Betonirakenteiden korjaaminen ja rakennusfysiikka Suomen betoniyhdistys, Espoo Rakennusfysiikan perusteita 8.2.2018 Matti Pentti Tampereen teknillinen yliopisto
Rakennusfysikaalinen suunnittelu Lähtökohtia: Lainsäädäntö Omistajan tavoitteet Rakennuspaikan olosuhteet Rakennuksen yleissuunnitelma Rakennuksen talotekniikka Käytön aiheuttamat rasitusolot Tuotantotekniset näkökohdat
Rakenteiden rakennusfysikaalinen suunnittelu Rakenteet on suunniteltava siten, että rakennus täyttää vähintään lainsäädännön edellyttämät olennaiset tekniset vaatimukset. Rakennusfysikaalisella suunnittelulla on suuri vaikutus rakennuksen energiatehokkuuteen ja ympäristövaikutuksiin, sisäilman laatuun ja hallittavuuteen, rakennuksen terveellisyyteen, viihtyvyyteen ja käyttökelpoisuuteen sekä sen käyttöikään ja elinkaaritalouteen.
Rakenteiden perusratkaisut ja liitokset Rakenneratkaisua valittaessa ja suunniteltaessa tulee pyrkiä selkeään perusratkaisuun, jonka toimivuutta on helppo arvioida. Esim. suunnitelmassa tulee pyrkiä minimoimaan eri kosteuslähteiden synnyttämiä rasituksia sekä kosteuden pääsyä ja kertymistä rakenteeseen. Kosteuden tulisi myös voida poistua helposti rakenteesta. Ratkaisu ei saa olla herkkä työ- ja ylläpitovirheille ja sen tulee olla helposti rakennettavissa ja korjattavissa. Rakenteen tulee kestää myös tavanomaisesta poikkeavia rasituksia, esimerkiksi rakennusvaiheen kosteusrasitusta tai vuotovesiä. Rakenteiden perusratkaisut eli rakennetyypit pohjautuvat usein yleisesti käytettyihin tyyppeihin, joiden rakennusfysikaalinen toimivuus perustuu kokemusperäiseen tietoon. Perustyyppejä joudutaan usein muuntelemaan kohteen erityistarpeiden mukaan. Liitokset ja yksityiskohdat joudutaan useimmiten myös räätälöimään.
Rakenteiden kosteusteknisessä suunnittelussa: otetaan huomion rakennetta rasittavat eri kosteuslähteet ja kosteuden erilaiset siirtymismuodot otetaan huomioon muut kosteuden siirtymiseen ja sitoutumiseen vaikuttavat olosuhdetekijät tarkastellaan toimivuutta erilaisissa olosuhteissa: rakentamisvaiheessa ja sen jälkeen, tavanomaisissa käyttöoloissa eri vuodenaikoina sekä mahdollisten poikkeuksellisten rasitusten tai olojen vaikuttaessa pyritään luomaan sellainen rakenneratkaisu, joka estää mahdollisimman hyvin kosteuden pääsyä rakenteeseen tai sisätiloihin sallii rakenteessa olevan ylimääräisen kosteuden poistua riittävän nopeasti kestää rakenteen eri kohdissa mahdollisten kosteus- ja lämpötilaolojen vaikutuksen vähintään suunnitellun käyttöiän ajan, ottaen huomioon materiaalien erilaiset turmeltumisilmiöt on toimiva myös liitos- ja erikoiskohdissa varmistetaan riittävän perusteellisin tarkasteluin, että rakenneratkaisu on toimiva; tarkastelut voivat perustua kokemusperäiseen tietoon, yleisesti hyväksyttyyn ohjeistukseen, laskennallisiin tarkasteluihin tai kokeelliseen testaukseen laskennallisissa ja kokeellisissa tarkasteluissa otetaan huomioon rakenteen toimivuudelle asetettavat varmuustavoitteet mm. rasitusten intensiteettejä ja aikoja sekä materiaalien ominaisuuksia valittaessa
Kosteustekniset tarkastelut, mitä tarkastellaan ja miten? Tarkastelujen ja laskelmien tarve riippuu mm: Onko rakenneratkaisu tavanomainen vai uusi? Ovatko olosuhteet tavanomaiset vai ankarat/poikkeukselliset? Asetetaanko rakenteen toimivuudelle tai kestävyydelle erityisvaatimuksia? Suunnittelijan pätevyysvaatimukset kohteen vaativuuden mukaan Tarvittaessa käytetään erityisasiantuntijaa
Kosteusteknisen suunnittelun ohjeisto Rak MK C2 ohje; YM asetus 782/2017, voimassa 1.1.2018 alkaen Määräykset toiminnallisia sisältäen rakenteellisia ohjeita Yksityiskohtaisemmat vaatimukset löytyvät ei-velvoittavista ohjeista (esim. RIL 107) Toimivuuden perustuttava luotettavaan selvitykseen Laskennallinen, kokeellinen, kokemusperäinen tieto Suunnittelijalle jää harkintavalta rasitusoloista materiaaliominaisuuksista haitallisuuden rajoista sovellettavista laskentamalleista tarvittavasta varmuustasosta Mallintaminen ja laskennallinen mitoitus kehittymätöntä käytännön suunnittelun tarpeisiin
