1 466111S Rakennusfysiikka RAKENNUSKOSTEUS Opettaja: Raimo Hannila Luentomateriaali: Professori Mikko Malaska Oulun yliopisto
2 LÄHDEKIRJALLISUUTTA Suomen rakentamismääräyskokoelma, osat C ja D, Ympäristöministeriön kotisivut: http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid=394585&lan=fi Lämpö ja kosteus, Rakennusfysiikka, 2004, Dick Björkholtz Betonirakenteiden kosteusmittaus ja kuivumisen arviointi, Tarja Merikallio & Betonikeskus ry (4.ed. 2015) Kosteus rakennuksissa, RT 05-10710 (Tenttimateriaalia) Betonin suhteellisen kosteuden mittaus, RT 14-10984 RIL 250-2011 Kosteudenhallinta ja homevaurioiden estäminen
3 RAKENNEKOSTEUS (Björkholtz, s. 51) Rakennekosteudella tarkoitetaan rakennusosiin tai rakennusaineisiin valmistuksen, varastoinnin tai rakennusvaiheen aikana joutunutta rakennuksen käytönaikaisen tasapainokosteuden ylittävää kosteutta. Rakennekosteus on siis vesimäärää, joka rakenteesta poistuu, ennen kuin rakenne saavuttaa kosteustasapainon ympäristönsä kanssa. ω rak.kost. ω 0 ω ω kemiall ω 0 Valmistuskosteus, eli rakentamisvaiheessa rakenteessa oleva vesimäärä [kg/m 3 ] ω Hygroskooppinen tasapainokosteus ympäristön kanssa [kg/m 3 ] ω kemiall Rakennusaineeseen kiinteästi / kemiallisesti sitoutunut vesi [kg/m 3 ]. Kemiallisesti sitoutunut vesi ei liiku, eikä sitä tarvitse ottaa huomioon kosteusteknisissä laskelmissa.
4 VALMISTUSKOSTEUS Valmistuskosteuden ω 0 arvot vaihtelevat suuresti riippuen mm. rakennusaineesta, kuljetuksesta, varastoinnista, rakenteen suojauksesta työn aikana. Tiili on valmistuksen jälkeen lähes kuiva. Betonissa ja kevytbetonissa on paljon vettä, joka on peräisin tuotannosta. (Björkholtz, s. 51) Taulukossa on annettu suuntaa-antavia rakennusaineiden ja rakenteiden valmistuskosteuksia. Lähde: RT 05-10710
5 HYGROSKOOPPINEN TASAPAINOKOSTEUS Hygroskooppisuudella tarkoitetaan aineen kykyä sitoa kosteutta ilmasta ja luovuttaa kosteutta ilmaan. Hygroskooppisen tasapainokosteuden ω arvot vaihtelevat riippuen materiaalista, materiaalin sorptiokäyrästä, lämpötilasta sekä siitä, onko kyseessä kostuminen (absorptio) vai kuivuminen (desorptio). Prosessia kuvataan sorptio- eli tasapainokäyrillä (Björkholtz, s. 61 63). Vaaka-akseli Ilman suhteellinen kosteus Pystyakseli Aineen kosteuspitoisuus Lähde: RT 05-10710 Tasapainokosteus on sitä suurempi, mitä korkeampi ympäröivän ilman suhteellinen kosteus on. Puupohjaisten materiaalien hygroskooppisuus on suuri ja mineraalivilloilla lähes olematon.
