Puun kosteuskäyttäytyminen

1.0 YLEISTÄ

Puu on hygroskooppinen materiaali eli puulla on kyky sitoa ja luovuttaa kosteutta ilman suhteellisen kosteuden vaihteluiden mukaan. Kosteuden vaihteluiden seurauksena puu kutistuu tai turpoaa sekä muuttaa muotoaan.

Puun kosteus ilmoitetaan prosentteina ja sillä tarkoitetaan puussa olevan veden painon suhdetta puun absoluuttiseen kuivapainoon.

Puu on anisotrooppinen materiaali eli puun ominaisuudet ovat erilaiset eri suunnissa. Tämä näkyy myös puun kosteuskäyttäytymisessä. Puun syiden suuntainen kutistuminen/turpoaminen eli kosteuseläminen on hyvin vähäistä verrattuna syitä vastaan kohtisuorassa suunnassa tapahtuvaan kosteuselämiseen.

 Puun kuivuessa soluonteloissa oleva vapaa vesi poistuu ensimmäisenä. Puun kosteustilaa, jossa vapaa vesi on poistunut soluonteloista, mutta soluseinämät sisältävät enimmäismäärän vettä, kutsutaan puun syiden kyllästymispisteeksi. Puun kosteus on tällöin noin 30 % (tuore havupuu). Soluonteloissa olevan vapaan veden poistumisen jälkeen alkaa soluseinämiin sitoutunut vesi poistua, jonka seurauksena puu alkaa kutistua. Kutistuminen aiheuttaa puuhun muodonmuutoksia, jotka taas aiheuttavat puuhun sisäisiä jännityksiä. Sisäiset jännitykset aiheuttavat puuhun halkeamia ja sahatavarakappaleissa sisäisten jännitysten vaikutus saattaa näkyä esimerkiksi kieroutumisena, kuperoitumisena ja syrjä-/lapevääryytenä. Puun kosteuden ollessa ≤ 20 %, on se yleensä turvassa lahottajasieniltä, homeilta ja muilta biologisilta tuholaisilta.

Kuusi reagoi sitä ympäröivän kosteuden vaihteluihin hitaammin kuin mänty. Tämä johtuu siitä, että kuusen soluseinämien huokosten läpät (torukset) jäävät puun kuivuessa kauttaaltaan kiinni –asentoon, kun taas männyn pintapuussa ne jäävät auki -asentoon. Männyn sydänpuussa huokoset ovat tukkeutuneet pihkalla. Soluseinämien huokosten ominaisuudet vaikuttavat myös siihen, että kuusi on vaikea painekyllästää ja männyssä kyllästysaineet voivat tunkeutua vain pintapuuhun.

 Kuivan puun lujuus- ja jäykkyysominaisuudet ovat märkää puuta paremmat. Lujuusominaisuuksien paraneminen puun kuivuessa perustuu soluseinämien liikkumiseen lähemmäksi toisiaan ja toisiinsa kiinnittymiseen. Lujuus- ja jäykkyysominaisuuksiltaan kuusi ja mänty ovat samankaltaisia.

2.0 TASAPAINOKOSTEUS

Puu asettuu aina sitä ympäröivän ilman suhteellisesta kosteudesta ja lämpötilasta riippuvaan tasapainokosteuteen. Tämän takia on erityisen tärkeää huolehtia, että puutavaran kosteus ei pääse suuresti vaihtelemaan käyttökohteeseen suositellusta arvosta varastoinnin, kuljetuksen ja asennuksen aikana. Tasapainokosteuteen johtava tasaantumisprosessi on suhteellisen hidas ja sen nopeuteen vaikuttavat kosteuden muutoksen suuruus, ilman lämpötila ja puutavaran koko. Esimerkiksi järeällä hirrellä tasaantumisprosessi saattaa kestää useita viikkoja.

Tasaantumisprosessin nopeuteen voidaan vaikuttaa myös kosteuden siirtymistä hidastavalla puun pintakäsittelyllä.