Kosteusteknisen tarkastelun perusteellisuustasot Rakenneratkaisu Lähtötiedot Kosteusrasitukset Mitoitus laskelmin - yksityiskohtaiset laskelmat - tarkat kenttämittaukset Laadullinen arviointi - ohjeet, normit - taulukot, diagrammit Tyyppirakenneratkaisut Ei Hyväksyttävä kosteustila? W < W kriittinen valintatilanne Kyllä Rakenneratkaisu hyväksytään
Kosteusongelmakokemukset Maanvastaiset rakenteet Märkätilat Ilmanpitävyys Vesikatot ja yläpohjat Ulkoseinät Vanhassa rakennuskannassa riskialttiita rakenneratkaisuja Nykyisin käytetyt ratkaisutkaan eivät ole riskittömiä Ihmisten herkkyys kosteusvaurioperäisille terveyshaitoille kasvanut
Rasitusten hallinta korjauksessa Väärin toteutetut korjaukset voivat lisätä rasitusta Vakavia vaurioita Sopivilla suojaus- ja olosuhteiden muutoskeinoilla voidaan turmeltuminen pysäyttää = Korjausmenetelmä Vaurioiden korjauksissa rasitustason alentaminen on usein oleellisen tärkeää Esim. lahovauriot
Rasitustason alentaminen korjausmenetelmänä Monet turmeltumisilmiöt etenevät rasitustason funktiona Rasitustason alentaminen voi lähes pysäyttää turmeltumisen Käyttöiän jatkaminen Esim. Raudoitteen korroosionopeus karbonatisoituneessa betonissa Korroosionopeus Myös: -pakkasrapautuminen - puun laho Tehokkaita silloin, kun turmeltumisnopeus on jyrkästi olosuhteista riippuva (tai jopa "kynnysarvo"), jolloin suhteellisen pienillä toimenpiteillä saadaan suuri muutos turmeltumisnopeudessa
Lämpö Lämpö on aineen molekyylien liike-energiaa, joka kasvaa lämpötilan noustessa. Kaasuissa molekyylit liikkuvat ja törmäävät toisiin molekyyleihin. Lämpötilan kohotessa molekyylien nopeudet kasvavat. Nesteissä molekyylien liike on rajoitetumpaa kuin kaasuissa, mutta myös lämpötilasta riippuvaa. Kiinteissä aineissa lämpö on atomien ja molekyylien värähtelyä, joka siirtyy aaltoliikkeenä ja johteissa lisäksi vapaiden elektronien liikkeenä. Lämpö siirtyy aina korkeammasta lämpötilasta alempaan, lämpövirran suunta on kohtisuoraan isotermejä vastaan. Faasimuutoslämmöt : tarvitaan energiaa vapauttamaan molekyylien väliset sidosvoimat. Sulamislämpö Höyrystymislämpö
Lämmön siirtymismuodot Energian yksikkö 1J = 1 Ws Lämpövirran (teho) yksikkö 1W = 1J/s
Lämmön siirtymismuodot 1 Johtuminen Energiaa siirtyy suuremman energiasisällön omaavilta hiukkasilta pienemmän energiasisällön hiukkasille sisäisten voimien ja törmäysten välityksellä. Aineen siirtymistä ei tapahdu. Lämpövirran tiheys q x (W/m 2 ) suuntaan x (1-dim. tapaus) q x dt dx (Fourierin laki) Aineen lämmönjoht avuus, W /mk dt dx Lämpögradi entti suuntaan X, K / m Stationääritilassa (lämpötilat eivät muutu, lineaarinen lämpötilakäyrä) T T d T T d 2 1 1 2 qx T q x d
Lämmön siirtymismuodot 2 d R R T d T q Rakennekerroksen lämmönvastus R (Km 2 /W) Lämpövirran suunnassa kerroksellinen rakenne R T T q avastukset pint d d d R R R R R R 2 1 3 3 2 2 1 1 se si 3 2 1 Konduktanssi G (W/K) ) (W T G A R T A q Lämpövirta Lämmönläpäisykerroin U (W/m 2 K) (aikaisemmin k-arvo) Lämpövirran tiheys q = U T U = 1/R Lämpöenergia Q = q A t = U T A t (Ws) Kerroksellisen rakenteen se si n n 2 2 1 1 se si n 2 1 R R d... d d 1 R R R... R R 1 U
Lämmöneristyspaksuuden likimääräinen vaikutus U-arvoon di Aineker roksen lämmönvast us Ri U R i 1 R si R se i Aineen lämmönjohtavuus (W/mK)
Seinän sisäpintalämpötilan riippuvuus U-arvosta Kun huonosti eristävä rakenne, niin pintavastusten osuus koko lämmönvastuksesta on suuri. Pintalämpötila alhainen sisäilmaan verrattuna.
