Detekce vlhkosti v konstrukcích dřevostaveb novou metodou pasivních vlhkostních bodů

Úvod

Vlhkost má vliv na pevnost dřeva. S rostoucí vlhkostí pevnost klesá. Nadměrná vlhkost dřeva umožnuje růst dřevokazných hub. Napadají stavbu skrytě a do svého odhalení dokáží napáchat velké škody. Proti dřevokazným houbám lze dřevo chránit impregnací. U obytných staveb je ale její použití problematické. Proto je využívána konstrukční ochrana, tedy takové zabudování dřeva do stavby, aby nedocházelo k jeho navlhání, či dokonce nasakování a bylo zajištěno jeho přirozené vysychání. Po dobu životnosti stavby může být dřevo ohroženo vysokou vlhkostí vzduchu v konstrukcích, kondenzací vodní páry, zatečením, nebo havárií vodovodních instalací a také povodněmi. Je tak rozumné pravidelně měřit vlhkost dřeva v konstrukcích a včas reagovat na její nadlimitní stav. Bohužel, není mnoho možností, jak takovéto měření provádět. Metoda popsaná v tomto článku monitoring vlhkosti dřeva uzavřeného v konstrukcích řeší.

Metoda pasivních vlhkostních bodů

Na základě mnohaletých zkušeností s dřevostavbami v procesu návrhu, výroby, výstavby a sanací poškozených staveb jsme vyvinuli jednoduše použitelnou a levnou metodu na měření vlhkosti dřeva uzavřeného v konstrukcích dřevostaveb. Nazvali jsme ji „Metoda pasivních vlhkostních bodů“, MPVB. Principem metody je kombinace jednoduchých a levných komponentů, pomocí kterých je vytvořena síť měřících bodů ve všech kritických místech stavby. Měřící body nejsou pod napětím, proto jsou nazvány „Pasivní vlhkostní body“. Měřícími elektrodami jsou nerezové vruty. Dvojice zašroubovaných elektrod je propojena kabelem s místem určeným k připojení vlhkoměru. Pro měření vlhkosti je použit odporový vlhkoměr. Díky jednoduchosti montáže, standardizovaným prvkům a nízkým nákladům je MPVB vhodná pro každého investora, výrobce dřevostaveb, montážní firmu, správce nemovitosti, nebo třeba pro sklady řeziva pro zjištění vlhkosti uvnitř hráně.

Počátek vývoje metody sahá do roku 2009. Firemní praxe vyžadovala najít možnost měření vlhkosti odporovým vlhkoměrem uprostřed dřevěného prvku v nepřístupných místech. Takovéto měření je specifické potřebou vtlačit či zarazit měřící elektrody vlhkoměru do měřeného prvku. Přitom je změřena pouze vlhkost povrchové vrstvy dřeva, která nemusí odpovídat vnitřní vlhkosti. V místech, kde není manipulace s vlhkoměrem možná, nebo je povrch dřeva skryt v konstrukci, navíc odporový vlhkoměr použít nelze. To omezuje praktické použití odporových vlhkoměrů. Pro zjištění vlhkosti uvnitř dřevěného prvku, nebo dokonce prvku skrytého v konstrukci je nutné umístit elektrody do středu prvku. Při prvních experimentech jsme pro měření použili kartáčové elektrody umístěné hluboko uvnitř měřeného prvku a propojené kabelem s odporovým vlhkoměrem. Výrobce vlhkoměru a kartáčových elektrod tuto metodu doporučoval pro sypké materiály, ale ukázala se dobře funkční i pro dřevo. V roce 2010 byla použita pro zjištění vlhkosti konstrukcí dvou zatopených domů při povodních v severních Čechách, obr. č. 1. Díky ní bylo snadné určit vlhkost zasažených konstrukcí a stanovit vhodný termín zahájení rekonstrukčních prací.

V následujících letech byla tato metoda mnohokrát využita v rámci řešení škod z havárií vodovodních rozvodů, promočení staveb srážkami, netěsnostmi hydroizolačních vrstev a dalšími způsoby poškození staveb vodou. Použití kartáčových elektrod umožňuje měřit vlhkost uvnitř dřevěného prvku, a to i ve špatně přístupných místech, nebo ve dřevě skrytém uvnitř stěn. Podmínkou měření je vyvrtání otvorů do měřené konstrukce pro vsunutí kartáčových elektrod. To samozřejmě omezuje možnosti použití. Dalším omezením je možnost měřit vždy pouze jedno místo. V průběhu let jsme se postupně dopracovali k definici požadavků, které by měl systém pro měření vlhkosti dřevěných prvků konstrukcí staveb splnit:

1. Měření vlhkosti musí být nedestruktivní.
2. Místo snímání vlhkosti a místo měření vlhkosti mohou být od sebe vzdálená v řádu jednotek či desítek metrů.
3. Vlhkost bude měřena s přesností 1 %.
4. Instalaci systému a vlastní měření zvládne zaškolená osoba.
5. Množství měřících míst nesmí být omezeno kvůli výši nákladů, systém musí být tak levný, aby kvůli ceně nebyl poddimenzováván.
6. Naměřená data z jednotlivých míst konstrukce budou archivována, prioritně v papírové podobě a dostupná po celou dobu životnosti stavby.
7. Systém nesmí být závislý na externím dodavateli.
8. Vyhodnocení dat musí zvládnout zaškolená osoba.

