WoodBuild Projekteringshjälpmedel för hantering av risk för mikrobiell påväxt och rötangrepp Sven Thelandersson Vanliga uppfattningar om träbyggande Att bygga med trä är riskabelt med avseende på risken för mögel- och rötangrepp Kostnaden över konstruktionens livscykel är svårbedömd och riskerar att bli hög Byggkostnaden är gynnsam i många applikationer, men skillnaden är inte dramatisk Osäkerheten kring livslängdsfrågor innebär att många beslutsfattare väljer bort trä! 1
Varför denna osäkerhet? Problem med fuktskador i hus sedan första oljekrisen i början av 1970-talet! -rötskadade fönster - mögelhus -rötskador på målade fasader m m Uppmärksammat problem med fuktskador på en ny typ av väggkonstruktion oventilerade fasader med puts på isolering Puts på EPS Vad absorberar? Var är dräneringen? Det läcker i anslutningar och sprickor! Vidare.. har Boverket nyligen skärpt kraven på fuktsäkert byggande har implementeringen av EUs byggproduktdirektiv medfört ökad fokus på livlängdsproblematiken saknas, i motsats till betongkonstruktioner, praktiskt användbara, ingenjörsmässiga metoder för att uppskatta livslängden hos en träkonstruktion är nuvarande system för provning och utvärdering av trämaterials beständighet allt oftare ifrågasatta 2
Livslängdsfrågor är avgörande för träs konkurrensmöjligheter på byggmarknaden! Fuktsäkerhetsguide Akutinsats (initierad av industrin) föranledd av fuktsäkerhetskrav i nya svenska byggregler (ansv. L-O Nilsson, LTH) 3
Exempel på råd som ges i rapporten Denna typ av nyansering är i fokus inom WoodBuild Rapporten beskriver ett antal problem som vi försöker besvara i WoodBuild Övergripande mål för WoodBuild Generera ny kunskap om exponeringsförhållanden och orsaker till biologiska angrepp för att identifiera hållbara, vetenskapligt utvärderade konstruktionstekniska lösningar från beständighetssynpunkt förbättra och utveckla ny metodik för provning av trä och träbaserade materials resistens mot mögel och röta utveckla ingenjörsmässiga verktyg för praktisk projektering och utformning av träkonstruktioner med avseende på livslängdsaspekter. 4
Syfte med denna presentation Ge en bild av hur ingenjörsmässiga verktyg som utvecklas kan utformas Fånga upp synpunkter från potentiella användare av dessa verktyg Inspel från användare om problem som behöver hanteras Ny funktionsbaserad strategi för livslängdsdimensionering för trä som vi arbetar med i WoodBuild Exponering S 1. Klimat 2. Utformning 8. Exponering S Byggare påverkar detta 12. Brottsäkerhet 3. Ytbehandling 10. Verifieringsmodell 11. Funktionsbaserade krav 13. Bruksfunktion Resistens R 4. Materialegenskaper 5. Geometri 9. Resistens R 14. Estetik 6. Placering 7. Behandling Träleverantörer påverkar detta 5
WoodBuild är organiserat i fyra forskningsområden baserat på denna strategi A. Metodik för livslängdsdimensionering B. Exponering av trä i klimatskärmen C. Exponering av trä utomhus ovan mark D. Resistens hos träprodukter mot biologiska angrepp a) Mikrobiell påväxt b) Rötangrepp Två huvudapplikationer 1. Trä i klimatskärmen mikrobiell påväxt (gränstillstånd: initiering av påväxt) 2. Utomhusträ ovan mark motstånd mot röta (gränstillstånd: initiering av röta) Principer Risken att gränstillstånden uppnås måste begränsas till acceptabel nivå (idag har vi ingen aning) Dimensioneringshjälpmedel som kan användas i praktisk projektering 6
Projekteringsprincip trä i klimatskärmen Indata Uteklimatdata inkl Meso Inneklimat Materialdata Övriga indata φ = relativ fuktighet Byggnadsfysikaliskt analysverktyg, t.ex. WUFI (används redan av vissa konsulter) Exponering av materialytan [φ(t),t(t)] Antaganden om ventilationsförhållanden, lufttäthetsförhållanden Modifiera utformningen Materialets resistens Mögelpåväxt? JA NEJ OK Huvudfrågor att lösa för att detta skall fungera Hur definiera dimensionerande klimatindata? Spelregler för val av antaganden vid modelleringen av en konstruktion (idealiseringar, ventilationsgrad, etc.)? Hur utvärdera resultat i form av [φ(t),t(t)] med avseende på risk för mögelpåväxt? Hur hantera konstruktionsdetaljer (anslutningar, genomföringar etc) som inte beskrivs i byggnadsfysikmodellen? Vilken risk kan accepteras för att man inte uppnår det man vill? 7
