Upload
others
View
11
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Betonirakenteiden korjaaminen ja rakennusfysiikkaSuomen 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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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.
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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.
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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
Mallintaminen ja laskennallinen mitoitus kehittymätöntä käytännön suunnittelun tarpeisiin
Suunnittelijalle jää harkintavalta
rasitusoloista
materiaaliominaisuuksista
haitallisuuden rajoista
sovellettavista laskentamalleista
tarvittavasta varmuustasosta
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
RakenneratkaisuLähtötiedot
Kosteusteknisen tarkastelun perusteellisuustasot
Kosteusrasitukset
Tyyppirakenne-ratkaisut
Laadullinen arviointi- ohjeet, normit- taulukot, diagrammit
Mitoitus laskelmin- yksityiskohtaiset laskelmat- tarkat kenttämittaukset
Hyväksyttävä kosteustila?W < W kriittinen
Kyllä
Rakenneratkaisuhyväksytään
Ei
valintatilanne
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kosteusongelmakokemukset
• Maanvastaiset rakenteet
• Märkätilat
• Ilmanpitävyys
• Vesikatot ja yläpohjat
• Ulkoseinät
Vanhassa rakennus-kannassa riskialttiita
rakenneratkaisuja
Nykyisin käytetyt ratkaisutkaan eivät ole
riskittömiä
Ihmisten herkkyys kosteusvaurioperäisille
terveyshaitoille kasvanut
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Rasitustason alentaminen korjausmenetelmänä
• Monet turmeltumisilmiöt etenevät rasitustason funktiona
• Rasitustason alentaminen voi lähes pysäyttää turmeltumisen
Käyttöiän jatkaminen
Esim. Raudoitteen korroosionopeus karbonatisoituneessa betonissa
Korroosio-nopeus Myös:
-pakkasrapautuminen- puun laho
• Tehokkaita silloin, kun turmeltumisnopeus on jyrkästi olosuhteista riippuva
(tai jopa "kynnysarvo"), jolloin suhteellisen pienillä toimenpiteillä saadaan
suuri muutos turmeltumisnopeudessa
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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 siirtyyaaltoliikkeenä 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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Lämmön siirtymismuodot
Energian yksikkö 1J = 1 Ws
Lämpövirran (teho) yksikkö 1W = 1J/s
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Lämmön siirtymismuodot 1
Johtuminen
• Energiaa siirtyy suuremman energiasisällön omaavilta hiukkasilta pienemmän energiasisällön hiukkasille sisäisten voimien ja törmäysten välityksellä.
• Aineen siirtymistä ei tapahdu.
• Lämpövirran tiheys qx (W/m2) suuntaan x (1-dim. tapaus)
)lakiFourierin(dx
dTqx
• Stationääritilassa (lämpötilat eivät muutu, lineaarinen lämpötilakäyrä)
mK/W,avuuslämmönjohtAineen
m/K,XsuuntaanenttiLämpögradidx
dT
d
TT
d
TTq 2112
x
d
Tqx
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Lämmön siirtymismuodot 2
dR
R
T
d
Tq• Rakennekerroksen lämmönvastus R (Km2/W)
• Lämpövirran suunnassa kerroksellinen rakenne
R
TTq
avastuksetintpddd
RRRRRR
21
3
3
2
2
1
1
sesi321
• Konduktanssi G (W/K) )W(TGAR
TAqLämpövirta
• Lämmönläpäisykerroin U (W/m2K) (aikaisemmin k-arvo)
Lämpövirran tiheys q = U TU = 1/R
Lämpöenergia Q = q A t = U T A t (Ws)
• Kerroksellisen rakenteen
sesin
n
2
2
1
1sesin21 RRd
...dd
1
RRR...RR
1U
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Lämmöneristyspaksuuden likimääräinenvaikutus U-arvoon
Aineen lämmönjohtavuus (W/mK)
i
ii
dRuslämmönvastroksenkerAine
sesii RRR
1U
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Seinän sisäpintalämpötilan riippuvuus U-arvosta
Kun huonosti eristävä rakenne, niin pintavastusten osuus koko lämmönvastuksesta on suuri.
Pintalämpötila alhainen sisäilmaan verrattuna.
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Rakenteen lämpötilajakauma
stationääritilassa 1• Oletus : lämpötilat eivät muutu
ajan kuluessa, lämpövirta kohtisuoraan rakenteen läpi.
• Kerroksellinen seinä : sama lämpövirran tiheys kaikissa rakenteen kerroksissa.