Rakenteen lämpötilajakauma stationääritilassa 1 Oletus : lämpötilat eivät muutu ajan kuluessa, lämpövirta kohtisuoraan rakenteen läpi. Kerroksellinen seinä : sama lämpövirran tiheys kaikissa rakenteen kerroksissa. Rakenteen pinnoilla : 1 q = S (T i - T 1 ) = (T S - T 1 ) R Si 1 q = u (T 4 - T e ) = (T 4 - T u ) R se Lämpötilan muutos on verrannollinen kerroksen tai pinnan lämmönvastukseen.
Rakenteen lämpötilajakauma stationääritilassa 2 Lämpötilat eri rajapinnoissa saadaan lämmönvastusten avulla : X R j = i j T X = T i ( T i T e ), jossa R T X =LämpötilarajapinasaX X j = i R j = Lämmönvastusten summa sisäpinnasta rajapintaan X R = Koko rakenteen ja pintojen lämmönvastusten summa
Rakenteen lämpötilajakauma, esimerkki T i = 22 o C T 1 T 2 T 4 T 3 130 150 130 T e = -20 o C TIILIMUURI, n = 0,7 W/mK MINERAALIVILLA, n = 0,041 W/mK SISÄPINNAN VASTUS R si = 0,13 m 2 K/W ULKOPINNAN VASTUS R se = 0,04 m 2 K/W 0,13 0,15 0,13 R = 0,13 + + + + 0,04 = 4,2 m 2 K/W 0,7 0,041 0,7 U = 0,24 W/m 2 K LÄMPÖTILAT T 1 = 22 o C - 0,13 4,2 0,13 0,13 + T 0,7 2 = 22 o C - 4,2 0,13 0,13 + + T 3 = 22 o C - 0,7 4,2 42 o C = 20,7 o C 42 o C = 18,8 o C 0,15 0,041 42 o C = -17,7 o C 0,13 0,15 0,13 0,13 + T 4 = 22 o C - 0,7 + 0,041 + 0,7 42 o C = -19,6 o C 4,2 0,04 TAI : T 4 = -20 o C + 42 4,2 o C = -19,6 o C LÄMPÖVIRRAN TIHEYS T q = = U T = 0,24 W/m 2 K 42 K = 10,1 W/m 2 R LÄMPÖHÄVIÖ HUONETILAN 20 m 2 ULKOSEINÄN LÄVITSE = 10,1 W/m 2 20 m 2 = 202 W
Esimerkki alapohjan U-arvosta Reuna-alue 6 1 2 3 4 5 1 Lattian päällinen 2 Betonilaat ta 3 EPS 4 Sora 5 Perusmaa R R R R R R 6 R s 1 2 3 4 5 U 0,17 m 0,05 m 0,08 m W 1,7 mk 0,10 m W 0,041 mk 0,2m 0,8 3,7m 2 2 2 2 K / W K / W 0,27 W / m K / W K / W 0,047 2,44 2 K
Lämmöneristeitä Mineraalivillat Kivivilla Lasivilla Solupolystyreeni Polyuretaani Selluvilla Puukuitueriste Kevytsora Kevytbetoni EPS (muottiin valettu) XPS (suulakepuristettu) Elementtieristeet
Lämmöneristeitä Vanhoja eristeitä: Tiili Puu Sammal Sahanpuru ja kutterinlastu Korkki Lastuvillalevy Olkilevyt Turvelevyt ja turve Masuunikuona ja koksikuona Puukuitulevyt
Toimivan lämmöneristyksen edellytyksiä Rakenteiden ilmatiiviys ja tuulensuojaus Ei läpivirtausta, yhtenäinen ilmasulku Ei ilmaonteloita eristyskerroksessa Eriste asennettu tiiviisti sisäpuoliseen ilmatiiviiseen kerrokseen Hyvä yhtenäinen tuulensuojaus ulkopuolelle Liitosten, saumojen ja läpivientien tiivistys Painumien, liikkeiden ym. huomiointi Kylmäsiltojen välttäminen, eristyksen yhtenäisyys Huolellinen työ Eristeiden varastointi ja käsittely Huolellinen asennus, mahdollisimman vähän saumoja, päällekkäiset saumat eri kohdille, ei rakoja eristekerrokseen Tarkastus ja korjaus ennen peittävien rakennekerrosten asennusta Eristemateriaali ja asennustapa valitaan rakenteen ja olosuhteiden mukaan Eristeiden kosteuden hallinta Kosteuden pääsyn minimointi Kuivumisen varmistaminen Materiaalin valinta kosteusrasituksen mukaan
Energiatehokkuus ikäryhmittäin nykyisissä rakennuksissa
Mikä tekee talosta ekotalon? Energian ominaiskulutus lattiapinta-alaa kohti 2000 -luvun alussa tehdyissä puurunkoisissa pientaloissa Energiatehokkuusluokka A (normeerattuna Jyväskylän säätietoihin) Keskimääräiset Ilmanvaihtomäärät koneellisilla IV- järjestelmillä lähes samat. Tuloksissa ei ole otettu huomioon takassa poltettua puuta. Asumistottumuksilla on ratkaiseva merkitys rakennusten energiankulutuksessa!
