Hygrothermal Modelling of Sorption-Effects in Vapour Permeable Wood-Based Materials

Abstract

Puu on sekä historiallisesti että edelleen tärkeä rakennusmateriaali Suomessa. Puupohjaiset rakennusmateriaalit ovat kuitenkin alttiita kosteusperäisille vaurioille, jonka vuoksi erityisesti rakennusosat, joissa puumateriaaleja käytetään lähellä ulkopintaa, tulee suunnitella huolellisesti luotettavan lämpö- ja kosteusteknisen toimivuuden kannalta. Numeerinen mallintaminen on ollut viime vuosikymmenten ajan hyödynnettävissä oleva menetelmä kosteusturvallisten rakennusten ja rakenneratkaisujen tutkimuksessa, mutta siihen liittyy jatkuvasta rakennusfysikaalisten laskentaohjelmien kehitystyöstä huolimatta edelleen useita epävarmuuden lähteitä. Tässä tutkimuksessa on käsitelty tiettyjä yksityiskohtia liittyen puumateriaalien lämpö- ja kosteustekniseen käyttäytymiseen pyrkimällä kehittämään nykyisten tyypillisesti käytettyjen laskennallisten mallien tarkkuutta ja luotettavuutta.

Pääaihe työssä liittyy laskentaohjelmien tapaan ottaa huomioon hygroskooppisten materiaalien kyky sitoa ja vapauttaa kosteutta, joka aiheutuu vesihöyryn sorptioon liittyvistä ilmiöistä. Etenkin pohjoisessa ilmastossa rakennusten vaipparakenteita rasittavat vuodenajoittain voimakkaasti vaihtelevat ympäristön lämpö- ja kosteusolosuhteet. Puisten materiaalien kosteuskapasiteettiin ja käyttäytymiseen vaihtelevissa olosuhteissa on tiedetty liittyvän monimutkaisia ominaispiirteitä, joiden merkittävyys yksinkertaistuksia sisältävien laskentaohjelmien luotettavuuden kannalta on ollut epäselvä. Tutkimuksessa keskityttiin tarkastelemaan hyvin vesihöyryä läpäiseviä puumateriaaleja kuten puukuitulevyä, jota käytetään Suomessa usein puurakenteisissa ulkoseinissä lähellä rakenteen ulkopintaa tuulensuojalevynä. Aiemmissa tutkimuksissa on havaittu, että vastaavuus koerakenteista tehtyjen lämpö- ja kosteusteknisten mittausten ja simuloitujen tulosten välillä on usein epätyydyttävä juuri puukuituisten tuulensuojalevyjen ja rungon välisessä tarkastelupisteessä, joka on tyypillisesti kriittinen kohta ulkoseinärakenteen kosteusteknisessä toimivuudessa. Tutkimuksessa keskityttiin aluksi automatisoidulla sorptiovaakalaitteistolla tehtävien dynaamisten materiaalikokeiden analysoimiseen käänteisten ongelmien matemaattisilla tekniikoilla, pyrkimyksenä kyetä ottamaan lopulta huomioon rakenteiden mallintamisessa materiaalin huokosverkoston tarkastelutasolla vaikuttava lokaali epätasapaino puukuitulevyssä. Tämän ilmiön vaikutukset todettiin kuitenkin merkittävyydeltään kyseisessä materiaalissa vähäiseksi rakenteiden mallintamisessa. Merkittävämmäksi tekijäksi, joka johti laskentatulosten ja koerakennemittausten välisen vastaavuuden huomattavaan paranemiseen, havaittiin puun kosteuskapasiteetin muuttuminen lämpötilan funktiona sekä siihen liittyvä hystereesi. Näiden ominaisuuksien tutkimista varten työssä toteutettiin lämpötilakammiossa tehtävä materiaalikoe sekä arvioitiin hystereesiä koskevia tehollisia materiaaliparametrejä hyödyntäen mittausdataa aiemmista rakenteiden laboratoriokokeista.

Puukuitupohjaisilla tuulensuojalevyillä toteutettaville ulkoseinärakenteille tehtiin suuri määrä uusia kosteusteknisen toimivuuden analyysejä useiden vuosien pituisilla simuloinneilla kriittisissä mitoitusolosuhteissa sekä tulosten vertailuja, joilla pyrittiin selvittämään kuinka merkittävästi simulointiin perustuvat tutkimustulokset voivat muuttua, kun tyypillisesti käytettäviin laskentamalleihin lisätään puupohjaisten materiaalien kosteuskapasiteettia koskeva lämpötilariippuvuus ja hystereesi. Tuloksista tehtiin huojentava johtopäätös, jonka mukaan yksinkertaisempi ja tyypillisesti käytetty laskentamalli tuottaa yleisesti ottaen kriittisempiä arvioita rakenteiden kosteusteknisen toimivuudesta etenkin tapauksissa, joissa rakenteisiin kohdistuu merkittävä kosteusrasitus.