Rakenteen pinnoilla :
q = S (Ti - T1) = (TS - T1)1
RSi
q = u (T4 - Te) = (T4 - Tu)1
Rse
Lämpötilan muutos on verrannollinen kerroksen tai pinnan lämmönvastukseen.TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Rakenteen lämpötilajakauma stationääritilassa 2
Lämpötilat eri rajapinnoissa saadaan lämmönvastusten avulla :
TX = Lämpötila rajapinnassa X
R = Koko rakenteen ja pintojen lämmönvastusten summa
= Lämmönvastusten summa sisäpinnasta rajapintaan XX
j = iRj
TX = Ti – ( Ti – Te), jossa Rj
R
X
j = i
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Rakenteen lämpötilajakauma,esimerkki
Ti = 22 oC
T2
130 150 130
T1
T4
T3
Te = -20oC
TIILIMUURI, n = 0,7 W/mKMINERAALIVILLA, n = 0,041 W/mK
SISÄPINNAN VASTUS Rsi = 0,13 m2K/WULKOPINNAN VASTUS Rse = 0,04 m2K/W
0,13
0,7
0,15
0,041
0,13
0,7 R = 0,13 + + + + 0,04 = 4,2 m2K/W
U = 0,24 W/m2K
T4 = 22oC - 42oC = -19,6 oC
T3 = 22oC - 42oC = -17,7 oC
0,13
4,2
0,13 +
4,2
0,130,7
0,13 + +
4,2
0,13
0,7
0,15
0,041
0,13 + + +
4,2
0,130,7
0,15
0,041
0,13
0,7
0,04
4,2
LÄMPÖTILAT
T1 = 22oC - 42oC = 20,7 oC
T2 = 22oC - 42oC = 18,8 oC
TAI : T4 = -20oC + 42oC = -19,6 oC
q = = U T = 0,24 W/m2K 42 K = 10,1 W/m2T
R
LÄMPÖVIRRAN TIHEYS
LÄMPÖHÄVIÖ HUONETILAN 20 m2 ULKOSEINÄN LÄVITSE = 10,1 W/m2 20 m2 = 202 W
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Esimerkki alapohjan U-arvosta Reuna-alue
12
3
4
56
Km/W27,0U
W/Km7,3R
6
8,0RPerusmaa5
W/Km2,0RSora4
44,2
mK
W041,0
m10,0REPS3
047,0
mK
W7,1
m08,0RtaBetonilaat2
W/Km05,0RpäällinenLattian1
W/Km17,0R
2
2
5
24
3
2
21
2s
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
LämmöneristeitäMineraalivillat Kivivilla
Lasivilla
Solupolystyreeni EPS (muottiin valettu) XPS (suulakepuristettu)
PolyuretaaniSelluvillaPuukuitueriste KevytsoraKevytbetoni
Elementtieristeet
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
LämmöneristeitäVanhoja eristeitä: Tiili
Puu
Sammal
Sahanpuru ja kutterinlastu
Korkki
Lastuvillalevy
Olkilevyt
Turvelevyt ja turve
Masuunikuona ja koksikuona
Puukuitulevyt
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Toimivan lämmöneristyksen edellytyksiä
Rakenteiden ilmatiiviys ja tuulensuojausEi 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
Eristeiden kosteuden hallinta
• Kosteuden pääsyn minimointi
• Kuivumisen varmistaminen
• Materiaalin valinta kosteusrasituksen
mukaan
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 valitaanrakenteen ja olosuhteiden mukaan
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Energiatehokkuus ikäryhmittäin nykyisissä rakennuksissa
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Mikä tekee talosta ekotalon?
Energian ominaiskulutus lattiapinta-alaa kohti 2000 -luvun alussa tehdyissä puurunkoisissa pientaloissa
Keskimääräiset Ilmanvaihtomäärät koneellisilla IV- järjestelmillä lähes samat. Tuloksissa ei ole otettu huomioon takassa poltettua puuta.
Asumistottumuksilla on ratkaiseva merkitys rakennusten energiankulutuksessa!
