Puukerrostalorakentamisessa on valtava potentiaali tukea biotaloutta ja uudistaa rakennusalan tekniikkaa. Ala voi edistää yhteiskunnan hyvinvointia niin alkutuotannon kuin puupohjaisten arvoketjujen kautta. Insinööripuutuotteet (EWP), kuten CLT, liimapuu, LVL ja MHM (Massiv-Holz-Mauer®), ovat tärkeässä asemassa Euroopan kasvavilla markkinoilla, ja niiden tuotantokapasiteetti on jo yli 5 miljoonaa kuutiometriä vuodessa.

Insinööripuutuotteiden rinnalla on kehitetty liimattomia rakennuslevyjä. Uudet tutkimukset osoittavat, että yhteen maailman vanhimmista liitostekniikoista pohjautuvan ”innovatiivisen lohenpyrstökonseptin” potentiaalia voitaisiin hyödyntää laajemmin talonrakentamisessa, esimerkiksi puukerrostaloissa.

Kirjoittajat: tutkijatohtori Hüseyin Emre Ilgın, professori Markku Karjalainen, Tampereen yliopisto

Read the article in English here.

Liimat ja kiinnikkeet suojaavat puuta ja tekevät rakenteesta vahvan, mutta herättävät myös epäilyjä

Insinööripuutuotteissa käytettävät liimat suojaavat puuta, tekevät rakenteesta vahvan ja kevyen ja samalla estävät luonnollisen kosteuden aiheuttamaa kutistumista ja laajenemista. Liimoilla ja metallikiinnikkeillä on merkittävä rooli EWP-tuotteiden ja niiden liitosten monissa rakennus- ja ympäristöteknisissä kilpailukykyeduissa. EWP-tuotteissa on tasainen lujuus ja jäykkyys sekä vähähiilisyys ja korkea lämmöneristyskyky. Insinööripuutuotteita onkin käytetty jopa yli 80 metriä korkeissa rakennuksissa, kuten Ascent (Milwaukee, 2022) ja 85-metrinen Mjøstårnet (Brumunddal, 2019) (Puu-lehti 3/2022 ”Korkeat puurakennukset: mahdollisuudet, edut, haasteet ja näkymät”).

Liimojen nykyinen laaja käyttö aiheuttaa kuitenkin puuosien kierrätettävyydelle haasteita. Erityisesti, jos elinkaaren lopuksi puuosia poltetaan, vapautuu ilmaan ympäristölle ja ihmisten terveydelle haitallisia kaasuja.

Ympäristöystävällisiä biopohjaisia liimoja on kehitetty, ja teollisuuden tavoitteena on nostaa ympäristöystävällisten puuliimojen ominaisuudet ja synteettisiä kilpailijoitaan paremmalle tasolle, mutta vielä ei olla kilpailukykyisiä. Toistaiseksi biopohjaisten liimojen verrattain heikko vedenkestävyys ja sidoslujuus ovat jarruttaneet laajempaa käyttöönottoa. EWP-tuotteissa käytettävien metallikiinnikkeiden heikkoutena on myös se, että ne hankaloittavat tuotteiden hävittämistä, uudelleenkäyttöä ja kierrätystä.

Ratkaisu lohenpyrstöliitoksesta massiivipuulevyn kokoamiseksi

Lohenpyrstöliitosten historia juontaa ajalle ennen ajanlaskumme alkua. Tekniikan varhaisimpia tunnettuja esimerkkejä ovat ensimmäisen dynastian muinaisegyptiläiset huonekalut, Intian temppeleiden kivipilarit sekä muinaiskiinalaiset arkkitehtuurin taidonnäytteet. Euroopassa liitoksesta käytetty nimi viittaa usein kalan sijaan erilaisiin kyyhky- ja pääskylintuihin, esimerkkeinä englannin dovetail, swallowtail, culvertail ja fantail joint. Varhaiset 1200-luvun puurunkoiset asuinrakennukset koottiin kiila- ja tappiliitoksilla, jotka vahvistettiin kiiloilla, tappi-loviliitoksilla ja lohenpyrstöliitoksilla.

