IoT-anturit todentavat kuinka CLT-rakenne puskuroi kosteusvaihteluja

Olen ollut keväästä 2020 asti suunnittelemassa Hyytiälän uudisrakennuksen yhteyteen monitieteistä tutkimusinfrastruktuuria. Tässä blogissa kerron yhdestä sen osajärjestelmästä eli puunkosteuden mittalaitejärjestelmästä, jolla tutkitaan Hyytiälän uudisrakennuksen CLT-rungon hygroskooppisten ominaisuuksia in vivo, osana elävää elämää. Tämän osajärjestelmän avulla olemme jo aloittaneet rakennekosteusdatan keruun. Jatkuvasti kertyvä data muodostuu aineistoksi rakennuksen rungon elinkaaren ja käytönaikaisen ikääntymisen tutkimukselle. Infrastruktuurin muita osajärjestelmiä silmällä pitäen rakennukseen on suunniteltu monia muitakin valmiuksia, joista kerrotaan myöhemmin.

Yksi Hyytiälän uudisrakennuksen monista tutkimustehtävistä on puurakennuksen, ympäristön ja käyttäjien vuorovaikutuksen tutkimus. Mielenkiintoisen näkökulman tähän antaa erityisesti rakennuksen massiivinen puurunko, jossa on käytetty ristiinlaminoitua monikerroslevyä eli CLT:tä. CLT on moderni rakennusmateriaali, joka lupaa monia kestävyysnäkökulmia: se on merkittävä hiilidioksidivarasto ja tämän lisäksi rakennusteknisesti hyvin toimiva ja kosteutta puskuroiva ja sitä hallitusti siirtävä luonnonmateriaali, jolla on todennäköisesti myönteinen vaikutus käyttäjien hyvinvointiin. Tästä syystä CLT-runkoisten rakennusten ominaisuudet elävässä elämässä ovatkin niin kiinnostava tutkimusaihe, että Hyytiälän CLT-runkoisesta uudisrakennuksesta halutaan uusi solmukohta maailmanlaajuisessa puu-living labien verkostossa, johon kuuluvat muun muassa Peavy Hall Oregonissa, InnoRenew Sloveniassa, ja ZEB Living Lab Norjassa.

Kolmisen viikkoa sitten ajoin Porvoosta CLT-toimittajallemme (CLT Plant) mukanani tutkijoiden yhdessä laatima anturien asennussuunnitelma. Samaan aikaan tehtaalle saapui anturivalmistaja Wiiste Oy:n tuotekehityspäällikkö Toni Luopajärvi tarvittavat anturit ja eletrodit mukanaan.  Saimme kovin lämpimän vastaanoton: tehtaan positiiviset työntekijät esittelivät rinta rottingilla vaikuttavan kokoisia liimaus- ja työstökoneitaan ja tiedustelivat kiinnostuneena sitä, millaista tutkimusta aikoisimme tehdä.

Neljän erikseen valikoidun CLT-elementin pinon (Kuva 1) tunnistin heti elementeiksi, joihin meillä oli suunnitelmien mukaan määrä asentaa ensimmäiset 15 living lab -anturia. Nämä anturit mittaisivat puun sisäistä kosteuspitoisuutta.

Kuva 1: Suurin osa elementeistä odotti CLT Plantin tehtaalla meitä pinossa ylösalaisin suhteessa siihen, mille puolelle anturit oli määrä asentaa. Kuvassa käännetään 180 mm paksua sisäseinäelementtiä, jossa näkyy kaksi ilmanvaihtokanavan aukkoa. Kaksi miestä varmisti, että noin 3 tonnia painavan elementin alla ei ole ketään. Kuva: Anssi Yli-Jyrä.

Asennuspaikkojen määrittelyyn, mittaamiseen ja antureiden paikkojen ja sarjanumeroiden dokumentointiin meni saman verran aikaa kuin varsinaiseen asennustyöhön (Kuva 2). Kuhunkin mittauskohtaan tarvittiin neljä anturia ja 16 ruuvia, joiden vaihtelevat pituudet (30 – 240mm), paikat ja esiporausten syvyydet olivat tarkan suunnitelman määräämiä (Kuva 3).

