Uusia tutkimustuloksia

Muuntojoustava massiivipuukerrostalo painovoimaisella ilmanvaihdolla

Muuntojoustava massiivipuukerrostalo painovoimaisella ilmanvaihdolla on yksi vastaus entistä kestävämpään massiivipuurakentamiseen. Rakennetaan puusta: Muuntojoustava massiivipuukerrostalo painovoimaisella ilmanvaihdolla -tutkimushankkeen aiheet perustuvat Korepuu Oy:n perustajayrityksen Puurakentajat Group Oy:n kokemuksiin massiivipuurakentamisen haasteista. Puukerrostalo on kestävä, virheitä sietävä ja kustannustehokas rakennusmuoto, jos se rakennetaan mahdollisimman yksiaineisesti, puun erityispiirteet huomioiden. Tutkimushankkeen tarkoituksena oli testata liittolaattarakenteen toimivuutta kerrostalossa, kartoittaa matalampia talotekniikkakustannuksia ja korvata eristeet ekologisemmilla vaihtoehdoilla.

Ympäristöministeriön puurakentamisen ohjelma on myöntänyt Rakennetaan puusta: Muuntojoustava massiivipuukerrostalo painovoimaisella ilmanvaihdolla -hankkeelle rahoitusta. Puurakentamisen ohjelman tavoitteena on lisätä puun käyttöä rakentamisessa ilmastotavoitteiden edistämiseksi.

Painovoimainen ilmanvaihto tekee puurakennuksesta terveellisen asukkaalleen

Painovoimainen ilmanvaihto perustuu fysiikan lakeihin. Kun sisä- ja ulkoilman välillä on lämpötilaero, syntyy hormivaikutus, jossa kylmä ilma laskeutuu alas ja lämmin ilma nousee ylös. Korvausilmaventtiilit ja poistoilmaventtiilit sekä mahdolliset tulisijojen hormit toimivat rakennuksen hengitysteinä. Painovoimaista ilmanvaihtoa kutsutaan myös luonnolliseksi ilmanvaihdoksi verrattuna koneelliseen ilmanvaihtoon, koska se ei edellytä sähköllä toimivia laitteistoja. 

Huonokuntoiset tai huoltamattomat ilmanvaihtolaitteet aiheuttavat helposti sisäilmaongelmia. Jos ilmanvaihtolaite ei toimi oikein, sen rakenteisiin voi kertyä kosteutta ja likaa. Missä tahansa rakennuksessa liiallinen kosteus voi johtaa haitallisten mikrobien syntymiseen. Siksi ilmanvaihdon toimivuus on asumisterveydelle ja rakenteille erityisen tärkeää. Painovoimainen ilmanvaihto on puurakennuksiin turvallinen, terveellinen ja kustannustehokas vaihtoehto. Kun ilmanvaihto ei edellytä laitteistoa, säästytään ilmastointilaitteiden korkeilta hankinta- ja elinkaarikustannuksilta.

Mitä uutta tietoa painovoimaisesta ilmanvaihdosta on tuotettu?

Hankkeen tutkimukset osoittavat, että painovoimainen ilmanvaihto toimii myös massiivipuukerrostalossa. Sillä turvataan sisäilman laatu ja lasketaan rakennuskustannuksia sekä ilmastoinnin elinkaarikustannuksia. 

Painovoimainen ilmanvaihto on huomioitava jo, kun rakennus on suunnitteluvaiheessa arkkitehdin työpöydällä. Painovoimainen ilmanvaihto vaatii käytännön tasolla yhden hormin jokaiseen asuttuun huoneeseen. Tämä lisää katolle johdettavien hormien määrää huomattavasti. Hormien sijoittelu rakenteisiin vaatii huolellisuutta, jotta akustiset ja paloteknisen ratkaisut toteutetaan turvallisesti ja kustannustehokkaasti. 

