Příčiny a důsledky zvýšené vlhkosti dřevostaveb

Dřevo je čistě přírodní surovina, díky čemuž si v dnešní době získává stále více stoupenců. Jako materiál ke stavbě obydlí bylo používáno od nepaměti a v současné době zažívá renesanci (graf 1) díky svým nesčetným výhodám. Problémem dřevodstaveb ale může být zvýšená vlhkost. Zde se budeme věnovat příčinám a důsledkům zvýšené vlhkosti v konstrukci a jakými způsoby lze tuto vlhkost měřit.

Výhody
Dřevo je relativně levný stavební materiál se snadnou opracovatelností. Jeho nízká hmotnost umožňuje výrobu prefabrikovaných dílců, díky kterým lze stavbu realizovat na místě pouhým smontováním. Tyto vlastnosti umožňují rychle postavit kvalitní levné bydlení dostupné pro široké vrstvy obyvatelstva. Další nezanedbatelnou výhodou je fakt, že se jedná o plně obnovitelný stavební materiál, který je čistě přírodním produktem.

Nevýhody
Nevýhodou dřeva je především jeho hořlavost a hygroskopicita, tj. schopnost pohlcovat vzdušnou vlhkost. Ta se do dřeva dostává díky jeho pórovitosti, kterou si dřevo zachovává během celého životního cyklu. Zvýšená vlhkost ve dřevě vytváří podmínky pro vznik a podporu růstu plísně, hniloby a dřevokazných hub, příp. dalších dřevokazných škůdců. V případě napadení je výrazně zkrácena jeho životnost a narušena statika objektu. Vedlejším produktem je i snížení kvality vnitřního prostředí kvůli uvolňování spór do interiéru objektu.

Vlhkost v dřevostavbě
Každá dřevostavba ve své konstrukci obsahuje jisté množství vody vázané v samotném dřevě. Toto množství není konstantní a mění se v závislosti na klimatických podmínkách, kterým je dřevěná konstrukce vystavena. Dřevo je hygroskopický materiál, a je tedy schopno pohlcovat vzdušnou vlhkost. Po určité době se vlhkost ve dřevě ustálí na tzv. rovnovážné (sorpční) hodnotě. Změny vlhkosti způsobené klimatickými změnami vzdušné vlhkosti jsou však z hlediska monitoringu zajímavé tehdy, pokud by rovnovážná vlhkost překročila hranici, kdy dochází k podmínkám vhodným pro vznik dřevokazných procesů.

Hlavním předmětem zájmu jsou změny vlhkosti stavebního materiálu způsobené nehodami či chybami v konstrukci budovy. Mezi možné příčiny vzniku zvýšené vlhkosti lze tak zařadit:
– chyby v provedení stavebních prací (netěsnosti v parozábraně nebo hydroizolaci);
– nehody způsobené technologickými rozvody a jejich úniky (úniky médií, vody, netěsnosti odpadů atd.);
– nehody způsobené uživatelem (prasklé přívodní hadice, přetečení vany atd.).

Důsledkem těchto příčin jsou pak většinou nepatrné úniky kapaliny (větší úniky jsou většinou lokalizovány svými projevy okamžitě), která se vsakuje do dřeva.

Proč dlouhodobě monitorovat vlhkost konstrukce
Namátkové odměry vlhkosti nemají dostatečnou vypovídací hodnotu o vlhkostních poměrech uvnitř konstrukce budovy. Není lehké v odebraných vzorcích potlačit vliv sezónních změn počasí ani včas detekovat nárůst vlhkosti v případě havárie. Navíc měření vlhkosti v interiéru nemusí korelovat s vlhkostí uvnitř dřevěné konstrukce. Z těchto důvodů je důležité dlouhodobě kontinuálně monitorovat vlhkost v nejkritičtějších místech dřevostavby přímo v dřevěné konstrukci.

