23.11.2021

Meteoriitti-talossa tutkittiin CLT-rakenteiden eristävyyttä ja pintakäsittelyä

2020 Puupalkinto-kilpailun yleisöäänestyksen voittaja Ateljé Sotamaan suunnittelema Meteoriitti on saanut huomiota Suomessa ja kansainvälisesti. Keväällä 2021 se voitti Pohjois-Karjalan maakunnallisen rakennuskohdepalkinnon ja oli virtuaalisesti esillä Venetsian arkkitehtuuribiennalessa. Rakennuttajan ja suunnittelijoiden yhteinen innostus johti uusien ratkaisujen kokeiluun CLT-rakentamisessa, joita tutkittiin Karelia-ammattikorkeakoulun toimesta. Mitä projektissa sitten opittiin rakennustekniikan näkökulmasta ja mitä siitä mahdollisesti seuraa?

Teksti: Ville Mertanen | Kuvat : Karelia-ammattikorkeakoulu, Tuukka Koski, Kivi Sotamaa

Read the article in English: Meteorite House – a study in the insulation and surface treatment of CLT structures

Kontiolahdella sijaitsevan Meteoriitti-talon suunnittelu alkoi kesällä 2019. Hankkeen tarkoituksena oli testata, millaisia uusia muotoja ja ratkaisuja digitaaliset valmistusmenetelmät voisivat tuoda puurakentamiseen. CLT-elementtien toimittajaksi valikoitui CLT Finland Oy ja rakentajaksi Lahden puurakentajat. Kokeellisen muodon ja rakenteen lisäksi haluttiin tutkia CLT-rakenteiden lämmöneristystä ja kasviöljypohjaista pintakäsittelyä ulkokuoressa. Näiden osalta sovittiin tutkimusyhteistyöstä Karelia-ammattikorkeakoulun puurakentamisen osaston kanssa. Tutkimus tehtiin yhteistyössä rakennuttajan kanssa, ja siihen osallistui myös CLT Finland Oy.

Kuva 1. Meteoriitti-talon rakenne ja olosuhdeanturit rakenteesta.

Rakenne: sisätilat, välitila ja ulkokuori

Rakennus koostuu kolmesta toistensa päälle sijoitetusta CLT-rakenteisesta laatikkomaisesta sisätilasta, joita verhoaa monimuotoinen CLT-rakenteinen ulkokuori. Ulko- ja sisäkuoren välisessä ilmatilassa kulkevat talotekniset ratkaisut. Rakennuksessa ei ole varsinaista eristekerrosta, vaan lämmöneristävyys perustuu puun luontaiseen eristävyyteen sekä välissä olevaan ilmatilaan.

Ilmatilan eristävyys CLT-rakenteissa

Rakennusfysikaalisesti tarkasteltuna lämpö siirtyy kolmella eri tavalla: johtumalla, säteilemällä ja konvektiolla. Auringon lyhytaaltoinen säteily lämmittää rakennuksen ulkopintaa. Johtumisen avulla lämpöenergia siirtyy CLT-materiaalin sisällä värähtelemällä. Eristävyyden kannalta eniten huomioitavia asioita aiheuttaa näistä ilmiöistä konvektio.

Meteoriittia suunnitellessa lähtöoletuksena oli, että välitilassa oleva ilma toimii eristeenä ulkopuolen ja sisätilan välillä. Epäselvää oli se, mikä verran välitilassa tapahtuu konvektiota eli lämpötilaeroista ja painovoimasta aiheutuvaa ilmavirtaa, joka heikentää ilmapatjan toimintaa eristeenä. Tätä ilmiötä tarkasteltiin asentamalla rakennuksen eri puolille lämpötila-kosteus-antureita, joiden avulla olosuhteita pystyttiin seuraamaan noin vuoden ajan.

