Resume Eksperimentel og numerisk undersøgelse af hygrotermisk adfærd; ved tage med lav hældning og i trækonstruktion med øvre damptæt forsegling under brug af økologiske byggevarer, for at opnå et skadefrit marked for økologiske byggevarer og dermed opnå mere bæredygtige konstruktioner. Denne rapport er udarbejdet i samarbejde med selskabet, Deutsche Gesellschaft für Holzforchung (DGfH) e.v (indregistreret forening), med midler fra Ministeriet for trafik, byggeri og byudviklingspulje forskningsinitiativ fremtids byggeri (BMVBS)samt statsamtet for bygge- og anlægssektoren(bbr). Projekt nr. Z 6 10.08.18.7-07.18 Projektets tidsrum: September 2007 April 2009 Forfattere: Univ.-Prof. Dr.Ing. Stefan Winter (TU München) Dipl.-Ing. Claudia Fülle (MFPA Leipzig) Dipl.-Ing. Norman Werther (TU München) Industripartner:
1. Forskningsområde Indledning Flade tagkonstruktioner vinder i øjeblikket ikke kun fremgang indenfor industri- og administrations byggeri, men også i den private sektor er der stor efterspørgsel. Flade ventilerede tagkonstruktioner opnår ofte utilstrækkelig ventilation på grund af den lave hældning. Derudover er de også, på grund af deres byggehøjde, arkitektonisk uinteressante. For ikke ventilerede tagkonstruktioner kræver standarten (DIN 4108-3) at der bliver isoleret eller at der bliver monteret en dampspærre (Sd > 100 m) på den varme side for at kunne leve op til kravene. Det har dog imidlertid vist sig, i mange af de allerede opførte bygninger med fladt tag, at en varm rum side til en flad diffusions tæt tagkonstruktion nemt kan føre til beskadigelse: Gennem dampspærren kan byggefugt og kondens skabt om sommeren ikke tørre. Formålet med undersøgelsen i dette forskningsprojekt var derfor at udvinde data baseret på systematiske feltforsøg om hygrotermiske forhold i uventileret, 1-lags, flade tagkonstruktioner der var fuldt isoleret med øvre tætning til forskellige design strukturer. Baseret på disse eksperimentelle undersøgelser har man yderligere udført en numerisk validering og simulering af ustadige byggekomponenter, for at kunne komme med en redegørelse om hygrotermisk adfærd i en konstruktion med forskellige opbygninger og randbetingelser. Som en del af analysen blev følgende diskuteret: I hvilket omfang risikoen for fugtskader kunne reduceres ved brug af fugtigheds variable dampspærre(diffusions åben) og træ baserede paneler såvel som diffusionstætte vandtætte membraner. Hvilke kriterier skal være opfyldt for anvendelse af økologisk isolerende materialer såsom cellulose eller bløde træfibre. Hvilken indflydelse opbygningen, placering og forskellige tagbelægninger (farve på isoleringen, grønt tag, grus og skygger) har på fugtforholdet i de enkelte spærfag. Hvilke CE-godkendte træ materialer man i fremtiden kunne bruge indenfor dette område. Baseret på disse data blev holdbare og robuste byggekonstruktioner afledt med en tilstrækkelig grad af sikkerhed. Fremtidige tilfælde af skader opstået på grund af manglende erfaring og forældede normative principper såvel som erhvervsmæssige skader for virksomheder kan dermed undgås. I en sammenligning med den nuværende udvikling og situation for eksisterende bygninger, udbygger undersøgelsens data fra forsøgs huset i Leipzig de associerede hygrotermiske simuleringer.