6 POISTUVA RAKENNUSKOSTEUS Taulukossa on annettu rakennusaineiden tasapainokosteuksia kun ainetta ympäröivän ilman suhteellinen kosteus on 50%. Vesihöyryä hyvin läpäisevien aineiden kosteus asettuu tasapainokosteuteen nopeammin kuin vesihöyryä huonosti läpäisevien (mineraalivilla betoni). Poistuvan rakennuskosteuden arvot vastaavat oletettua 50% suhtellista ilmankosteutta. (Björkholtz, s. 51) Lähde: RT 05-10710
7 RAKENNUSKOSTEUDESTA AIHEUTUVAT VAURIOT Rakennuskosteudesta johtuvat vauriot ovat useimmissa tapauksissa seurausta siitä, että rakennusosa ei ole ehtinyt riittävästi kuivua ennen kuin sen päälle on tehty sitä peittävä rakennusosa tai pintakerros. Rakennusosiin voi jäädä ylimääräistä kosteutta, esimerkiksi silloin kun: Rakennusosia ja rakennustarvikkeita ei ole rakennusaikana suojattu riittävästi sateelta Puurakenteet on tehty liian kosteasta puutavarasta Lattiapäällyste on asennettu liian kostean betonilaatan päälle Rakennuksen sisä- ja ulkomaalauksia on tehty ennen kuin rakennusosat ovat ehtineet kuivumaan Rakenteita ei ole suunniteltu kosteusteknisesti oikein eivätkä ne pääse kuivumaan Rakennukset ja rakenteet eivät ole riittävästi tuuletettuja
8 RAKENNEKOSTEUDEN POISTUMINEN RAKENTEESTA (Björkholtz, s.80, 65) Rakennuskosteus poistuu kahdessa eri vaiheessa: 1. Ensimmäisessä vaiheessa pinta on kostea ja kuivumisnopeus on lähes vakio. Jotta pinta voisi olla kostea, on rakenteen kosteuspitoisuuden vastattava kyllästymisvesihöyryn määrä. Haihtumisen johdosta pintakerroksen kosteus pienenee. Pinta pysyy kosteana sitä kauemmin, mitä suurempi kapilaarinen imukyky rakenteella on. Niin kauan kuin pinta pysyy kosteana, kuivuminen on nopeaa ja sen nopeutta voidaan arvioida kaavalla (vertaa luento 9 Osa 1 / Haihtuminen ulkoseinärakenteen pinnalta): g β ν p ν u [kg/(m 2 s)] Vaihe 1 päättyy kun kappaleen pintaan siirtyy vähemmän kosteutta kuin mitä sitä siitä haihtuu ja pinta alkaa kuivua.
9 RAKENNUSKOSTEUDEN POISTUMINEN RAKENTEESTA 2. Toisen vaiheen aikana kuivumisnopeus ei pysy vakiona, vaan pienenee jatkuvasti. Rakenteen kuivuessa rakenteeseen muodostuu yleensä kosteusjakauma, jossa rakenteen pintaosat ovat kuivat ja syvemmälle mentäessä kosteuspitoisuus kasvaa. Tällöin kuivumiseen tarvittava matka ja vastus kasvavat, mikä pienentää kuivumisnopeutta. Nopeus riippuu rakenteen mitoista, aineominaisuuksista sekä kosteusolosuhteista. Veden poistumista tapahtuu kunnes materiaalin huokosten ilmatilan suhteellinen kosteus on sama kuin rakennetta ympäröivän ilman suhteellinen kosteus. Lähde: Merikallio
10 KRIITTINEN KOSTEUS Rakennekosteuden poistuminen rakenteesta voi muodostaa ongelman, koska rakennusmateriaalien kuivuminen on usein hidasta verrattuna rakentamisprosessin etenemiseen. Tämä pätee varsinkin betonirakenteisiin. Rakenteen kuivumisnopeutta ja kosteuspitoisuutta joudutaan arviomaan mm. silloin kun selvitetään onko rakenne riittävän kuiva pinnoitettavaksi tai päällystettäväksi. Liian suuri kosteuspitoisuus pinnoitteen alla voi vaurioittaa päällystemateriaalia tai päällysteen kiinnitysaineita. Rakenteen sisällä saa olla korkeita kosteuspitoisuuksia, kunhan kosteus välittömästi päällysteen alla ei nouse liian korkeaksi. Riipuen mahdollisesta kosteusvaurion tyypistä, materiaalia ympäröivän ilman suhteelliselle kosteudelle on annettu yläraja-arvoja, kriittinen suhteellinen kosteus RH k, jotka ovat maksimikosteuspitoisuuksia, joissa rakennusaine toimii tyydyttävästi pitempiäkin aikoja.
11 ERÄITÄ KRIITTISEN KOSTEUDEN ARVOJA Jotta rakennusaine toimisi halutulla tavalla, tulee sen suhteellisen kosteuden olla pienempi kuin kriittinen kosteus. Puun ja puupohjaisten materiaalien kriittinen kosteus lahoamisen kannalta on noin 80%. Lahon syntymiselle tarvittava lämpötila on n. +3 - +45 ⁰C. Homehtumiselle kriittinen kosteus on noin 80%. Home vaatii elääkseen n. +3 - +45 ⁰C:n lämpötilan. Yleisimpien parkettilajien kriittisenä suhteelisen kosteuden arvona pidetään 75%. Kosteusvaurioiden välttämiseksi suhteellinen kosteus välittömästi alustaan liimatun parketin läheisyydessä ei saa nousta tätä arvoa korkeammalle. Kosteus laminaattilattian alusmateriaalin tai muovikalvon alla ei saa olla pitkään yli 85%. Muovimattojen tyydyttävän toiminnan kriteeri on mattojen turpoaminen kosteuden vaikutuksesta ja tästä johtuva kupruilu. Kosteus välittömästi lattiapäällysteen alla ei saa nousta yli 85%. Lattialiimojen kriittisenä ominaisuutena voidaan pitää tartuntalujuutta. Useimmat lattialiimat kestävät 85% kosteusarvoja tartuntalujuuden heikentymättä.