Vaipan on oltava ilmatiivis Vaipan ilmanpitävyyden parantamisella on lähes pelkästään positiivisia vaikutuksia 1) Rakennuksen energiankulutus vähenee ilmanvaihdon tapahtuessa LTO:n kautta 2) Kosteuden virtaus vaipparakenteisiin vähenee 3) Vaipparakenteiden sisäpinnat eivät jäähdy ulkoa tulevien ilmavirtausten seurauksena 4) Erilaisten haitallisten aineiden ja mikrobien virtaus sisäilmaan vähenee 5) Rakennuksen käyttäjien kokema vedon tunne vähenee 6) Ilmanvaihdon säätäminen ja tavoiteltujen painesuhteiden säätäminen helpottuu, mutta toisaalta säätöjen tekeminen on vielä aiempaakin tärkeämpää
Kosteuslähteitä 1 Sade, viistosade, tuulen kuljettama sadevesi ja lumi 2 Sisäilman kosteus 3 Ulkoilman kosteus 4 Tiivistyvä kosteus 5 Maaperän kosteus, pohjavesi, vajovesi, kapillaarivesi 6 Rakennuskosteus 7 Käyttövesi 8 Vuotovesi 9 Pintavesi, makeavesi, merivesi 10 Roiskevesi 11 Jätevedet 12 Prosessivedet Vesi Vesihöyry Lumi Jää
Ulkoilman kosteus
Sisäilman kosteus Kosteuden tuotto sisäilmaan Ihminen aktiviteetistä riippuen Kylpy Suihku Ruoanlaitto Pyykin kuivaus lingottu 40-300 g/h 700 g/h 2600 g/h 600-1500 g/h 10-50 g/h /kg - " - tippuva 20-100 g/h/kg - " - Huonekasvit Haihtuminen avoimesta vesipinnasta 10 g/h ~ 40 g/m 2 h Kuivaa pyykkiä Riippuen olosuhteista Keskimääräinen ulkoilman pitoisuus tilastoista Ilmanvaihdon vaikutus on erittäin suuri Ilman kostutus ja vettä haihduttavat toiminnat tai prosessit on aina otettava huomioon Yleisesti sisäilman kosteuspitoisuus G n i = n u +, jossa nv Yleensä oletetaan vakio kosteuslisä ulkoilman kosteuspitoisuuteen n = 2-5 g/m 3 asuintaloissa 4-5 g/m 3 hyvä mitoitusarvo n u = ulkoilman kosteuspitoisuus, kg/m 3 n = ilmanvaihtuvuus, 1/s V = huonetilavuus, m 3 G = kosteudentuotto kg/s
Sade ja viistosade Sademäärät ja rankkasateiden intensiteetit ja toistumistiheydet tilastoista Viistosade = sateen vaakasuora komponentti Seinään kohdistuvan viistosateen määrä riippuu - Vapaan viistosateen määrästä - Rakennuksen koosta ja muodosta - Räystäistä ja muista suojaavista tekijöistä Paikkakunnan ja ympäristön vaikutus suuri Tuulien yleisyys riippuu ilmansuunnasta Eniten viistosadetta saavat rakennuksen yläosat ja nurkat Seinäpinnan lähellä tuuli kuljettaa vesipisaroita myös ylös- ja sivullepäin Sade muodostaa seinäpinnalle vesikalvon, joka : - Valuu alaspäin - Kulkeutuu ylös- ja sivullepäin - Imeytyy materiaaliin - Käyttäytyminen riippuu seinän materiaalista, pinnan laadusta, yksityiskohdista jne. - Voi synnyttää paikallisesti suuren rasituksen
Viistosademääriä Seinän yläosaan kohdistuu n. puolet vapaasta viistosateesta (keskimäärin) Suurimmat viistosateet syksyisin Seinän yläosaan : 50-100 mm Vuodessa keskimäärin 25-50 mm Syksyllä keskimäärin 2-4 mm Tavanomaisella viistosateella 10-20 mm Erittäin voimakkaalla viistosateella avoimella paikalla Sekundääristä" sadevesirasitusta - Roiskeista - Valuvasta vesikalvosta - Vuodoista - Keskittyneestä virtausreitistä Vaakapinnat keräävät runsaasti sadevettä Suurta vaihtelua paikkakunnan, ympäristön ja rakennuksen muuttuessa