Markkinoilla on olemassa valmiita hormiratkaisuja. Painovoimaisessa ilmanvaihdossa on tärkeää huomioida ilmanvaihtohormin materiaali. Suomessa on runsaasti kokemusta tiilimuuratuista hormeista, joiden pinta imee ja luovuttaa kosteutta paremmin kuin betoninen hormi. Poistoilmahormi voidaan varustaa tuulitehostajalla, millä estetään myös takaisinvirtaus hormissa. Tuloilmaratkasuna voidaan käyttää joko itsestään lämpötilan mukaan säätyviä tulosilmaventtiileitä tai esimerkiksi lattiavetoa ehkäiseviä Mobair-tulosilmaventtiileitä. Keittiöt puolestaan varustetaan normaalilla liesituulettimella, joka kanavoidaan katolle.

Millaista lisätietoa painovoimaisen ilmanvaihdon toteuttaminen massiivipuurakennuksessa vaatii?

Keskeiset ratkaisut painovoimaisessa ilmanvaihdossa liittyvät energiatehokkuuteen. Painovoimainen ilmanvaihto ei kuluta sähköä, joka parantaa energiatehokkuutta. Toisaalta painovoimaisella ilmanvaihdolla rakennuksen energiatehokkuus jää usein B-luokkaan. Se on täysin riittävä, mutta energiatehokkuutta on mahdollista myös parantaa. 

A-energiatehokkuusluokkaan pääseminen edellyttää lisätoimenpiteitä, jotka olemme esitelleet tarkemmin alla. Massiivipuukerrostalon rakentaminen painovoimaisella ilmanvaihdolla ja A-energialuokassa on mahdollista, mutta käytännön toteutus vaatii edelleen tarkempaa tutkimusta ja suunnittelua. Massiivipuurakennuksen tapauksessa esimerkiksi seinärakenteen paksuus ja eristäminen vaikuttavat rakennuksen energiatehokkuuteen.

A-energialuokkaan pääseminen voi puurakennuksessa onnistua esimerkiksi seuraavien keinojen avulla: 

• hyödynnetään maalämpöä sekä lämmitykseen että viilennykseen
• rakennus varustetaan automaattisella ilmanvaihdon säädöllä
• tuloilma esilämmitetään ja -viilennetään maakanavistossa (kulvertti)
• rakennuksessa on omaa energiantuotantoa (esimerkiksi aurinkosähkö tai -lämpö) ja tuloilmaa esilämmitetään aurinkoenergialla (esim. tuodaan tuloilma tuloilmavitriinien tai parvekkeiden kautta sisään)

Sopivat keinot energiatehokkuuden lisäämiseksi valitaan rakennusvaiheessa ja asukkaiden tarpeiden pohjalta.

Muuntojoustava massiivipuukerrostalo elää asukkaiden tarpeiden mukaan

Koska puu on joustavampaa ja kevyempää kuin teräsbetoni, se värähtelee käytössä eri tavoin. Puurakenteisia välipohjia mitoittaa käytännössä värähtely, ei murtolujuus eikä paloturvallisuus. Puurakenteiset välipohjat siis ylimitoitetaan, jotta voidaan täyttää suomalaiset värähtelymitoitusperiaatteet, jotka poikkeavat muun maailman vaatimuksista. Käytännössä tämä tarkoittaa ylimääräistä metsävarojen käyttöä.

On siis perusteltua pyrkiä mitoittamaan välipohja optimaaliseksi asumismukavuuden ja määräysten valossa. Tässä tapauksessa on arvioitu, kuinka paljon kantavia rakenteita tarvitaan minimoimaan värähtely. Kantavien rakenteiden luominen taas on osaltaan heikentänyt puurakennusten muunneltavuutta.

Värähtelyarvoja ei ole kuitenkaan tutkittu kovin tarkasti, koska puukerrostaloja ei ole juurikaan rakennettu. Nykyiset arviot puukerrostaloihin tarvittavien välipohjien paksuudesta perustuvat osittain vanhentuneeseen ja puutteelliseen tietoon FEM-laskelmissa. Niissä ei myöskään huomioita sekundääristen rakenteiden vaikutusta. Näin on päädytty ylimitoitettuihin välipohjiin ja hankalasti muunneltaviin suunnitteluratkaisuihin.