Jaká vlhkost nás zajímá

Hmotnostní vlhkost dřevěných a jiných prvků
Každý dřevěný prvek stavby se nachází v rovnovážném stavu, ve kterém má rovnovážnou (sorpční) vlhkost. Ta je dána relativní vlhkostí okolí. Jakékoli anomální okolní podmínky způsobí změnu vlhkosti. Může jít o zvýšení vlhkosti dřeva sorpcí ze zvýšené vzdušné vlhkosti nebo nasákavostí dřeva přímým stykem kapaliny s dřevem (únik, kondenzace atd.). Pro zachování co možná nejdelší životnosti dřevostavby je důležité hlídat správnou vlhkost dřevěných prvků stavby.

Vzdušná vlhkost v izolačních vrstvách
Izolační vrstvy budovy bezprostředně navazují na dřevěné prvky budovy. V případě montovaných dřevostaveb jsou izolační vrstvy již přímo součástí prefabrikovaných konstrukčních dílců. Izolace budovy slouží k udržení tepla uvnitř budovy a k minimalizaci tepelných úniků. Pokud izolační materiál obsahuje vodu (ať vázanou, tak ve formě vodních par), jsou jeho tepelněizolační vlastnosti značně zhoršeny. I když jsou izolační materiály navrhovány tak, aby neabsorbovaly vlhkost, je tento jev pouze minimalizován. Ve skutečnosti jsou tyto izolační materiály schopny rozvést vlhkost z místa problému. Nejčastěji používanými izolačními materiály dnešních dřevostaveb jsou minerální vata, polystyren, drcený polystyren, materiály na bázi celulózy atd. Zvýšená vlhkost izolačního materiálu neznamená pouze snížení izolačních vlastností, ale rovněž možnost vzniku plísní přímo uvnitř izolace.

Měření vzdušné vlhkosti
Vzdušnou vlhkost lze měřit několika principy, a to buď analogově (vlasový vlhkoměr, psychrometr, elektrolytický vlhkoměr aj.), anebo číslicově (vlhkoměry založené na měření kapacity, rezistivity, teplotní vodivosti, gravimetrické vlhkoměry aj.).

Měřit lze buď absolutní, anebo relativní vlhkost vzduchu. Absolutní vlhkost vzduchu vyjadřuje hmotnost vodní páry obsažené v jednotce objemu vzduchu [g ·m^–3]. Relativní vlhkost vzduchu udává poměr mezi okamžitým množstvím vodních par ve vzduchu a množstvím par, které by měl vzduch o stejném tlaku a teplotě při plném nasycení [%]. Častěji používaná je relativní vlhkost vzduchu, ale při znalosti teploty lze absolutní a relativní vlhkost vzduchu vzájemně přepočítávat.

Měření hmotnostní vlhkosti masivního dřeva
Vlhkost dřeva se vyjadřuje absolutně i relativně. Absolutní vlhkost vyjadřuje poměr hmotnosti vody v materiálu k jeho čisté hmotnosti (suchý materiál). Relativní vlhkost vyjadřuje poměr hmotnosti vody v materiálu k jeho celkové hmotnosti (vlhký materiál). Běžně se pod pojmem vlhkost dřeva rozumí absolutní vlhkost.

Principy
Z hlediska měření vlhkosti obsažené v pevných materiálech rozdělujeme metody na přímé a nepřímé. 

Přímé metody
Přímé metody stanovují vlhkost přímo z definice vlhkosti, a to poměrem hmotnosti vody k hmotnosti materiálu. K tomu je ale nutné vlhkost z materiálu úplně vyseparovat, jedná se tedy o destruktivní měření. Tato metoda je velmi přesná, ale umožňuje pracovat pouze s malými vzorky dřeva.

– Gravimetrická (váhová) metoda
Tato metoda je založena na vážení vlhkých vzorků, jejich vysušení a opětovné vážení. Rozdíl hmotností před sušením a po sušení odpovídá množství odpařené vody, z čehož lze vypočítat vlhkost, neboť po vysušení je k dispozici i údaj o hmotnosti suchého materiálu. Sušení se provádí v sušárnách při teplotě (103 ±2) °C. Každé dvě hodiny se sušený vzorek váží. Pokud je změna vlhkosti mezi posledníma dvěma odměry menší než 1 %, je vzorek považován za vysušený.

