TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennetekniikan laitos TUTKIMUSSELOSTUS NRO Sto Therm Mineral ERISTERAPPAUSJÄRJESTELMÄN SÄÄNKESTÄVYYDEN TESTAAMINEN Tampere 2011 1
sivu 2(14) Sto Therm Mineral ERISTERAPPAUSJÄRJESTELMÄN SÄÄNKESTÄVYYDEN TESTAAMINEN Tutkimusselostus nro (13 sivua) Tilaaja Sto Finexter Oy Ismo Nieminen Tehtävä Sto Therm Mineral eristerappausjärjestelmän säänkestävyyden tutkiminen täysmittakaavaisella säärasituskokeella käyttäen ankaraa Suomen ilmastoa kuvaavaa rasitusohjelmaa Tutkimusryhmä Prof. tekn. toht. Matti Pentti Tutkija, dipl.ins. Jommi Suonketo Tekn. kand. Petri Annila Tekn. yo. Kristian Markkanen Tampereen teknillinen yliopisto Rakennetekniikan laitos PL 600 33101 Tampere Puhelin (03) 3115 11 (TTY:n vaihde) Faksi (03) 3115 2811 Jakelu Sto Finexter Oy, Ismo Nieminen Tutkimusryhmä TTY / Rakennetekniikan laitoksen arkisto
sivu 3(14) Sto Therm Mineral ERISTERAPPAUSJÄRJESTELMÄN SÄÄNKESTÄVYYDEN TESTAAMINEN SISÄLLYSLUETTELO 1 Yleistä... 4 1.1 Lähtökohta... 4 1.2 Tavoite... 4 2 Koerakenteet... 4 2.1 Säärasituskokeen koeseinä... 4 2.2 Rasittamaton vertailukappale... 5 2.3 Koerakenteiden valmistus ja jälkihoitoajat... 6 3 Säärasituskoe... 7 3.1 Rasitussykli... 7 3.2 Kokeen jälkeen tehdyt havainnot... 8 4 Kiinnikkeen tartuntavetokokeet... 9 5 Iskulujuuskokeet... 11 6 Tulosten tarkastelu ja johtopäätökset... 13 6.1 Säärasituksen kestävyys... 13 6.2 Rappauksen vetolujuus... 13 6.3 Iskulujuuskokeet... 13 7 Yhteenveto... 13
sivu 4(14) Sto Therm Mineral ERISTERAPPAUSJÄRJESTELMÄN SÄÄNKESTÄVYYDEN TESTAAMINEN 1 YLEISTÄ 1.1 Lähtökohta Ismo Nieminen Sto Finexter Oy:stä pyysi tutkimussuunnitelmaa Sto Therm Mineral - eristerappausrakenteen pakkasen- ja säänkestävyyden testaamisesta TTY:n säärasituslaitteistossa käyttäen Suomen ilmastoa kuvaavaa ankaraa säärasitusta. TTY laati tutkimussuunnitelman päiväyksellä 16.11.2010. 1.2 Tavoite Tämän tyyppisiä rakenteita käsittelevä ETAG 004. March 2000, GUIDELINE FOR EUROPEAN TECHNICAL APPROVAL of EXTERNAL THERMAL INSULATION COMPOSITE SYSTEMS WITH RENDERING, (lyhyesti ETAG 004), esittää melko laajan tutkimuskokonaisuuden, joka ei kuitenkaan sisällä merkittävää pakkasrasitusta, vaan pakkasenkestävyysvaatimus esitetään vedenimuominaisuuksien muodossa. Tämän tutkimuksen tavoitteena on testata Sto Therm Mineral -eristerappausjärjestelmän säänkestävyys pohjoismaista ilmastoa kuvaavalla ankaralla säärasituksella. 2 KOERAKENTEET 2.1 Säärasituskokeen koeseinä Tilaaja valmisti TTY:n ohjeiden mukaisen koeseinän. Koeseinän leveys oli hieman vaille 2980mm ja korkeus lähes 1990mm. TTY järjesti koeseinän taustana käytetyn raudoitetun betoniseinän. Seinien alaosaan varattiin alue, johon tehtiin tuplaverkotus ja seinien alareunat varustettiin sokkelilistoilla. Koeseinä oli jaettu vaakasuunnassa kahteen osaan, joissa käytettiin kahta erilaista eristerappausjärjestelmää. Käytetyt tuotteet ovat seuraavan listan mukaisia: StoTherm Mineral: Rockwool Facade Batts eriste 180mm StoLotusan K 2,0mm pinnoite Rakenteeltaan seinä vastasi uudisrakentamisessa käytettyä rakennetta, jossa 120 mm paksun betonisen sisäkuoren päälle on kiinnitetty 180 mm paksut eristeet. Seinän keskilinjassa oleva järjestelmien välinen sauma varustettiin vähintään 200 mm levyisellä ylimääräisellä rappausverkkokaistalla ja rappaus tehtiin yhtenäiseksi yhtenäisen rappauskentän ja mahdollisimman suurten pakkovoimien saavuttamiseksi. Rappaustyön teki Ismo Nieminen Sto Finexter Oy:stä.
