Může být vlhkost nepřítelem dřevostaveb?
Článek popisuje jeden z nejdůležitějších faktorů omezující životnost dřevostaveb – vlhkost. Ukazuje, jaké jsou nejčastější příčiny a důsledky zvýšené vlhkosti v konstrukci dřevostaveb a jakými způsoby lze tuto vlhkost detekovat a měřit. Prezentuje jednu z možných metod pro kontinuální monitoring – metodu měření elektrického odporu a jeho následný převod na hodnotu vlhkosti. Dále popisuje možnosti korekce této hodnoty na vliv teploty i na druh materiálu.
1. Dřevo jako přírodní stavební materiál
Dřevo bylo jako stavební materiál používáno ke stavbě obydlí od nepaměti a v současné době zažívá renesanci díky svým nesčetným výhodám. Je to čistě přírodní obnovitelná surovina, čímž si v dnešní době opět získává stále více stoupenců.
Obr. 1 – Vývoj počtu realizovaných dřevostavebv ČR 1998–2014Klady
Dřevo je relativně levný stavební materiál se snadnou obrobitelností. Jeho nízká hmotnost umožňuje výrobu prefabrikovaných dílců, díky kterým lze stavbu realizovat na místě pouhým smontováním. Tyto vlastnosti umožňují rychle postavit kvalitní levné bydlení dostupné pro široké vrstvy obyvatelstva. Další nezanedbatelnou výhodou je fakt, že se jedná o plně obnovitelný stavební materiál, který je čistě přírodním produktem.
Zápory
Nevýhodou dřeva je především jeho hořlavost a hygroskopicita, tj. schopnost pohlcovat vzdušnou vlhkost. Ta se do dřeva dostává díky jeho pórovitosti, kterou si dřevo zachovává během celého životního cyklu. Zvýšená vlhkost ve dřevě vytváří podmínky pro vznik a podporu růstu plísně, hniloby a dřevokazných hub případně dalších dřevokazných škůdců. V případě napadení těmito nemocemi dřeva je výrazně zkrácena jeho životnost a narušena statika objektu. Vedlejším efektem je i snížení kvality vnitřního prostředí uvolňováním spor do interiéru objektu.
2. Vlhkost v dřevostavbě
Dřevo je hygroskopický materiál a je tedy schopno vázat vodu, kterou nejčastěji pohlcuje z okolní vzdušné vlhkosti. Každá dřevostavba tedy nutně ve své konstrukci obsahuje jisté množství vázané vody. Toto množství není konstantní a mění se v závislosti na klimatických podmínkách, kterým je dřevěná konstrukce vystavena. V klidových konstantních podmínkách se vlhkost ve dřevě ustálí na tzv. rovnovážné (sorpční) hodnotě vlhkosti. Změny vlhkosti způsobené klimatickými změnami vzdušné vlhkosti jsou však z hlediska monitoringu zajímavé tehdy, pokud by rovnovážná vlhkost překročila hranici, kdy dochází k podmínkám vhodným pro vznik dřevokazných procesů.
Hlavním předmětem zájmu monitoringu jsou změny vlhkosti stavebního materiálu způsobené nehodami či konstrukčními chybami stavby. Mezi možné příčiny vzniku zvýšené vlhkosti tak patří:
- Konstrukční chyby staveb (netěsnosti v hydroizolaci nebo parozábraně)
- Nehody na technologických rozvodech (úniky médií, vody, netěsnosti odpadů atd.)
- Nehody zapříčiněné uživatelem (vytečení pračky, přetečení vany atd.)
Důsledkem těchto příčin jsou pak větší či menší úniky kapaliny. Zatímco větší úniky jsou většinou lokalizovány svými projevy okamžitě, ty nepatrné jsou jen těžko odhalitelné.
3. Dlouhodobý monitoring vlhkosti konstrukce
Provádět namátkové odměry vlhkosti je velmi problematické z důvodu časté nemožnosti přístupu do kritických míst a také je to velmi časově náročné. Takové odměry navíc nemají dostatečnou vypovídací hodnotu o vlhkostních poměrech uvnitř konstrukce budovy. Není lehké v odebraných vzorcích potlačit vliv sezónních změn počasí ani včas detekovat nárůst vlhkosti v případě havárie. Navíc měření vlhkosti v interiéru nemusí korelovat s vlhkostí uvnitř dřevěné konstrukce. Proto je důležité dlouhodobě kontinuálně monitorovat vlhkost v nejkritičtějších místech dřevostavby přímo uvnitř dřevěné konstrukce.
4. Jaká vlhkost je zajímavá?
Hmotnostní vlhkost dřevěných a jiných prvků
Každý dřevěný prvek stavby se nachází v rovnovážném stavu, ve kterém má rovnovážnou (sorpční) vlhkost. Ta je dána relativní vlhkostí okolí. Jakékoli anomální okolní podmínky způsobí změnu vlhkosti. Může jít o zvýšení vlhkosti dřeva sorpcí ze zvýšené vzdušné vlhkosti anebo nasákavostí dřeva přímým stykem kapaliny s dřevem (únik, kondenzace atd.).