Limit state for onset of mould growth Application: Wood in the building envelope, where mould is normally not accepted Definition of onset of growth: Traces of germinated fungi can be observed in microscope Evaluation of the limit state: Must be possible for continuous time series of coupled values of relative humidity (φ) and temperature (T) RH [%] 100 90 80 70 60 50 Weekly outdoor averages in Stockholm, 2002 Relative humidity T [ o C] / 30 20 10 Temperature 0-10 -20 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 52 weeks Limit state = mould index 1 Mould index 6 Question: Will the limit state be violated under this type of exposure? Critical states for mould growth Sedlbauer (2001) presented: Generalized isopleths system for spore germination valid for all fungi of the two substrate categories: I. (bio-utilizable substrates) II. (substrates with porous structure) The critical state for mould germination is a function of relative humidity φ, temperature T and time of exposure t for a given substrate 16 8
Test data from Viitanen (1996) are considered here Spruce sapwood (resawn surface 7 mm below original surface) A mixture of typical fungi growing on wood was used for incubation Specimens were exposed dto constant t φ and dt up to 12 weeks Development of mould was observed under microscope The following scale for evaluation was used: 0. no growth 1. traces of growth detected in microscope (limit state) 2. moderate growth detected in microscope (>10-25 %) 3. some growth detected visually (<10%) 4. moderate growth detected visually (10-50%) 5. plenty of growth detected visually (>50 %) 6. very heavy growth 17 Proposed dose-response model Define the dose as D = D φ ( φ) D T ( T ) where φ is daily average relative humidity and T is daily average temperature D can be interpreted as time in days under reference climate conditions Reference conditions (Relative Humidity φ = 90%, Temperature T = 20 C) give onset of mould growth after N ref = 38 days for spruce sapwood Thus the limit state is reached when D =D crit = 38 days for planed spruce sapwood (Viitanen, 1996) The critical dose D crit depends on type of substrate 9
D φ (φ) describes the rate of the process for other values of φ Was derived from Viitanens data for φ>75% Recovery (D φ (φ)<0) was assumed for dry conditions D φ (days) 5 4 3 2 Interpretation E.g. 1 day with φ=97 %, T=20 C corresponds to 3.2 days under reference conditions 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 φ % -1 Mögelsporerna tycker inte om när det är torrt utan antas gå tillbaka i utvecklingen Similarly, D T describes the effect of temperature Was derived from Viitanens data for 0<T<30 C It was assumed that D T = -0,5 for T<0 1,4 1,2 1 Dose factor DT 0,8 0,6 04 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 30 T C 10
Climate conditions during 9 years in Lund and Kiruna Exposure of spruce sapwood outdoors under shelter during 34 years Lund, Southern Sweden (more warm and humid climate) Kiruna, northern Sweden (colder and more dry climate) Relative dose = D/D crit = 1 implies onset of mould growth 11
Field tests in buildings (performed by SP) Relative humidity and temperature were continously monitored in attics (3 buildings) and crawl spaces (3 buildings) during almost two years Specimens of different materials were placed in the same spaces Mould growth status for these specimens was checked every 6 months Typical Swedish wooden house Relative dose evaluated from test data [RH(t), T(t)] performed by SP in 3 different attics Specimens of pine sapwood did not show mould growth in the tests in any of the attics, which is also predicted by the model. Attic 3 Attic 1 Attic 2 12
Mould growth risk for wood sheltered outdoors (spruce sapwood) Calculations made for sites in Sweden 8 locations, 47 years of data from SMHI (T, RH) 39 locations, representative hourly data for 1 year from Meteonorm 100 80 60 40 20 0 Kiruna - RH and temperature for one year -20 0 100 200 300 Visby - RH and temperature for one year 100 80 60 40 20 0-20 0 100 200 300 Results 1 CDFs for annual maxima of D rel 0.9 0.8 F(x) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Onset of mould 47 years Annual max of D rel 0 0 1 2 3 4 Relative dose D rel Kiruna Luleå Bromma Karlstad Visby Umeå Frösön Säve 13
Results Comparison Meteonorm and SMHI based data for validation 6,00 5,00 4,00 50% fractile av CDF (SMHI) Max dose (Meteonorm) 3,00 2,00 1,00 0,00 Results Geographic differences (based on Meteonorm) 39 locations, 1 year Max of D rel D < 0.25 rel 0.25 D < 0.50 rel 0.50 D < 0.75 rel 0.75 D rel < 1.00 D rel 1.00 14