sivu 5(14) Kuva 1. Säärasituskoeseinän rakenne, StoTherm Mineralin puoli. Koeseinässä oli 90 mm syvennys, joka kuvasi ikkunapieltä. Syvennys oli varustettu ikkunapellityksellä, joka asennettiin paikoilleen ennen rappausta. Ikkunapellitys oli varustettu ns. rappauskulmalla (kuva 2). Kuva 2. Ikkunapellin rappauskulma. 2.2 Rasittamaton vertailukappale Vertailutestejä varten valmistettiin erillinen kooltaan noin 1 m 2 valmista rappauspintaa erillisen eristelevyn päälle vertailukoekappaleeksi. Koeseinän ja vertailuseinän materiaalit ja rakenteet olivat mahdollisimman hyvin yhteneviä, koska ne tehtiin yhtä aikaa ja samoista laastieristä.
sivu 6(14) 2.3 Koerakenteiden valmistus ja jälkihoitoajat Koerakenteet valmistettiin seuraavan aikataulun mukaisesti: - Sokkelilista kiinnitettiin 13.1.2011 - Eristeet liimattiin 17.1.2011. - Eristeiden kiinni ampuminen 18.1.2011. - Verkotuslaasti saatiin valmiiksi 19.1.2011 - Jälkihoito päättyi ja muovit poistettiin 24.1.2011 - Koeseinän primerointi suoritettiin 26.1.2011 - Säärasituskoe aloitettiin 1.3.2011 Kuva 3. Säärasitusseinä eristeiden asentamisen jälkeen.
sivu 7(14) Kuva 4. Valmis koeseinä asennettuna säärasituslaitteistoon. 3 SÄÄRASITUSKOE 3.1 Rasitussykli Säärasituskoe toteutettiin ankaralla syklisellä rasitusohjelmalla, jollaista TTY on käyttänyt julkisivurakenteiden säänkestävyyden testauksessa jo 20 vuoden ajan. Säärasituskoetta ohjattiin rakenteen pinnalta termolankojen avulla mitattujen lämpötilojen avulla. Rasitussyklissä rakenteen ulkopintaa ensin sadetettiin 1 tunnin ajan vaakasuuntaisella sadesumulla, ja tämän jälkeen rakenne jäädytettiin nopeasti -20 C lämpötilaan 4 tunnin ajaksi. Lopuksi jäätynyt rakenne sulatettiin säteilylämmittimillä ja pinnan lämpötila nostettiin +60 C yhteensä 3 tunnin ajaksi. Syklin kokonaispituus oli 8 tuntia ja se toistettiin 100 kertaa, eli kokeen minimipituus ilman laitteiston huoltotaukoja oli 34 vuorokautta. Esimerkkisyklin aikana mitatut rappauspinnan lämpötilat on esitetty kuvassa 5. Mittauspisteen sijaitsivat rappauksen pinnassa 1,4 m korkeudella.
sivu 8(14) Laitteisto toimi virheettömästi koko kokeen ajan, kokeen loputtua rakenteelle oli kertynyt 102 sykliä, joissa lämpötilavaihtelu oli vähintään +65 C -18 C. 80 Säärasituskokeen esimerkkisykli 70 60 50 Lämpötila ( C) 40 30 20 10 0-10 -20 Sadetus 1h Jäädytys 4h Säteilylämmitys 3h [101/KA] vasenp [102/KA] keskil [103/KA] oikeap [1000/KA] T_Ulko -30 2.3.2011 15:36 2.3.2011 18:00 2.3.2011 20:24 2.3.2011 22:48 3.3.2011 1:12 Kuva 5. Rappauspinnan lämpötila säärasitussyklin eri vaiheiden aikana (esimerkkinä sykli 96/96). Sadetusvaiheen aikana puhaltimet eivät olleet toiminnassa, joten vaakasuunnassa n. metrin etäisyydeltä sumutettu vesi ei aiheuttanut merkittävää vedenpainetta, vaan pinnalle muodostui tasainen vesikalvo, joka valui rauhallisesti alaspäin. 3.2 Kokeen jälkeen tehdyt havainnot Säärasituksen loppumista seuranneena päivänä seinä käytiin läpi Gann-mittarin avulla, jolla alustavasti arvioitiin onko eristekerrokseen päässyt vettä. Mittarin lukemia on esitetty kuvassa 6. Kosteimmat alueet sijaitsivat seinän alaosassa. Seinän arvoissa ei ilmennyt poikkeamia, arvot pysyivät samassa luokassa.
