Fakulteten för teknik och samhälle
Fuktutredning av samverkanskonstruktion:
Analys av cykel- och gångbro med hjälp av fältmätningar och WUFI
Moisture Investigation of Composite Construction: Analysis of bicycle and pedestrian bridge with field measurement and WUFI
Examensarbete – Byggingenjör 180 hp
Vt-17
Christian Andersson
Gustaf Brahme
Handledare:
Anders Peterson
i
Förord
Examensarbetet är det sista examinerande momentet på Byggingenjörsprogrammet på Malmö högskola. Examensarbetet har mött motgångar och framgångar och har fortlöpt i skov. Framförallt har vi lärt oss en hel del av vårt examensarbete.
Vi vill tacka våra handledare Anders Peterson på Malmö Högskola och Abbas Khayyami på Malmö Stad, för stöd och hjälp till att genomföra detta examensarbete.
Vi vill även tacka Ludwig Lundberg, konstruktör för gång- och cykelbron ”Kajen” på ÅF konsult och Göteborg stad, för er hjälp med att dela information om projektet.
Slutligen vill vi tacka Per-Anders Fjellström på Sveriges tekniska forskningsinstitut (SP) som lånat ut mätutrustning som behövts och även feedback på vår fältmätning.
ii
Sammanfattning
Att bygga beständiga konstruktioner är ett centralt begrepp inom byggsektorn. Byggsektorn skall möta dagens behov av konstruktioner, och samtidigt finns ett behov av att komma fram med nya tekniska lösningar. Samverkanskonstruktioner är ett konstruktionssätt som medför en rad fördelar för projektering, utförande och förvaltning. Problemet med att sträva efter nya och behovsanpassade tekniska lösningar som exempelvis samverkanskonstruktioner är att metoderna inte är lika beprövade som traditionella konstruktionstyper. Detta medför att samverkanskonstruktioner utformning kan orsaka oanade konsekvenser för material i konstruktionen. I detta arbete har en samverkanskonstruktion i form av en gång- och cykelbro undersökts. Bron består av samverkande betong och trä. Intresset för denna typ av samverkan finns då den har en lägre egenvikt jämfört med rena betongbroar, men mindre underhåll av gångbanan jämfört med träbroar. Till skillnad från betong- och träbroar föreligger det i Sverige en brist på erfarenhet av denna samverkanskonstruktion. Rapporten har fokus på fuktvandring och fukt i trä med avseende på teknisk livslängd. För att utreda eventuella risker med avseende på fuktvandringar och fukt, utfördes fältmätning och simulering i programmet WUFI Pro 6.0 av en referenskonstruktion belägen i Göteborg.
Arbetet gav indikationer på att konstruktionslösningen betong och trä går att genomföra, dock med rekommenderad försiktighet vid utformning. Hur förhöjda fuktkvoter påverkar den tekniska livslängden kunde ej fastställas då detta beror på flertalet faktorer. För fuktvandringen i konstruktionen hittades inget samband som visade något entydigt resultat, då simulering visade en fuktvandring från betong till trä medan fältmätning inte visade något sådant. Däremot visade både simulering och fältmätning att ytfuktkvoten i träet vid fältmätningsdatum var under uttorkning. Arbetets slutsats var att referensobjektets tekniska livslängd sannolikt inte kommer påverkas nämnvärt av fuktinnehållet i trädetaljerna utan kommer att avgöras av tillverkarens beräknade tekniska livslängd för träet.
iii
Abstract
Durable constructions is a key concept in the modern building sector. At the same time constructions needs to meet the demands of modern building techniques. This means that the building sector needs to develop new technical solutions. Composite constructions is a technical solution that simplifies project planning, production and facility management. The problem with striving for new technical solutions like composite constructions is that the methods are not as proven as traditional technical solutions. This could bring unexpected consequences to the different materials in the construction.
This report aims to investigate a composite construction in the form of a bicycle and pedestrian bridge. The materials used in the composite construction is concrete and wood that gives the bridge a lower self-weight compared to concrete bridges, but requires less maintenance of the roadway than a wooden bridge. The reason for the investigation is the lack of experience in Sweden of this construction type. The report focuses on moist transport and moisture in wood with regard of technical life length. To investigate possible hazards, a field investigation and a computer simulation was made of a reference construction situated in Gothenburg. The field investigation consisted of a resistance measurement of wooden details in the composite construction. The simulation was made with the aid of the program WUFI Pro 6.0. The report indicated that the technical solution with concrete and wood is a doable construction type, but caution must be regarded in the design of the bridge. The moisture transport could not be determined due to different results in the simulation and field measurement. The report concluded that the technical life length is not going to be compromised due to the moisture content in wooden details.
iv
Begrepp
Uttryck
Förklaring
Fiber reinforced plastic (FRP) Komposit av plast, t.ex. glasfiber.
Fungicid Ämnen som är giftiga för svampar.
Målfuktkvot Används som bör-värde av
medelfukt-kvoten vid beställning av virke.
RF Relativ fuktighet.
Termodiffusion Separation av gasblandningar driven av
temperaturskillnad i gaser.
Transportkoefficient Används som en del av Ficks lag vid
v
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Objektsbeskrivning ... 3
1.3 Syfte och avgränsningar ... 5
1.3.1 Syfte ... 5
1.3.2 Avgränsning ... 6
1.4 Metod och genomförande ... 6
2 Teori ... 7 2.1 Fukttransport ... 7 2.1.1 Fukttransport i gasfas ... 7 2.1.2 Fukttransport i vätskefas ... 9 2.2 Träets fuktinnehåll ... 11 2.2.1 Fysikalisk nedbrytning ... 12 2.2.2 Biologisk nedbrytning ... 13
2.2.3 Försämrade elastiska och plastiska egenskaper ... 15
2.2.4 Fuktbetingade rörelser ... 16 2.3 Tryckimpregnering ... 17 3 Fältmätningmetoder ... 19 3.1 Mättekniker ... 19 3.1.1 Torrviktsmetoden ... 22 3.1.2 Resistansmätare ... 22 3.2 Tillvägagångssätt för fältmätning ... 23 4 Datorsimulering ... 26 4.1 WUFI PRO 6.0 ... 26 4.1.1 Skapande av konstruktionssnitt ... 26
4.1.2 Beräkningsperiod och klimat ... 27
4.1.3 Beräkning ... 28 4.2 Simuleringsmodell ... 28 4.2.1 Beräkningsmodeller ... 31 5 Resultat ... 33 5.1 Fältmätningsresultat ... 33 5.2 Simuleringsresultat ... 37
6 Analys och diskussion ... 44
6.1 Fältmätning ... 44
6.1.1 Felkällor vid fältmätning ... 45
6.2 Simulering ... 45
6.2.1 Felkällor vid simulering ... 46
6.3 Jämförelseanalys fältmätning och WUFI ... 46
6.4 Förslag till fortsatt arbete ... 47
7 Slutsats ... 48
Referenser ... 49
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Samverkanskonstruktioner är något som används kontinuerligt i byggbranschen. En av de mer flitigt använda typen av samverkan är mellan armeringsstål och betong. I armerad betong är det betongens tryckhållfasthet i kombination med armeringsstålets draghållfasthet som ger en önskvärd egenskap i konstruktionen, detta medför att materialens olika beskaffenheter utnyttjas. Att använda samverkanskonstruktioner kan vara ett bra alternativ vid byggande, men medför utmaningar. Utmaningar i form av att det är svårt att få samverkan mellan de ingående materialen och att kombinationen av material kan föra med sig okända konsekvenser. Länder som Sverige, Danmark, Norge och Finland har olika tradition av träbyggande och samverkanskonstruktioner av trä. Särskilt Sverige och Danmark har varit återhållsamma med att utveckla nya metoder för detta, i Danmark har trä använts främst i designsyfte (Nord, 2013). Finland som efter andra världskriget hade ett stort behov av att bygga nya broar började konstruera dessa i trä (Abelson, et al., 1998). Detta ledde till en utveckling av brobyggande i trä som gjort att man i Finland blivit mer bekväm med dessa typer av konstruktioner och samverkanskonstruktioner (ibid.). En typ av samverkans-konstruktion som inspirerats av finskt brobyggande har nyligen uppmärksammats i Sverige. Denna typ av samverkanskonstruktion är ett resultat av bland annat Jutila m.fl’s försöks-konstruktion (1997) som baseras på samverkan mellan betong och trä.
Att bygga beständiga konstruktioner har varit och är ett centralt begrepp inom byggsektorn. En konstruktions beständighet påverkas starkt utifrån vilka material som används och vilka tekniska lösningar som tillämpas. Tekniska lösningar som lämpar sig vid vissa geografiska och tekniska förutsättningar lämpar sig inte nödvändigtvis vid andra. En faktor som påverkar hur en teknisk lösning är fukt och problematiken den medför. Ett exempel som ledde till fuktproblem var enstegstätade träregelhus (Boverket, 2009).