Neljä kaikkien aikojen yleisintä seinäliitostyyppiä ovat

1. kaksinkertainen lovi,
2. puolilovi,
3. hammasnurkka, jota monissa maissa kutsutaan lukoksi tai saksalaiseksi/saksilaiseksi liitokseksi sekä
4. täysi lohenpyrstö.

Nämä puu-puuliitokset eivät sisällä lainkaan liimoja tai metallikiinnikkeitä. Ympäristöystävällisiä liitoksia on hyödynnetty rakennusteollisuudessa laajasti 1900-luvun puoliväliin asti, jolloin kuitenkin rakentaminen muuttui ja tuotannon tehottomuus yhdistettynä kohonneisiin työvoimakustannuksiin teki liitostyypistä kilpailukyvyttömän uusilla markkinoilla. Nykyään CNC-puuntyöstötekniikan kehittyminen on tehnyt taas puu-puuliitoksista kustannustehokkaita toteuttaa. CLT-levyn rinnalle on kehitetty liimaton ja metallikiinnikkeetön lohenpyrstöliitoksin toteutettu massiivipuulevy DWBE (Dovetailed Wood Board Elements).

DWBE:stä EWP-tuotteiden korvaaja puukerrostalorakentamisen globaaleille markkinoille

Tampereen yliopiston palolaboratoriossa verrattiin huhtikuussa 2022 CLT:n ja DWBE:n paloteknistä suorituskykyä ja hiiltymistä. CLT- ja DWBE-testikappaleet (paksuus 200 mm, leveys 950 mm, pituus 950 mm) testattiin EN 1363-1 -standardin mukaisesti. DWBE:n hiiltymisnopeuden havaittiin olevan hyvin samanlainen kuin massiivipuulla, ja testatulla lamellipaksuudella DWBE:n liitokset pystyivät tehokkaasti estämään hiiltyneen pinnan irtoamisen. CLT-näytteillä sen sijaan ensimmäisen lamellikerroksen pinta irtosi, minkä seurauksena hiiltymisnopeus kasvoi selvästi.

DWBE:n ja CLT:n ilmaääneneristyskykyä verrattiin toukokuussa 2022 Turun ammattikorkeakoulun akustiikkalaboratoriossa. Testeissä käytetyt CLT- ja DWBE-kappaleet (paksuus 200 mm, leveys 1 1600 mm, pituus 1 190 mm) testattiin ISO 140-3 -standardien mukaisesti. DWBE:n parempi ilmaääneneristyskyky (43 dB) oli ilmeinen verrattuna CLT:hen (40 dB).

Lisäksi materiaaleille tehtiin vertailevat taivutuskokeet Tampereen yliopiston rakennustekniikan laboratoriossa kesäkuussa 2022 ja maaliskuussa 2023. Vertailtavana oli CLT:n ja erilaisten DWBE-kokoonpanojen (5-kerroksiset, tapitetut ja 3-kerroksiset versiot) testikappaleita (paksuus 200 mm, leveys 1 450 mm, pituus 5 075 mm). Taivutuslujuus ei DWBE-kokoonpanoissa vastannut odotuksia, joten suunnitelmia oli tarkistettava ja parannettava. Viimeisin lohenpyrstölevyn lamelliratkaisu pääsi testaukseen syyskuussa 2023 lupaavin tuloksin. Taivutustestien tulokset julkaistaan patenttikäsittelyn jälkeen.

Marraskuussa 2022 Tampereen yliopiston rakennusfysiikan laboratoriossa tutkittiin kolmen DWBE-kokoonpanon ilmanläpäisevyyttä. Testit pohjautuivat Suomen rakennusmääräyksiin, joissa suurin sallittu arvo on 4,0 m³/(m²h) tietyissä kosteusolosuhteissa. Pienin testikappale oli kooltaan 200 mm x 1160 mm x 1160 mm. Testissä talvea muistuttaville kuiville olosuhteille altistettu DWBE kutistui, mikä tositilanteessa aiheuttaisi rakennuksen saumarakojen laajenemista. Korkeammissa kosteusolosuhteissa DWBE:n ilmanläpäisy oli Suomen rakennusmääräysten mukainen.

