JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää kumpi kahdesta eri julkisivurakenteesta oli lämpö- ja kosteustekniseltä toiminnaltaan parempi vaihtoehto korkean rakentamisen olosuhteisiin. Tavoitteena oli saada selville kosteusteknisesti vauriosietokykyisempi ja luotettavampi rakenne. Tutkittaviksi julkisivurakenteiksi valikoitui betonisandwich-elementti ja kevytrakenteinen järjestelmäjulkisivu kehitystyön alla olevien kohteiden perusteella. Työssä suoritettiin ensiksi kirjallisuuskatsaus, jonka jälkeen tutkittavista rakenteista laadittiin 2D-simulaatiomallit COMSOL Multiphysics -simulointiohjelmalla. Simulaatiot suoritettiin tunnin välein muuttuvalla ilmastodatalla rakenteen etelänpuoleiselle julkisivulle yhden vuoden ajalta. Simulaatioiden ilmastona käytettiin Ilmatieteen laitoksen Vantaan 2030 rakennusfysikaalisen testivuoden tulevaisuuden ilmastoa.

Rakenteista luotiin vauriottomat ja vauriolliset mallit, joita vertailtiin kriittisiksi valituissa tarkastelupisteissä keskenään lämpö- ja kosteusteknisen toimivuuden perusteella. Tarkastelupisteet valikoituivat homehtumisherkkyyden ja kosteuden kondensoitumisen todennäköisyyden perusteella suurimmiksi osin paksun mineraalivillakerroksen ulkopuoliseen rajapintaan molemmissa rakenteissa. Rakenteiden vaurioiksi valittiin todennäköisimpiä asennusvaiheen työteknisistä epäonnistumisista aiheutuvia vauriotapauksia. Betonisandwich-elementin vauriotapaukseksi valittiin kahden elementin välisessä pystysaumassa oleva 2 mm levyinen rako. Kevytrakenteisen järjestelmäjulkisivun vaurioiksi valikoitui kaksi vauriotapausta. Ensimmäinen vaurio oli rakenteen sisäpuolella oleva 2 mm levyinen rako, josta sisäilman kosteus pääsi rakenteen sisään. Toinen vauriotapaus sisälsi edellisen vaurion lisäksi rakenteen ulkopuolella olevan 2 mm raon, josta ulkoilman kosteus pääsi rakenteen sisään.

Kevytrakenteinen järjestelmäjulkisivu osoittautui simulaatioiden pohjalta vaurioherkäksi rakenteeksi. Yksistään pelkkä vaurio rakenteen sisäpuolella, josta sisäilman kosteus pääsi rakenteen sisään aiheutti simulaation lopun suhteellisen kosteuden pysymisen simulaation alun tasolla. Rakenne ei siis kuivunut simulaation aikana. Toisessa kevytrakenteisen järjestelmäjulkisivun vauriotapauksessa, jossa sekä sisä- ja ulkoilman kosteus pääsivät rakenteen sisään suhteellisen kosteuden arvot olivat koko simulaation ajan korkeampia kuin vauriotapauksessa, jossa pelkästään sisäilman kosteus pääsi rakenteen sisään. Kevytrakenteinen järjestelmäjulkisivu ei kuivunut kummassakaan vauriotapauksissa. Kuitenkin vauriottomassa tapauksessa kevytrakenteinen järjestelmäjulkisivu toimi kosteusteknisesti hyvin. Rakenteen suhteellinen kosteuspitoisuus laski alku- ja lopputilan välillä vuoden mittaisen simulaation aikana. VTT:n parannetun homemallin perusteella homeindeksin arvo ei kuitenkaan vuoden mittaisen simulaation pohjalta saavuttanut kriittiseksi asetettua arvoa 1,0 missään tutkitussa tapauksessa.

Betonisandwich-elementti osoittautui kosteusteknisesti toimivaksi rakenteeksi vaurioituneenakin. Ulkokuoren pystysaumassa sijaitseva vaurio tuulettui tuuletusuraan, josta kosteus pääsi poistumaan rakenteesta ulos virtaavan ilman mukana. Betonisandwich-elementin vauriottomalla ja vauriomallilla ei havaittu olevan suurta eroa kosteusteknisessä toimivuudessa. VTT:n parannetun homemallin perusteella rakenne ei ollut homehtumisherkkä. Homeindeksi ei saavuttanut kriittiseksi asetettua arvoa 1,0. Betonisandwich-elementti osoittautui varmemmaksi ja turvallisemmaksi rakenteeksi kuin kevytrakenteinen järjestelmäjulkisivu kosteusteknisen toimivuuden ja vauriosietokyvyn osalta korkean rakentamisen olosuhteissa. Kyseinen kevytrakenteinen järjestelmäjulkisivu osoittautui riskialttiimmaksi vaihtoehdoksi korkean rakentamisen olosuhteisiin kyseisillä tutkituilla vauriotapauksilla heikon vauriosietokyvyn takia.