sivu 9(14) Kuva 6. Kosteusmittarilla saatuja Gann-mittarin lukemia kokeen jälkeen. Kosteusmittauksessa ei ilmennyt suuria poikkeamia, vaan arvot pysyivät samassa suuruusluokassa. Tulokset osoittavat, ettei eristeeseen ole päässyt vettä. 4 KIINNIKKEEN TARTUNTAVETOKOKEET Rappauspinnan tartuntalujuus eristeen ja pohjalaastin välillä määritettiin molempien pinnoitteiden kohdalta 6 kpl vetokokeen sarjana sekä säärasitetusta koeseinästä että vertailukappaleesta. Kokeita tehtiin yhteensä 12 kpl. Säärasitetussa seinässä vetokokeet tehtiin ikkunoiden väliseltä alueelta. Tartuntavetolujuuskokeet tehtiin siten, että rappauspinnan päälle liimattiin 30 mm paksuiset vanerilevyt (koko 200*200 mm), joiden keskipisteessä oli 10 mm upotettu pultti. Liiman kuivuttua rappauspinta leikattiin levyn reunojen kohdalta kulmahiomakoneella eristekerrokseen pintaan asti. Kuormitus suoritettiin levyn keskipisteestä tasaisella siirtymänopeudella 10 mm / minuutti ja kuormitussylinterin siirtymää ja voimaa rekisteröitiin 1 sekunnin välein. Murtojännitys laskettiin maksimivoiman perusteella. Kuvassa 7 on esitetty koejärjestelyä.
sivu 10(14) Kuva 7. Tartuntavetokoe vertailukappaleesta. Koetulosten yhteenveto on esitetty taulukossa 1. Koesarjojen tunnusten ensimmäiset kirjaimet V ja R tarkoittavat vertailukappaleesta (V) tai säärasitetusta (R) koeseinästä tehtyä koesarjaa. Säärasittamattoman vertailukappaleen koesarjan V hajonta oli pientä. Säärasituksen vaikutus rappauksen ja eristeen väliseen tartuntalujuuteen nähdään vertailemalla säärasitetun rakenteen tuloksia vertailurakenteen tuloksiin. Kuvassa 8 on esitetty säärasitetun seinän tyypillisiä murtumistapoja. Tässä rakenteessa säärasituksella ei ollut vaikutusta lujuuteen. Tulosten perusteella laskettu ominaislujuus oli säärasituksen jälkeen täysin sama kuin vertailukappaleella. Tuloksista ilmenee rakenteen heikko tartuntalujuus, joka on noin neljäsosan ETAG 004 tavoitetasosta.
sivu 11(14) Taulukko 1. Tartuntalujuuskokeiden tulosten koostetaulukko. Koesarja Yksittäinen koetulos (MPa) A B C D E F keskiarvo (MPa) keskihajonta (MPa) Ominaislujuus 99,7% (MPa) V 0,0194 0,0240 0,0243 0,0225 0,0192 0,0242 0,0223 0,0024 0,0151 R 0,0193 0,0237 0,1192 0,1162 0,1019 0,1042 0,0223 0,0027 0,0151 Jäännöslujuus (%) 100 % Kuva 8. Tyypilliset irtoamistavat. 5 ISKULUJUUSKOKEET Eristerappausjärjestelmän iskulujuutta testattiin ohjeen ETAG 004 kohdan 5.1.3.3.1 esittämillä kovan kappaleen iskulujuuskokeilla. Säärasituskoeseinälle ja vertailukappaleelle tehtiin standardin ISO 7892:1988 mukaiset 3 ja 10 joulen kuulaiskukokeet (6 iskua / sarja/rakenne), eli yhteensä 18 yksittäistä iskukoetta rakenteen puolelle. Iskukoesarjojen sijainti on esitetty kuvassa 9. Iskukoesarjan tunnuksen ensimmäinen kirjain R tarkoittaa rasitettua perusrakennetta, TV tuplaverkotusta ja alaviivan jälkeinen osa kertoo iskun voimakkuuden (3 tai 10 joulea).