Kuva 2: Jokainen anturipaikka oli etukäteen tarkkaan määritelty ja jokainen anturiryhmä mittaa puun kosteuspitoisuutta kahdeksasta eri syvyydestä. Päällimmäisessä lamellissa syyt kulkevat pystysuuntaan (kuvassa vaakasuuntaan) ja siitä mittauksia saadaan 8 ja 18 millin syvyydestä ruuveilla, joiden pituudet ovat 30 ja 40 millimetriä. Kuva: Anssi Yli-Jyrä.

CLT-rungon ulkopinnan voinnin seuraaminen on ratkaisevan tärkeää, sillä liimapuu heikkenee ja ikääntyy ulko-olosuhteiden voimakkaiden vaihteluiden vaikutuksesta. Pääosa antureista kiinnitettiinkin ulkopinnalle, johon myöhemmin kiinnitetään vain tuuletusrimat ja paneeliverhous. Rungon sisäpintaan tulee myöhemmin moninkertainen palosuojakäsittely ja siksi oli hyvä, että sisäseinän pintaan tehtiin tässä vaiheessa niin vähän reikiä kuin mahdollista. Mitataksemme kosteuspitoisuutta rakennuksen sisäpuolen päällimmäisestä lamellista, tunkeuduimme lamelliin seinän ulkopinnalta käyttäen 240 milliä pitkiä elektrodeja.

Kuva 3: Kalibroitujen kosteuspitoistuusanturien toiminta perustuu sähköä johtaviin ruuveihin, joita oli 10 eri pituutta. Pisimmät anturiruuvit ulottuvat sisäseinän pintalamelliin asti. Pisimpien ruuvien katkeamisen välttämiseksi porasimme eri reiät tarkkasti määriteltyyn syvyyteen asti. Pienikin horjahdus olisi voinut katkaista poranterän, joten poraajan käden oli oltava vakaa. Kuva: Anssi Yli-Jyrä.

Rakennuksen lisäksi kiinnitimme antureita myös testipaloihin, joiden avulla tutkitaan mittausmetodin satunnaispoikkeamia ja palosuojakäsittelyn vaikutusta mittausfysiikkaan.

Ensin saimme tuotannosta vain yhden testipalan, mutta kun kerroimme tarvitsevamme samanlaisia paloja parillisen määrän, tehdas leikkasi meille varta vasten kokonaiset kuusi testipalaa! Juuri ja juuri jaksoin siirrellä yhtä palaa kerrallaan. Asennuspäivä venyi, mutta iltamyöhällä olimme asentaneet kaikkiaan 27 anturia yhteensä 8 eri kappaleeseen (Kuva 4).

Kuva 4: Tässä vaiheessa iltaa hymy oli jo hieman väsynyt mutta tulokseen kovin tyytyväinen. Itselläni edessä oli vielä yöllinen paluumatka Porvooseen. Kuva: Anssi Yli-Jyrä.

Anturit toimivat asennuksen jälkeen täysin itsenäisesti, lähettäen dataa IoT-verkon kautta datapilveen, josta jo seuraavalla viikolla pääsimme tarkkailemaan seinäelementtien kosteuspitoisuuksia eri lamellisyvyyksissä. Kerätty data tallentuu anturivalmistajan pilveen, mutta on Helsingin yliopiston hallinnoimaa ja käytettävissä tilaajansa tutkimuksiin.

Tätä blogitekstiä kirjoittaessani elementit on jo pystytetty Hyytiälässä osaksi uudisrakennusta.

Anturit on mallinnettu pohjapiirustukseen (Kuva 5). Näkymän mukaan kabinettihuoneen seinäelementin pintalamellien kosteuspitoistuus on yli 13 %MC:tä, kun taas välilamellit muistavat matalamman, n. 10 %MC:n kosteuspitoisuuden, joka materiaalissa vallitsi tehdasolosuhteissa.

Kuva 5. Pilveen tallennetusta datasta voi jo nyt tulkita monenlaisia tapahtumia, jotka ovat normaaleja materiaalin elinkaareen kuuluvia olosuhdemuutoksia. Pikkupakkanen (-2.22°C) vaikuttaa ulkolamelleihin nostaen niiden suhteellista kosteutta sisälamelleihin verrattuna.

Oheisessa graafissa näkyy koko tähänastinen mittaushistoria (Kuva 6).