3.0 PUUTAVARAN KUIVAAMINEN

Ulkona ilmakuivatun puutavaran kosteus vaihtelee välillä 15…25 % riippuen ulkoilman suhteellisen kosteuden vaihteluista. Teollisessa sahatavaratuotannossa puutavara keinokuivataan tavallisesti jatkuvatoimisella kanavakuivaamolla. Muita kuivaamotyyppejä ovat mm. kamarikuivaamo, kuumakuivaamo, lauhdekuivaamo, alipainekui-vaamo ja puristuskuivaamo.

Puutavaran kuivaamiseen ei ole yleisesti yhtä parasta menetelmää, joten käytettävä menetelmä valitaan puutavaran käyttökohteen ja sen asettamien laatuvaatimusten mukaan. Kuivausmenetelmällä voidaan oleellisesti vaikuttaa lopputuotteen laatuun (halkeilu, kieroutuminen yms).

Suositusarvot puutavaran kosteudelle käyttökohteen mukaan

• runkopuutavara                                                            ≤ 20 %
• ulkoverhous                                                                    ≤ 18 % 
• sisäverhous                                                                     ≤ 16 % 
• lattiaverhous                                                                  ≤ 10 %  

Tyypillisiä puutuotteiden toimituskosteuksia

• vientikuiva perussahatavara                                        20 % (± 4 %)
• sahatavarasta valmistetut lattialaudat                      6…10 %
• liimapuu, CLT                                                                  10…12 % (tehdastoimitettuna)
• vaneri, LVL                                                                       8…10 % (tehdastoimitettuna)
• liimapuu, vaneri, LVL, CLT                                            ≤ 20 % (varastotoimitettuna)

4.0 SUUNNITTELUKOSTEUSTILA

Puun lujuus- ja jäykkyysominaisuudet muuttuvat puun kosteuden mukaan. Tämän takia puurakenteiden mitoituksessa käytetään kolmea käyttöluokkaa, jotka ovat seuraavat:

• Lämmitettyihin sisätiloihin tulevat puurakenteet suunnitellaan käyttöluokassa 1, jolloin keskimääräinen puun kosteus on alle 12 % (RH 65 %, 20 °C).

• Katetut puurakenteet lämmittämättömässä tilassa suunnitellaan käyttöluokassa 2, jolloin keskimääräinen puun kosteus on enintään 20 % (RH 85 %, 20 °C).

• Puurakenteet, jotka eivät kuulu käyttöluokkiin 1 tai 2, suunnitellaan käyttöluokassa 3. Esimerkiksi ulkona säälle alttiina, kosteassa tilassa tai veden välittömän vaikutuksen alaisena olevat puurakenteet kuuluvat käyttöluokkaan 3.

5.0 SAHATAVARAN KUIVUMINEN

Sahatavarakappaleen kosteuselämisen suuruus (mittamuutokset) voidaan määrittää likimäärin taulukossa 1 esitetyillä arvoilla. Kosteuseläminen tulee huomioida puurakenteiden suunnittelussa. Esimerkiksi sahatavarakappaleen kosteuden vaihtelusta johtuvat poikkileikkauksen mittamuutokset saattavat olla useita millimetrejä.

Taulukko 1. Ohjeelliset arvot havupuusahatavaran kosteusvaihtelun aiheuttamien mittamuutosten määrittämiseen.

ESIMERKKI

Talvella sisäilman suhteellinen kosteus vaihtelee välillä 20…40 % ja kesällä välillä 50…70 %. Sisäilman lämpötila on tavallisesti 22 °C. Kuvasta 3 ja taulukosta 1 saadaan seuraavat tiedot:

• RH 20 %, lämpötila 22 °C → puun kosteus ~4,5 %
• RH 70 %, lämpötila 22 °C → puun kosteus ~13,5 %
• puun kosteuden muutos maksimissaan (13,5 %-yksikköä – 4,5 %-yksikköä) = 9 %-yksikköä
• poikkileikkauksen mittamuutos maksimissaan (9 %-yksikköä ∙ 0,25 % ) = 2,3 %

Edellä esityillä lähtötiedoilla esimerkiksi 140 mm leveän lattialaudan leveyden mittamuutos suhteellisen kosteuden vaihtelusta (RH 20…70 %) on kokokonaisuudessaan 3,2 mm. Mikäli lattialaudan kosteus on asennushetkellä

7 % (RH 36 %, 22 °C), turpoaa lattialauta kesällä 2,3 mm ja kutistuu talvella 0,9 mm.