De uppförda enstegstätade träregelfasadernas uppfyllde inte de senaste kraven som ställs från BBR med avseende på fukt. BFS 2011:6 BBR18 kap 6:51 Allmänna råd säger att:
”Byggnader ska utformas så att fukt inte orsakar skador, lukt eller mikrobiell växt som kan påverka hygien eller hälsa (BFS 2014:3)”
BBR 6:52 ställer krav på att kombinationen av platsgjuten betong och konstruktionsdelar av trä. Relativ fuktighet under uttorkningstiden av betongen får inte överstiga det högsta tillåtna relativa fukttillståndet i virket, enligt BBR är det 75 % RF om inte virket är väl undersökt och dokumenterat.
Enligt BFS 2011:6 BBR18 kap 6:52 Högsta tillåtna fukttillstånd, ställs följande krav:
”Högsta tillåtna fukttillstånd är den övre gräns där fukt inte kan förväntas orsaka skador som påverkar hygien och hälsa. Vid bestämning av högsta tillåtna fukttillstånd skall kritiska fukttillstånd användas varvid hänsyn skall tas till osäkerhet i beräkningsmodellen, ingångsparametrar eller mätmetoder. För material och produkter där mögel och bakterier kan växa skall man använda kritiska fukttillstånd som är väl undersökta och dokumenterade. Vid bestämning av kritiska fukttillstånd ska hänsyn tas till eventuell nedsmutsning av materialet
2
eller produkten. Om det kritiska fukttillståndet inte är väl undersökt och dokumenterat skall en relativ fuktighet (RF) på 75 % användas som kritiskt fukttillstånd (BFS 2014:3)”
I september 2014 påbörjades planering för att bygga en ny gång och -cykelbana i Eriksberg i Göteborg. Gång och -cykelbanan var planerad att löpa 200 meter längs vattnet. Produktionen skulle ske i två etapper där 100 meter byggdes per etapp. Förutsättningar för den tekniska lösningen var att konstruktionen skulle vara prefabricerad, ha låg egenvikt, kunna utformas etappvis och byggas på kort tid.
Utifrån dessa förutsättningar valdes en teknisk lösning i form av en samverkanskonstruktion. Samverkanskonstruktionen utgjordes av tryckimpregnerat trä, höghållfasthetsbetong armerad med fiberförstärkt plast (FRP) samt stålarmering för förankring mellan limträbalkarna och betongen, se Figur 1 och Figur 2.
Figur 1 Principmodell över två skivstöd
3
1.2 Objektsbeskrivning
Samverkanskonstruktionen löper längs med Göta älv och är helt väderexponerad. Situationsp-lanen visar orienteringen med norrpil, se Figur 3.
Figur 3 Situationsplan där röd rektangel anger byggområdet. Bild från ritning1
I konstruktionen har limträbalkar lagts ovanpå betongfundament. På limträbalkarna har sedan FRP-armerad höghållfasthetsbetong gjutits i en permanent träform, vidare förankrades limträet med stålarmering i betongen.
Betongen är höghållfasthetsbetong med vct 0.4 och lagd med ett fall på 1:200, vinkelrätt brons längdriktning eller från vänster till höger på Figur 4. Betongen i sig är armerad med FRP-fiber. Betongen har gjutits ovanpå en permanent form som ligger i våg med limträbalkarna, se Figur 4.
Figur 4 Principskiss av limträbalkar och fast form. Bild från ritning2
Samverkan mellan betongen och träet sker med armering som borrats ner i träet och gjuts in i betongen, se Figur 5. Streckad linje är den delen av armeringsjärnet som är nedborrat i limträbalken och heldragen linje är den delen som gjuts in i betongen.
1 Bygglovshandling, Västra Eriksberg: Området ”kajen”, skivstöd och kajöverbyggnad del l, nr 1005/06-5711
(2017-05-16)
2 Bygglovshandling, Västra Eriksberg: Området ”kajen”, skivstöd och kajöverbyggnad del l, nr 1005/06-5738
4
Figur 5 Armering mellan limträbalkar och betong för att skapa samverkan. Bild från ritning1
PE-folie är placerat mellan betongen och limträbalkarna. Limträbalkarna är av furu (Pinus
sylvestris) och är lamellimpregnerat. Efter impregneringen har lamellerna fingerskarvats.
Tryckimpregneringen som används för trädetaljerna i konstruktionen är Wolmanit CX-8 som är godkänt av EU för tryckimpregnering (KEMI, 2017.a). De aktiva beståndsdelarna i Wolmanit CX-8 är koppar HDO och bor (ibid.).
Limträbalkarna är monterade på skivstöd och monteras fast med bultar. Mellan limträbalken och skivstöden placerades ett gummilager, se Figur 6 och Figur 7.
Figur 6 Skivstöd för upplag av limträbalkar. Bild från ritning2
1 Bygglovshandling, Västra Eriksberg: Området ”kajen”, skivstöd och kajöverbyggnad del 1 m m, nr
1005/06-5737 (2017-05-16)
2 Bygglovshandling, Västra Eriksberg: Området ”kajen”, skivstöd och kajöverbyggnad del l, nr 1005/06-5732
5
Figur 7 Montagedetalj för limträbalk mot skivstöd. Bild från ritning1
1.3 Syfte och avgränsningar
1.3.1 Syfte
Syftet med detta arbete är att utreda hur fukt påverkar en specifik samverkanskonstruktion. Det finns sedan tidigare en brist av erfarenhet i Sverige kring denna typ av samverkanskonstruktion och hur den blir påverkad av väderexponering i svenska kustförhållanden.
För att besvara syftet kommer följande frågor utredas:
Hur påverkas träet i konstruktionen, med avseende på fukt?
Vilket konstruktionstvärsnitt, över stöd eller mellan stöd, löper störst risk för fuktpåverkan?
Hur ser eventuell fuktvandring i valda tvärsnitt ut i konstruktionen?
Hur klarar sig tvärsnitten vid eventuell fuktpåverkan med avseende på teknisk livslängd? Det vill säga tiden tills konstruktionsdelar behöver underhåll för att bibehålla sin tekniska funktion.
1 Bygglovshandling, Västra Eriksberg: Området ”kajen”, skivstöd och kajöverbyggnad del l, nr 1005/06-5732
6
1.3.2 Avgränsning
Detta arbete behandlar en specifik konstruktion där ett antal specifika tvärsnitt kommer att undersökas. En fuktutredning av konstruktionen som helhet kommer inte att göras utan ske på ett antal på förhand valda punkter. Konstruktionens lokalisering ger ett specifikt utomhusklimat som påverkar resultatet av undersökningen. Fuktsimuleringen utförs med hjälp av programmet WUFI Pro 6.0 där programvaran och eventuell indata som används kan påverka resultatet. Fältundersökningens resultat påverkas av mängden utförda mätningar och årstiden. Nödvändig indata för beräkning av samverkanskonstruktionen i WUFI tillhandahålls av företaget ÅF och via litteratur.
1.4 Metod och genomförande
En litteraturstudie utfördes för att få en övergripande förståelse för de problem som kan uppstå på grund av fukt. Denna studie inkluderade även hur fukten transporteras. För att undersöka om undersökningsobjektet löpte risk för fuktskador utfördes två typer av undersökningar. Dels en datorsimulering i programmet WUFI Pro 6.0 och dels en fältmätning.
För att kunna genomföra simuleringen i WUFI Pro 6.0 samlades information från andra användare samt utvecklaren Fraunhofer IBPs manual. Simuleringen i WUFI användes för att undersöka fuktvandringen och fukttillstånd i konstruktionen.
Fältmätningen utfördes utifrån de råd och instruktioner som SP (Sveriges Tekniska forskningsinstitut) utgivit. Tvärsnitten som valdes för undersökningarna valdes efter litteraturstudier samt i samråd med Per-Anders Fjellström, expert på träbroar inom avdelningen träteknik och träbyggande på SP. Fältmätningen utfördes för att få en uppfattning om fuktvandringen och att få en nulägesrapport. Under fältmätningen utfördes även okulär inspektion över konstruktionen för att kontrollera eventuella avvikelser.
Med resultaten från WUFI-simuleringen och fältmätningarna gjordes en bedömning av risken för de eventuella problem som fukt kan innebära och i form av minskad teknisk livslängd.
7
2 Teori
2.1 Fukttransport
För drivkrafterna bakom fukttransport kan en eller flera potentialskillnader påverka fuktflödet och fuktflödesriktningen (Nevander & Elmarsson, 2006). Potentialskillnader för fukttransport kan bl.a. vara ångtryck, ånghalt, fukthalt och temperatur (ibid.). Fukttransport som sker på grund av dessa potentialskillnader kan i stora drag delas in av transport av vatten i vätskefas och vatten i gasfas (Petersson, 2013).