– Destilační metoda (obr. 1)
Použitím destilačního procesu na vzorek materiálu spolu s destilačním médiem (xylen, toluen aj.) dojde k vysušení dřeva a odchycení vody do zvláštní nádoby. Z hmotnosti odejmuté vody a hmotnosti suchého materiálu lze opět vypočítat vlhkost materiálu.

Nepřímé metody
Nepřímé metody využívají závislost vlhkosti materiálu na některé z fyzikálních veličin. Tyto metody jsou nedestruktivní, umožňují pracovat i se vzorky velkých rozměrů a na rozdíl od přímých metod umožňují i kontinuální monitoring.

– Elektro-fyzikální metoda
Měřiče založené na elektro-fyzikálním principu jsou dnes nejběžněji používanými měřiči ke stanovování vlhkosti materiálů. Vlhkost nejvíce ovlivňuje odpor, kapacitu, relativní permitivitu, výkonové ztráty, dielektrické ztráty a komplexní permitivitu materiálu.

Rezistivní (též odporové, vodivostní) měřiče měří elektrický odpor (vodivost) měřeného materiálu mezi dvěma elektrodami, které penetrují měřený materiál (obr. 2).

Dielektrické měřiče (obr. 3) stanovují vlhkost materiálu na základě měření kapacity, permitivity, admitance či fázového posuvu.

– Radiometrická metoda
Metoda stanovení vlhkosti na základě absorpce různých druhů záření.

– Akustická metoda (obr. 4)
Tato metoda využívá závislosti rychlosti šíření nebo absorpce zvukových a ultrazvukových vln na vlhkosti.

– Metoda sesychání dřeva
Metoda stanovení vlhkosti na základě změny rozměrů (objemu) v průběhu sušení používaná v sušárnách (obr. 5).

– Metoda založená na úbytku hmotnosti
Tato metoda se používá v sušárnách, kde je průběžně monitorována hmotnost stohu dřeva. Tím lze zjistit průměrnou vlhkost sušeného řeziva na základě úbytku hmotnosti během sušicího procesu.

Měření odporovou metodou, princip měření
Odporová metoda stanovení vlhkosti materiálu využívá velké závislosti elektrického odporu na vlhkosti měřeného materiálu. Samotné měření se provádí měřením elektrického odporu mezi dvěma elektrodami penetrující měřený materiál. Rozsah měřeného odporu se pohybuje od desítek kΩ až po stovky GΩ (viz graf 2 pro měkké dřeviny).

Tomuto rozsahu musí být uzpůsoben měřicí princip senzoru. Ke stanovení elektrického odporu R [Ω] měřeného vzorku materiálu se používá nabíjení kondenzátoru C [F]. Využitím integrovaného obvodu TLC555 a jeho vnitřního komparátoru lze převést měřený odpor na čas t [s].

   (1)

Převod odporu na vlhkost pro různé dřeviny a jiné materiály

Závislost odporu R [Ω] na hmotnostní vlhkosti materiálu M_R [%] je znázorněna na obr. 2 a matematicky ji lze popsat vztahem (2): 

R = A · M^B_R

 (2)

kde A a B jsou kalibrační koeficienty pro danou konfiguraci měřicích elektrod (materiál, průměr, rozteč, délka). Takto stanovená vlhkost materiálu M_R [%] je ovlivňována teplotou ϑ [°C], kterou lze korigovat rovnicí:

 (3)

Převod dle vztahu (2) probíhá pro materiál, pro nějž je konfigurace měřicích elektrod kalibrována. Tímto materiálem je nejčastěji smrkové dřevo. V případě použití jiného dřeva je nutné provést ještě korekci na druh materiálu.

M_T = a · M + b

(4)

kde a a b jsou korekční konstanty pro daný materiál [4], [5].

