjarakenteiden kosteustekninen toiminta poikkeaa huomattavasti rakennusvaipan muiden osien toiminnasta. Alapohja on rakenteena kosketuksissa lämpimän ja kostean salaoja- ja täyttökerrosten tai pohjamaan kanssa. Maa on kosteuslähde, jonka aiheuttama kosteusrasitus liittyville rakenteille on jatkuvaa ja jonka vaikutus on otettava huomioon rakenteita suunniteltaessa. Eri tutkimuksissa on arvioitu, että kaikista havaituista kosteusvaurioista peräti 30 % liittyy jollakin tavoin alapohjarakenteisiin. Edelleen jopa 80 % alapohjarakenteiden kosteusvaurioista johtuu selvästä kosteusteknisestä suunnitteluvirheestä. Vaurioita tutkittaessa on käynyt selvästi ilmi, että alapohjarakenteet eivät kosteus- ja lämpöteknisesti toimi suunnitellulla tavalla. Alapohjarakenteiden ympäristöolosuhteissa tapahtuvia muutoksia ei juurikaan oteta huomioon, jos alapohjien kosteusteknistä suunnittelua tehdään lainkaan. Massiivisten betonilaattojen rakennekosteuden hidas haihtuminen, muutokset sisäilman lämpö- ja kosteusolosuhteissa sekä lämmitetyn rakennuksen aiheuttama maapohjan lämpeneminen voivat aiheuttaa yllätyksiä alapohjan kosteusteknisessä toiminnassa, mikäli niitä ei ole rakenteiden suunnittelussa huomioitu. Usein maanvaraisen alapohjarakenteen toiminnan kannalta on oleellisempaa maasta diffuusiolla nouseva vesihöyry kuin maasta kapillaarisesti nouseva kosteus, joka on yleensä ja tulee olla estetty kapillaarikatkolla. Diffuusiota tapahtuu aina jossakin määrin kaikissa maanvastaisissa rakenteissa. Arvioitaessa alapohjarakenteen toimivuutta on täyttö- ja salaojakerrosten vesipitoisuus ja etenkin huokosten korkea suhteellinen kosteus otettava huomioon olemassa olevana reunaehtona kaikissa tarkasteluissa. Alapohjarakenne toimii suurimmassa osassa tapauksista moitteetta, vaikka pohjamaan vesipitoisuus olisikin suuri. Ratkaiseva tekijä on koko alapohjarakenteen toiminta kokonaisuutena vallitsevassa lämpötilakentässä siihen kohdistuvan kosteusrasituksen alaisena. Mikäli pohjamaan lämpötila ei nouse liian korkeaksi ja mikäli alapohja rakenteena pystyy läpäisemään maasta nousevan kosteusmäärän ilman rakenteille aiheutuvaa haittaa, ei pohjamaan kosteudesta johtuvia ongelmia pitäisi esiintyä. Keskeisimmät lähtökohdat suunniteltaessa uusia alapohjarakenteita ja kosteusvaurioituneiden lattioiden korjaustoimenpiteitä ovat: 1. Maanvastaiseen rakenteeseen kosketuksissa olevan maa-aineksen huokosilman suhteellisen kosteuden oletetaan olevan RH = 100 %. 2. Maanvastaisen alapohjarakenteen alla olevan maan lämpeneminen ja siitä johtuva maasta ylös sisätilaan suuntautuva diffuusiovirta, rakenteen suhteellisen kosteustason nousu ja tiivistymisriski tulee ottaa huomioon kosteusteknisessä suunnittelussa. 3. Maanvastaisen rakenteen tulee pystyä haihduttamaan maasta mahdollisesti nouseva kosteus.