2.1.1 Fukttransport i gasfas
I gasfas kan transporten ske antingen genom diffusion eller genom konvektion (Petersson, 2013). Både diffusion och konvektion är beroende på mängden vattenånga det är i luften (Burström, 2007). Mängden vattenånga mäts i enheten kg/m3 och beror på vilken temperatur det är i luften. Varmare luft kan hålla större mängd vattenånga (Petersson, 2013). Varje temperatur kan ta upp en specifik mängd vattenånga, detta kallas mättnadsånghalt (Burström, 2007). Om mättnadsånghalten överstig fälls vattnet ut från luften t.ex. genom kondens (ibid.).
2.1.1.1 Diffusion
Diffusion är en linjär förflyttning där områden med hög ånghalt flyttar vattenångan mot områden med låg ånghalt enligt (2-1) (Burström, 2007).
(2-1)
fuktflödestätheten [kg/m2 s]
ånggenomsläppligheten för materialet [m2/s
materialskiktets tjocklek [m]
skillnaden i ånghalt på båda sidorna om skiktet [kg/m3
För att beräkna diffusionen genom fler än ett material summeras alla konstruktionsdelars ånggenomgångsmotsstånd enligt (2-2).
(2-2)
ånggenomgångsmotsståndet för material i [s/m]
Ånghaltsdifferensen är beroroende av temperaturskillnaden mellan konstruktionsdelarna och vilken differens i relativ fuktighet delarna har (Petersson, 2013). Relativ fuktighet (RF) är ett procentuellt mått på hur stor mängd aktuell vattenånga det är i luften kontra vilken mättnadsånghalt luften har enligt (2-3) (ibid.).
(2-3)
8
Vattenånga som transporteras via diffusion kan leda till skador i konstruktioner, eftersom luft inte kan hålla mer vattenånga än mättnadsånghalten, som är beroende av temperaturen kan vattenutfällning eller kondens uppstå i isolerade väggar eller i svala konstruktionsdelar (Petersson, 2013). Mängden fukt som utfälls i konstruktionsdelar är beroende av fuktflödes-tätheten in i konstruktionstvärsnittet och fuktflödestätheten ut enligt (2-4) och (2-5) (ibid.).
( ( )) (2-4)
ånghalten på konstruktionens insida
( ) Mättnadsånghalten för temperaturen i kondensationssnittet x
ånggenomgångsmotståndet fram till kondensationssnittet x
( ( ) ) (2-5)
( ) Mättnadsånghalten för temperaturen i kondensationssnittet x ånghalten på konstruktionens utsida
ånggenomgångsmotståndet ut från kondensationssnittet x
Den kondenserade mängden fukt [kg/m3] fås genom (2-6).
( ) (2-6)
= kondensationstid i sekunder
Uttorkningstiden i konstruktionsdelar som blivit utsatta för vattenfällning på grund av diffusion torkar ut, i dagar, genom förhållandet (2-7).
där (2-7) ( ( ) ) ( ( ) )
Ångtransporten kan bara ske då temperaturen i kondensationssnittet blivit så pass hög att mättnadsånghalten inte längre är nådd (Petersson, 2013). Detta gör att fukttransporten från högre ånghalt mot den lägre ånghalten återupptas (ibid.).
2.1.1.2 Konvektion
Konvektion sker då luft med en viss RF transporteras från en plats till en annan genom antingen läckage, ventilation eller fläktar (Petersson, 2013) och ges av (2-8).
(2-8)
Det konvektiva luftflödet [kg/s] luftflödet [m3
/s]
ånghalten i luften [kg/m3
9
Kondensation som är orsakad av konvektion är beroende på luftflödet (Petersson, 2013) enligt (2-9).
( ( )) (2-9)
ånghalt i inomhusluften [kg/m3]
( ) mättnadsånghalt för utomhusluften vid temperaturen [kg/m3]
Kondens som sker på grund av konvektion förekommer då konstruktionsdelar kyler ner luften runt om konstruktionen till en sådan grad att mättnadsånghalten överskrids (Petersson, 2013). Att materialet har en svalare temperatur än omgivningen kan bero på flera faktorer bl.a. nattutstrålning, köldbryggor eller utsidan av välisolerade konstruktionsdelar (ibid.). Relationen av hur mycket vattenånga [kg/m2 s] som kondenserar mot ytor enligt (2-10).
( ( )) (2-10)
ångöverföringskoefficient [m/s]. Schablonvärde för påtvingad konvektion = 0.017 m/s (Petersson, 2013)
ånghalt i omgivande luft [g/m3]
( ) mättnadsånghalt för yttemperatur [g/m3]
Avdunstning av ytkondens sker då mättnadsånghalten vid ytan är högre än ånghalten i omkringliggande luft ges av (2-11).
( ( ) ) (2-11)
ångöverföringskoefficient [m/s] ånghalt i omgivande luft [g/m3
]
( ) mättnadsånghalt för yttemperatur [g/m3]
2.1.2 Fukttransport i vätskefas
I vätskefas kan fukttransport ske i form av yt- och grundvatten eller kapillärtransport (Petersson, 2013). Ytvatten kan transporteras in i konstruktioner med hjälp en eller flera av potentialskillnaderna vattenövertryck, vindtryck och kapillärtransport (ibid.). Vattenövertryck artar sig antingen i form av grund- och/eller ytvatten som trycker mot konstruktionen eller temporära vattenövertryck i form av regn (Nevander & Elmarsson, 2006).
2.1.2.1 Vattenövertryck
Vattenflödet i kg/s orsakat av temporärt vattenövertryck mot tunn skiva beräknas med uttrycket (2-12). √ (2-12) arean av otätheten [m2 ] avbördningskoefficient [-] vattnets densitet [kg/m3 ] tryckhöjd [m] gravitationskonstanten [m/s2]
10 2.1.2.2 Kapillärsugning
Kapillärsugning sker då vatten binds mot material och bildar en vattenyta (Nevander & Elmarsson, 2006). Vattnet rör sig i porsystemet med det undertryck som uppstår under vattenytan (ibid.). För att kapillärsugning ska förekomma krävs det ett porsystem som är så pass finkornigt att det kan bildas en så pass stark bindning att vattenytan bildas (Petersson, 2013). Finare porsystem har en hög stighöjd men med en låg stigningshastighet (ibid.)
För cirkulära rör ger det uppståndna undertrycket ett visst vätsketryck i som kan beskrivas med (2-13).
( ) (2-13)
ytspänning [N/m]. Temperaturberoende. radien [m].
randvinklen [grader].
För vanliga byggnadsmaterial utan behandling sätts randvinkeln dvs. ( ) (Nevander & Elmarsson, 2006). Den vertikala stighöjden i meter beräknas med (2-14).
(2-14)
vattnets densitet [kg/m3]. Temperaturberoende.
För vertikal kapillärsugning motverkar gravitationen stighöjden (Burström, 2007).
För att beräkna tiden [s] i förhållande till inträngningsdjupet [m] för ett material används materialets motståndstal m som mäts i s/m2 (ibid.) enligt (2-15).
(2-15)
eller
√
Motståndstalet är ett empiriskt framtaget värde för det specifika materialet (Burström, 2007). Fukten som kommer in i konstruktioner eller på ytorna av konstruktionsdelar adsorberas av materialet (Burström, 2007). Adsorption sker med van der Waals krafter mellan vätskemo-lekyler och byggnadsmaterial (Nevander & Elmarsson, 2006). Mängden absorberat vatten i konstruktionsmaterialet avgörs av mängden adsorberat vatten och mängden vatten som kapillärkondenerar (ibid.). Kappilärkondensation beskrivs av Thomsons formel (2-16).
11 där (2-16) RF ytspänning [N/m] radie [m]
molvikt för vatten [kg/k mol] vattnets densitet [kg/m3
] värmemotstånd [m2 K/W] absolut temperatur [K]
2.2 Träets fuktinnehåll
Fukt kan påverka en träkonstruktion på olika sätt och för en konstruktör gäller det att ha fukten i åtanke i ett tidigt skede för att minska dess inverkan (Nevander & Elmarsson, 2006). Vatten kan missfärga material som ger fläckar som är svåra att avlägsna. De kan även ge upphov till fysikalisk och biologisk nedbrytning, obehaglig illaluktande doft, försämra ett materials elastiska och plastiska egenskaper och göra att materialet rör sig på ett oönskat sätt s.k. fuktbetingade rörelser (ibid.).
Enligt BFS 2011:6 BBR18 kap 6:52 ”Högsta tillåtna fukttillstånd” får den relativa fuktigheten i virke inte överstiga 75 %. Detta gäller då virket inte är väl dokumenterat och undersökt så att det klarar en högre relativ fuktighet.