sivu 12(14) Kuva 9. Iskukokeiden kohdat seinärakenteeseen. Yksittäisten iskujen vaikutus arvosteltiin silmämääräisesti pinnassa näkyvien halkeamien perusteella. Rappauspinnan taustan vaurioituminen varmistettiin myös iskukohdasta irrotetusta kappaleesta. Iskulujuuskokeiden tulokset arvostellaan ETAG 004 ohjeen mukaisesti kolmeen käyttöluokkaan. 3 joulen kokeissa I luokassa pinnalle ei saa syntyä näkyvää vaurioitumista, II luokassa pinnalle ei saa syntyä halkeilua ja III luokassa pinnalle saa syntyä halkeamia mutta ei rappauspinnan läpäisevää rengashalkeamaa. Mikäli rappaukseen syntyi rakenteen läpi ulottuva vaurio, joka pysyy paikoillaan ainoastaan lasikuituverkon ansiosta, niin tulokseksi on merkitty X, joka tarkoittaa, että tulos ei täytä edes III käyttöluokan vaatimusta. 10 joulen kokeissa I luokassa pinnalle ei saa syntyä näkyvää vaurioitumista. II-luokassa pinnalle saa syntyä halkeamia, mutta ei rappauspinnan läpäisevää rengashalkeamaa. IIIkäyttöluokkaa ei ole annettu hyväksymiskriteerejä. Tulokset on esitetty taulukoissa 2, jossa R on normaalirakenne ja TV tuplaverkotettu. Taulukko 2. Iskulujuuskokeiden tulokset. Koerakenne A B C D E F R_3J I I I I I I R_10J III III I II I I TV_10J I I II II I I Tulosten mukaan tuplaverkotetulla rakenteella on hieman parempi iskulujuus 10 joulen testissä. Koeseinän verkotus oli eristeen puolella, jolloin sen sijoitus ei vaikuttanut rakenteen iskulujuuteen. Laastipaksuudessa ei ilmennyt suuria poikkeamia, joten tulokset pysyivät vertailukelpoisina.
sivu 13(14) 6 TULOSTEN TARKASTELU JA JOHTOPÄÄTÖKSET 6.1 Säärasituksen kestävyys Koeseinään ei muodostunut silminnähtäviä halkeamia, vaan rakenne kesti säärasituksen ongelmitta. 6.2 Rappauksen vetolujuus Säärasitetusta seinästä leikattujen koekappaleiden vetolujuus oli 0,01 MPa, joka oli täysin sama kuin vertailukoekappaleen lujuus. Koetulosten perusteella säärasitus ei vaikuttanut rakenteen vetolujuuteen. Ohjeen ETAG 004 mukaan rappauspinnan lujuutta tuulen imurasitusta vastaan ei tarvitse erikseen mitoittaa, mikäli minimilujuus säärasitetussa koerakenteessa on vähintään 0,08 MPa. Rakenteen vetolujuus oli alle vaaditun minimilujuuden, jonka vuoksi rakennemitoituksessa on tehtävä mitoitus tuulen imurasitukselle erikseen. 6.3 Iskulujuuskokeet Ohutrappausrakenteen kestävyys terävänä impulssina kohdistuvaa mekaanista rasitusta vastaan on yleisesti koettu jossain määrin ongelmaksi. Iskukokeiden tulokset luokiteltiin ohjeen ETAG 004 mukaisesti 3 eri käyttöluokkaan, joista: I II III tarkoittaa maan tasalla olevia seiniä, joiden läheisyyteen yleisöllä on esteetön pääsy (katutaso). tarkoittaa iskukorkeudella olevaa seinää kohteissa, joissa ihmiset huolehtivat rakennuksestaan (sisäpihat, rivitalot yms) tai heitetyille esineille alttiita alueita (2- kerros katujulkisivussa). tarkoittaa alueita, jotka eivät todennäköisesti altistu iskuille tai heitetyille esineille (ylemmät kerrokset) Normaalirakenteeseen ei syntynyt 3 joulen iskukokeessa lainkaan näkyviä vaurioita ja jokainen iskukoetulos asettui luokkaan I. 10 joulen iskut normaalirakenteeseen aiheuttivat vaihtelevia vaurioita. Osa iskuista ei aiheuttanut näkyviä vaurioita ja siten ne luokiteltiin I luokkaan. Kuitenkin rakenteeseen tuli iskuja, jotka jopa läpäisivät rappauskerroksen ja putosivat luokkaan III. Tuplaverkotetussa rakenteessa 10 joulen iskuissa iskunkestävyys oli hieman normaalirakennetta parempi. Suurin osa iskuista ei aiheuttanut näkyvää vauriota ja nämä iskut olivatkin luokkaa I. Iskukokeissa esiintyi myös II luokan iskuja. 7 YHTEENVETO StoTherm Mineral eristerappausjärjestelmän toiminta ei heikentynyt säärasituksessa verrattaessa rinnalla valmistettuun koekappaleeseen ja vetolujuudet pysyivät samoina. Koeseinän rakenteeseen ei syntynyt säärasituksessa merkittäviä vaurioita ja suoritetun kosteusmittauksen perusteella rakenteeseen ei syntynyt vettä läpäiseviä halkeamia. StoTherm Mineral iskunkestävyys oli hyvä 3 joulen testeissä saavuttaen parhaan luokituksen. 10 joulen iskuissa normaalirakenteessa ilmeni läpäiseviä iskuja, mutta tuplaverkotetussa 10 joulen iskusarjassa näitä ei enää ilmennyt.