9 6 2 MAANVASTAISEN ALAPOHJARAKENTEEN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTEKNINEN TOIMINTA 2.1 Kosteuden olomuodot ja siirtymistavat Suomen ilmasto-olosuhteissa vettä esiintyy maaperässä kaikissa kolmessa olomuodossa: kaasuna eli vesihöyrynä, nesteenä eli vetenä ja kiinteässä olomuodossa jäänä. Sateet ja pohjavesi, routa ja lumen sulamisvedet pitävät maaperän aina kosteana. Kuva 2.1 Kosteuden olomuodot ja siirtymismekanismit. Kostea ilma: suhteellinen kosteus ja kosteuspitoisuus Ilma ja vesihöyry muodostavat yhdessä kaasuseoksen, jossa vesihöyrymolekyylit ovat tasaisesti sekoittuneena ilmamolekyylien joukkoon. Tiettyyn määrään ilmaa mahtuu vain tietty määrä vesihöyrymolekyylejä. Ilman vesihöyrypitoisuuden saavuttaessa maksimipitoisuutensa ilman sanotaan olevan vesihöyryllä kyllästynyttä, eli sen suhteellinen kosteus on RH = 100%. Suhteellinen kosteus eli RH ilmaisee, kuinka paljon ilmassa on vesihöyryä verrattuna kyllästyskosteuteen. Ilman vesihöyryn kyllästyskosteus riippuu ilman lämpötilasta. Lämpimään ilmaan mahtuu huomattavasti enemmän vesihöyryä kuin kylmään ilmaan (Kuva 2.2). Mikäli ilma on lähellä kyllästyspitoisuuttaan ja sen lämpötila jostain syystä laskee, samaan ilmatilavuuteen mahtuvan vesihöyryn määrä pienenee ja kyllästyspitoisuuden ylittävä määrä vesihöyrystä tiivistyy vedeksi. Tätä ilmiötä kutsutaan kondensoitumiseksi eli tiivistymiseksi.

10 Kyllästyspitoisuus v, g/m Kuva Lämpötila, o C Vesihöyryn kyllästyspitoisuuskäyrä. Hygroskooppisuus ja diffuusio Huokoiset materiaalit voivat sitoa itseensä kosteutta suoraan kosteasta ilmasta. Tätä kutsutaan hygroskooppiseksi kosteuden sitoutumiseksi. Materiaalin huokosissa vaikuttavat vetovoimat vetävät ilman vesimolekyylejä materiaalin pintaan ohueksi vesikerrokseksi, jonka paksuus kasvaa ilman kosteuden lisääntyessä. Sitoutuvan kosteuden määrä riippuu materiaalista. Materiaali pyrkii saavuttamaan tasapainon, tietyn tasapainokosteuden ympäröivän ilman kanssa. Tasapaino riippuu materiaalin lisäksi lämpötilasta ja ilman suhteellisesta kosteudesta. Lisäksi tasapaino riippuu siitä, onko kyseessä materiaalin kostuminen vai kuivuminen. Tietyn materiaalin tiettyä lämpötilaa vastaava tasapainokosteuskäyrä määritellään muuttamalla ilman suhteellista kosteutta ja mittaamalla materiaaliin sitoutuvan kosteuden määrä. Hygroskooppisuuden yläraja saavutetaan, kun materiaalia säilytetään ilmassa, jonka suhteellinen kosteus on RH 100%. Materiaalin ollessa hygroskooppisella alueella, jolloin materiaalin huokosten ilman suhteellinen kosteus on alle RH 100%, tällöin kosteus on vesihöyrynä ja kosteuden siirtyminen tapahtuu diffuusiolla. Vesihöyryn pitoisuusero, kuten kaikki pitoisuus- tai paine-erot luonnossa, pyrkivät tasoittumaan kohti tasapainotilaa vesihöyrymolekyylien liikkuessa suuremmasta konsentraatiosta kohti pienempää. Tätä virtausta kutsutaan diffuusioksi. Diffuusiossa vesihöyry siirtyy korkeammasta pitoisuudesta alemman pitoisuuden suuntaan.