Hur mycket fukt som kan lagras i materialet innan materialet tar skada eller förlorar sina egenskaper kallas kritiskt fukttillstånd (Burström, 2007). Det kritiska fukttillståndet varierar från material till material och anges i RF (ibid.). För att ta reda på vilken RF materialet har krävs det att materialets fukthalt är känt (ibid.) Fukthalten mäts i kg/m3
och beskriver förhållandet mellan förångningsbart vatten och materialets volym (ibid.). Förångningsbart vatten är det vatten som vid 105 C förångas och lämnar porerna (ibid.). Resterande vatten kallas kemiskt bundet vatten och beskrivs med (2-17) (ibid.).
(2-17)
Vatten i material kan också beskrivas med en fuktkvot (Burström, 2007). Fuktkvoten beskriver i kg förhållandet mellan det förångningsbara vattnets vikt jämfört med materialets torra vikt och beräknas med (2-18) (ibid.).
(2-18)
12 (2-19) fukthalt [kg/m3 ] materialets densitet [kg/m3 ] fuktkvot [kg/kg]
RF i material uppskattas genom diagram där y-axeln beskriver materialets fukthalt och x-axeln materialets RF (Burström, 2007), se Figur 8. I figuren finns två kurvor som beskriver i vilket jämviktsförhållande materialet befinner sig (ibid.). Dessa kurvor kallas sorptionskurvor varav en kurva beskriver då materialet håller på att fuktas upp (nedre kurva), adsorption, och den andra kurvan beskriver när materialet börjar torka (övre kurva) för att anpassa sig till rådande omgivning, desorption (Nevander & Elmarsson, 2006). Fenomenet mellan adsorptionskurvan och desoptionskurvan kallas hysteres och beskriver att jämvikten till omgivningen inte sker på samma sätt för uppfuktning och uttorkning (ibid.).
Figur 8 Sorptionskurva. Furu; Densitet 510 kg/m3 (Träguiden, 2003.a)
2.2.1 Fysikalisk nedbrytning
Fysikalisk nedbrytning syftar till att ett material blir angripet av ett fysikaliskt angrepp. Ett sådant angrepp kan exempelvis ske genom frostsprängning. Om vatten tränger in i ett trämaterial och fyller dess porsystem till en sådan grad att fibermättnadspunkten nås uppstår en risk med frostsprängning (Nevander & Elmarsson, 2006). Om vattnets temperatur sjunker till under noll grader Celsius och vattnet fryser till is, expanderar detta och kan ge upphov till sprickor i träet (ibid.). För att detta skall kunna uppstå måste träets porsystem vara fyllt till den grad att isen inte har tillräckligt expansionsutrymme (ibid.). Om porsystemet är fyllt med en tiondels luft finns det teoretiskt sett expansionsutrymme för isen (ibid.). Det räcker dock inte att det totala utrymmet finns utan utrymmet måste vara jämt fördelat över hela porsystemet för att risken för frostsprängning inte skall uppstå (ibid.).
En annan faktor som kan ge upphov till fysikalisk nedbrytning är salt. Det finns flera sätt för salter att komma i kontakt med konstruktioner. Saltet transporteras via ett medium som exempelvis vatten. På så sätt kan salt tränga in i ett material genom kapillärsugning, förorenat regn och stänk från hav (Espinosa-Marzal & Scherer, 2013). När saltet kristalliseras kan det
13
ge upphov till missfärgningar och saltsprängning, då saltet expanderar när det går från flytande till fast fas och skapar ett tryck i porsystemet (ibid.).
2.2.2 Biologisk nedbrytning
Biologisk nedbrytning syftar till exempelvis bakterier, insekter, mögel- och rötsvampar som i den här texten benämns svampar (Nevander & Elmarsson, 2006). Risken för ett biologiskt angrepp på ett byggnadsmaterial påverkas av mer än bara den relativa fuktigheten (Johansson, et al., 2005). En karaktäristisk egenskap hos till exempel svampar är att de använder sig av sporer för att sprida sig (ibid.). Sporer finns alltid i luften och kan sedimentera på material och få fäste. För att sporerna skall kunna växa behöver sporen/svampen en miljö som den kan föröka sig i (ibid.). Ett krav är att svampen behöver näring, detta kan vara byggnadsmaterialet i sig men även smuts på materialet kan vara en näringskälla för mögelsvampen (ibid.). Andra kriterier för att påväxt skall kunna ske är pH-värde, temperatur och tillgång till syre (ibid.). För varje art och temperaturnivå finns det ett värde på minimängden fukt som måste finnas för att arten skall kunna växa (ibid.). Tillväxten av svampar sker i olika stadier vilket gör att tillväxten är beroende av tiden (ibid.).
Chang m.fl. (1995) studerade mögelangrepp på byggnadsmaterial som torkades i olika hastigheter. Studien visade på att material som blivit uppfuktade till ett mycket gynnsamt klimat för svamppåväxt och sedan uttorkats snabbt med fläktar inte utsätts för svampangrepp (ibid.). När de sedan lät ett material uppfuktas och sedan lät materialet långsamt torkas ut hade mögelangrepp påbörjats (ibid.). Studien visade på att även vid gynnsamma miljöer för svampangrepp, så behövde inget angrepp ske (Johansson, et al., 2005). Detta visar på att svampar ofta har en latensperiod innan svampen börjar växa (ibid.). Uttorkningstiden för att inget angrepp skall inträffa bör begränsas till 2-3 dagar (Horner, et al., 2001).
I Johanssons studie (2003) kunde även påvisa att ett tidigare uttorkat icke angripet material kunde angripas snabbare av svampangrepp än ett helt nytt material som aldrig tidigare utsatts för fukt. I vissa fall hade även virket redan vid försökets början angripits av svamp (ibid.). Som tidigare nämnts kan smuts medverka till ett svampangrepp. Smuts kan utfällas på ett material med hjälp av termodiffusion och därmed smutsa ner ett till synes skyddat material (Nevander & Elmarsson, 2006).
Chang m.fl. (1996) utförde en studie där de studerade svampangrepp på glasfiberboard och galvaniserat stål som tillfördes organiskt damm. Denna studie visade på att material som har god beständighet mot svampangrepp ändå kan utsättas för angrepp (ibid.). Studien utfördes i klimat på 90-97 % RF och 21 oC (ibid.). Svampangrepp kan också uppstå på material som befinner sig i lägre fuktnivåer enligt Grant m.fl. (1989). Grant m.fl. (1989) studerade tapet i miljöer med låg relativ fuktighet som tillfördes näring. Tapeten angreps sedan av svampangrepp (ibid.). Detta indikerar på att tryckimpregnering inte hindrar mögelpåväxt men minskar risken för att svampangrepp (Nevander & Elmarsson, 2006). Då det är svårt att exakt avgöra när ett angrepp sker klassificeras riskzoner i form av ingen risk, liten till måttlig risk och stor risk (ibid.). För riskerna används både fuktkvot och RF. För översikt av gynnsamma förhållanden på normalt konstruktionsvirke se Tabell 1 (ibid.).
14
Tabell 1 Översikt över risk för tillväxt av röta och mögelsvamp vid för tillväxt gynnsam temperatur. Från
Nevander & Elmarsson (2006)
Risk
Ingen Liten-måttlig Stor
Röta Fk1 % <16 16-25 >25 RF % <75 75-90 >95 Mögel Fk1 % <15 15-20 >20 RF % <70 70-85 >85 1 Fuktkvot
Ett svampangrepps omfattning varierar med vilka miljöförhållande som råder. Enligt Pasanen m.fl. (2000) är groningstiden för svampar längre i förhållanden som varierar mellan uppfuktning och torka. Angreppet blir alltså större vid konstanta fuktförhållanden. Hur hög risk vid de olika temperaturerna i förhållande till fuktkvot och RF visas i Figur 9 (Nevander & Elmarsson, 2006).
Figur 9 Risk för mögelpåväxt vid olika fukttillstånd för virke som hanterats på ett omsorgsfullt sätt. Värdena för
lägre temperaturer är mycket osäkra. Från Nevander & Elmarsson (2006)
Pasanen m.fl. (2000) kunde också påvisa att ju snabbare uttorkning av materialet, desto sämre livskraft var det hos svamparna. En långsam uttorkning gav svampen möjlighet till anpassning för att överleva vid lägre fukthalter (Pasanen, et al., 2000). Detta påvisar att vid återkommande perioder av gynnsamma förhållanden ökar risken för tillväxt av svamp (Johansson, et al., 2005).
15
En faktor som kan hämma eller hindra ett svampangrepp på trä är att träet behandlas med någon fungicid (Johansson, et al., 2005). Virket kan även få förändrad motståndskraft genom olika torkningsmetoder (Terziev, 1996) eller om virket sågas (Viitanen, 1994).
Figur 10 kan användas som underlag för bedömning av risken för ett svampangrepp vid varierande fukttillstånd och temperatur i trä (Viitanen, 2004).