1.2 Eksperimentel undersøgelse 1.2.1 Forsøgsbygningen i Leipzig Feltundersøgelsen blev foretaget på et frilandshus stillet til rådighed af MFPA Lepzig GmbH. Bygningen var med fladt tag og havde forskellige praksisrelevante opbygninger (se billede 1). Herved havde man mulighed for at skelne mellem de forskellige typer af diffusionshæmmende lag, isolering og tagflader (se billede 2). Bygningens tag havde dimensionerne 8 x 5,5 m og havde en hældning på 2 grader. Hele tagfladen var omkredset af en murkrone. For at eliminere risikoen for skygge, blev alle målinger altid taget 0,5 m fra murkronen. Der er 8 felter på (4 med sort PVC baner, 4 med grønt tag) som hver har et areal på 3 m 2. De er opdelt med afskærmning. Derudover var der 3 felter til at undersøge effekten af forskellige overflader. De 3 forskellige overflader bestod af grus, skygge og lys grå PVC bane. (Billede. 1) Interiøret blev klimatiseret så det svare til normal brug. De følgende 11 forskellige typer konstruktioner blev opført: (Billede 2)
1.2.2 Måleteknisk opsamling I forsøgsbygningen i Leipzig blev følgende måleparametre bestemt: Ude og indeklima Temperatur og den relative udvendige luftfugtighed Vindstyrke og vind retning Nedbørsmængden UV stråler Temperatur og den relative indvendige luftfugtighed Klimaforhold i tagkonstruktioner Temperaturen under tagfladen Den maximalle temperatur og maximalle relative luftfugtighed på ydersiden af isoleringen (om vinteren kulde) Fugt i materialer - Fugt fra træ brugt til bjælkelaget og fugt fra plader brugt til underlag for PVC baner. Temperatur Træfugtighed a- Udvendig temperatur a- OSB plade i midten af et felt b- Overflade isolering b- OSB plade ved spær c- Indersiden af den udvendige OSB plade c- Siden af spær d- Indvendig temperatur Relativ luftfugtighed Klima a- Udvendig luftfugtighed Global stråling b- Indersiden af den udvendige OSB plade Normal nedbør c- indvendig luftfugtighed Vindstyrke
1.2.3 Bedømmelseskriterier Der bør forventes skader på tagkonstruktionen der, hvor der i længere tid forekommer høj fugtighed i materialerne og hvor sommerens varme ikke er tilstrækkelig til at tørre evt. opståede fugt over vinteren. Da tagkonstruktionen ikke er konstrueret efter gældende normer, ser man derfor også bort fra materialeproducenternes anvinsninger for at forhindre skimmelsvamp. For den øvre OSB-plade, som udover loftsbjælkerne er en kritisk komponent i disse strukturer er således nødvendigt, at vandindholdet ikke må overstige grænsen på 18 M-% over en længere periode. For bjælkerne, må fugtigheden ikke overstige grænsen på 20 M-% over en længere periode. Med hensyn til forebyggelse af skimmelvækst; det er nødvendigt at den relative fugtighed ikke må overstige en værdi på 80 % ved overfladen af de relevante komponenter( OSB og bjælker) i en længere periode. 2 Resultaterne af målingerne 2.1 Fladt tag med sort overflade (tagpap) Relative fugtighed i det kritiske niveau (isolering og planker) målt dagligt gennemsnit for Var. 1.1 til 2.2 Materiale fugt i den øvre OSB-plade, målt dagligt gennemsnit for Var. 1.1 til 2.2
Træfugtighed i loftsbjælke, målt dagligt gennemsnit for Var. 1.1 til 2.2 2.2 Fladt tag med grønt tag Relative fugtighed i det kritiske niveau (isolering og planker) målt dagligt gennemsnit for Var. 3.1 til 4.2 Materiale fugt i den øvre OSB-plade, målt dagligt gennemsnit for Var. 3.1 til 4.2