Puukuitulevyn avulla tehdyistä mittauksista saatuja tuloksia hyödynnettiin lopulta ulkoseinärakenteiden tarkasteluissa, joissa kutterinlastua käytetään lämmöneristeenä. Tarkastelut sisälsivät sekä mitoitusvuositarkasteluja että vertailuja koerakennukseen asennetuista koeseinistä tehtyjen mittausten välillä. Tulokset vahvistivat aiempia johtopäätöksiä eri laskentamallien kriittisyydestä ja luotettavuudesta.

Kirjallisuusselvityksen perusteella etenkin lämpötilariippuvuuden vaikutusta puumateriaalien kosteuskapasiteettiin kylmissä lämpötiloissa ja sen merkitystä rakenteiden toiminnassa on tutkittu hyvin vähän. Tässä työssä toteutetussa materiaalikokeessa havaittiin, että lämpötilan pudotessa puun kosteuskapasiteetti vaikuttaa jatkuvasti kasvavan, kun lämpötila laskee huonelämpötilasta kohti hyvin kylmiä olosuhteita (-20 °C). Ominaisuudella saattaa olla keskeinen rooli rakenteiden sisäisissä kosteusolosuhteissa keväisin, jolloin mahdollisesti kosteutta talven aikana kerännyt rakenne alkaa kuivua lämpötilojen noustessa ja Auringon säteilyn lisääntyessä. Rakenteiden toiminnan ymmärtämisen ja laskennallisten mallien tarkkuuden kehittämiseksi tarvitaan selvästi lisää tutkimusta tästä aiheesta.

Wood is an important building material in Finland, both historically and still at the present day. However, wood-based materials are vulnerable to moisture-induced damages, and the reliable hygrothermal behaviour of building envelopes with wooden materials near the exterior surface require careful design. Numerical modelling has been used for decades in research of moisture-safe buildings and structural solutions, but it is known for having several sources of uncertainty despite the continuous development of the modelling software. In this research, certain details regarding the hygrothermal modelling of wooden materials was studied with the goal of improving the accuracy and reliability of currently popular computational models.

The main topic of the thesis concerns the modelling of hygroscopic materials’ ability to store and release moisture due to water vapour sorption phenomena. Especially in Nordic climate, building envelopes are stressed by the seasonally changing temperature and moisture conditions of the environment. Wood-based materials and their moisture capacity are known to have intriguing characteristics, and it has been unclear how significant these are regarding the reliability of typically used simulation software, which are based on several simplifications. The work focused on studying vapour permeable wood-based materials such as low-density fibreboard, which is often used in Finland as the protective sheathing layer near the exterior surface of exterior walls. Previous studies have shown that the agreement between modelling results and hygrothermal test assembly measurements is often unsatisfactory especially in the interface between fibreboard sheathings and wall frames, which is typically also the critical point in the hygrothermal behaviour of exterior walls.

At first, dynamic sorption measurements by automated sorption balance equipment were conducted and analysed by using inverse problem techniques with the ultimate goal of implementing the effects of pore-scale local non-equilibrium in modelling of the fibreboard in building assemblies. However, this phenomenon was found to be relatively insignificant in modelling of building assemblies with fibreboard. More important factors were the temperature-dependence and hysteresis of sorption in wood. Applying these properties in modelling improved noticeably the agreement between the modelling and test assembly measurements. For studying these properties, a material test in temperature chamber was conducted and effective parameters related to hysteresis were determined by utilising measurements of previous laboratory experiments of assemblies.

Large number of new hygrothermal performance analyses based on long-term simulations in critical conditions were conducted for assemblies with fibreboard sheathings. Results of theses were compared in order to investigate how significantly the conclusions may change depending on whether the temperature-dependent and hysteretic effects are included or not in the model. This comparison resulted in a relieving conclusion, since it was seen that the typically used and more simplified model in general yields more critical evaluations for the hygrothermal performance of assemblies, which especially are stressed by severe moisture loads.

The properties obtained by experimenting the fibreboard were also applied in modelling of exterior walls with loose-fill wood shavings as thermal insulation. These computational studies contained also similar performance analyses for comparisons of different models, and analyses of exterior wall test assemblies with wood shavings insulation installed in test building. The results reinforced the earlier conclusions related to the criticality and reliability of different models.

According to the literature review, the temperature-dependency of wood’s moisture capacity is especially poorly known in cold temperatures. The temperature chamber experiment conducted in this work showed that the moisture capacity of wood seems to increase as the temperature decreases throughout the temperature range, where the conditions are gradually cooled from room temperature to very cold temperatures (-20 °C). This property may have essential role in the conditions inside structures, e.g., during spring, when the moisture possibly accumulated during winter starts to dry as the outdoor temperatures and amount of solar radiation increase. In order to advance the understanding of the hygrothermal behaviour of structures and accuracy of modelling, more research is obviously needed.