Závěr
Zvýšená vlhkost je důsledkem mnoha možných problémů staveb a je kritická pro životnost celé stavby a zajištění ideálních podmínek uvnitř. Tento článek je jakýmsi úvodem pro představení systému pro komplexní monitorování vlhkosti dřevostaveb Moisture Guard, který byl vyvinut na ČVUT-UCEEB. Tento systém sice nedokáže problémům předcházet, ale dokáže je rozpoznat a lokalizovat ve velmi raném stadiu.

ALEŠ VODIČKA, JAN VČELÁK, PAVEL MLEJNEK, PETR KUKLÍK, PETR PTÁČEK

Literatura:
1) James, W. L. Electric Moisture Meters for Wood, 1988, United States Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory, General Technical Report FPL-GTR-6, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr06.pdf.
2) Duff, J. E. A Probe for Accurate Determination of Moisture Content of Wood Products in Use, 1966, U.S. Forrest Service Research Note FPL-0142, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplrn/fplrn0142.pdf.
3) Wood Handbook – Wood as an Engineering Material, 2010, U.S. Forrest Service, General Technical Report FPL-GTR-190, http://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fpl_gtr190.pdf.
4) Makovíny, I. Meranie vlhkosti dreva, Zvolen, MATCENTRUM, 1995, ISBN 80-967315-0-5.
5) Onysko, D., Ch. Schumacher and P. Garrahan. Field Measurements of Moisture in Building Materials and Assemblies: Pitfalls and Error Assessment, DMO Associates, Building Science Corporation, FPInnovations, Forintek Division, 2008, http://c.ymcdn.com/sites/www.nibs.org/resource/resmgr/BEST/BEST1_M2-5.pdf.

Ing. Aleš Vodička (*1990)
absolvoval Fakultu elektrotechnickou ČVUT v Praze, obor senzory a přístrojová technika. Pracuje jako vědecko-výzkumný pracovník Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT v Praze v oddělení Monitorování, diagnostika a inteligentní řízení budov.

Ing. Pavel Mlejnek, Ph.D., (*1981)
absolvoval Fakultu elektrotechnickou ČVUT, obor Měřicí technika. Pracuje jako odborný asistent na katedře měření FEL ČVUT a zároveň jako výzkumný pracovník na UCEEB ČVUT.

Ing. Jan Včelák, Ph.D., (*1979)
vystudoval ČVUT, Fakultu elektrotechnickou, kde v roce 2007 obdržel titul Ph.D. V letech 2006–2007 pracoval v Ricardo Prague jako SW/HW vývojář pro automobilový průmysl, v letech 2007–2011 jako postdoc researcher v Tyndall NI (IRL). Od roku 2012 pracuje na ČVUT na vědeckovýzkumných projektech v oblasti senzoriky. V roce 2013 stál u zrodu Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT, kde nyní pracuje jako vedoucí oddělení monitorování a inteligentního řízení inteligentních budov.

Doc. Ing. Petr Kuklík, CSc., (*1949)
je absolventem Fakulty stavební ČVUT. Studijně pobýval na univerzitách a vědeckovýzkumných ústavech v Evropě, Austrálii, Japonsku a Kanadě. Zabývá se vědeckovýzkumnou a normotvornou činností v oboru dřevěných konstrukcí, a to jak na národní, tak mezinárodní úrovni. Je vedoucím oddělení Materiály a konstrukce budov UCEEB ČVUT; docent na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí FSv ČVUT.

Ing. Petr Ptáček, Ph.D., (*1970)
vystudoval obor technologie zpracování dřeva na DF Technické univerzity ve Zvolenu, kde ukončil i doktorandské studium na téma Rekonstrukce střešních dřevěných prvků. Od roku 2013 je zaměstnancem UCEEB ČVUT v Praze. Zabývá se diagnostikou dřevostaveb, zejména problematikou týkající se zvýšené vlhkosti v dřevostavbách. Úzce spolupracuje s autorizovanou osobou Institut pro testování a certifikaci, a. s.