Træfugtighed i loftsbjælke, målt dagligt gennemsnit for Var. 3.1 til 4.2 3 Hygrotermisk simulation For alle varianter blev det hygrotermiske adfærd i tagkonstruktionen beregnet med et simuleringsprogram der var tilkoblet varme og fugtighedstransporten (WUFI). Hertil blev der også anvendt målinger af udvendig og indvendig klima. Eksemplerne på figurerne viser meget godt overensstemmelsen mellem målte værdier og resultaterne af simulering for hygrotermiske variant 1.2. (Tagpap OSB Cellulose fugt variabel dampspærre). Temperatur i det kritiske niveau (isolering og planker) i Var. 1.2 Relative fugtighed i det kritiske niveau (isolering og planker) i Var. 1.2
På bagund af de validerede materialeegenskaber blev der gennemført parameter undersøgelser ved hjælp af hygrotermiske simuleringer. Herved blev der undersøgt: - Variationer af udendørsklima (Beregninger af klimadata Holzkirch 1991 ) - Variationer af indeklima (simulering af forhøjet fugtighed pga. Støbt gulv/nyt pudslag) - Hensyntagen af en konvektiv fugtigheds tilgang af 250 g/(m2*vinter) - Variationer af at tætte taget (PVC baner og damptæt forsegling som for eksempel med bitumin) - Simulering af skygger skabt af omkring liggende bygninger - Simulering af overbygninger på tage som for eksempel solceller 4 Sammendrag Undersøgelsen af forsøgsbygningen i Leipzig har vist at, ikke ventilerede enkelt flade tagkonstruktioner er fugt-teknisk forsvarlig funktionelle i trækonstruktioner under visse konstruktive randbetingelser. Yderligere indsigt til grænser og betingelser for brug af tagkonstruktioner samt udsagn om holdbarhed blev opnået ved brug af en omfattende hygrotermisk simulation (parametet studier). Undersøgelser af eksisterende bygninger supplere målingerne og parameter studierne foretaget på forsøgsbygningen i Leipzig. De otte forskellige tagkonstruktioner, der blev undersøgt er vidt forskellige med hensyn til deres fugtsikkerhed. Konstruktioner, der er opført som følgende, har stor sikkerhed mod fugt og kan derfor anbefales: - Variant 1.2: Sort PVC bane - OSB - Celullose - Fugtvariable dampspærre - Variant 1.1: Sort PVC bane - OSB - Celullose - OSB - Variant 2.2: Sort PVC bane - OSB - Mineraluld - Fugtvariable dampspærre - Variant 3.2: Grønt tag - OSB - Celullose - Fugtvariable dampspærre En detaljeret undersøgelse skal underkastes i enkelte tilfælde: - Variant 2.1: Sort PVC bane - OSB Mineraluld OSB Følgende varianter kan ikke anbefales: - Variant 3.1: Grønt tag - OSB - Celullose - OSB - Variant 4.1: Grønt tag - OSB - Mineraluld - OSB - Variant 4.2: Grønt tag - OSB Mineraluld - Fugtvariable dampspærre Følgende centrale redegørelser må der tages: - Et fugt absorberende isoleringsmateriale såsom cellulose kan i højere grad gemme på fugt end mineraluld, med hensyn til den kondens, der vil blive akkumuleret over en periode og byggefugt, men kan samtidig frigive fugten i de tørre/varme perioder. - En fugt variabel damspærre, der spreder diffusionsmodstanden mellem våd og tør på en OSB plade over et størrere areal, er klart at foretrække som den indre del af et diffusionshæmmende lag.
- Brugen af en sort, relativ diffusionsåben PVC bane (S d 20 m), er klart at foretrække i forhold til lys grå PVC bane eller diffusionstætte materialer for eksempel bitumin (S d 300 m). Det skal bemærkes, at ikke ventilerede flade tage i trækonstruktioner vil forblive følsomme konstruktioner og derfor har brug for nøje planlægning og kvalitetssikring under hele opførelsen. Det skal dog siges, at ved korrekt udførelse af lufttæt tag med de egnede isoleringsmaterialer og dampspærre samt overholdelse af de grundlæggende regler, vil den akkumulerede fugt være harmløs og konstruktionen vil forblive permanent uden skader.