Rakennuskosteus Rakennuskosteus Materiaalin valmistus Puutteellinen suojaus Jälkihoito Tarvitaan työmaan kosteudenhallintasuunnitelma Aine Tasapainok. ylittävä kosteus Esim betoni 70-120 kg/m 3 kevytbetoni 80-180 ks-laasti 250 poltettu tiili 0 tiilimuuri 70 puu 20 Kuivumisen nopeuttaminen Työnaikainen suojaus ja kastelemisen välttäminen Riittävän kuivumisajan varaaminen (työn ajoitus) Pintakäsittelyt mahdollisimman myöhään Lämmitys ja tuuletus Ilman kuivaus Ilman kyllästysvajauksen varmistaminen
Kostea ilma Ilman vesihöyrypitoisuudella on yläraja eli vesihöyryn kyllästyspitoisuus n s (T) Lämpötilan laskiessa alle kastepistelämpötilan, ylimääräinen vesihöyry tiivistyy vedeksi Ilman suhteellinen kosteus j = n n s (voidaan ilmoittaa myös prosentteina, esim. ilman kosteus 50% RH) Tiettyä ilman vesihöyrypitoisuutta n vastaava kastepistelämpötila T s on se lämpötila, jossa Kun ilman vesihöyrypitoisuus on n s, on vapaasta vesipinnasta haihtuvien vesimolekyylien massavirta sama kuin ilmasta veteen palaavien molekyylien massavirta Dynaaminen tasapaino, kyllästystila n (T s ) = n s
Ilman kyllästystilan kosteuspitoisuus
Esimerkki 1 Kostea ilma Ulkoilman olosuhteet talvella T = -15 o C, 90 % RH a) Ulkoilman kosteuspitoisuus on n = jn s (-15 o C) = 0,9 1,39 g/m 3 = 1,25 g/m 3 b) Ilmaa otetaan sisätiloihin ja lämmitetään + 22 o C:een Suhteellinen kosteus on j n n s 1,25 19,41 6,4% c) Sisäilman kosteuslisä tilojen käytöstä on n = 4 g/m 3 Nyt sisäilman kosteus on n = 1,25 + 4 = 5,25 g/m 3 ja suhteellinen kosteus j 5,25 19,41 27%
Kosteus materiaalissa IMEYTYNYT (ABSORPOITUNUT) VESI ABSORPOITUNUT KOSTEUS ABSOR- POITUNUT KALVO
K 1 Adsorptio - Sitoutuneen veden määrä riippuu eniten : - RH:sta - Aineen huokosverkoston ominaispinta-alasta (m 2 /kg tai m 2 /m 3 ) - Aineen kemiallisesta luonteesta - Vesihöyryn sitomiskyky = hygroskooppisuus
2. Kapillaarivesi - Kapillaarivoimat imevät vettä aineen huokosverkostoon vapaasta veden pinnasta Kapillaarinen nousukorkeus h saadaan voimatasapainosta Reunakulma yleisesti vedelle q 0 o Veden pintajännityksen s 73 103 aiheuttama vetovoima ylöspäin F = 2 p r cos q s N m 2 pr w gh 2pr cosqs 2 cosqs h r g w "Kapill.imu" p p w F A 2pr cos qs 2cos qs r pr 2 2s r - Rakennusaineiden huokoset pieniä r 1mm Painovoimalla ei merkitystä veden liikkumiseen
Tasapainokosteuskäyrä 5 Kriittinen kosteus w K, jonka yläpuolella kosteus siirtyy aineessa pääosin nestemuodossa 6 Kapillaarisesti imeytyvä vesipitoisuus w kap 7 Vedellä kyllästystyneen tilan vesipitoisuus w sat, jolloin koko huokostilavuus on veden täyttämä 1 Monomolekyläärinen adsorptio 2 Polymolekyläärinen adsorptio 3 Kapillaarikondenssi 4 Hygroskooppisen kosteuden yläraja w hygr (j = 98%) Käyrän muoto ja pitoisuudet riippuvat voimakkaasti aineen huokosverkoston ominaisuuksista (huokoisuus, huokoskokojakauma)
Kosteuden sitoutumisen käsitteitä Kosteuspitoisuus (vesipitoisuus) w (kg/m 3 ) veden massa tilavuusyksikössä ainetta Kosteuspitoisuus kuiva-aineesta u (kg/kg tai paino-%), veden massa suhteessa kuivan aineen massaan w = u = aineen kuivatiheys, mikäli tilavuus ei muutu kastuessa Huokoisuus n huokostilavuus koko tilavuus Huokoskäsitteitä Adsorptiohuokoset täyttyvät hygroskooppisesti, huokoskoko likimain d < 0,1 mm Kapillaarihuokosissa vesi liikkuu pääosin kapillaarivoimien vaikutuksesta, 0,1 < d < 10 mm Gravitaatiohuokosissa kapillaarivoimat pieniä, d >> 10 mm Vedellä täyttymisaste w S w veden n w sat w Maksimi n vesi pitoisuus, w tiheys kun S 1