Jotta rakennus on mahdollisimman kestävä ja monikäyttöinen, sen tulee olla helposti muunneltavissa. Muuntojoustava asunto elää asukkaiden elämänvaiheiden ja tarpeiden mukaan, oli kyse sitten yhdistetystä lastenhuoneesta, itsenäistyvän nuoren omasta sisäänkäynnistä, etätyön mahdollistavasta toimistosta tai omasta tilasta omaishoidettavalle vanhukselle. Muunneltava rakennus on myös vastuullinen ja kestävä, sillä sitä ei tarvitse purkaa tai remontoida käyttötarkoituksen muuttuessa.

Mitä uutta tietoa muuntojoustavuudesta on nyt tuotettu?

Hankkeessa tutkimme CLT-elementtien värähtelyarvoja ja erilaisia yhdistelmärakenteita. Tutkimusaiheen tarkoituksena oli selvittää, miten rakenteita voidaan mitoittaa suuremmilla jänneväleillä niin, että värähtely ei kuitenkaan ylitä sallittuja rajoja. Kantavien rakenteiden ja rakennusmateriaalien optimointi tekee rakennuksesta muuntojoustavan, säästää luonnonvaroja ja vähentää tilan hukkakäyttöä.

Hankkeen yhteydessä toteutetussa opinnäytetyössä mitattiin kokeellisesti erilaisten CLT-välipohjien ja niihin liitettyjen koolattujen rakenteiden värähtelyä sekä vertailtiin laskennallisten ja mitattujen arvojen välisiä eroja. Tutkimus oli kaksivaiheinen. Ensimmäisessä mitattiin 140 millimetrin ja 200 millimetrin paksuisten CLT-laattojen värähtelyä eri jänneväleillä, ja toisessa niihin kiinnitettiin koolauksia eri menetelmin.

Mittausten tuloksena havaittiin, että myös koolaukset vähentävät rakennuksen värähtelyä, ja mahdollistavat näin rakenteen ohentamisen ja pidemmän jännevälin.

Esimerkiksi ruuvikiinnitetyn koolauksen lisääminen 140 millimterin CLT-laattaan 4,7 metrin jännevälillä nosti taajuutta 2,4 hertsiä. Näin rakennuksen välipohjan värähtelyarvosta tuli määräysten mukainen. Lisäksi tutkimus osoitti, että tapauskohtaisesti lasketut arvot massiivipuukerrostalon värähtelystä eivät vastaa täysin mitattuja arvoja. Tulokset poikkeavat toisistaan erityisesti pidemmällä jännevälillä, jolloin mittaaminen vastaa paremmin kerrostalon tarpeita ja tapausta. Erityisesti ruuveilla kiinnitetyt koolaukset toimivat mitatusti paremmin värähtelyn vähentämisessä kuin laskennalliset mallit antavat ymmärtää.

Toisessa opinnäytetyössä tutkittiin ei-kantavien väliseinien vaikutusta välipohjan dynaamisiin ominaisuuksiin. Lopputuloksena havaittiin, että miltei kaikissa tapauksissa ei-kantavat väliseinät paransivat lähes kaikkia tutkittuja ominaisuuksia. Yksiselitteistä mitoituskeinoa ei pystytty osoittamaan, mutta jatkotutkimuksena suositeltiin selvittämään FEM-mallinnuksen käyttöä osana hankkeiden mitoittamista. Opinnäytetyön yhteydessä mitattiin useita eri välipohjatyyppejä, muun muassa Suomen ainoat CLT-deltapalkki-betoniliittolaattoja. Merkityksellistä oli, että myös näissä liittolaattarakenteissa ei-kantavien rakennusosien vaikutus oli merkittävä. Niiden huomioiminen rakennesuunnitteluvaiheessa tukee rakenteiden optoimointia ja sen kannattavuutta entisestään.

Miten tutkimustulokset viedään käytäntöön?