12 BETONIN KUIVUMINEN Betoni kuivuu lähinnä vaiheen 2. mukaisesti. Tällöin rakenteen pintaosat ovat kuivat ja syvemmälle mentäessä kosteuspitoisuus kasvaa. Pinnan kautta haihtuvan veden tilalle siirtyy ajan kuluessa kosteutta syvemmältä rakenteesta. Kun rakenne päällystetään, kosteuden poistuminen rakenteesta hidastuu. Nopeuteen vaikuttaa merkittävästi päällystemateriaalin vesihöyrynläpäisevyys. Jos rakenteen pintaosat ovat kuivat ennen päällystämistä (alle 75%), kosteuden siirtyminen syvemmältä betonista on niin hidasta, että kosteus ehtii haihtua vesihöyryä läpäisevän päällysteen läpi eikä keräänny päällysteen alle aiheuttaen vaurioita. Jos kosteusvirta syvemmältä rakenteesta kohti rakenteen pintaa on suuri tai päällystemateriaalin vesihöyrynläpäisevyys on pieni, kosteus päällysteen alla voi nousta kriittisen korkeaksi.
13 PÄÄLLYSTETYN BETONIN KOSTEUSJAKAUMAT Betonirakenteen kosteusprofiileja ennen ja jälkeen päällystämisen: RH 100% Lähde: Merikallio
14 BETONIN KUIVUMISEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Hyvissä olosuhteissa nopeimmat betonit kuivuvat tavoitetasoon jopa viikossa. Epäedullisissa olosuhteissa kuivuminen voi kestää jopa vuoden. Rakenneratkaisu vaikuttaa siihen, miten pitkän matkan kosteus joutuu siirtymään betonissa päästäkseen haihtumiskykyiseen pintaan. Kuivuminen hidastuu huomattavasti, jos haihtuminen on mahdollista vain yhteen suuntaan (esim. liittolaatta). Ympäristöolosuhteet (lämpötila, suhtellinen kosteus, ilmavirrat) vaikuttavat siihen, miten nopeasti betonirakenteen pinnalla oleva kosteus haihtuu ja rakenteen sisällä oleva kosteus siirtyy pintaan. Betonin kuivumisen kannalta optimaalisen ilman suhteellisena kosteutena pidetään noin 50%. Betonin ominaisuudet vaikuttavat betonin huokosrakenteeseen ja siihen, miten paljon betonista pitää haihtua kosteutta tietyn kosteustilan saavuttamiseksi ja miten nopeasti haihtuminen tapahtuu.
15 BETONIRAKENTEIDEN KUIVUMISEN ARVIOIMINEN (Merikallio), (vrt. Björkholtz, s.80, 81) Rakenteiden kuivumisen arviointimenetelmillä ja kosteusmittauksilla pyritään varmistamaan rakenteen riittävän alhainen kosteussisältö. Betonin kuivumisnopeuden arvioimiseksi on esitetty useita menetelmiä. Tässä luennossa käydään läpi Betonirakenteiden kosteusmittaus ja kuivumisen arviointi julkaisussa esitetty menetelmä. Luennon esimerkit ovat myös samasta lähteestä. Kuivumisen voidaan katsoa alkavan siitä, kun rakenne ei enää saa lisäkosteutta. Julkaisun laskelma etenee seuraavasti: 1. Valitse ohjeistosta rakennetyyppi, joka parhaiten vastaa tarkasteltavaa rakennetta. 2. Määritä tavoitekosteus, johon betonin halutaan kuivuvan. 3. Katso ohjeen peruskuivumiskäyristä tavoitekosteutta vastaava kuivumisaika viikkoina. 4. Kerrotaan peruskuivumisaika erilaisilla korjauskertoimilla, jotka ottavat huomioon rakenneratkaisun, ympäristöolosuhteet ja betonin ominaisuudet. Lähde: Merikallio
16 ESIMERKKI 1: Maanvastainen teräsbetonilaatta Rakenne: 100 mm paksu maanvarainen laatta, joka on valettu kuivalle alustalle. Ympäristöolosuhteet: Valun jälkeen rakenne on kosteissa olosuhteissa yli 2 viikkoa. Kuivatuksen alettua olosuhteet ovat 18⁰C / 50% RH. Betonin ominaisuudet: Vesi-sideaine-suhde 0,7 (v/s). Lähde: Merikallio Tavoitekosteus: 85%.