  • Käynnistimme anturit CLT-tehtaalla 3.11.2021. Tehtaan olosuhteita ohjaa automatiikka, joka synnyttää pientä vaihtelua suhteellisessa ilmankosteudessa.
  • Elementit kuormattiin ja paketoitiin tiiviisti suojattuna rekan lavalle 4. marraskuuta, mikä näkyy ympäristön kosteuspitoisuuden tasaantumisena (ylin käyrä). Paketissa ollessaan elementti jäähtyy tasaisesti 20 asteesta 0 asteeseen (alimmat käyrät), mutta kosteuspitoisuus ei muutu.
  • Elementit purettiin kuormasta ja pystytettiin 9.11.2021. Paketin purkaminen aiheutti altistumisen kostealle ulkoilmalle (ylin käyrä). Tämä ympäristön suhteellisen kosteuden merkittävä muutos näkyy myös puurakenteessa uloimman lamellikerroksen kosteuspitoisuuden lievänä nousuna (sininen ja punainen käyrä keskellä).
Kuva 6: Yhden elementin kosteuspitoisuuden ja ympäristön parametrien mittaushistoria

Edellä olen kertonut, kuinka asensimme ensimmäiset 27 anturia. Pelkästään näistä saamme jopa 108 erilaista mittaustietoa, mutta kaiken kaikkiaan suunniteltu runkorakenteen anturijärjestelmä käsittää lähes kymmenen erilaista anturityyppiä ja yhteensä useita satoja antureita, jotka mittaavat erityisesti rakennuksen massiivipuurungon ominaisuuksia. Siltikin Hyytiälän living labia on myöhemmin tarkoitus laajentaa niin, että myös sisätilan olosuhteiden vaihtelua ja rakennetun ympäristön vaikutusta käyttäjäkokemukseen olisi mahdollista tutkia.

Rakenneantureiden käyttöiäksi on suunniteltu 15-30 vuotta. Tavoitteena on, että rungon monitorointi voisi jatkua vuosikymmeniä. Syntyvää pitkittäisdataa on mahdollista yhdistää SMEAR II-tutkimusaseman laajaan dataan. Tältä pohjalta mahdollistuvaa moniulotteista dataa tarvitaan esimerkiksi siihen, että pystyisimme mallintamaan paikallisolosuhteiden ja ilmakehän vaikutusta puurakennuksen kestävyyteen ja käyttäjäkokemukseen.

 

Kirjoittaja Anssi Yli-Jyrä on kiitollinen saatuaan vastata uudisrakennuksen monitieteisen living labin suunnittelusta ja toteutuksen koordinoinnista vuosina 2020-2021. Erinäisten anturien asennus jatkuu parhaillaan Hyytiälän uudisrakennuksen varsinaisella työmaalla Juupajoella.

Blogitekstin pääkuva havainnollistaa kuinka Hyytiälään pystytetty massiivirunko on rakentamisen aikana suojahupusta huolimatta ajoittain alttiina auringon valolle, tuulelle ja ympäristön kosteudelle. 7-kerroksiseen massipuuseinään asennetut anturit mittaavat ympäristöänsä sekä laminaattien kosteuspitoisuutta kahdeksalta eri syvyydeltä.  Aluksi anturit toimivat langattomina IoT-päätelaitteina käyttäen 3.6V paristoa, joka toimii muutaman vuoden ajan.  Koska tarkoituksenamme on kerätä dataa pitkäjänteisesti ja häiriöttä, alkamassa on jo hyvänlaatuisen, häiriöiltä suojatun 24V ulkoisen virransyötön toteutus, jonka päätteeksi anturit vaihdetaan tuotekehitysyhteistyössä varta vasten Hyytiälää varten kehitettyihin 24V IoT-antureihin. Ulkoisesta virransyötöstä huolimatta nämäkin anturit kommunikoivat mittaustiedot langattomasti IoT-verkkoon, ja ainoa jäljelle jäävä huoltotoimenpide laitteillle on mahdollisesti löystyvien elektrodiruuvien kiristäminen.  Anturien viereen on varattu tilaa myös muille mittalaitteille, joiden asennushetki on lähestymässä. Kuva: Anssi Yli-Jyrä.

2 vastausta artikkeliin “IoT-anturit todentavat kuinka CLT-rakenne puskuroi kosteusvaihteluja”

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.