Tämä diplomityö antaa lukijalle laajan teoreettisen pohjan yhdistettyyn lämmön ja kosteuden siirtymiseen sekä yleiseen rakennusfysikaaliseen teoriaan. Työssä esitetään matemaattisesti kaikki oleellisimmat lämmön ja kosteuden varastoitumis- ja siirtymistavat, joita tarvitaan epälineaarisia ajasta riippuvia simulaatiomalleja rakentaessa. Tutkimuksen tuloksia voidaan käyttää hyödyksi kehitystyön alla olevissa sekä tulevaisuuden hankkeissa päätöksenteon tukena. Työ antaa suunnittelijoille ajantasaista tietoa kyseisten rakenteiden riskipaikoista, sekä mihin erityisesti on tärkeää kiinnittää huomiota julkisivurakenteen valintaa tehdessä lukuisista valmistajien erilaisista vaihtoehdoista. Työssä luotuja COMSOL-simulaatiomalleja pystytään jatkossa käyttämään hyödyksi tutkittaessa erilaisten rakenteiden ja vauriotapauksien lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa.

Building physical comparison of two different façade structures under high-rise climate conditions

Abstract

The aim of this thesis was to determine which of two façade structures is better in terms of heat and moisture transfer in high-rise buildings in Finland. The aim was also to find a more moisture-resistant and damage-resistant structure for high-rise climate conditions. The two façade structures were a concrete sandwich element and a lightweight façade system. A literature review provided the basis for 2D simulation models. The simulations were performed in the COMSOL Multiphysics modelling software. Simulations for the southern façade were performed over a one-year period using hourly-changing climate data. The data were taken from the Finnish Meteorological Institute’s Vantaa 2030 building physical test year.

Damage-free and damage models were created from the structures and were compared at critical observation points in terms of heat and moisture transfer. The observation points were selected based on mold susceptibility and the probability of condensation. In both structures, these points were mostly outside the thick layer of mineral wool. The most probable types of damage due to technical failure during the installation phase were selected for each structure. For the concrete sandwich element, a 2 mm wide gap in the vertical seam between the two elements was chosen. For the lightweight façade system, two types of damage were selected. The first was a 2 mm wide gap on the inner side of the structure through which indoor air moisture could enter the structure. The second type of damage included the first type as well as a 2 mm gap on the outer side of the structure through which outdoor air moisture could enter the structure.

The results of the simulations showed that the lightweight façade system was more sensitive to damage than the concrete sandwich element. The first type of damage caused the relative humidity to remain constant throughout the simulation. In other words, during the one-year simulation, the structure did not dry out. For the second type of damage in which indoor and outdoor air moisture both entered the structure, the relative humidity values were higher throughout the simulation than they were for the first type of damage. The lightweight façade system did not dry out in either of the two damage cases. When it was undamaged, however, the lightweight façade system performed well in terms of moisture transfer. The structure dried out during the one-year simulation. Based on the VTT’s improved mold model, however, the value of the mold index based on a one-year simulation did not reach the critical value of 1.0 in any of the cases.

The concrete sandwich element proved to be a moisture-proof structure even when damaged. The damage in the vertical seam of the outer shell was vented into the ventilation groove from which moisture could escape by convection. The damage-free and damage models did not differ significantly in their technical performance in regard to moisture. Based on the VTT’s improved mold model, the structure was not mold sensitive. The mold index did not reach the critical value of 1.0. Thus, the concrete sandwich element proved to be a safer structure than the lightweight façade system in terms of moisture performance and damage in high-rise climate conditions. The lightweight façade system proved to be a riskier alternative to high-rise climate conditions in these studied damage cases due to poor damage tolerance.

This thesis provides a broad theoretical basis for combined heat and moisture transfer in building physics. It presents the heat and moisture storage and transfer methods needed for nonlinear time-dependent simulations. The results may be used to support decision-making in future projects, and the simulation models created in this work may be used to research the heat and moisture performance of various structures and types of damage.