11 8 Kapillaarisuus Vapaan veden lähteestä, esimerkiksi pohja- tai orsiveden pinnasta, vesi pyrkii huokoisessa materiaalissa siirtymien vaikutuksesta, joiden suuruus riippuu veden ja aineen ominaisuuksista sekä kosteuspitoisuudestaään toisiinsa kytkettyjen huokosten muodostamassa putkistoverkossa kapillaarivoim. Kapillaarista siirtymistä vastustavat viskositeetti ja painovoima. Pohjaveden pinnasta nousevan kapillaariveden kohoaminen jatkuu tasoon, jossa kohonneeseen vesimassaan kohdistuvat kapillaarivoimat ovat tasapainossa. Kapillaariseksi tasapainokosteudeksi kutsutaan sitä kosteutta, jonka huokoinen materiaali saavuttaa ollessaan yhteydessä vapaaseen vedenpintaan. Aineen kapillaarinen tasapainokosteus ilmaistaan tavallisesti kapillaarisen nousukorkeuden tai huokosalipaineen funktiona. Kapillaaristen voimien maan huokossysteemiin sitomaa vettä kutsutaan kapillaarivedeksi ja sen nousukorkeutta vapaan veden pinnasta kapillaariseksi nousukorkeudeksi. Maan kapillaarinen nousukorkeus ei ole mikään yksi tietty arvo, vaan kullekin materiaalille voidaan erottaa neljä erisuuruista kapillaarisen nousukorkeuden arvoa: materiaalin kostumisen ylempi ja alempi kapillaarinen nousukorkeus sekä materiaalin kuivumisen ylempi ja alempi kapillaarinen nousukorkeus. Alemman kapillaarisen nousukorkeuden alapuolella materiaali täysin kyllästynyttä ja ylemmän kapillaarisen nousukorkeuden alapuolella osittain kyllästynyttä. 2.2 Maanvaraisen alapohjarakenteen olosuhteet Rakenteet Normaaleissa käyttöolosuhteissa rakennemateriaalit ovat hygroskooppisella alueella ja materiaalin kosteuspitoisuus riippuu pääasiassa ympäristön suhteellisesta kosteudesta. Niissä materiaaleissa, joihin jää rakennusaikaista kosteutta tai kosteusvauriokohdissa kosteutta voi olla huomattavasti hygroskooppista tasapainokosteutta enemmän. Maanvaraisen alapohjan täyttö- ja salaojituskerros on huokosverkostonsa kautta yhteydessä vapaan veden eli pohjaveden kanssa. Kapillaarinen kosteuden nousu rakenteessa on mahdollista, mikäli kapillaarista nousua ei estetä. Mikäli rakenteeseen ei suunnitella kapillaarisen nousun katkaisevaa kerrosta, rakenne on nykyisin voimassa olevien määräysten ja ohjeiden vastainen. Pohjamaa Maanvastaisen alapohjarakenteen alapinta on kosketuksissa kostean maan kanssa. Syvällä maakerroksissa olevan maan lämpötila on lähellä pohjaveden lämpötilaa, C. Pintamaan lämpötilaan vaikuttaa ulkolämpötila. Maanvaraisen alapohjan lämpötilaan vaikuttaa ensisijaisesti rakennuksen sisälämpötila ja alapohjarakenteen läpi virtaavan lämpövuon suuruus. Lämpövuo on sitä suurempi mitä pienempi on alapohjarakenteen lämmönvastus. Alapohjan läpi virtaava lämpövuo lämmittää rakenteen alapuolista maata aina jonkin verran. Tavanomaisissa lämpöeristetyissä rakenteissa eristepaksuuden ollessa mm alapuolisen pohjamaan lämpötila on yleensä C. Lämpöeristämättömissä alapohjissa maapohjan lämpötila voi nousta lähelle sisäilman lämpötilaa. Maanpohjan lämpötilan nousua voi kasvattaa myös maassa kulkevat lämpöeristämättömät lämpöputket. Maanvaraisen alapohjarakenteen lämpö- ja kosteusteknisissä tarkasteluissa maanpohjan lämpötilaksi tulisi olettaa