Kuva 2. Konvektio-ilmiö havainnollistettuna anturidatan pohjalta joulukuussa 2019 (kohteessa ylläpitolämpö). CLT-levyn paksuus kohteessa 100 mm.

Konvektiovirtauksien muodostuminen

Meteoriitin tapauksessa konvektio tapahtuu välitilan ulko- ja sisäkuoren lämpötilaeron takia. Välitilan ulkopuoli on talvella kylmä ja sisäpuoli lämmin. Tästä seuraa se, että sisäpinnan lämmittämä ilma kevenee ja nousee ylöspäin ja samalla rakenteen ulkokuoren kylmä ilma laskeutuu painavampana alaspäin. Näin muodostuu seinärakenteiden pintoja pitkin kiertävä konvektiovirtaus.

Kuvassa 2 on kuvattu oletettuja konvektiovirtauksia ja mitattuja lämpötiloja joulukuulta 2019, kun rakennus ei ollut vielä käytössä, ulkona oli pakkasta ja sisällä ylläpitolämpö. Vaikka konvektio heikentää ilmakerroksen toimintaa eristeenä, pitkän aikavälin kuvaajasta voidaan nähdä kuitenkin ilmatilan puskuroiva vaikutus (kuvaaja 1). Jyrkimmät lämpötilan vaihtelut tasoittuvat rakenneratkaisun varauskyvyn ansiosta.

Tutkimuksen perusteella pohdittiin, että konvektion hillitsemiseksi välitilan ilmaa eristäviä rakenteita voisi lohkoa pienemmäksi, mikä parantaisi eristyskykyä hillitsemällä hormivaikutusta. Ratkaisu edellyttää kuitenkin huolellista rakennusteknistä suunnittelua, jolla voitaisiin estää kosteuden kondensoituminen rakenteisiin ja samalla huolehdittaisiin rakenteisiin mahdollisesti kertyvän kosteuden poistamisesta.

Konvektion voidaan nähdä vaikuttavan myös Meteoriitin sisätiloissa. Rakennuksen keskellä kulkee alhaalta ylös jatkuva avoin tila ja alhaalla lämmennyt sisäilma nousee kevyempänä ylöspäin. Alimman ja ylimmän kerroksen välille muodostuu näin ollen lämpötilaero. Myös tämä ilmiö on tarpeellista huomioida rakennuksen suunnittelussa asumisviihtyvyyden varmistamiseksi.

Kuvaaja 1. Ulko-, sisä- ja välitilaolosuhteet Meteoritella helmikuussa pakkasjaksolla 2021.

Toinen tutkimuskohde: CLT-pintakäsittelyt

Toinen CLT-rakentamiseen liittyvä tutkimuskohde oli pintakäsittely. Yleisin ratkaisu CLT-rakentamisessa on peittää puupinta erillisillä verhoiluilla, koska CLT kuuluu käyttöluokkaan 2 eli sitä voi käyttää ulkona vain katetussa tilassa, missä se on hyvin suojattuna kastumiselta (esim. ullakkorakenteet). Perinteisesti lähes vastaavia liimattuja puutuotteita on kuitenkin totuttu käyttämään myös käyttöluokassa 3 (esimerkiksi hirsiseinät). CLT:n pinta eroaa vastaavista hirsirakenteista vain siten, että pinta on hiottu tehtaalla.

Meteoriitin tapauksessa CLT-materiaali jätettiin säälle alttiiksi ulkopintaan. Ennen käytettävien pintakäsittelyaineiden valintaa tutkittiin erityyppisiä kuultavia puunsuojakäsittelyjä ja niiden kestoa Karelia-ammattikorkeakoulun laboratoriossa. CLT-koekappaleita altistettiin säälle ensin sääkaapissa ja sitten ulko-olosuhteissa. Tuloksista havaittiin perinteisten puun käsittelyaineiden toimivan myös CLT:n hiotussa pinnassa. Sääkaappitestissä ei saatu aikaiseksi merkittäviä eroja eri pintakäsittelyaineiden välille, ja oletettavasti hiottu pinta myös toimii alustana jopa paremmin kuin höylätty.