Pro zachování co možná nejdelší životnosti dřevostavby je důležité hlídat správnou vlhkost dřevěných prvků stavby.
Vzdušná vlhkost v izolačních vrstvách
Izolační vrstvy budovy bezprostředně navazují na dřevěné prvky budovy. V případě montovaných dřevostaveb jsou izolační vrstvy již přímo součástí prefabrikovaných konstrukčních dílců. Izolace budovy slouží k udržení tepla uvnitř budovy a k minimalizaci tepelných úniků. Pokud izolační materiál obsahuje vodu (ať vázanou či ve formě vodních par), jsou jeho tepelné izolační vlastnosti značně zhoršeny. I když jsou izolační materiály navrhovány tak, aby neabsorbovaly vlhkost, je tento jev pouze minimalizován. Nejčastěji používanými izolačními materiály dnešních dřevostaveb jsou minerální vata, polystyren, drcený polystyren, materiály na bázi celulózy apod. Zvýšená vlhkost izolačního materiálu neznamená pouze snížení izolačních vlastností, ale rovněž možnost vzniku plísní přímo uvnitř izolace.
5. Vzdušná vlhkost
Vzdušnou vlhkost lze měřit několika principy: mechanicky (vlasový vlhkoměr, psychrometr, elektrolytický vlhkoměr, gravimetrické vlhkoměry, kondenzační vlhkoměry aj.) nebo elektricky (vlhkoměry založené na měření kapacity, rezistivity, teplotní vodivosti, absorpce záření aj.).
Měřit lze buď absolutní anebo relativní vlhkost vzduchu. Absolutní vlhkost vzduchu vyjadřuje hmotnost vodní páry obsažené v jednotce objemu vzduchu (g⋅m−3). Relativní vlhkost vzduchu udává poměr mezi okamžitým množstvím vodních par ve vzduchu a množstvím par, které by měl vzduch o stejném tlaku a teplotě při plném nasycení (%). Častěji používaná je relativní vlhkost vzduchu, ale při znalosti teploty lze absolutní a relativní vlhkost vzduchu vzájemně přepočítávat a stanovovat i hodnotu rosného bodu.
6. Hmotnostní vlhkost masivního dřeva
Vlhkost dřeva se vyjadřuje absolutně i relativně. Absolutní vlhkost vyjadřuje poměr hmotnosti vody v materiálu k jeho čisté hmotnosti (suchý materiál). Relativní vlhkost vyjadřuje poměr hmotnosti vody v materiálu k jeho celkové hmotnosti (vlhký materiál). Běžně se pod pojmem vlhkost dřeva rozumí absolutní vlhkost.
Principy
Z hlediska měření vlhkosti obsažené v pevných materiálech rozdělujeme metody na přímé a nepřímé.
Přímé metody
Přímé metody vycházejí přímo z definice vlhkosti a stanovují ji poměrem hmotnosti vody k hmotnosti suchého materiálu. K tomu je ale nutné vlhkost z materiálu úplně odstranit, jedná se tedy o destruktivní měření. Tyto metody jsou velmi přesné, ale umožňují pracovat pouze s malými vzorky dřeva. Používají se ke kalibraci přístrojů využívajících nepřímé metody.
Gravimetrická (váhová) metoda
Tato metoda je založena na vážení vlhkých vzorků, jejich vysušení a opětovné vážení. Rozdíl hmotností před a po sušení odpovídá množství odpařené vody, z čehož lze vypočítat vlhkost, neboť po vysušení je k dispozici i údaj o hmotnosti suchého materiálu. Sušení se provádí v sušárnách při teplotě (103 ± 2) °C. Každé dvě hodiny se sušený vzorek váží. Pokud je změna vlhkosti mezi posledníma dvěma odměry menší než 1 %, je vzorek považován za vysušený.
Destilační metoda
Použitím destilačního procesu na vzorek materiálu spolu s destilačním médiem (xylen, toluen aj.) dojde k vysušení dřeva a odchycení vody do zvláštní nádoby. Z hmotnosti odejmuté vody a hmotnosti suchého materiálu lze opět vypočítat vlhkost materiálu.
Nepřímé metody
Nepřímé metody využívají závislost některé z fyzikálních veličin na vlhkosti materiálu. Tyto metody jsou nedestruktivní, umožňují pracovat i se vzorky velkých rozměrů a na rozdíl od přímých metod umožňují i kontinuální monitoring.
Elektro-fyzikální metoda
Měřiče založené na elektro-fyzikálním principu jsou dnes nejběžněji používanými měřiči ke stanovování vlhkosti materiálů. Vlhkost nejvíce ovlivňuje elektrický odpor, kapacitu, relativní permitivitu, výkonové ztráty, dielektrické ztráty a komplexní permitivitu materiálu.