12 9 vähintään + 15 C. Sen lisäksi pitäisi tutkia miten tätä korkeampi lämpötila, C vaikuttaa rakenteen toimivuuteen. Pohjamaan huokosilman suhteellinen kosteus on yleensä hyvin korkea, lähes RH 100%. Tätä voidaan perustella seuraavasti: Rakennusaikana maa-aines on hyvinkin kosteaa ja sen lähes ainoa mahdollinen kuivumissuunta on alaspäin, jossa pohjamaan vesipitoisuus on yleensä hyvin korkea. Maa-aines on huokosverkostonsa kautta yhteydessä pohjaveteen. Kapillaarivoimien aiheuttama veden imeytyminen voi ajoittain kuljettaa suuriakin määriä lisäkosteutta täyttökerroksiin. Maanvastaisten alapohjarakenteiden kosteusteknisissä tarkasteluissa tulee olettaa, että pohjamaan RH=100%. Sisäilma Maanvaraisen alapohjarakenteen yläpinnassa vallitsevat rakennuksen sisälämpötila ja ilman suhteellinen kosteus. Rakennuksen sisälämpötila riippuu rakennuksen käyttötarkoituksesta. Toimisto- ja asuinkäytössä olevan rakennuksen sisälämpötila on tyypillisesti C. Sisäilman suhteellinen kosteus riippuu tilan käyttötarkoituksesta, ympäröivän ulkoilman suhteellisesta kosteudesta, tilan kosteustuotosta ja ilmanvaihdon tehokkuudesta. Toimisto- ja asuinrakennusten sisäilman suhteellinen kosteus vaihtelee normaalisti RH 25 60%, ollen suurin kesällä. Rakenteen lämpötila- ja kosteustasapaino Rakenteiden lämpö- ja kosteusteknistä käyttäytymistä tarkasteltaessa seuraavien kolmen ilmiön pääperiaatteet ovat olennaisia: 1. Lämpötilan muuttuminen rakenteen sisällä eli muodostuva lämpötilakäyrä, Kuva 2.3. Rakenteen lämpötilakäyrän määrittelemiseksi tarvitaan rakennekerrosten materiaalien lämmönjohtavuudet sekä sisä- ja ulkolämpötilat ja pintavastukset rakenteen pinnoissa. Lämmönjohtavuus (λ) on materiaaliominaisuus ja lämmönvastus m (m= d/λ) on rakenneominaisuus, joka riippuu materiaalin paksuudesta d. Rakenneleikkauksessa lämpötila muuttuu rakennekerrosten lämmönvastusten suhteissa. 2. Kyllästyspitoisuus rakenteen eri kohdissa. Kyllästyspitoisuus riippuu ainoastaan lämpötilasta kuvan 2.3 mukaisesti. Yhteys on epälineaarinen, mutta se voidaan tässä tarkastelussa olettaa lineaariseksi. Kyllästyspitoisuuskäyrän muoto noudattelee siten lämpötilakäyrän muotoa. 3. Vesihöyrynpitoisuus rakenteen eri kohdissa eli vesihöyrypitoisuuskäyrä. Vesihöyrynpitoisuus riippuu materiaalien vesihöyrynläpäisevyyksistä sekä sisätilan ja ulkoilman suhteellisista kosteuksista. Vesihöyrynpitoisuus δ v on materiaaliominaisuus ja vesihöyrynvastus Z v (Z v = d/δ v ) on rakenneominaisuus. Vesihöyrynvastuksien määrittämisessä ei ole pintavastuksia. Rakenneleikkauksessa vesihöyrypitoisuus muuttuu rakennekerrosten vesihöyrynvastusten suhteissa.

13 10 Määritettyjä kyllästyspitoisuus- ja vesihöyrypitoisuuskäyrää (Kuva 2.3) verrataan toisiinsa. Mikäli nämä käyrät leikkaavat toisensa, rakenteeseen muodostuu tiivistymisvyöhyke, jossa vesihöyryä tiivistyy rakenteen sisään. Tiivistymisvyöhykkeessä rakennekerroksen huokosilmassa on ylimäärä vettä verrattuna rakennekerroksen lämpötilaan ja lämpötilasta riippuvaan kyllästyspitoisuuteen. Tämä ylimäärä vesihöyryä tiivistyy kyseisessä kohdassa vedeksi. Näiden diffuusiokäyttäytymistä kuvaavien käyrien avulla on mahdollista arvioida rakenteiden kosteusteknistä riskiä tasapainotilanteessa, jossa rakenteen lämpötila- ja kosteusolosuhteet ovat vakioituneet. Ennen korjaustavan valintaa voidaan arvioida, onko korjattu rakenne kosteusteknisesti toimiva vai riskialtis. Yksityiskohtainen laskentaesimerkki kaavoineen tasapainotilanteen lämpötila-, kyllästyskosteus- ja vesihöyrypitoisuuskäyrien määrittämisestä on esitetty liitteessä 1. Useille materiaaleilla kriittinen kosteuspitoisuus on alempi kuin tiivistymiskosteus RH 100%. Yleisesti kosteutta RH 85% pidetään raja-arvona, mitä korkeammissa kosteuspitoisuuksissa mikrobikasvu voi olla mahdollista. Vesihöyrypitoisuus Lämpötila 0 g/m 3 Vesihöyrypitoisuuskäyrä Kyllästyskosteuskäyrä Kuva 2.3 Rakenteen lämpötila-, kyllästyskosteus- ja vesihöyrypitoisuuskäyrät stationääritilanteessa.