Tutkimuskirjallisuudessa on runsaasti puun teknisiin ominaisuuksiin keskittyviä tutkimuksia, jotka on tehty CLT:hen ja muihin EWP-tuotteisiin perustuvilla rakenneratkaisuilla, mutta DWBE:tä on tutkittu hyvin rajallisesti. DWBE:tä koskeva kirjallisuus perustuu riittämättömään rakenneanalyysiin ja useiden erityyppisten liitosyksityiskohtien mallitestaukseen sen sijaan, että tutkimuksissa olisi arvioitu yksittäisten rakenneosien, kuten jäykistävien seinien, tai kokonaisten rakenteiden suorituskykyä. Heikko tutkimustilanne jättää piiloon DWBE:n potentiaalin kerrostalorakentamisen uudistajana erityisesti ympäristövaikutusten ja kierrätettävyyden näkökulmasta ja samalla typistää ”innovatiivisen lohenpyrstökonseptin” merkityksen pelkän liitosdetaljin tasolle. Tiivistetysti voidaan siis todeta, että DWBE:n käyttöä rakennuksissa ei ole tutkittu lainkaan ja nyt tehty tutkimus on auttanut paikkaamaan tätä merkittävää puutetta.

Uudet tutkimukset osoittavat, että tämän lohenpyrstökonseptin potentiaalia voitaisiin hyödyntää laajemmin talonrakentamisessa, esimerkiksi puukerrostaloissa.

Artikkeli on osa kaksivuotista (2021–2023) DoMWoB-tutkimushanketta, joka on saanut rahoitusta Euroopan unionin Horisontti 2020 -tutkimus- ja innovaatioohjelmasta Marie Skłodowska-Curie -apurahasopimuksella nro [101024593].

Hanke on myös saanut rahoitusta (60 000 + 33 000 euroa) Marjatta ja Eino Kollin säätiöltä teknisiin suorituskykytesteihin, mukaan lukien palo-, ilmaääneneristävyys, taivutuslujuus sekä ilmatiiviys- ja kosteuskäyttäytymisominaisuudet, sekä mahdolliseen patenttihakemukseen.

Hankkeella pyrittiin luomaan korkeamman jalostusarvon kiertotalousmahdollisuuksia, jotka voisivat tehostaa puukerrostalorakentamisen kilpailukykyä paikallistasolla ja tukea eurooppalaista ilmastopolitiikkaa osana biotalouden ja kestävän kehityksen edistämistä. Ratkaisuksi on ehdotettu DWBE:n kehittämistä kerrostalorakentamisen globaaleille markkinoille soveltuvaksi materiaaliksi perinteisten EWP-tuotteiden (CLT, liimapuu) tilalle edistämällä materiaalin teknistä suorituskykyä ja soveltuvuutta arkkitehtuurin, rakennetekniikan ja rakennusfysiikan alojen poikkitieteellisenä yhteistyönä. Tämä tutkimus edistää DWBE:n käytön laajentamista erilaisiin innovatiivisiin arkkitehtonisiin ja rakenteellisiin sovelluksiin erityisesti puukerrostalorakentamisessa, jonka voidaan katsoa olevan oleellinen osa ilmastonmuutoksen torjuntaa.

TEKIJÄT

Hüseyin Emre Ilgın väitteli tohtoriksi (2018) korkean rakennuksen suunnittelusta arkkitehtuurissa METU:sta Ankara. Joulukuusta 2019 lähtien hän on tehnyt puurakentamisen post-doc-tutkimusta Tampereen yliopistossa. Tohtori Ilgın työskenteli kaksi vuotta (2021–2023) Marie Skłodowska-Curie-tutkijana, ja kehitti lohenpyrstöliitosten käyttöä massiivipuulevyelementeissä.

Markku Karjalainen toimii Tampereen yliopiston arkkitehtuurin yksikön rakennusopin professorina. Hän on väitellyt tohtoriksi 2002 aiheella: ”Suomalainen puukerrostalo –puurakentamisen kehittämisen etulinjassa.