Energiatehokkuusluokka A(normeerattuna Jyväskylän säätietoihin)
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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
Vaipan on oltava ilmatiivis
Vaipan ilmanpitävyyden parantamisella on lähes pelkästään positiivisia vaikutuksia
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kosteuslähteitä
9 Pintavesi, makeavesi, merivesi
10 Roiskevesi
11 Jätevedet
12 Prosessivedet
Vesi
Vesihöyry
Lumi
Jää
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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Ulkoilman kosteus
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Sisäilman kosteus
• Keskimääräinen ulkoilman pitoisuus
tilastoista
• Ilmanvaihdon vaikutus on erittäin
suuri
• Ilman kostutus ja vettä haihduttavat
toiminnat tai prosessit on aina
otettava huomioon
Yleisesti sisäilman kosteuspitoisuus
ni = nu + , jossa
nu = ulkoilman kosteuspitoisuus, kg/m3
n = ilmanvaihtuvuus, 1/s
V = huonetilavuus, m3
G = kosteudentuotto kg/s
G
n V
Kosteuden tuotto sisäilmaan
Ihminen aktivi-
teetistä riippuen40 - 300 g/h
Kylpy 700 g/h
Suihku 2600 g/h
Ruoanlaitto 600 - 1500 g/h
Pyykin
kuivauslingottu 10 - 50 g/h /kg
Kuivaa
pyykkiä
- " - tippuva 20 - 100 g/h/kg - " -
Huonekasvit 10 g/h
Haihtuminen avoi-
mesta vesipinnasta~ 40 g/m2h
Riippuen
olosuhteista
Yleensä oletetaan vakio kosteuslisä
ulkoilman kosteuspitoisuuteen
n = 2 - 5 g/m3 asuintaloissa
4-5 g/m3 hyvä mitoitusarvo
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Viistosademääriä
• Seinän yläosaan kohdistuu n. puolet
vapaasta viistosateesta (keskimäärin)
• Suurimmat viistosateet syksyisin
”Sekundääristä" sadevesirasitusta
- Roiskeista
- Valuvasta vesikalvosta
- Vuodoista
- Keskittyneestä virtausreitistä
Vaakapinnat keräävät runsaasti sadevettä
Suurta vaihtelua paikkakunnan,
ympäristön ja rakennuksen muuttuessa
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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Rakennuskosteus
Kuivumisen nopeuttaminen Työnaikainen suojaus ja kastelemisen välttäminen Riittävän kuivumisajan varaaminen (työn ajoitus) Pintakäsittelyt mahdollisimman myöhään Lämmitys ja tuuletus Ilman kuivaus Ilman kyllästysvajauksen varmistaminen
Rakennuskosteus
• Materiaalin valmistus
• Puutteellinen suojaus
• Jälkihoito
Tarvitaan työmaan
kosteudenhallintasuun-
nitelma
Aine Tasapainok. ylittävä
kosteus
Esim betoni 70-120 kg/m3
kevytbetoni 80-180
ks-laasti 250
poltettu tiili 0
tiilimuuri 70
puu 20
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kostea ilma
Ilman vesihöyrypitoisuudella on yläraja eli vesihöyryn kyllästyspitoisuus ns (T)
Lämpötilan laskiessa alle kastepistelämpö-tilan, ylimääräinen vesihöyry tiivistyy vedeksi
Ilman suhteellinen kosteus
j = (voidaan ilmoittaa myös prosentteina, esim. ilman kosteus 50% RH)
Kun ilman vesihöyrypitoisuus on ns, onvapaasta vesipinnasta haihtuvien vesi-molekyylien massavirta sama kuin ilmasta veteen palaavien molekyylien massavirta
Dynaaminen tasapaino, kyllästystila Tiettyä ilman vesihöyrypitoisuutta
n vastaava kastepistelämpötila Ts on se lämpötila, jossa
n (Ts) = ns
n s
n
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Ilman kyllästystilankosteuspitoisuus
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kostea ilmaEsimerkki 1
Ulkoilman olosuhteet talvella T = -15oC, 90 % RH
a) Ulkoilman kosteuspitoisuus onn = jns (-15oC) = 0,9 1,39 g/m3 = 1,25 g/m3