Rezistivní (též odporové, vodivostní, konduktivní) měřiče – měří elektrický odpor (vodivost) měřeného materiálu mezi dvěma elektrodami penetrujícími měřený materiál.
Dielektrické měřiče – stanovují vlhkost materiálu na základě měření kapacity, permitivity, admitance či fázového posuvu.
Radiometrická metoda
Stanovení vlhkosti na základě absorpce různých druhů záření (převážně beta a gama).
Akustická metoda
Vlhkost ovlivňuje rychlost šíření i absorpci zvukových a ultrazvukových vln. Tato metoda využívá známé závislosti mezi těmito veličinami a vlhkostí.
Metoda sesychání dřeva
Převážně v sušárnách je možno stanovit vlhkost sušeného materiálu na základě změn jeho rozměrů (resp. objemu).
Metoda založená na úbytku hmotnosti
Průběžným monitorováním hmotnosti stohu sušeného dřeva v sušárně je možné stanovit úbytek hmotnosti. Tím lze zjistit průměrnou vlhkost sušeného řeziva na základě úbytku hmotnosti během sušícího procesu.
Měření rezistivní metodou
Obr. 2 – Závislost elektrického odporu vzorku dřeva na jeho vlhkosti
Rezistivní metoda stanovení vlhkosti materiálu využívá známé velké závislosti elektrického odporu na vlhkosti měřeného materiálu. Samotné měření se provádí měřením elektrického odporu mezi dvěma elektrodami penetrující měřený materiál. Rozsah měřeného odporu se pohybuje od desítek kΩ až po stovky GΩ (viz obrázek 2 pro měkké dřeviny).
Tomuto rozsahu musí být uzpůsoben měřicí princip senzoru. Ke stanovení elektrického odporu R (Ω) měřeného vzorku materiálu lze využít např. princip nabíjení kondenzátoru C (F). Využitím integrovaného obvodu TLC555 a jeho vnitřního komparátoru, lze převést měřený odpor na čas t (s).
(1)
Převod odporu na vlhkost pro různé dřeviny a jiné materiály
Závislost odporu R (Ω) na hmotnostní vlhkosti materiálu MR (%) je znázorněna na předchozím obrázku (Obr. 2) a matematicky ji lze popsat vztahem:
(2)
kde A a B jsou kalibrační koeficienty pro danou konfiguraci měřících elektrod (materiál, průměr, rozteč, délka). Takto stanovená vlhkost materiálu MR (%) je ovlivňována teplotou ϑ (°C), jejíž vliv lze korigovat rovnicí:
(3)
Převod dle vztahu (2) probíhá pro materiál, pro nějž je konfigurace měřících elektrod kalibrována. Tímto materiálem je nejčastěji smrkové dřevo. V případě použití jiného dřeva, je nutné provést ještě korekci na druh materiálu podle vztahu:
(4)
kde a a b jsou korekční konstanty pro měřený materiál. [4], [5]
Závěr
Cílem tohoto článku bylo seznámit čtenáře s často podceňovaným problémem dřevostaveb, jímž je vlhkost. Zvýšená vlhkost je důsledkem mnoha možných problémů staveb a je kritická pro životnost celé stavby a zajištění ideálních podmínek uvnitř.
V Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT byl vyvinut systém Moisture Guard pro komplexní monitorování vlhkosti dřevostaveb. Tento systém sice nedokáže problémům předcházet, ale dokáže je rozpoznat a lokalizovat ve velmi raném stádiu.
Literatura
- [1] James W. L.: Electric Moisture Meters for Wood, 1988, United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, General Technical Report FPL-GTR-6, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr06.pdf
- [2] Duff J. E.: A Probe for Accurate Determination of Moisture Content of Wood Products in Use, 1966, U.S. Forrest Service Research Note FPL-0142, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn0142.pdf
- [3] Wood Handbook – Wood as an Engineering Material, 2010, U.S. Forrest Service, General Technical Report FPL-GTR-190, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr190.pdf
- [4] Makovíny I.: Meranie vlhkosti dreva, Zvolen: MATCENTRUM, 1995, ISBN 80-967315-0-5
- [5] Onysko D., Schumacher Ch., Garrahan P.: Field Measurements of Moisture in Building Materials and Assemblies: Pitfalls and Error Assessment, DMO Associates, Building Science Corporation, FPInnovations, Forintek Division, 2008, http://c.ymcdn.com/sites/www.nibs.org/resource/resmgr/BEST/BEST1_M2-5.pdf
The article describes one of the key factors affecting the lifetime of a wooden building – moisture. It shows the most common causes and effects of increased moisture inside a wooden construction. Methods of determining moisture level in it are listed and particular one suitable for continual monitoring is presented. The suitable method is measuring of the resistance and conversion to a moisture level. Corrections of the moisture level for temperature effects and wood type are included.