Figur 10 Diagram över kritiskt fukttillstånd med hänsyn tagen till temperaturnivå och varaktighet hos
fukttillståndet. Baserad på data från Viitanen (1996) och Smith & Hill (1982), sammanställt av Lars-Olof Nilsson (2009).
Insekter och bakterier är ofta något som angriper redan svampangripet trä (Träguiden, 2003.b). Bakterier som angriper trä är svårt att undvika enligt Lundström (1984) då bakterier finns i de flesta miljöer. Bakterier angriper trämaterial som står i direktkontakt med mark eller vatten och gör ingen skada på träets hållfasthet men ett angrepp ökar träets permeabilitet som leder till en ökad upptagning av vatten (Träguiden, 2003.b). Insekter orsakar snabbt skador på trä genom att de gnager sig genom träet (Svensson, 2013). Insektsangrepp kan ske i fuktskadat, friskt och impregnerat virke då insekter som hästmyra bygger bo i virket (Svensson, 2013). Insekter ger upphov till missfärgningar och skador på ytskikt (Lekander & Jermer, 1991).
2.2.3 Försämrade elastiska och plastiska egenskaper
När trä och träprodukter utsätts för en varierande och ökande fukthalt minskar dess hållfasthet och medför större elastiska och plastiska deformationer (Nevander & Elmarsson, 2006). Vid
16
ökande fuktinnehåll försämras dessa egenskaper. Generellt sett kan det sägas att tryckhåll-fastheten och krypningen påverkas mer än draghålltryckhåll-fastheten vid fuktvariationer och ökat fuktinnehåll (Träguiden, 2003.c). Tabell 2 visar en ungefärlig ändring av tryck- och draghållfastheten hos felfritt trä.
Tabell 2 Ungefärlig ändring av egenskaperna hos felfritt trä när fuktkvoten ändras med en procentenhet
(Träguiden, 2003.c). Exempelvis om fuktkvoten ökar med 3 % minskar samtliga egenskaper med 3 gånger ändringen, dvs för tryckhållfastheten blir minskningen 15 %.
Egenskap Ändring [%] Tryckhållfasthet i fiberriktningen 5 Tryckhållfasthet tvärs fiberriktningen 5 Böjhållfasthet 4 Draghållfasthet i fiberriktningen 2,5 Draghållfastheten tvärs fiberriktningen 2 Elasticitetsmodul i fiberriktningen 1,5
De mekaniska egenskaperna påverkas endast upp till fibermättnadspunkten d.v.s. fuktkvot över 30 % (Träguiden, 2003.c).
2.2.4 Fuktbetingade rörelser
Trä är ett anisotropt material vilket innebär att materialet beter sig olika i olika riktningar (Burström, 2007). Riktningarna bedöms efter fibrerna i träet, tangentiellt-, radiellt och parallellt med fiberriktningen (ibid.). För fuktbetingade rörelser är det den tangentiella riktningen som påverkas mest följt av radiella riktningen och påverkas minst parallellt med fiberriktningen (ibid.). Eftersom träets fuktkvot för uttorkning och uppfuktning befinner sig i en hystereskurva är det viktigt att veta i vilket tillstånd träet befinner sig, detta eftersom fuktbetingade rörelser i trä bara påverkas av mängden vatten som avges eller upptas (ibid.).
Olika träslag har olika fibermättnadspunkter och olika tendenser för att krympa. Krympningen beskriv i procent och betecknas 𝛼𝑓 (Burström, 2007). Furu, som är det vanligaste träslaget för tryckimpregnering i klass A, krymper i tangentiell riktning 7.7 %, radiell riktning 4.0 % och parallellt med fiberriktningen 0.4 % (ibid.).
För krympning gäller enligt (2-20) (Burström, 2007).
För svällning gäller ∆𝛼 =|𝑢2− 𝑢1| 𝑢𝑓 ∙ 𝛼𝑓 (2-20) ∆𝛼 = |𝑢2− 𝑢1| 𝑢𝑓 ∙ 𝛼𝑓 1 − 𝛼𝑓
17 krypning vid aktuell ändring av fuktkvoten
är ursprunglig fuktkvot är ny fuktkvot
är maximal krympning i respektive riktning (tangentiell-, radiell-, parallellfiberriktning) är fibermättnadspunkten för aktuellt träslag
Då är känt kan den procentuella längdändringen beräknas med (2-21).
(2-21)
ändringen i bredd, höjd eller längd [m] ursprunglig bredd, höjd eller längd [m]
Träets förmåga att svälla eller krympa avtar helt då fibermättnadspunkten för träslaget är nådd (Burström, 2007). Detta gör att inte kan överskrida träslagets fibermättnadspunkt (ibid.). Furu och gran har en fibermättnadspunkt (ibid.).
2.3 Tryckimpregnering
Tryckimpregnering är en kemisk metod som används på virke för att öka beständighet mot röt- och insektsangrepp (KEMI, 2017.b). Vanligaste tillvägagångssättet vid tryckimpregnering är att impregneringsvätska tillsätts under vakuum på redan vakuumbehandlat trä, träet utsätts sedan för högt tryck som pressar in kemikalierna i träet (Carling, et al., 1984). Valet av kemikalier är beroende på de krav som ställs på konstruktionens livslängd och hur den geografiska placeringen bidrar till ökad risk för biologiska angrepp (ibid.). Användningsmiljöerna delas in i riskklasser som avgör hur starka preparat som behövs för att uppnå det skydd som behövs för konstruktionens beräknade livslängd (ibid.). Det är de aktiva substanserna i de tillförda kemikalierna som förhindrar trivseln för rötsvampar och insektsekter (KEMI, 2017.b). Namnen på impregneringspreparaten varierar beroende på fabrikat (ibid.). Tryckimpregnering som fyller alla porer, klass M och A skyddar virket från röt- och insektsangrepp i minst 30 år (Carling, et al., 1984). Då impregnerat virke klassas som farligt avfall, måste impregneringsvätskan vara godkänd av Kemikalieinspektionen innan den får lov att användas (KEMI, 2017.b). Impregnerat virke skall hanteras enligt 5 kap. 31§ av Kemikalieinspektionens förskrifter om kemiska produkter och biotekniska organismer (KIFS 2008:2) så att:
”Den som använder träskyddsbehandlat virke ska noga överväga behovet samt vid konstruktion och virkesval se till att användningen leder till så liten belastning på hälsa och
miljö som möjligt.”
För att få en god impregnerad träprodukt används splintved, vanligen av furu (Carling, et al., 1984). Anledningen till detta är att fibrerna i splintveden och framförallt splintveden i furu är av sådan karaktär att medlet lätt kommer in i alla fiber (ibid.). Kärnvirket är av en annan karaktär och fibrernas täthet gör det svårt att få ett bra inträngningsdjup av kemikalierna (ibid.).
Fyra olika träskyddsklasser för furu är M, A, AB och B (Nordiska Träskyddsrådet, 2012). Dessa träskyddsklasser avser skydd mot biologisk nedbrytning (ibid.). För att träet ska få en viss klass krävs det att vissa kriterier är uppfyllda (ibid.). Samtliga klasser förutsätter att träet
18
inte har synliga angrepp av mikroorganismer eller svamp och träet ska vara fritt från bark och bast (ibid.). Träet ska även vara torkat och ha en så god konditionering att impregne-ringsmedlet kan få det inträngningsdjup som klassen kräver (ibid.). För att upprätthålla kvaliteten för klasserna M, A och AB ska all bearbetning av virket göras så långt som det är praktiskt möjligt innan impregnering (ibid.). Bearbetning för klass B får inte förekomma efter det att virket blivit impregnerat dessutom får virke i klass B inte heller vara vattenlagrat (ibid.).
För att klasserna M, A och AB krävs EN 351-1 inträngningsklass NP 5 vilket är full inträngning i splintveden (Nordiska Träskyddsrådet, 2012). Träskyddsmedlet ska vara godkänt av Nordiska träskyddsrådet (NTR) (ibid.). Om bearbetning i form av håltagning eller kapning utförs på impregnerat virke i klass M, A och AB ska dessa ytor behandlas med lämpligt träskyddsmedel (ibid.). Klass B kräver EN 351-1 inträngningsklass NP 3 vilket innebär ett minimum på 6 mm lateral inträngning i splintveden (ibid.). Klass B förlorar sin klassning vid bearbetning efter impregnering (ibid.).
NTRs exempel för användningsområden för impregnerat trä se Tabell 3.