Kaikki varsinaiset modernit käsittelyaineet kestivät pinnassa hyvin, eikä merkittäviä eroja saatu aikaiseksi. Tummilla väreillä havaittiin hieman enemmän pihkavalumia kuin vaaleilla. Halkeamien määrässä ei huomattu eroa. Tosin tämä johtui mahdollisesti koekappaleiden pienestä koosta. Muutamaan kappaleeseen tehtiin myös perinteistä tervakäsittelyä vertailumielessä. Tervakäsittelyn kesto ei ollut modernien käsittelyjen veroinen, vaan ainakin tämän testin pohjalta sen käyttö vaatisi tiheän uusintakäsittelyn.

Suomessa ainakin yksi CLT-valmistaja on tuonut markkinoille plaanatun CLT-pinnan, minkä taustalla on sama toimintaperiaate kuin hienosahatussa puutavarassa. Sopivan karheassa pinnassa pintakäsittelyn tartunta paranee entisestään. Plaanattu pinta on todennäköisesti hyvä tapa edelleen parantaa CLT:n pintakäsittelyaineiden kestoa julkisivurakenteissa.

Meteoriitin käytön aikaisesta seurannasta opittiin, että CLT-materiaalia käytettäessä säälle alttiissa rakenteissa, kriittisimmät osat kannattaa verhoilla pelti- ja huoparakenteilla, kuten myös Meteoriitissa tehtiin. Muiden säälle alttiiden osien osalta on erittäin oleellista huolellisesti suunnitella ja ohjata vesi valumaan liitoksissa ja saumoissa aina ulospäin.

Kuva 3. Modernit pintakäsittelyaineet kestivät CLT:n pinnassa säätestit hyvin. Yhteensä testi vastasi vähintään noin kahden vuoden säärasitusta. Vasemmalla alhaalla on verrokkikappale, missä ei ole käsittelyä lainkaan ja se on harmaantunut selvästi.

Mitä opittiin: Meteoriitista Kosmos-mallistoon

Rakentajien, suunnittelijoiden ja rakennuttaja Ulla-Maaria Koivulan mukaan opittiin paljonkin. Uutta tietoa ja kokemusta saatiin materiaalin kestävyyden ja rakenteiden lisäksi valmistuksesta, logistiikasta sekä CLT:n käytöstä sisustusmateriaalina. Ennen rakentamista Meteoriitista piirrettiin 58 erilaista variaatiota. Ideointia uusista muodoista ja mahdollisuuksista on jatkettu Meteoriitin kolmannessa kerroksessa, joka toimii nyt puurakentamisesta kiinnostuneiden kohtaamispaikkana ja omistajien työtilana.

– Meteoriitti on monikulmaisen CLT-talon prototyyppi, eräänlainen funktionaalinen puuveistos, toteaa Koivula. Hänen mukaansa idean jalostus yhdessä Ateljé Sotamaan kanssa on jatkunut ja laajentunut luontomatkailuun ja etätyöhön soveltuvien modernien puurakennusten mallistoksi, joiden mallikappaleet nousevat niin ikään Koivulan tilalle, Meteoriitin läheisyyteen.

Artikkeli on julkaistu lokakuussa 2021 Puu-lehden numerossa 2/2021.

  • Lue Puu-lehti 2/2021 kokonaisuudessaan.
  • Seuraava Puu-lehti ilmestyy keväällä 2022. Tilaa se itsellesi (maksuton SAFA:n, RIL:n, RIA:n, SI:n, SIO:n, TKO:n, RKL:n, RTY:n ja Ornamon henkilö- ja opiskelijajäsenille kotiosoitteeseen postitettuna).
  • Puu-lehden mainostajien valitsemat artikkelit julkaistaan printtilehden lisäksi e-artikkeleina.