14 11 3. MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEEN SUUNNITTELU Maanvaraisen alapohjarakenteen lämpö- ja kosteustekninen toiminta vaihtelee suuresti rakenteen elinkaaren aikana. Rakenteiden kosteusteknisessä toiminnassa on erotettavissa kolme toisistaan poikkeavaa rasitustilannetta, joissa kaikissa rakenteen on säilytettävä toimintakykynsä ilman pysyviä rakenteellisia vaurioita tai terveysriskiä tilojen käyttäjille. Tarkasteltavat tilanteet ovat: 1. Rakenteen kuivumisvaihe rakenteesta poistuu rakennusaikaista kosteutta ja kosteuslähde on rakenteen sisällä. 2. Käyttötila rakenteessa on tasaantuneet lämpötila- ja kosteusolosuhteet ja kosteusrasitus riippuu rakennetta ympäröivistä lämpö- ja kosteusolosuhteista. 3. Vauriotilanne rakenteeseen kohdistuu ylimääräinen kosteusrasitus, esimerkiksi putkivuodon seurauksena. Maanvastaisen alapohjarakenteen tulee olla sellainen, että rakenteeseen ei tiivisty kosteutta tai rakenneosien kriittinen kosteuspitoisuus ei ylity ja että rakenteen kuivuminen on mahdollista kaikissa olosuhteissa. Lähtökohtana maanvastaisten alapohjarakenteiden kosteusteknisen toiminnan tarkistuksille tulee olla, että maasta tulevan kosteuden kapillaarinen kulkeutuminen alapohjarakenteeseen on estetty. Seuraavassa tarkastellaan rakenteen toimintaa pääasiassa vesihöyryn diffuusion kannalta, joka on merkittävä maanvastaisissa rakenteissa.

15 Suunnittelun reunaehdot Maanvaraisen alapohjarakenteen lämpö- ja kosteusteknisen suunnittelun reunaehdot ovat seuraavat: Maapohja: Kapillaarinen kosteuden nouseminen rakenteisiin on estetty Täyttö- tai salaojituskerroksen olevan maan huokosten ilman suhteellinen kosteus RH=100% Maapohjan lämpötila: o Rakentamisvaiheessa rakentamisajankohdasta riippuen ºC. o Normaalissa käyttöolosuhteissa ºC. o Vauriotapauksissa tapauskohtaisesti, usein n. +20 ºC. Sisäilma: Lämpötila rakennuksen käyttötarkoituksen mukaan o Asuin- ja toimistokäyttöön tarkoitetuissa rakennuksissa ºC. Sisäilman suhteellinen kosteus käyttötarkoituksen mukaan o Asuin- ja toimistokäyttöön tarkoitetuissa rakennuksissa RH 25 60%, suurin kesällä. o Ongelmarakennuksissa, joissa ei ole toimivaa ilmanvaihtoa RH voi olla korkea Rakenteille sallitut kosteusolosuhteet Rakennusmateriaaleissa homeen kasvun alkamisriski riippuu materiaalin kosteuspitoisuudesta, suhteellisesta kosteudesta RH ja lämpötilasta kuvan 3.1 mukaisesti /Nevander, Elmarsson. 1991/ Yleisenä raja-arvona pidetään usein RH 75%, jota alhaisemmassa kosteudessa ei home kasva. Usein raja-arvona pidetään myös RH 85%, jota korkeammassa suhteellisessa kosteudessa useampia homelajeja alkaa kasvaa. Määriteltäessä maanvaraisen rakenteen rakenneosien kriittisiä kosteuspitoisuuksia tulee ottaa huomioon myös mikä on rakenteen normaali kosteuspitoisuus ja onko kriittisen kosteuspitoisuuden ylittymisellä ja siihen mahdollisesti liittyvällä homekasvulla vaikutusta rakennuksen sisäilmaan. Yleisin väärä tulkinta on, että maanvaraisen laatan alla olevan maapohjan korkea, lähes 100%:n suhteellinen kosteus on merkki kosteusvauriosta ja se vaatisi korjaustoimia. Tarkempia kriittisen kosteuden arvoja on määritelty lattiapinnoitemateriaaleille (Taulukko 3.1) /Harderup, L-E. 1993/. Arvot ovat määritelty lattian pinnoittamiskriteereiksi, mutta niitä voidaan pitää myös ohjeellisina kriittisinä kosteuspitoisuuksina kosteusteknisessä suunnittelussa ja korjausten suunnittelussa.