Tabell 3 Exempel för användningsområden för impregnerat trä (Nordiska Träskyddsrådet, 2012) Användningsklass
enligt EN 335
Användningsområde Exempel Rekommenderad
träskyddsklass
1 Trä i torrt inomhusklimat Möbler, panel 1)
2 Trä som inte är direkt exponerat för utomhusklimat eller i kontakt med mark, men där kortvarig uppfuktning är möjlig.
1)
3 Trä som är utsatt för väder och vind eller kondens, men ej i kontakt med mark eller vatten, och där problem med utbyte av skadade delar eller risk för olyckor är begränsade. 3.1 Fönster- och dörr-snickerier 3.2 Utomhuspanel, ”trä i trädgården” B AB 4 Trä i permanent kontakt med mark och
sötvatten eller särskilt utsatt för väder och vind. Även trä i erfarenhetsmässigt kritiska konstruktioner som kan vara svåra att inspektera och byta ut eller där personsäkerheten kräver att de inte för-svagas.
Ledningsstolpar, slip-rar, stängselstolpar, broar
A
5 Trä i havsvatten2), även trä för vilket man ställer särskilda krav på beständighet och hållfasthet.
Kajkonstruktioner, bryggor, pålar
M
1) För dessa användningsklasser är det normalt inte nödvändigt att använda impregnerat trä 2) Saltkoncentration > 0,6 %
19
3 Fältmätningmetoder
3.1 Mättekniker
För fuktmätning finns det ett antal olika metoder som kan användas men generellt kan de delas in i, förstörande och förstörande mätmetoder (Fjellström, 2004). En icke-förstörande mätmetod gör det möjligt att bestämma fuktinnehållet utan att göra några ingrepp i träet, detta påverkar på så sätt inte träets framtida kvalité (ibid.). De flesta mätmetoder för trä kan anses som icke-förstörande då de endast efterlämnar små hål i virket efter elektroder eller andra mätsonder (ibid.). En förstörande fuktmätning kan vara en provtagning där en bit trä plockas ut från konstruktionen och analyseras vidare i ett labb (ibid.). En förstörande fuktmätning kan försämra virkets hållfasthet och försämra virkets kvalité (ibid.). De förstörande metoderna kan generellt sägas ha en större noggrannhet, men en icke-förstörande mätmetod kan fortfarande anses leverera tillräcklig information för att kunna bedöma träets kvalité (ibid.).
Visuell inspektion är den icke-förstörande mätmetoden som utförs enklast och gör ingen skada på träet alls (Fjellström, 2004). En visuell inspektion bör tillämpas oavsett om det utförs andra mätningar, då den ger en indikation på var en noggrannare mätning är lämplig (ibid.). Vid en visuell inspektion kan röta och sprickor upptäckas, nackdelarna är dock att metoden beror på inspektörens vana och kunskap samt att endast de utvändiga ytorna kan bedömas (ibid.). En visuell inspektion ger också bara ett kvalitativt provresultat till skillnad från ett kvantitativt (ibid.).
Träets fuktkvot kan mätas ett antal olika metoder bland annat torrviktsmetoden, resistans-mätning, kapacitansresistans-mätning, microvågsmetoden, IR-resistans-mätning, gammastrålningsmetoden och NMR-metoden (Fjellström, 2004). Störst noggrannhet erhålles vid torrviktsmetoden men vid en fältmätning är dock resistansmätning den bäst lämpade (ibid.). Resistansmätning mäter fuktkvoten indirekt genom att mäta träets elektriska egenskaper. Genom detta kan mätningen leverera ett resultat med % spridning från den reella fuktkvoten (ibid.).
Vid mätning av fuktkvot i fält bestäms mätplatserna av förhållande vid platsen (SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, 2012). Områden där risken för uppfuktning är hög och uttorkning är låg bör anses som lämpliga mätpunkter (ibid.). Enligt Per-Anders Fjellström på Sveriges Tekniska forskningsinstitut är det vanligt att konstruktörer upprättar en så kallad underhållsplan vid projektering av en konstruktion för att belysa dessa punkter. Dessa punkter bör anses som lämpliga mätpunkter att mäta på1.
För mätning av medel- eller målfuktkvot enligt SS-EN 13183-2 skall rena och torra isolerade elektroder användas: Elektroderna slås in 300 mm från virkesänden, 0.3 gånger virkesbredden från virkeskant och mätdjupet skall vara 0.3 gånger virkestjockleken (SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, 2012). För ytfuktkvot skall eventuell kondens torkas av från ytan med en högabsorberande trasa (ibid.). Elektroderna skall vara torra och rena koniska mantelytor som
1 Per-Anders Fjellström, Expert på träbroar inom avdelningen träteknik och träbyggande, SP Sveriges Tekniska
20
ska pressas mot virkesytan så att vinkel uppstår (ibid.). Elektroderna skall sedan pressas ner så att halva mantelytan trycks ned i virket (ibid.), se Figur 11 och Figur 12.
Figur 11 Mätning av medel- eller målfuktkvot, Mätning av fuktkvot (Svenskt trä, u.å. a)
21
Mätningar görs tre gånger vid varje mätpunkt och avläsas inom 1,5 sekunder från mätaren (SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, 2012). De tre mätningarna används sedan för att göra ett medelvärde för mätstället (ibid.).
Mätvärdet som fås ut skall sedan kompenseras utifrån temperatur. Detta kan vissa mätinst-rument göra redan vid mätning (SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, 2012). Om instrumentet inte har funktionen kan eventuell tabell användas som medföljer mätinstrumentet eller så kan en tumregel tillämpas (ibid.). Tumregeln innebär att det skall dras ifrån per C från avläst värde över C, och lägga till per C från avläst värde under C (ibid.).
Eftersom fuktinnehållet i trä är beroende av vilket tillstånd träet befinner sig i, uppfuktning eller uttorkning kan det uppmätta mätvärdet inte representera det rådande relativa fuktinnehållet i träet (Nilsson, 2004). Då trä under uttorkning innehåller en högre fukthalt än under uppfuktning, s.k. hysteres (Burström, 2007). En osäkerhet vid mätning i trä blir då att en uppskattning av vilket tillstånd träet befinner sig i måste göras.
Enligt Svenskt Trä (u.å..b) sker torkning av trä från ytan och in, detta gör att fuktkvoten varierar i tvärsnittet. Detta innebär att differensen mellan ytans fuktkvot och fuktkvoten i mitten av tvärsnittet kan variera beroende på torkningstid, lagringstid och rådande relativ fuktighet i omgivningen. Värdena som en resistansmätare mäter kallas för medelfuktkvot, medelfuktkvoten är ett representativt värde för hur fuktkvoten varierar över tvärsnittet (ibid.). Enligt Svenskt Trä (u.å..b) skall även ytfuktkvoten mätas för att få en indikation över hur fuktkvoten varierar över tvärsnittet. Detta för att se hur fuktkvoten varierar i tvärsnittet och uppskatta en fuktkvotsgradient. Ytfuktkvot mäts även för att bedöma risken för biologisk nedbrytning (ibid.). I Figur 13 förklaras fuktkvotens variation i ett virkesstycke.
Figur 13 Fuktkvotens variation i ett virkesstycke vid sågverket efter torkning. Elektrisk resistansfuktkvotsmätare
med isolerade hammarelektroder mäter 16 % enligt SS-EN 13183-2. Virket kan ingå i ett parti virke med målfuktkvot 16 %. Bild: Fuktkvot i ett virkesstycke efter torkning (Svenskt trä, u.å. a )
22
3.1.1 Torrviktsmetoden
Torrviktmetoden är en förstörande metod där en provbit från träet tas ut och vägs (Fjellström, 2004). Provbiten torkas sedan ut i exempelvis en ugn så att allt obundet vatten förångas, provbiten vägs sedan igen och fuktkvoten beräknas med uttrycket (2-18) s.11.
( )
För att utföra en fuktkvotsmätning med torrviktsmetoden kan standarden SS-EN 13183-1
Fuktkvotsbestämning - Torrvikts-/referensmetoden följas för att få ett trovärdigt resultat
(Svenskt trä, u.å..b). Trots sin noggrannhet innehar torrviktsmetoden ett antal felkällor som t.ex. noggrannheten på vågen, fuktavgång vid uttagning av provbit eller under hantering, torktiden för träet, eventuella ämnen som avgår under torkningen som inte är fukt (Fjellström, 2004). För att minimera dessa fel bör provbiten tas från ett område i träet som inte innehåller sådana ämnen, exempelvis kådrika områden (ibid.). Torrviktsmetoden är speciellt lämplig när fuktkvoten skall bestämmas vid låga kvoter (Jacobsson, 2003). Låga fuktkvoter är i regel inte aktuella för konstruktioner som är utomhus (Fjellström, 2004).