Hygroskooppisia tasapainokosteuskäyriä Betoni K25 Betoni K40
Hygroskooppisia tasapainokosteuskäyriä Lastulevy 610 kg/m 3 EPS 31 kg/m 3
Kosteuden siirtyminen aineessa Kosteus siirtyy rakenteissa - vesihöyrynä - vetenä - lumena, jäänä Siirtymisreittinä voi olla - aineen huokosverkosto - raot, epäjatkuvuuskohdat - ilmatilat Vesihöyry voi liikkua mm. - diffuusiona alemman pitoisuuden suuntaan - konvektiona (kuljettumalla) virtaavan ilman mukana Vesi voi liikkua - painovoiman - vedenpaineen - muun ulkoisen paineen (esim. tuuli) - kapillaarivoimien vaikutuksesta - osmoottisesti puoliläpäisevän kalvon läpi Lumi voi liikkua - kuljettumalla ilmavirtauksen mukana - painovoiman vaikutuksesta
Diffuusio Diffuusio = Pitoisuuserojen tasoittuminen Kosteusvirran tiheys liikkumattomassa ilmassa: dn g D Vesihöyryn diffuusioker roin ilmassa dn dx D (D dx 25 10 Gradientti, (kg / m s) 6 2 m 2 / s) vesihöyrypitoisuuden muutos pituusyksikköä kohti (potentiaaliero) (m 2 / s) Huokoisessa aineessa n dn g n, dx n m arvot riippuvat aineesta, kosteus pitoisuudesta Diffuusio vesihöyrynläpäisevyys aineelle (m D n ja jossa voidaan myös osapaine potentiaalina : vesihöyryn vastusker roin dp g p dx Huom!, vaan p abs. lämpötilasta n laskea n p (kg / mspa ) 461,4 T vesihöyryn 2 / s)
Diffuusio kerroksisessa rakenteessa Kosteusvirran tiheys ainekerroksen läpi stationääritilassa (kun kosteusvirta ei muutu ajan kuluessa) d Z n2 n d/ g 2 1 1 2 n 1 n n n aineker roksen paksuus (m) d n n n d n n Z aineker roksen vesihöyrynvastus (s / m) Yksiulotteinen diffuusio monikerrosrakenteessa n g Z Z sisä 1 nu, jossa Z Z Z 2 Zs Z u pintavastukset Ohuille aineker roksille on taulukoitusuoraan Z arvot 3 Huom. n = huokosilman vesihöyrypitoisuus, ei aineen vesipitoisuus Z s + Z u < 1000 s/m pieniä, ei yleensä oteta huomioon Vesihöyrypitoisuus huokosilmassa muuttuu yhden ainekerroksen matkalla vastusten suhteessa: Z1 n1 ( nsisä n Z u )
Vesihöyrynläpäisevyys n 10-6 m 2 /s, esimerkkejä suuruusluokista Materiaali Betoni K30 K45 Vesihöyrynläpäisevyys n (x 10-6 m 2 /s) Suhteellinen kosteus alue (RH %) 35-70 70 80 80 90 90 95 0,12 0,25 0,12 0,25 0,20 0,50 0,15 0,50 0,55 1,60 0,45 0,90 1,75 4,80 1,65 2,00 Sementtilaasti 0,20 0,20 0,50 1,00 Kalkkisementtilaasti 1,00 1,00 1,00 1,50 Kalkkilaasti 1,00 1,00 1,50 2,50 Kevytbetoni 400 kg/m 3 500 kg/m 3 3,50 4,30 2,10 2,80 3,50 4,30 2,10 2,80 3,80 4,30 2,90 3,50 Havupuu Syyt 0,20 0,90 0,50 2,00 1,00 3,50 Puukuitulevy 280 kg/m 3 1000 kg/m 3 3,80 4,60 0,13 0,16 3,80 4,60 0,13 0,16 3,80 4,60 0,17 0,31 5,80 6,40 4,60 4,70 3,80 4,60 0,38 0,49 Lastulevy 0,13 0,33 0,13 0,33 0,20 0,60 0,90 1,10 Kuitusementtilevy 0,28 0,42 0,28 0,42 0,35 0,50 0,50 0,75 Polystyreeni EPS 20 kg/m 3 0,90 1,40 0,90 1,40 0,90 1,40 0,90 1,40 Polystyreeni XPS25 kg/m 3 0,17 0,23 0,17 0,23 0,17 0,23 0,17 0,23