16 13 Riski 1,0 Homeen kasvun riski eri olosuhteissa 0,8 0,6 0,4 0,2 +20 o C o C +0 o C % suhteellinen kosteus, RH Kuva 3.1 Homeen kasvun riski eri olosuhteissa. Taulukko 3.1 Lattiapinnoitemateriaaleille määriteltyjä kriittisiä kosteuspitoisuuksia. Materiaali Kriittinen kosteuspitoisuus, RH % Puu ja puupohjaiset materiaalit 80% Muovimatot, joiden alapinnalla homeenkasvu 80% mahdollista Liimatut lattiapäällysteet: o pitkäaikainen (yli 6 kk) kosteusrasitus o lyhytaikainen kosteusrasitus 90% 95% Korkkilaatat 80 Tasoitteet *, kosteussulut, keraamiset laatat lähes 100% * Pinnoittamiskriteeri tasoitteille lähes 100%, kriittinen kosteuspitoisuus vaihtelee materiaaleittain suuresti 80 lähes 100%, alhaisin orgaanisilla tasoitteilla.

17 Suunnittelussa tarkasteltavat tapaukset Rakenteen kuivumisvaihe (rakennuskosteuden poistumisvaihe) Kuva 3.2 Rakennuskosteuden poistuminen laatan kuivuessa. Rakennusaikaisen rakennuskosteuden on päästävä poistumaan kuivuvista rakenteista (Kuva 3.2). Merkittävin kosteuslähde alapohjarakenteissa heti rakentamisen jälkeen on paikalla valettujen betonirakenteiden rakennuskosteus. Tavalliset rakennebetonit sisältävät paljon seosvettä, minkä vuoksi näistä betoneista valettujen rakenteiden kuivumisaika on nykyisiä rakentamisaikatauluja ajatellen melko pitkä. Rakenteesta poistuvan rakennuskosteuden määrä voi olla jopa kymmeniä litroja vettä yhdessä kuutiometrissä betonia. Rakenne saavuttaa tasapainokosteuden ympäristönsä kanssa vasta, kun ylimääräinen rakennuskosteus on haihtunut rakenteesta.

18 15 Rakenteen kuivumisvaiheen alussa ennen kuin rakenne on pinnoitettu rakenteesta poistuu ylimääräistä vettä, rakennuskosteutta vesihöyrynä haihtumalla ylöspäin ja diffuusiolla alaspäin, mikäli rakenteessa ei ole höyrynsulkua. Riippuen pinnoitteen vesihöyrynvastuksesta pinnoittamisen jälkeen ylöspäin tapahtuva haihtuminen (1) pienenee tai lähes kokonaan loppuu (Kuva 3.2). Tällöin rakenteen kuivuminen jatkuu alaspäin (2). Riippuen maapohjan lämpötilasta rakentamisajankohtana ja rakenteen lämmönvastuksesta rakenteen alapuolinen maapohja alkaa lämmetä, jolloin kyllästyskosteuspitoisuus maassa suurenee ja kosteusvirta alaspäin (2) pienenee. Rakenteen kosteuden tasaantumisvaihe riippuu rakenteen eri puolilla vaikuttavista olosuhteista, rakennevalinnoista ja poistuvan kosteuden määrästä ja kestää yleensä useita vuosia. Lämpötila tasaantuu yleensä nopeammin kuin kosteus o C 0 g/m 3 9,15 g/m o C, RH 50% 18,3 g/m 3 1 Poistuva rakennuskosteus o C 10,7 g/m o C, RH 100% Kuva 3.3 Alapohjarakenteen kosteustekninen toiminta rakenteen kuivumisvaiheessa. Rakenteen kuivumisvaiheen tarkistukset: Rakennuskosteudella on oltava poistumismahdollisuus joko: o alaspäin, jolloin rakenteessa ei saa olla höyrynsulkua tai o ylöspäin, jolloin vaaditaan riittävän pitkä kuivumisaika ennen pinnoittamisesta tai pinnoitteen tulee läpäistä hyvin vesihöyryä.