b) Ilmaa otetaan sisätiloihin ja lämmitetään + 22 oC:een
Suhteellinen kosteus on
c) Sisäilman kosteuslisä tilojen käytöstä onn = 4 g/m3
Nyt sisäilman kosteus on n = 1,25 + 4 = 5,25 g/m3
ja suhteellinen kosteus
%4,641,19
25,1
s
n
nj
%2741,19
25,5j
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kosteus materiaalissa
IMEYTYNYT(ABSORPOITUNUT)
VESIABSORPOITUNUT
KOSTEUS
ABSOR-POITUNUT
KALVO
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
K
1 Adsorptio
- Sitoutuneen veden määrä riippuu eniten :
- RH:sta
- Aineen huokosverkoston ominaispinta-alasta (m2/kg tai m2/m3)
- Aineen kemiallisesta luonteesta
- Vesihöyryn sitomiskyky = hygroskooppisuus
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
2. Kapillaarivesi
- Kapillaarivoimat imevät vettä aineenhuokosverkostoon vapaasta veden pinnasta
Reunakulma yleisesti vedelle q 0o
Veden pintajännityksen aiheuttama vetovoima ylöspäin
F = 2 p r cos q s
m
N1073 3s
r
2
r
cos2p
r
cosr2
A
Fp"imu.Kapill"
w
2
s
sq
p
sqp
Kapillaarinen nousukorkeus h saadaan voimatasapainosta
- Rakennusaineiden huokoset pieniä r 1mm
Painovoimalla ei merkitystä veden liikkumiseen
sqpp cosr2hgr w2
gr
cos2h
w
sq
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Tasapainokosteuskäyrä5 Kriittinen kosteus wK, jonka
yläpuolella kosteus siirtyy aineessa pääosin nestemuodossa
6 Kapillaarisesti imeytyvä vesipitoisuus wkap
7 Vedellä kyllästystyneen tilan vesipitoisuus wsat, jolloin koko huokostilavuus on veden täyttämä
Käyrän muoto ja pitoisuudet riippuvat voimakkaasti aineen huokosverkoston
ominaisuuksista (huokoisuus, huokoskokojakauma)
1 Monomolekyläärinen adsorptio2 Polymolekyläärinen adsorptio3 Kapillaarikondenssi4 Hygroskooppisen kosteuden yläraja
whygr (j = 98%)TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kosteuden sitoutumisen käsitteitä
Kosteuspitoisuus (vesipitoisuus) w (kg/m3) 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
Huokoskäsitteitä
Adsorptiohuokoset täyttyvät hygroskooppisesti, huokoskoko likimain d < 0,1 mm
Kapillaarihuokosissa vesi liikkuu pääosin kapillaarivoimien vaikutuksesta, 0,1 < d < 10 mm
Gravitaatiohuokosissa kapillaarivoimatpieniä, d >> 10 mm
tilavuuskoko
vuushuokostilan
wsat
ww
nw
1Skun,pitoisuusvesiMaksimi
tiheysvedenn
wS
Vedellä täyttymisaste
Huokoisuus
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Hygroskooppisia tasapainokosteuskäyriä
Betoni K25 Betoni K40
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Hygroskooppisia tasapainokosteuskäyriä
Lastulevy 610 kg/m3 EPS 31 kg/m3
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kosteuden siirtyminen aineessa
Vesi voi liikkua- painovoiman- vedenpaineen- muun ulkoisen paineen (esim. tuuli)- kapillaarivoimien vaikutuksesta- osmoottisesti puoliläpäisevän kalvon
läpi
Lumi voi liikkua- kuljettumalla ilmavirtauksen mukana- painovoiman vaikutuksesta
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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
DiffuusioDiffuusio
= Pitoisuuserojen tasoittuminen
Kosteusvirran tiheys liikkumattomassa ilmassa:
)ieropotentiaal(kohtikköäpituusyksi
muutositoisuudenvesihöyryp,Gradienttidx
d
)s/m1025D(
)s/m(ilmassaroinkerdiffuusioVesihöyrynD
)sm/kg(dx
dDg
26
2
2
n
n
)msPa/kg(T4,461
vaan,!Huom
dx
dpg
:inapotentiaalosapaine
vesihöyrynlaskeamyösvoidaanDiffuusio
talämpötilas.absjastapitoisuude
kosteus,aineestariippuvatarvot
roinkervastusvesihöyrynD
)s/m(aineellesläpäisevyyvesihöyryn
jossa,dx
dg
p
p
p
2
n
n
n
n
n
n
m
n