Slutsatser mögelmodell Initiering av mögelpåväxt för godtycklig exponering kan förutsägas med hygglig tillförlitlighet Modellen kan kvantifieras på basis av laboratorietester för olika substrat under kontrollerade klimatförhållanden Modellen i nuvarande form verkar vara något konservativ Responsen i olika klimatzoner överensstämmer med allmän erfarenhet Kan redan nu användas för relativa jämförelser av konstruktioner och klimatexponeringar Klimatvariationen mellan olika år är betydande och måste beaktas vid implementering i praxis Mögeltester utförs SP i WoodBuild, delprojekt D Huvudsyften Verifiera/jämföra fö med Viitanens data Undersöka effekten av varierande klimat Ge underlag för utveckling av standardiserad testmetod Utvärderade resultat i dagsläget 1) Konstant klimat RH=90% T=22 C (7 veckor) 1) Konstant klimat RH=90%, T=22 C (7 veckor) 2) Cyklisk relativ fuktighet En vecka vid 90%, följt av en vecka med 60 % o.s.v. Total varaktighet 16 veckor. 15
6 Mögelpåväxt RH=90, T=22 Limit state 5 M ö 4 g e l 3 i n d 2 e x 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Exponering dagar FUR-IO FUR-IIO FUR-IH FUR-IIH Gran-IO Gran-IH Gran-IIO Gran-IIH Viitanen, Pine sapwood, level 1 Viitanen, Spruce sapwood, level 1 Comparison between SP-tests 90/22 and Viitanens results 90/22 Material SP level 1, days Viitanen, level 1, days Pine, original 5 Pine, planed 10-14 27 Spruce original 5-10 Spruce, planed 18-22 35 16
Test in cyclic climate at SP Comparison with response in constant climate 16 weeks in alternating 90 % and 60 % The accumulated time in 90 % is used as a measure, i.e. it is first assumed that no set back happens during the dry periods Spruce sapwood, planed Mögelindex enligt SP 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Mould index, constant (90/22) vs. cyclic exposure (90/60 each week) Constant 90/22 0 20 40 60 Accumulated time (days) at RH=90%, T=22C Gran-IH Gran IH-cyklisk Weekly cycles 90-60-90 17
Furusplint hyvlad Mögelindex enligt SP Mögelindex - Furusplint 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Ackumulerad tid vid RH=90%, T=22C Const. 90/22 FUR-IH Fur IH-cyklisk Weekly cycles 90-60-90 Huvudslutsatser Tiden till initiering av mögelpåväxt i SP testerna är ungefär hälften av de som rapporteras av Viitanen Effekten av torra perioder är påtaglig i SPs testresultatt t Veckolånga perioder vid 60 % RH verkar bromsa den biologiska processen starkt. Detaljer kring detta presenteras senare av Annika Ekstrand -Tobin 18
Huvudfrågor att lösa för att systemet skall fungera Hur definiera dimensionerande klimatindata? Spelregler för val av antaganden vid modelleringen av en konstruktion (idealiseringar, ventilationsgrad, etc.)? Hur utvärdera resultat i form av [φ(t),t(t)] med avseende på risk för mögelpåväxt? Hur hantera konstruktionsdetaljer (anslutningar, genomföringar etc) som inte beskrivs i byggnadsfysikmodellen? Vilken risk kan accepteras för att man inte uppnår det man vill? a. Simuleringar som beskriver variabilitet mellan år för olika fall i klimatskärmen pågår, studier av mesoklimateffekter planeras b. Sammantaget måste resultat från detta värderas för att erhålla rimliga säkerhetsmarginaler c. När förslag till slutligt system föreligger måste utvärdering ske med reality checks. Huvudfrågor att lösa för att systemet skall fungera Hur definiera dimensionerande klimatindata? Spelregler för val av antaganden vid modelleringen av en konstruktion (idealiseringar, ventilationsgrad, etc.)? Hur utvärdera resultat i form av [φ(t),t(t)] med avseende på risk för mögelpåväxt? Hur hantera konstruktionsdetaljer (anslutningar, genomföringar etc) som inte beskrivs i byggnadsfysikmodellen? Vilken risk kan accepteras för att man inte uppnår det man vill? a. Denna fråga måste behandlas av delprojekt B, men arbete är ännu inte påbörjat 19