17 ESIMERKKI 1: Maanvastainen teräsbetonilaatta, jatkuu... Peruskuivumisaika: 17 viikkoa. Vesisideainesuhde: 0,7 kerroin 1,0 Rakenteen paksuus: 100 mm kerroin 1,7 Alustan kosteus: kuiva kerroin 1,0 Rakenteen kastuminen: kosteassa yli 2 viikkoa kerroin 1,0 Ympäristöolosuhteet: 18⁰C / 50% RH kerroin 0,9 t kuiv 17 1,0 1,7 1,0 1,0 0,9 26 viikkoa Lähde: Merikallio
18 ESIMERKKI 2: Teräsbetoniseinä Rakenne: 200 mm paksu teräsbetoniseinä. Ympäristöolosuhteet: Valun jälkeen rakenne on sateessa 2 viikkoa. Kuivatuksen alettua olosuhteet ovat 18⁰C / 50% RH. Betonin ominaisuudet: Vesi-sideaine-suhde 0,7 (v/s). Lähde: Merikallio Tavoitekosteus: 85%.
19 ESIMERKKI 2: Teräsbetoniseinä, jatkuu... Peruskuivumisaika: 37 viikkoa. Vesi-sideaine-suhde: 0,7 kerroin 1,0 Rakenteen paksuus: 200 mm kerroin 0,7 Kuivumissuunta: kahteen suuntaan kerroin 1,0 Ympäristöolosuhteet: 18⁰C / 50% RH kerroin 0,9 Rakenteen kastuminen: Sateessa yli 2 viikkoa kerroin 1,5 t kuiv 37 1,0 0,7 1,0 0,9 1,5 35 viikkoa Lähde: Merikallio
20 ESIMERKKI 3: Kerroksellinen betonilaatta Kerroksellisissa betonilaatoissa kuivumisaika-arviot lasketaan erikseen kantavalle betonilaatalle ja kelluvalle pinabetonilaatalle. Tavoitteena on yleensä, että runkolaatan tulee kuivua alle 90% suhteelliseen kosteuteen ennen kuin ylemmät kerrokset voidaan tehdä. Rakenne: Ontelolaatta 320 mm + kelluva 50 mm pintalaatta. Ympäristöolosuhteet: Valun jälkeen rakenne on yli 2 viikkoa kosteassa. Kuivatuksen alettua olosuhteet ovat 25⁰C / 50% RH. Betonin ominaisuudet: Vesi-sideaine-suhde 0,7 (v/s). Tavoitekosteus: 85%. Lähde: Merikallio
21 ESIMERKKI 3: Kerroksellinen betonilaatta, jatkuu... A) Ontelolaatan kuivuminen 90% suhteelliseen kosteuteen. Peruskuivumisaika: 2 viikkoa. Lähde: Merikallio
22 ESIMERKKI 3: Kerroksellinen betonilaatta, jatkuu... B) Pintalaatan kuivuminen 85% tavoitekosteuteen: Peruskuivumisaika: 8 viikkoa. Runkolaatan kosteus: 90% kerroin 1,0 Vesi-sideaine-suhde: 0,7 kerroin 1,0 Kelluvan laatan paksuus: 50 mm kerroin 0,8 Ympäristöolosuhteet: 25⁰C / 50% RH kerroin 0,7 Rakenteen kastuminen: Kosteassa yli 2 viikkoa kerroin 1,0 t kuiv 8 1,0 1,0 0,8 0,7 1,0 4,5 5 tkuiv, A tkuiv, B 2 5 7 viikkoa viikkoa Lähde: Merikallio
23 BETONIN SUHTEELLISEN KOSTEUDEN MITTAUS Ohjeistus betonin kosteusmittauksille on annettu RT-kortissa No. 14-10984. Lähde: Kuva 20 / RT 14-10984