Huokoisessa aineessa
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Diffuusio kerroksisessa rakenteessa
Kosteusvirran tiheys ainekerroksen läpistationääritilassa (kun kosteusvirta ei muutu ajan kuluessa)
)m/s(vastusvesihöyrynroksenkerained
Z
)m(paksuusroksenkerained
Z/ddg 121212
nn
nnn
nn
nn
nn
Yksiulotteinen diffuusio moni-kerrosrakenteessa
arvotZsuoraantaulukoitu
onroksillekeraineOhuille
ZZZZZZ
jossa,Z
g
avastuksetintp
us321
usisä
nn
Huom. n = huokosilman vesihöyrypitoisuus,ei aineen vesipitoisuus
Zs + Zu < 1000 s/mpieniä, ei yleensä oteta huomioon
Vesihöyrypitoisuus huokos-ilmassa muuttuu yhden ainekerroksen matkalla vastusten suhteessa:
)(Z
Zusisä
11 nnn
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Vesihöyrynläpäisevyys n • 10-6 m2/s, esimerkkejäsuuruusluokista
Materiaali Vesihöyrynläpäisevyys n(x 10-6 m2/s)
Suhteellinen kosteus –alue (RH %)
35 - 70 70 – 80 80 – 90 90 – 95
Betoni K30
K45
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
Kalkkisementti-
laasti 1,00 1,00 1,00 1,50
Kalkkilaasti 1,00 1,00 1,50 2,50
Kevytbetoni 400 kg/m3
500 kg/m3
3,50 – 4,30
2,10 – 2,80
3,50 – 4,30
2,10 – 2,80
3,80 – 4,30
2,90 – 3,50
5,80 – 6,40
4,60 – 4,70
Havupuu Syyt ┴ 0,20 – 0,90 0,50 – 2,00 1,00 – 3,50
Puukuitulevy 280 kg/m3
1000 kg/m3
3,80 – 4,60
0,13 – 0,16
3,80 – 4,60
0,13 – 0,16
3,80 – 4,60
0,17 – 0,31
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/m3 0,90 – 1,40 0,90 – 1,40 0,90 – 1,40 0,90 – 1,40
Polystyreeni XPS25 kg/m3 0,17 – 0,23 0,17 – 0,23 0,17 – 0,23 0,17 – 0,23
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Eräiden aineiden vesihöyrynvastuksia, suuruusluokkia Zn (x 103 s/m)
dZ
Kerros Paksuus
mm
Vesihöyrynvastus
• 103 s/m
Lastulevy 10 20
Puukuitulevy 10 251)
kova 3,5 151)
puolikova 10 8 – 15
huokoinen 12 31)
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
1) RH 80 - 90 %.2) Arvot ilman
pohjamaalia. Alempi arvo RH 90 %, ylempi RH 60 %.
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
DiffuusioesimerkkiDiffuusio, esimerkki
Sisäilma T = 22oC, 50% RHn = 0,5 19,4 = 9,7 g/m3
Ulkoilma T = -10oC, 90% RHn = 0,9 2,14 = 1,93 g/m3
1 Betoni K30 n = 0,2 10-6 m2/s
2 Mineraalivillan = 20 10-6 m2/s
3 Tiilimuurin = 3 10-6 m2/s
smkg
ms
mkgg
tiheysranKosteusvir
26
666
3
/100099,0300287500000750
00777,0
/103
085,0
1020
15,0
102,0
15,0
/)00193,00097,0(
2
26
m/g26
m/kg026,030243600100099,0G
akuukaudesstaKosteusvir
RH%2,1328,17
28,2C20TJos
m/kg00228,000742,00097,0
m/kg00742,000777,0800785
000750
:saadaansaulkopinnas
änbetoniseinoisuuskosteuspitnHuokosilma
s2,1
32,1
31
n
nj
n
n
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Diffuusiovirran kondenssiDiffuusiovirran kondenssi
Mikäli huokosilman kosteuspitoisuus jossakin kohdassa rakennetta ylittää kyseisen kohdan lämpötilaa vastaavan kyllästyskosteuden ns, alkaa ylimääräinen vesihöyry tiivistyä vedeksi (= kondenssi)
Olosuhteiden jatkuessa tiivistyvän veden määrä jatkuvasti kasvaa
Suunnittelussa pyritään siihen, että :1) kondenssia ei synny lainkaan2) jos syntyy, on kertyvän kosteuden määrän oltava niin pieni, ettei siitä ole
haittaa3) 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
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
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 tiivistymiskerroksenkosteudensitomiskykyyn 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 ns (T)
3) Tarkastelukausien ulko- ja sisäilmaolot T, j, varmuustavoitteet huomioon ottaen(tulos varmalla puolella)