Vývoj Metody pasivních vlhkostních bodů

Vývoj představoval mnoho experimentů a měření. Prezentace všech výsledků není možná, proto dále popíšeme pouze ty nejdůležitější, prokazující vlastnosti a funkčnost metody pasivních vlhkostních bodů.

Použité prostředky a zařízení

Metoda pasivních vlhkostních bodů je postavena na odporových vlhkoměrech firmy GHM group. První měření byla prováděna vlhkoměrem GMR 100, dále GMR 110 a GMH 3810. Jako měřící elektrody jsou používány nerezové vruty z důvodu prevence vzniku koroze při mnohaleté expozici. Třetí důležitou součástí jsou propojovací vodiče. Každý pasivní vlhkostní bod je opatřený plastovým krytem, který brání mechanickému poškození instalovaných elektrod. Prvky jsou voleny tak, aby byla zaručena možnost měření vlhkosti po celou dobu životnosti stavby, která se pohybuje v řádu vyšších desítek let. Metoda nepracuje s digitálním přenosem dat a není závislá na internetu. Proto je odolná vůči nekompatibilitě v čase se měnících digitálních technologií a softwaru. Měření a vyhodnocování naměřených údajů zvládne podle manuálu každá zaškolená osoba. Systém tak není závislý na třetí straně, a to je při dlouhé životnosti staveb velmi důležité. Metoda je naopak připravena na použití stále modernějších odporových vlhkoměrů, které budou vždy pracovat na principu měření odporu dřeva. Údaj o odporu je pak z místa instalace sond do místa připojení vlhkoměru dopraven analogově a nezkresleně kabelem, a to po celou dobu životnosti stavby.

Měření vlhkosti dřeva při různé hloubce zapuštění elektrod a porovnání hodnoty vlhkosti naměřené dvěma různými vlhkoměry

Měření bylo provedeno na vzorku smrkového pětivrstvého křížem lepeného dřeva CLT tl. 100 mm dlouhodobě umístěného v interiéru při teplotě 20 až 21 °C a vlhkosti vzduchu 40–50 %. Měřila se vlhkost na elektrodách zapuštěných do hloubky 100, 75, 50 a 25 mm. Podle nomogramu rovnovážné vlhkosti dřeva má mít dřevo za daných podmínek vlhkost mezi devíti a desíti procenty. Výsledky měření jsou zobrazeny v grafu č. 1.

Z grafu lze vyčíst, že vlhkost vzorku koresponduje s hodnotou v nomogramu pro rovnovážnou vlhkost dřeva. Průměrná vlhkost ze čtyř měření vlhkoměrem GMR 110 je 9,4 % a vlhkoměrem GHM 3810 je 9,3 %. Rozdíl při jednotlivých měřeních dvěma různými přístroji v naměřených hodnotách ve výši 0,1 % dokazuje kompatibilitu vlhkoměrů.

Ověření Metody pasivních vlhkostních bodů ve třech třídách provozu dle Eurokódu 5

Tento experiment vycházel z několika předcházejících, jejichž výsledkem bylo nalezení optimálního způsob instalace elektrod, napojení propojovacích vodičů, snímání vlhkosti v místě instalace elektrod a na konci propojovacího kabelu. Cílem experimentu bylo měřit vlhkost dřeva vystaveného všem třem třídám provozu dle Eurokódu 5. Každá navrhovaná dřevěná konstrukce musí být zatříděna do jedné ze tří tříd provozu [1].

Třída provozu 1 je charakterizována vlhkostí materiálů odpovídající teplotě 20 °C a relativní vlhkosti okolního vzduchu přesahující 65 % pouze po několik týdnů v roce. V této třídě provozu nepřesahuje průměrná vlhkost u většiny dřeva jehličnatých dřevin 12 %. Jedná se převážně o obývané interiéry.

Třída provozu 2 je charakterizována vlhkostí materiálů odpovídající teplotě 20 °C a relativní vlhkosti okolního vzduchu přesahující 85 % pouze po několik týdnů v roce. V této třídě provozu nepřesahuje průměrná vlhkost u většiny dřeva jehličnatých dřevin 20 %. To odpovídá dřevěným prvkům uvnitř obvodových stěn a střech, konkrétně jejich částem bližších exteriéru stavby, nebo kryté exteriérové expozici bez přímého působení povětrnostních vlivů.

Třída provozu 3 je charakterizována klimatickými podmínkami vedoucími k vyšší vlhkosti než ve třídě provozu 2. Dřevěné prvky v této třídě bývají vystaveny působení povětrnosti.