19 16 Normaalit käyttöolosuhteet, käyttötila Kuva 3.4 Normaalit käyttöolosuhteet. Kuva 3.4 mukaisesti käyttötilanteessa ylimääräisen rakennuskosteuden poistuttua rakenteista alapohjarakenteen kosteustasapaino muodostuu ympäristöolosuhteiden reunaehtojen ja rakenteen materiaalikerrosten vesihöyrynläpäisevyyksien ja lämmönjohtavuuksien perusteella. Rakenteen kosteuden tasaantumisvaihe riippuu rakenteen eri puolilla vallitsevista olosuhteista, rakennevalinnoista sekä poistuvan rakennekosteuden määrästä ja kestää yleensä useita vuosia. Normaaleissa käyttöolosuhteissa maanvaraisen alapohjarakenteen olosuhteet ovat tasaantuneet pitkällä aikavälillä, vuodenaikaista vaihtelua erityisesti lämpötiloissa voi esiintyä, mutta suunnittelussa voidaan rakenteeseen olettaa stationääritilan olosuhteet. Stationääritilan lämpötila- ja kosteuskenttä (Kuva 3.5) voidaan määritellä liitteessä 1 esitetyillä peruskaavoilla. Tyypillisesti käyttöolosuhdetilanteessa maapohjan lämpötila on niin korkea, että maapohjan vesihöyryn osapaine on suurempi kuin sisäilman vesihöyryn osapaine. Tällöin vesihöyryn diffuusion suunta on alhaalta ylöspäin. Rakenteen kosteustekninen toiminta tässä tilanteessa riippuu vesihöyryn osapaineiden erosta, rakenne- ja materiaalivalinnoista sekä rakenneosien vesihöyrynvastuksista. Rakennuksen reuna-alueella tapahtuu maapohjan ja alapohjarakenteen lämpötilassa jossakin määrin vuodenaikaisvaihteluja. Kylmä ulkoilma viilentää hieman maapohjan ja alapohjarakenteen lämpötilaa, jolloin alapohjarakenteeseen muodostuu kosteusgradientti rakenteen reuna- ja keskialueen välille. Tuolloin diffuusiovirta pyrkii tasapainottamaan vesihöyrypitoisuuseroja ja sen suunta on vaakasuuntaan laatan keskialueelta reunaalueelle.

20 o C 0 g/m o C, RH 50% 9,15 g/m3 18,3 g/m 3 diffuusion suunta + 16 o C + 16 o C, RH 100% 13,7 g/m 3 Kuva 3.5 Alapohjarakenteen kosteustekninen toiminta normaaleissa käyttöolosuhteissa. Rakenteen käyttöolosuhdevaiheen tarkistukset: Rakenteen mihinkään kohtaan ei tiivisty kosteutta eikä yksittäisen rakenneosan, yleisimmin pinnoitteen alapinnan, kriittinen kosteuspitoisuus ylity.

21 18 Vauriotilanne Vauriotilanteella tarkoitetaan odottamatonta kosteuslisää alapohjarakenteissa, joka nostaa rakennekerrosten kosteuspitoisuuden yli käyttötilan kosteustasapainotilan. Yleisin vauriotilanne maanvaraisissa alapohjissa on putkivuoto laatassa kulkevissa vesiputkissa (Kuva 3.6). Ylimääräinen vesi sitoutuu rakenteisiin ja RH nousee 100%:iin. Rakenteesta ylimääräinen poistuu pikkuhiljaa vesihöyryn diffuusiona joko ylös- tai alaspäin riippuen rakenteen ylä- ja alapuolisista vesihöyryn osapaineista ja rakenneosien diffuusiovastuksista o C 0 g/m o C, RH 50% 9,15 g/m3 18,3 g/m 3 Poistuva kosteus + 16 o C + 16 o C, RH 100% 13,7 g/m 3 Kuva 3.6 Alapohjarakenteen kosteustekninen toiminta esimerkiksi putkivuototilanteessa. Rakenteen vauriotilanteen tarkistukset: Vauriotilanteessa rakenteeseen pääsevä vesi tulee voida poistua rakenteesta joko o alaspäin, jolloin rakenteessa ei saa olla höyrynsulkua tai o ylöspäin, jolloin pinnoitteena tulee olla hyvin vesihöyryä läpäisevä pinnoite tai rakenteelle annetaan riittävän pitkä kuivumisaika ilman pinnoitetta.