Eräiden aineiden vesihöyrynvastuksia, suuruusluokkia Z n (x 10 3 s/m) d 1) RH 80-90 %. 2) Arvot ilman pohjamaalia. Alempi arvo RH 90 %, ylempi RH 60 %. Z Kerros Paksuus mm Vesihöyrynvastus 10 3 s/m Lastulevy 10 20 Puukuitulevy 10 25 1) kova 3,5 15 1) puolikova 10 8 15 huokoinen 12 3 1) bitumikyllästetty 13 5 15 öljykarkaistu 3,5 20 70 Höyrynsulku (polyeteeni) 0,20 > 2000 Kosteussulku, hd-pe 0,50 > 10000 Pvc-matto normaali 2 500 2000 erittäin tiivis 2 10000 Muovitettu korkkilevy 3 5000 tekstiilimatto 5 10 bitumihuopa > 1000 tuulensuojapaperi < 20 paperitapetti 1 vinyylitapetti 10 alkydiöljymaali 2) 50mm 0,05 25 75 akrylaattilateksimaali 2) 50mm 0,05 5 20 julkisivumaali 3) 50mm 0,05 2 4
Diffuusioesimerkki Diffuusio, esimerkki 1 Betoni K30 n = 0,2 10-6 m 2 /s 2 Mineraalivilla n = 20 10-6 m 2 /s 3 Tiilimuuri n = 3 10-6 m 2 /s Kosteusvirran tiheys g 3 (0,0097 0,00193) kg/ m 0,15 0,15 0,085 6 6 0,2 10 20 10 3 10 6 s / m 0,00777 0,0099 10 750 000 7500 28300 6 kg/ m 2 s Sisäilma T = 22 o C, 50% RH n = 0,5 19,4 = 9,7 g/m 3 Ulkoilma T = -10 o C, 90% RH n = 0,9 2,14 = 1,93 g/m 3 Kosteusvirta kuukaudessa G 0,0099 10 Jos 26g/m T 2 750000 785800 20C 6 ulkopinnassa saadaan : 3600 24 30 0,026 kg /m Huokosilma n kosteuspitoisuus betoniseinän n n 1 1, 2 0,00777 0,00742kg / m 0,0097 0,00742 0,00228 kg / m 1, 2 j n n s 2,28 17,28 3 3 13,2% RH 2
Diffuusiovirran kondenssi Diffuusiovirran kondenssi Mikäli huokosilman kosteuspitoisuus jossakin kohdassa rakennetta ylittää kyseisen kohdan lämpötilaa vastaavan kyllästyskosteuden n s, alkaa ylimääräinen vesihöyry tiivistyä vedeksi (= kondenssi) Olosuhteiden jatkuessa tiivistyvän veden määrä jatkuvasti kasvaa Suunnittelussa pyritään siihen, että : 1) kondenssia ei synny lainkaan 2) jos syntyy, on kertyvän kosteuden määrän oltava niin pieni, ettei siitä ole haittaa 3) tiivistymiskautena (talvella) kertyvän kosteuden on voitava helposti poistua kuivumiskaudella (kesällä) 4) mikäli rakenteen kosteudensitomiskyky on pieni tai materiaalit arkoja kosteudelle, ei tiivistymistä sallita (esim. mineraalivillaeristetyt puuseinät) Tarvitaan höyrynsulku ja /tai kuivumiskykyä parantavia ratkaisuja
Diffuusiovirran kondenssi Diffuusiovirran kondenssin laskeminen Laskelmin tarkastellaan : 1) Syntyykö kondenssia kylmissä oloissa 2) Mikä on tiivistyvän kosteuden määrä esim. talven kylmimmän kuukauden (tai 2kk) aikana. 3) Paljonko rakenne pystyy kuivattamaan kosteutta esim. lämpimimmän kesäkuukauden (tai 2kk) aikana 4) Paljonko laskettu tiivistyvä vesimäärä on verrattuna tiivistymiskerroksen kosteudensitomiskykyyn ja onko kosteuspitoisuus haitallinen Laskelmissa oletetaan stationääritilan olosuhteet eikä kosteuden sitoutumista rakennekerroksiin oteta huomioon Tarkastelussa tarvitaan : 1) Lämpötilakäyrät tiivistymis- ja kuivumiskausilla rakenteen läpi 2) Lämpötilojen mukaiset vesihöyryn kyllästyspitoisuudet n s (T) 3) Tarkastelukausien ulko- ja sisäilmaolot T, j, varmuustavoitteet huomioon ottaen (tulos varmalla puolella) 4) Stationääritilan vallitsevat TTY Rakennustekniikka huokosilman Matti kosteuspitoisuudet Pentti rakennekerrosten vesihöyrynvastusten mukaan laskettuina