4) Stationääritilan vallitsevat huokosilman kosteuspitoisuudet rakennekerrostenvesihöyrynvastusten mukaan laskettuina
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
EsimerkkiKondenssilaskelmaKylmähuoneen ja varaston välinen väliseinä kesällä
3us
33s
31s
3ss
m/g80,6)T(
m/g17,7)T(
m/g49,16)T(
m/g28,17)T(
n
n
n
n
Vesihöyrypitoisuudet stationääritilassani = 0,6 17,28 = 10,37 g/m3
n1 = 10,37 j = 63%ne = 0,9 6,8 = 6,12 g/m3
%98
m/g03,7
)12,637,10(140
10007,10
%61
m/g07,10
)12,637,10(140
1037,10
m/s10140
1030105,2
25,01010Z
3
3,2
3
2,1
3
3
6
3
j
n
j
n
Rakennekerrokset
1 Maali Zn = 10 103 s/m
2 Siporex d = 250, n = 2,5 10-6 m2/s,n = 0,15 W/mK
3 Tasoite ja maali, Zn = 30 103 s/m
(Lämmönvastus sisältyy pintavastukseen)
Ri = Re = 0,10 m2K/W
C8,5C1587,1
67,12,19T
C2,19C1587,1
10,0C20T
W/Km87,110,010,015,0
25,0R
3
1
2
Lämpötilakäyrä
Kyllästyspitoisuuskäyrä
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Tiivistyvän veden määrän laskeminenKondenssilaskelmaMikäli jossain kohdassa rakennetta laskettu huokosilman kosteuspitoisuus ylittää ko. kohdan lämpötilan mukaisen kyllästyspitoisuuden, syntyy kondenssi. kondenssikohdassa ntiiv = ns(T).
Tiivistyvän veden määrä ajassa t tiiv
ti ivAB
tiivA
etiiv
B
tiiviti iv
tgg
tZZ
G
:usiKastumiska
nn
nn
Kuivumiskaudella lasketaan uudet käyrät, ja kertymäkohdan kosteuspitoisuudeksiotetaan ko. lämpötilan mukainen kyllästyskosteus nhaihd = ns
Kondenssi rajapinnassaA, B
ti ivkuiv
kuivBA
.kuivA
ehaihd
B
ihaihdkuiv
GG:Vaatimus
tgg
tZZ
G
nn
nn
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Talvikausina sisäänpäin virtaava ilmalämpenee suhteellinen kosteus laskee
Kosteuden konvektio
Konvektio syntyy ilmanpaine-erojenvaikutuksesta (kokonaispaine)
Paine-eroja synnyttää
Ilmanvaihtolaitteisto (pysyvä, pitkäaikainen)
Lämpötilaerot (savupiippuvaikutus)(pitkäaikainen)
Tuuli (lyhytaikainen, suunta vaihtuu)
Kosteus kulkeutuu virtaavan ilman mukana
Rakojen ja reikien kautta
Ilmaa läpäisevän materiaalin läpi
Ilmanpaine-ero jakaantuu rakenteen erikerroksiin ilmatiiviyksien suhteessa
Talvikausina ulospäin virtaava ilma jäähtyy suhteellinen kosteus nousee, kondenssi mahdollinen
Rakenne vaikuttaa läpivirtaaviin ilmamääriin :
Tiiviyskerrokset ja niiden yhtenäisyys
Monikerroksisuus ja rakojen osuminenkohdakkain
Materiaalien ilmanläpäisevyys
Rakennuksen vaipan ilmatiiviyttä mitataan järjestämällä jatkuva 50 Pa ilmanpaine-ero ja mittaamalla tarvittavaa ilmavirtaa (R50).Vuotokohtia voidaan talvikausinahavainnoida infrapunakameralla
Ilmanvaihtojärjestelmän tulisi luoda pieni alipaine
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Lämpötilaeron aiheuttama paine-ero
Lämmin ilma kevyempää kuin kylmäp = 9,81 • ( (Te) - (Ti)) • hp 0,043 • T • h (Pa)
1 Vaippa avoin yläosasta2 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)
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti
Kapillaarinen siirtyminenKapillaarinen 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 verrattunasuuren vesipitoisuuden alueeseen
Kaksi eri materiaalia : alipaine on suurempi aineessa, jossa veden täyttämät huokoset ovat pienempiä
koska alipaine on verrannollinen vesipitoisuuteen w (kg/m3):
Kapillaariseen imuun vaikuttaa myös aineen kemiallinen rakenne : Reunakulma q voi olla suuri (esim. silikonit)
sm/kgdx
dwkg 2
k kosteudenjohtavuus (m2/s), riippuu mm. aineesta ja kosteuspitoisuudesta
TTY Rakennustekniikka Matti Pentti