3.1.2 Resistansmätare
Enligt Fjellström (2004) är resistansmätare den mest lämpliga mätningen för bestämning av fuktkvot i trä. Det är en icke-förstörande metod som endast lämnar små hål för elektroderna i träet (ibid.). Om träet skulle vara behandlat med en ytbeläggning och elektroderna sticks in kan det dock vara lämpligt att täta dessa för att säkerställa kvalitén bäst. Vid resistansmätning sticks två elektroder in i träet, mellan elektroderna skickar mätaren en elektrisk ström. Enligt Fjellström (2004) är träets elektriska resistans fuktberoende, resistansmätaren mäter denna och indirekt fuktkvoten. Trä med fuktkvoter på 7 % -28 % är lämpliga för resistansmätning (ibid.).
23
Eftersom mätaren indirekt mäter fuktkvoten så kan mätaren inte avgöra vilket träslag som det mäts i och inte träets temperatur (Fjellström, 2004). Då korrigeras detta med hjälp av tabeller som justerar fuktkvoten efter temperatur och träslag (ibid.). Det är då lämpligt vid resistans-mätning att mäta temperaturen på träet och även ta reda på vilket typ av träslag det mäts på. Resistansmätares elektroder är vanligtvis korta oisolerade nålar som pressas in i träet (ibid.). Då elektroderna är oisolerade, kan de endast mäta den högsta fuktkvoten i träet. Det kan då vara lämpligt att använda sig av isolerade elektroder som är monterade på hammare en så kallad hammarelektrod. De isolerade elektroderna hamras in på ett djup på ca 25-40 mm och då kan fuktkvoten bestämmas på olika djup (ibid.).
Felkällor vid resistansmätning kan vara temperaturinställningen, träslagsbedömningen, densiteten, stiftens isolering och impregneringsmedel (Fjellström, 2004). En resistansmätning i impregnerat virke kan ge ca 2-4 % högre fuktkvot än det verkliga värdet, detta är beroende på vilket medel och koncentration impregneringen utförts med (Esping, 1992). Vid resistansmätning i gran och furu blir felen som impregnering kan medföra obetydliga om elektroderna slås in längs eller tvärs fibrerna (Fjellström, 2004).
3.2 Tillvägagångssätt för fältmätning
Mätplatser valdes för att få värden vid brofäste, upplag samt mellan upplag, se Figur 15. Plats 1 är brofäste, 2 är mellan upplag, 3 och 4 är vid upplag. Mätningarna utfördes från vänster till höger i mätriktningen.
Figur 15 Beskrivning över mätpunkter. Figur hämtad från ritning1.
För att vidare orientera mätpunkterna fick varje punkt en bokstav vilket möjliggjorde en siffer- och bokstavskombination för att orientera resultaten från mätningarna, se Figur 16.
1 Bygglovshandling, Västra Eriksberg: Området ”kajen”, skivstöd och kajöverbyggnad del l, nr 1005/06-5711
24
Figur 16 Beskrivning av mätpunkter i sektion. Figur hämtad från ritning1
Mätningarna utfördes med en resistansmätare och hammarelektrod av modell Delmhorst RDM3, se Figur 17. Elektroderna hamrades in med en vikt som löper runt en stålcylinder. För varje mätplats kontrollerades mätlägets funktion med en kalibreringscheck.
Figur 17 Resistansmätare med hammarelektrod av modell: Delmhorst RDM3
Instrumentet krävde indata för yttemperaturen för att kunna kompensera mätningarna efter yttemperaturen. Yttemperaturen mättes med en strålningspyrometer av modellen Scantemp 410, se Figur 18. Resistansmätaren krävde även val av material. Materialvalet var även grund för kalibreringsmätningarna. För att instrumentet ska kunna spara mätningarna skapas ett ”jobb” som instrumentet använder som minne för att lagra resultaten.
1 Bygglovshandling, Västra Eriksberg: Området ”kajen”, skivstöd och kajöverbyggnad del l, nr 1005/06-5738
25
Figur 18 Strålningspyrometer, modell Scantemp 410
Relativ fuktighet och temperatur mättes även, detta utfördes med en koldioxidmätare av modellen TES 1370 NDIR CO2 Meter, se Figur 19.
Figur 19 Koldioxidmätare. modell TES 1370 NDIR CO2 Meter
Utifrån Figur 9 (s.14) valdes fuktkvot 20 % som indikator på fuktpåverkan. Detta bestämdes genom att jämföra BBR:s krav på kritiskt fuktinnehåll vid 20 grader Celsius (16 % fuktkvot) och vilken fuktkvot som gav samma risk vid noll till åtta grader Celsius.
26
4 Datorsimulering
4.1 WUFI PRO 6.0
WUFI (Wärme und Feuchte instationär) är ett program som är utvecklat av Frauhofer Institut für Bauphysik i Tyskland (WUFI, u.å.). Den svenska versionen har även utvecklats i samarbete med Lunds tekniska högskola (Fraunhofer IBP, u.å.. a). WUFI Pro 6.0 simulerar och beräknar endimensionell fukt- och värmetransport i konstruktioner (WUFI, u.å.). Vid fuktsimulering beräknar programmet ångtransport genom diffusion och vätsketransport med hänsyn till kapillärledning och ytdiffusion1 . De faktorer som programmet inte tar hänsyn till är ångtransport via konvektion och vätsketransport via tryckskillnader1.
Vid beräkning och simulering tar programmet hänsyn till klimatbelastning, olika skikt och dess materialegenskaper (Fraunhofer IBP, u.å.. b). Vidare beräknar programmet fukt- och värmetransporten över tid med hjälp av inhämtade klimatdata (ibid.).
4.1.1 Skapande av konstruktionssnitt
För att simulera en konstruktion i WUFI Pro 6.0 görs följande steg. Första steget i programmet är att skapa ett projekt. Vidare skall ett konstruktionssnitt skapas där användaren skapar lager som sedan anger det specifika materials egenskaper (Fraunhofer IBP, u.å.. b). Programmet utgår ifrån att lagren i konstruktionssnittet går från vänster till höger, dvs. att snittets utsida är till vänster (ibid.). Detta är viktigt för att programmet skall ta hänsyn till regn och solstrålning (ibid.). Materialegenskaperna kan hämtas från WUFIs materialdatabas där ett antal material lagrats (ibid.). I materialdatabasen kan material och egenskaper tilldelas på motsvarande lager i konstruktionssnittet. Användare kan också ange ett eget material och dess egenskaper. För att ange ett eget material och dess materialegenskaper behöver minst följande egenskaper anges1: Skrymdensitet [kg/m3 ] Porositet [m3 /m3] Specifik värmekapacitet [J/kg K]
Ångdiffusionsmotstånd, torrt material [-]
Vidare går det även att ange mer avancerade data för att få ett mer detaljerat resultat. Dessa är följande1: Fuktlagringskapacitet [kg/m3 ] Vätsketransportkoefficient för absorption [m2 /s] Vätsketransportkoefficient för torkning [m2 /s] Värmeledningsförmåga, fuktigt material [W/m K] Ångdiffusionsmotstånd, fuktigt material [-]
27
När lager och material i konstruktionssnittet bestämts skall s.k. ”Monitoring positions” bestämmas. Detta är punkter i snittet som användaren vill analysera närmre. Om användaren vill analysera 300 mm in i ett materialtvärsnitt, använder programmet sig av ”Monitoring positions”. Vid beräkning kommer programmet att visa temperatur och relativ fuktighet i detta snitt. Programmet bestämmer alltid ”Monitoring positions” på höger och vänster sidan av varje materialskikt samt utsida och insida av simuleringsmodellen.
När ”Monitoring positions”, lagertjocklek och materialegenskaper bestämts skall snittets orientering, lutning och höjd över mark bestämmas. Dessa använder programmet för att beräkna hur regn och strålning påverkar utsidan av snittet (Fraunhofer IBP, u.å.. b). Sedan bestäms värmeövergångsmotstånd, beläggning, emitterad strålning, regn- och strålningsab-sorption på utsidans (vänstersidan) yta. På insidan (högersidan) kan värmeöverförings-motstånd och genomgångsvärmeöverförings-motstånd bestämmas.
Det sista steget innan konstruktionssnittet är skapat är att ange lagrens initialtemperatur och fuktinnehåll. Med fuktinnehåll menas exempelvis byggfukt. Detta värde kan anges av användaren själv och för vissa material finns fuktinnehållet lagrat i materialegenskaperna från materialdatabasen.