Kondenssilaskelma Kylmähuoneen ja varaston välinen väliseinä kesällä Rakennekerrokset 1 Maali Z n = 10 10 3 s/m Esimerkki 2 Siporex d = 250, n = 2,5 10-6 m 2 /s, n = 0,15 W/mK 3 Tasoite ja maali, Z n = 30 10 3 s/m (Lämmönvastus sisältyy pintavastukseen) R i = R e = 0,10 m 2 K/W R T T Lämpötilakäyrä 1 3 0,25 0,15 20C 19,2 0,10 0,10 1,87 m 1,67 1,87 0,10 1,87 15C 19,2C 15C 5,8C 2 K / W Z n n 1,2 j 2,3 Kyllästyspitoisuuskäyrä n (T ) 17,28 g/m s s s s s n (T ) 16,49 g/m 1 n (T ) 7,17 g/m 3 n (T ) 6,80 g/m u Vesihöyrypitoisuudet stationääritilassa n i = 0,6 17,28 = 10,37 g/m 3 n 1 = 10,37 j = 63% n e = 0,9 6,8 = 6,12 g/m 3 10 10 140 10 10,37 10,07 g / m 61% 10,07 3 3 7,03 g / m j 98% 10 140 100 140 3 s / m 3 3 3 (10,37 3 (10,37 3 0,25 2,5 10 6 30 10 6,12) 6,12) 3
Tiivistyvän veden määrän laskeminen Kondenssilaskelma Mikäli jossain kohdassa rakennetta laskettu huokosilman kosteuspitoisuus ylittää ko. kohdan lämpötilan mukaisen kyllästyspitoisuuden, syntyy kondenssi. kondenssikohdassa n tiiv = n s (T). Tiivistyvän veden määrä ajassa t tiiv Kuivumiskaudella lasketaan uudet käyrät, ja kertymäkohdan kosteuspitoisuudeksi otetaan ko. lämpötilan mukainen kyllästyskosteus n haihd = n s Kondenssi rajapinnassa A, B Kastumiskausi : G tiiv ni g B n Z B tiiv g n A t tiiv tiiv Z A n e t tiiv G kuiv n g A haihd Z Vaatimus : G B g B kuiv n t i kuiv G n tiiv haihd Z A n e t kuiv.
Konvektio syntyy ilmanpaine-erojen vaikutuksesta (kokonaispaine) Paine-eroja synnyttää Ilmanvaihtolaitteisto (pysyvä, pitkäaikainen) Lämpötilaerot (savupiippuvaikutus) (pitkäaikainen) Tuuli (lyhytaikainen, suunta vaihtuu) Kosteus kulkeutuu virtaavan ilman mukana Rakojen ja reikien kautta Kosteuden konvektio Ilmaa läpäisevän materiaalin läpi Ilmanpaine-ero jakaantuu rakenteen eri kerroksiin ilmatiiviyksien suhteessa Talvikausina ulospäin virtaava ilma jäähtyy suhteellinen kosteus nousee, kondenssi mahdollinen Talvikausina sisäänpäin virtaava ilma lämpenee suhteellinen kosteus laskee Ilmanvaihtojärjestelmän tulisi luoda pieni alipaine Rakenne vaikuttaa läpivirtaaviin ilmamääriin : Tiiviyskerrokset ja niiden yhtenäisyys Monikerroksisuus ja rakojen osuminen kohdakkain Materiaalien ilmanläpäisevyys Rakennuksen vaipan ilmatiiviyttä mitataan järjestämällä jatkuva 50 Pa ilmanpaine-ero ja mittaamalla tarvittavaa ilmavirtaa (R 50 ). Vuotokohtia voidaan talvikausina havainnoida infrapunakameralla
Lämpötilaeron aiheuttama paine-ero Lämmin ilma kevyempää kuin kylmä p = 9,81 ( (T e ) - (T i )) h p 0,043 T h (Pa) 1 Vaippa avoin yläosasta 2 Vaippa yhtä tiivis ylhäällä ja alh. 3 Vaippa avoin alaosasta (paine-ero ulkoilmaan = 0 avonaisesta osasta) Kokonaispaine-ero syntyy: - Ilmanvaihtolaitteista - Lämpötilaeron aih. nosteesta - Tuulesta (lyhytaikainen)
Kapillaarinen siirtyminen Kapillaarinen imu syntyy pieniin huokosiin syntyvien kaarevien vesipintojen vaikutuksesta, alipaine pienenee veden täyttäessä yhä suurempia huokosia, veden liike tapahtuu suuremman huokosalipaineen "(imun)" suuntaan : Pienessä vesipitoisuudessa pienet huokoset täyttyneet suuri alipaine verrattuna suuren vesipitoisuuden alueeseen Kaksi eri materiaalia : alipaine on suurempi aineessa, jossa veden täyttämät huokoset ovat pienempiä koska alipaine on verrannollinen vesipitoisuuteen w (kg/m 3 ): g k dw dx 2 kg/m s k kosteudenjohtavuus (m 2 /s), riippuu mm. aineesta ja kosteuspitoisuudesta Kapillaariseen imuun vaikuttaa myös aineen kemiallinen rakenne : Reunakulma q voi olla suuri (esim. silikonit)