6.0 CLT JA LVL

Valmistamalla puutuote ristikkäisistä kerroksista (lauta, viilu jne.), saadaan kosteusvaihtelun aiheuttamia tuotteen tasossa tapahtuvia mittamuutoksia pienennettyä. Tulee kuitenkin muistaa, että paksuussuunnassa tällaiset tuotteet kutistuvat ja turpoavat kosteuden vaihtelusta kuten sahatavara. Kyseisten tuotteiden tarkat ominaisuudet löytyvät aina tuotteen valmistajan dokumenteista.

Taulukko 2. Ohjeelliset arvot CLT:n ja LVL:n kosteusvaihtelun aiheuttamien mittamuutosten määrittämiseen.

7.0 KUIVUMISEN AIHEUTTAMA HALKEILU

Puun kuivumisen aiheuttama kutistuminen luo puutuotteen sisään poikittaisia vetojännityksiä. Poikittaisen vetolujuuden ylittyessä puutuote halkeaa. Mitä nopeammin kuivumisprosessi tapahtuu ja mitä kuivemmaksi puutuote tulee sitä helpommin se halkeilee. Puun solurakenteesta johtuen kuivuminen on nopeinta syysuunnassa. Esimerkiksi laudan päässä tietyllä matkalla kosteus pääsee poistumaan syysuunnassa erittäin nopeasti, jolloin laudan pää halkeilee kuivuessaan. Tällaista kuivumisen aiheuttamaa halkeilua voidaan estää pintakäsittelyllä (eng. End Grain Sealer), joka sulkee puun syiden päät. Kyseinen pintakäsittelyaine estää myös kosteuden pääsyä puutuotteen sisään, jolloin se estää myös puun turpoamista. Markkinoilla on erilaisia tuotteita tähän tarkoitukseen. Myös CLT- ja LVL-tuotteiden leikatut reunat suositellaan käsiteltäväksi tällaisella aineella.

8.0  KOSTEUDENHALLINTA

Runkorakentamisessa noudatetaan kosteudenhallintasuunnitelmaa. Suomessa suhteellinen kosteus on korkealla ympäri vuoden. Tästä johtuen rakennusaikainen sääsuojaus on erityisen tärkeä. Kastuneella puutavaralla on mahdollisuus kuivua Suomen ilmastossa homehtumiselta turvalliseen kosteuteen (≤ 20 %) hyvin lyhyellä aikajaksolla. Esimerkiksi Itävallan ilmastossa tämä aikajakso on noin kaksinkertainen. Näin ollen rakenteita ja rakennuksen toteutusmenetelmiä ei voida suoraan kopioida maasta toiseen.   

9.0 VARASTOINTI TYÖMAALLA

Työmaalla puutavara tulee varastoida aina kuivalla, tukevalla ja tasaisella alustalla siten, että puutavara on irti maasta eikä puutavaraan pääse syntymään haitallisia muodonmuutoksia ja ulkonäköä heikentäviä virheitä. Ulkona varastoitava puutavara suojataan säätä vastaan. Varastoinnin aikana tulee huolehtia, että puutavara pääsee tuulettumaan suojausten alla. Puutavaran varastointi tulee aina tehdä siten, että kosteusolosuhteet varastoinnin aikana vastaavat mahdollisimman hyvin puutavaran lopullisia kosteusolosuhteita käyttökohteessaan (tasapainokosteus).

 Sisäverhoustuotteiden varastoinnissa, suojamuovien poistamisajankohdassa ja tuotteen kosteuden tasaannuttamisessa tulee noudattaa valmistajan antamia ohjeita. Esimerkiksi lattialaudat kuivataan nykyisin niin kuiviksi, että ne hieman turpoavat asennuksen jälkeen. Tämän takia on erityisen tärkeää, että laudat säilytetään suojamuoveissaan aina asennushetkeen saakka etteivät laudat pääse sitomaan kosteutta ympäröivästä ilmasta ja turpoamaan ennen asennusta.

Lähteet           

/1/ Kärkkäinen M; Puun rakenne ja ominaisuudet, Metsäkustannus, 2007
/2/ www.weather-and-climate.com