Hankkeen tulokset osoittavat, että yksinkertaisilla keinoilla voidaan ohentaa rakenteita ja pidentää jännevälejä. Myös ei-kantavat rakenteet vähentävät värähtelyä, joka mahdollistaa ohuempia rakenteita. Näin koko huoneiston pinta-ala saadaan käyttöön, rakennusmateriaalien käyttö vähenee ja tilaratkaisut ovat helposti muunneltavissa asukkaiden mukaan. Muuntojoustava massiivipuukerrostalo toteutetaan Helsingin Yliskylään osana Helsingin kaupungin Kehittyvä kerrostalo -ohjelmaa.

Vaikka mittausten perusteella täsmennetyt laskentamenetelmät vaativat enemmän työtä kuin perinteinen mitoitus, tarkat mittaustulokset maksavat kuitenkin itsensä takaisin säästettyinä materiaalikustannuksina. Siksi mittauksiin perustuvia menetelmiä on hyödyllistä ottaa käyttöön myös laajemmin rakennushankkeissa. Tutkimuksen tulokset eivät kuitenkaan vastaa kaikkiin tiedontarpeisiin. Tulevissa tutkimuksissa olisi hyödyllistä mitata erilaisia kiinnitystapoja koolauksille, erilaisia välipohjarakenteita sekä niiden yhdistelmiä, sekä kehittää menetelmiä erilaisten rakenteiden huomioimiseksi. Näin saadaan tietoa todellisesta värähtelystä, ja voidaan rakentaa entistä kustannustehokkaampia ja muuntojoustavampia massiivipuukerrostaloja.

Selluvillaa voidaan käyttää eristeenä, kun sen pinta suojataan oikein

Eristeillä on tärkeä rooli rakennusten energiatehokkuuden parantamisessa. Samalla niiden valmistaminen aiheuttaa merkittäviä päästöjä. Kierrätyspaperista valmistettu selluvilla on ekologinen vaihtoehto puukerrostalon eristeeksi. Siinä missä lasi- ja kivivilla päästävät jopa 1,5 kiloa hiilidioksidiekvivalenttia kiloa kohti, selluvilla toimii hiilivarastona ja sitoo lähes yhtä paljon hiiltä kuin päästää.

Mitä uutta tietoa selluvillaristeistä on nyt tuotettu?

Nykyisin selluvilla ei ole kerrostaloissa sallittu eristemateriaali, koska se on sijoitettu paloturvallisuudessa E-luokkaan. Tällä hetkellä suurin osa kerrostaloista eristetään korkeapäästöisillä kivi- tai lasivilloilla. Selluvillan käyttö on kuitenkin mahdollista, jos se käsitellään palonsuoja-aineella.

Hanke osoittaa, että selluvillaa on mahdollista käyttää kerrostalorakentamisessa tietyin reunaehdoin. Hankkeessa suoritettujen palokokeiden mukaan CLT-aluslevy ei merkittävästi osallistunut paloon selluvillan alla, joten hiiltynyt selluvilla suojaa massiivipuuta palolta. Palonsuoja-aineella selluvillan paloluokkaa voidaan parantaa D-luokkaan, ja kostean selluvillan huolellisella työstöllä keskimmäinen kerros voi nousta jopa B-luokkaan. Eristeen pinta taas voidaan suojata A-luokan pinnoitteella, esimerkiksi kipsi- tai sementtilevyllä.

Millaista jatkotutkimusta selluvillan käyttö edellyttää?

Tekniikka selluvillan paloturvallisuuden parantamiseen on siis olemassa mutta toistaiseksi selluvillan käsittely on vielä liian kallista. Kun selluvillan käyttöä tutkitaan lisää ja työtekniikka kehittyy, on todennäköistä, että selluvilla voidaan ottaa rakennusteollisuuteen kivi- ja lasivillan korvaavaksi eristemateriaaliksi.

Hankkeen tulokset kannustavat siis tutkimaan selluvillan kustannustehokasta tuotantoa ja suojausta. Tämän tueksi olisi tärkeä selvittää, miten selluvillan pinnan tasaisuus ja palosuoja-aineen levitys saataisiin tuotettua teollisessa mittakaavassa.