Huvudfrågor att lösa för att systemet skall fungera Hur definiera dimensionerande klimatindata? Spelregler för val av antaganden vid modelleringen av en konstruktion(idealiseringar, ventilationsgrad, etc.)? Hur utvärdera resultat i form av [φ(t),t(t)] med avseende på risk för mögelpåväxt? Hur hantera konstruktionsdetaljer (anslutningar, genomföringar etc) som inte beskrivs i byggnadsfysikmodellen? Vilken risk kan accepteras för att man inte uppnår det man vill? a. Projekteringsverktyget måste kompletteras med anvisningar för detaljutformning som bygger på samlad erfarenhet (mycket viktigt) b. Risken för (grova) fel i design och utförande kan inte hanteras med projekteringsverktyg. Byggbranschen måste skärpa sig!! Huvudfrågor att lösa för att systemet skall fungera Hur definiera dimensionerande klimatindata? Spelregler för val av antaganden vid modelleringen av en konstruktion(idealiseringar, ventilationsgrad, etc.)? Hur utvärdera resultat i form av [φ(t),t(t)] med avseende på risk för mögelpåväxt? Hur hantera konstruktionsdetaljer (anslutningar, genomföringar etc) som inte beskrivs i byggnadsfysikmodellen? Vilken risk kan accepteras för att man inte uppnår det man vill? a. Detta problem måste adresseras och dokumenteras b. Vad tycker ni om detta? c. Skall man arbeta med olika riksnivåer som för konstruktioner? 20
Projekteringsprincip utomhusträ ovan mark Indata Övriga indata? Uteklimatdata RH, T, regn Transformation av klimat till fuktkvot + temp Materialdata Ytbehandling u = fuktkvot Exponering av materialet [u(t),t(t)] Modifiera utformningen Alt. välj nytt material Materialets resistens Initiering av röta? JA NEJ OK Limit state for onset of decay Application: Exterior wood above ground Definition of onset of decay: Level 1, according to EN252 Evaluation of the limit state: Must be possible for continuous time series of coupled values of moisture content u(t) and temperature T(t) Test results from Klima 2000 Question: Will the limit state be violated under this type of exposure? 21
Performance model Input to the model are time series of combined [u(t),t(t)] Output shall be performance or non-performance in relation to the predefined limit state Examples of performance models for decay are 1. Dose-response model proposed by Christian Brischke 2. Decay model proposed by VTT (Tomi Toratti) The performance model is a central concept for development of tools for service life design. From 2010 Univ. of Hannover (Rapp & Brischke) is partner in WoodBuild. This gives us access to very comprehensive test data to evaluate the risk of decay as a function of exposure Decay model proposed by Brischke (2007) Based on dose-response relationship The total daily dose is defined by: d = d MC d T For exposure during N days the total dose is determined as N d i 1 where d i is the dose under day i based on daily average MC and T Recovery is not yet included in the model 44 22
Effect of MC and T on dose according to Brischke (2007) Interpretation: One day with optimum for both T and MC yields a dose equal to 1,0 (day) 45 Double layer test set-up, Brischke & Rapp (2007) 46 23
Decay rating, EN 252 (1989) 0) Sound 1) Slight attack 2) Moderate attack 3) Severe attack 4) Failure 47 Verification against field tests by Brischke, pine sapwood MC and temperature was measured during field trials for up to 8 years and decay was observed. MC measured in bottom layer of double layer setup in the center of a 25 mm thick specimen. Interpretation: Level 1 is reached after about 300 days wetting time at 30 C 48 24
A simplified model has been developed at LTH based on Brischkes results. This is used at the moment in WoodBuild and WoodExter Dose 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 D_t original model D_u original model D_t simplified model D_u simplified model Why simplify? We need a measure of the margin to the unsafe region to be able to assess the performance of different designs and exposure situations 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 u [%], T_av [C] Tillämpningar av dos-responsmodell för röta Utvärdering av rötrisk för olika orter i Sverige och Europa (beskrivs i en presentation av Eva Frühwald senare) Utvärdering av relativ rötrisk som funktion av detaljutformning i träkonstruktioner k utomhus ovan mark. (beskrivs i presentation av Tord Isaksson senare) Utvärdering av resistensen hos olika material mot röta baserat på fältförsök där fuktkvot och temperatur registrerats (t.ex. Brischkes försök) Utvärdering av relativ effekt av färgskikt på trä om mätningar av fuktkvot görs (har delvis gjorts i WoodExter) 25
Guideline proposed in WoodExter Kan ses som första ansats i WoodBuild Redovisas i separat presentation Frågor Hur kan exponeringen av trä i utomhusapplikationer beskrivas tillförlitligt baserat på klimatdata. (Denna fråga behandlas mer utförligt i WB delprojekt C) Utformningen av projekteringshjälpmedel har skisserats. Vad tycker ni??? Konstruktiva synpunkter mottages tacksamt. SLUT 26