4.1.2 Beräkningsperiod och klimat
När konstruktionssnittet skapats skall beräkningsperioden och klimatdata anges. Detta anges genom att bestämma till exempel vilket datum konstruktionssnittet byggts färdigt och sedan ange vilket datum simuleringen skall beräkna fram till. Det är viktigt att ha i åtanke när denna period bestäms att byggfukten hinner torka ut så att konstruktionssnittet kommer i balans med omgivande klimat. Tidsintervallet för beräkningarna bestäms även, detta intervall skall optimalt sättas till samma intervall som ens klimatdata hämtas under (Fraunhofer IBP, u.å.. b). Klimatdata bestäms för vänster sida om konstruktionssnittet detta kan även göras för höger sida, men då kommer programmet, som tidigare nämnts, att ignorera faktorer som solstrålning och regn på den sidan (Fraunhofer IBP, u.å.. b). För att bestämma uppmätt klimatdata kan detta hämtas från programmets databas som hämtar data från väderstationer runt om i världen. Förutom uppmätt klimatdata, är det också möjligt att använda egendefinierade uppgifter för utomhus- och inomhusklimat där temperatur och relativ fuktighet kan bestämmas med sinus-kurvor (Fraunhofer IBP, u.å.. b). Om användaren vill använda sig av egen uppmätt klimatdata behöver användaren ange följande parametrar1:
28
Regnlast vertikalt infallande mot yta, för dessa krävs även lutning och orientering av konstruktionen
Solstrålning vertikalt infallande mot ytan, för dessa data krävs även lutning och orientering av konstruktionen.
Temperatur utomhus och inomhus Lufttryck
Nattutstrålning för nedkylning av konstruktion
4.1.3 Beräkning
Vid beräkningar finns alternativen att välja mellan att göra beräkningen med eller utan film. Vid film kommer en film visas med värme- och fukttransporten i konstruktionssnittet över tid. Om inte film väljs kommer endast en tidslinje visas.
WUFI redovisar resultat som ”Quick Graphs” som ger en snabb överblick över resultaten, bl.a. redovisas totalt vatteninnehåll, vatteninnehåll i varje lager och temperatur och relativfuktighet i de ”Monitoring positions” som användaren definierat. WUFI redovisar även ”Quick Graphs” över så kallade Isopleths. Isoplether är valda parametrar till exempel temperatur och relativ fuktighet för varje tidssteg (Fraunhofer IBP, u.å.. b). Dessa kan exporteras och användas för analys i andra WUFI-baserade program som exempelvis WUFI Bio.
4.2 Simuleringsmodell
Modellvalet för simuleringen i WUFI grundades på de mätplatser som valts för fältmätningen. En detaljerad beskrivning av simuleringsmodell och indata för simulering redovisas i bilaga 1. I simuleringen användes klimatdata för Göteborg på båda sidor om konstruktionen. Rand-villkoren är samma för samtliga simuleringar. Ytornas värmeövergångsmotstånd på höger och vänster sida bestämdes enligt Burström (2007) till 0.04 m2 K/W. Värmemotståndet på höger yta beräknas sedan av programmet så att det korrigeras efter långvågig strålning, Värme-övergångsmotståndet på vänster sida beräknades av programmet till 0.0588 m2 K/W. På vänster sida bestämdes adsorptionstalet för kortvågig strålning till 0.8 och emissionstalet för långvågigstrålning till 0.9.
Materialdata för skikten i modellen bestämdes efter Burströms (2007) materialdata, samt data som redan bestämts för material av Fuktcentrum på Lunds tekniska högskola (LTH) och Norges tekniska-naturvetenskapliga universitet (NTNU). Byggfukt bestämdes för de olika materialen, i betongen till WUFIs egna typiska värde för byggfukt i betong med vct 0.4, vilket var 100 kg/m3 och byggfukt i träet skulle motsvara en medelfuktkvot på 12 %, enligt leverantör1, vilket resulterade, med vald densitet, till en byggfukt på 61.2 kg/m3.
Densiteterna för de olia materialskikten bestämdes till värdena i Tabell 4.
29
Tabell 4 Materialens densitet
Material Densitet [kg/m3]
Furu 510.0
Höghållfasthetsbetong, vct 0.4 2322.0
PE-folie 130.0
Materialets diffussionsmotståndsfaktor är angivet i -tal som är enhetslös. Denna motstånds-faktor gör det möjligt att relatera materialets ångpermabilitet till luftens transportkoefficient (Nevander & Elmarsson, 2006). Diffusionsmotståndsfaktor för materialen i simulerings-modellen redovisas i Tabell 5.
Tabell 5 Diffusionsmotstånd för material
Material -tal [-]
Furu 50.0
Höghållfasthetsbetong, vct 0.4 192.0
PE-folie 87000.0
Sorptionskurvan för materialen bestämdes efter en medelfunktionskurva, kallad fuktlagrins-funktion. Funktionen bestämdes genom att sätta medelvärdet av fuktinnehållet vid uttorkning respektive uppfuktning, se Figur 20 för exempel. Detta görs för att WUFI inte tar hänsyn till ifall materialet är utsatt för uppfuktning eller uttorkning.
Figur 20 Exempel på hur sorptionskurva för simulering skapats för materialet Furu, densitet 510 kg/m3. Vänster
figur är sorptionskurva, röd linje på höger figur anger den skapade fuktlagringsfunktionen
30
Tabell 6 Fuktlagringsfunktion för material i simulering
Material Fuktlagringsfunktion
Furu
Höghållfasthetsbetong, vct 0.4
31
Beräkningsperioden bestämdes från 2015-11-09 till 2018-11-09 med ett mätintervall på en mätning per timme, för att konstruktionen i simuleringen skall anpassa sig efter rådande klimat i omgivningen.
4.2.1 Beräkningsmodeller
Beräkningsfall 1 skapades för att efterlikna den kvarsittande formen på konstruktionen. Måtten för simuleringen för mellan betongen och den kvarsittande formen ses i Figur 21. Cirklarna representerar de s.k. ”Monitoring positions” som valdes efter fältmätningens punkter.
Figur 21 Beräkningsfall 1
Beräkningsfall 2 skapades för att efterlikna ett snitt taget mellan samverkanspunkterna och där limträbalken är som tjockast dvs. 675 mm. Mellan samverkanspunkt avses den punkt som är mellan armeringsjärnen. Även här bestämdes ”Monitoring positions”, se Figur 22.
32
Figur 22 Beräkningsfall 2
Beräkningsfall 3 bestämdes för att efterlikna ett snitt vid samverkanspunkterna, där limträ-balken är 625 mm tjock. Med samverkanspunkt avses här den punkt där armeringsjärnen går från limträbalken upp i betongen. ”Monitoring positions” bestämdes efter fältmätningen, se Figur 23.
33
5 Resultat
5.1 Fältmätning
Fältmätningen inleddes med en okulär inspektion. Vid den okulära inspektionen upptäcktes avvikelser på två platser. På mittbalbalken vid mätplats 1 upptäcktes en vit missfärgning på sidoytan. Ytan var ”luddig” och missfärgningen formerade sig som prickar i olika grupperingar i ett asymmetriskt mönster. Ytan vid platsen upplevdes också som fuktig vid beröring, se Figur 24.
Figur 24 Missfärgning på limträbalkens yta
På området kring mätplats 4 upptäcktes en ”svartnad” samt en grön nyans på den permanenta formen. Där upptäcktes även en missfärgning på träregeln som ser ut som någon typ av substans har runnit ner över regeln. Regeln var även flisad längs med kanten, se Figur 25. En mätning av medelfuktkvoten gjordes i den permanenta formen. Medelfuktkvoten uppmättes till 23.7 %.
34
Figur 25 Missfärgning av permanent form och träregeln
På samtliga mätpunkter upplevdes ytorna som ”fuktiga”. RF och temperatur över och under gång- och cykelbanan redovisas i Tabell 7.
Tabell 7 Temperatur och RF i omgivande miljö
Mätplats 1 2 3 4
RF under konstruktion 68.0 69.1 63.7 71.6 T [oC] under konstruktion 9 8.6 9.2 8.8
RF över konstruktion 74.9 78.5 79.8 76.3 T [oC] över konstruktion 8.6 8.2 8.1 8.7
Av mätplatserna 1 till 4 (se Figur 15 s.23) var andelen mätpunkter där fuktkvoten var högre än 20 % flest på mätplats 1. På mätplats 1 hade 64 % av mätningarna av medelfuktkvoten ett värde på över 20 %. Den mätplats med lägst andel (3.6 %) mätvärden över 20 % medelfuktkvot var mätplats 2. På mätplatserna 3 och 4 hade 7.1 % av mätningarna en medelfuktkvot över 20 %. Den totala andelen mätningar av medel- och ytfuktkvot presenteras i Figur 26 och Figur 27. Totalt mättes 56 punkter för medel- och ytfuktkvot på konstruktionen.
35
Figur 26 Total andel mätningar av medelfuktkvot
Figur 27 Total andel mätningar av ytfuktkvot Förhållandet mellan medel- och ytfuktkvot redovisas i Figur 28.
36
Figur 28 Förhållande mellan yt- och medelfuktkvot
Totalt genomfördes mätningar på 20 stycken limträbalkar och andelen limträbalkar vars övre del hade en större medelfuktkvot jämfört med den lägre delen av balken redovisas i Figur 29.
Figur 29 Andelen limträbalkar vars medelfuktkvot var högst på övre delen av balken Alla mätresultat redovisas i bilaga 2.