První třídu v našem experimentu reprezentovali vzorky dřeva a OSB umístěné v interiéru, druhou třídu s překročením limitních podmínek reprezentovalo dřevo a OSB v prostředí se stoprocentní vlhkostí vzduchu a třetí třídu dřevo a OSB částečně ponořené do vody v prostředí se stoprocentní vlhkostí vzduchu. Měření bylo prováděno pomocí dvou párů nerezových elektrod umístěných na každém vzorku do čtverce, na které byly úhlopříčně připojeny v prvním případě měděné vodiče délky 0,5 m a ve druhém případě propojovací kabel délky 0,5 m. Třetí měření vlhkosti bylo provedeno na konci prodlužovacího kabelu délky 30 m sestaveného ze tří desetimetrových kabelů. V následujících grafech jsou zobrazeny naměřené hodnoty vlhkosti materiálů umístěných v interiéru, v prostoru se stoprocentní vlhkostí vzduchu a v prostoru se stoprocentní vlhkostí vzduchu částečně ponořených do vody. Grafy zobrazují rychlost změn vlhkosti v čase při navlhání a nasakování a následně při vysychání. Vzorky byly před vlastním měřením klimatizovány několik dní tak, aby smrkové dřevo vykazovalo vlhkost 15 %. OSB v daném prostředí dosahuje vlhkost o 3 % nižší, tedy 12 %. (Rozdíl v rovnovážné vlhkosti dřeva a OSB je charakteristickou vlastností desek OSB).

Na grafu č. 2. je velmi dobře patrné, jak v interiéru klesá vlhkost z počátečních 15 % na konečných 9,5 %. Výkyvy jsou dané změnou vlhkosti vzduchu a v posledním čtvrtině grafu zahájením topné sezóny. Křivky 5DS s, 5DS 0,5 a 5DS 30 jsou prakticky totožné a zobrazují výsledky měření na půlmetrových vodičích „s“, půlmetrovém propojovacím kabelu „0,5“ a s třicetimetrovým prodloužením spojovacího kabelu „30“. To prokazuje možnost měřit vlhkost odporovým vlhkoměrem až na vzdálenost třicet metrů.

Změny vlhkosti smrkového dřeva vystaveného vlhkosti vzduchu 100 % jsou znázorněny v grafu č. 3. Kritická vlhkost 20 % byla dosažena ve 33. hodině expozice. Potom vlhkost rostla až do 956. hodiny experimentu, kdy dosáhla 50 %. Zkušební těleso bylo dále vystaveno interiérovým podmínkám a z grafu je patrný průběh jeho vysychání. Z grafu je opět patrný téměř shodný průběh křivek „s, 0,5, a 30“ a to podobně jako v předchozím případě prokazuje možnost měřit vlhkost odporovým vlhkoměrem až na vzdálenost třicet metrů.

Změny vlhkosti smrkového dřeva vystaveného vlhkosti vzduchu 100 % a částečně ponořeného do vody jsou znázorněny v grafu č. 4. Kritická vlhkost 20 % byla naměřena prakticky ihned. Vlhkost dosáhla 110 % v 70. hodině a potom kolem této hodnoty kolísala. V 956. hodině byl vzorek vyjmut a ponechán v interiérových podmínkách vyschnout. Z grafu je patrný téměř shodný průběh křivek „s, 0,5, a 30“ až do 80 % vlhkosti. V oblasti kritické vlhkosti 20 % je tedy průběh křivek „s, 0,5, a 30“ podobně jako v předchozích případech shodný, a to opět prokazuje možnost měřit vlhkost odporovým vlhkoměrem až na vzdálenost třicet metrů.

Obdobné výsledky byly dosaženy i při měření vlhkosti OSB, viz grafy č. 5, 6 a 7.

Kompenzace teploty při měření vlhkosti

Teplota ovlivňuje elektrický odpor dřeva a tím i vlhkost dřeva naměřenou odporovým vlhkoměrem. Proto je na vlhkoměrech možné nastavit kompenzaci na teplotu měřeného vzorku. Ověřovali jsme naměřenou vlhkost dřeva při různém nastavení teplotní kompenzace na vlhkoměru. Při konstantní vlhkosti a teplotě vzorku snižováním nastavené kompenzace teploty na vlhkoměru naměřená vlhkost roste a jejím zvyšováním naopak klesá. Závislost je lineární. Měření bylo prováděno na vzorcích smrkového dřeva a OSB při různých vlhkostech a při různých teplotách. Největší chyba měření zapříčiněná nastavenou kompenzační teplotou na vlhkoměru byla zjištěna u smrkového dřeva. Měřením klimatizovaného vzorku při 20 °C a nastavené kompenzaci 20 °C byla zjištěna vlhkost 15,8 %. Při nastavení kompenzace na 0 °C byla naměřena vlhkost 18,3 % a při 40 °C 13,8 %. V intervalu teplotní kompenzace 0 až 40 °C je tedy rozdíl v naměřené vlhkosti 4,5 %. Lineární závislost mezi vlhkostí a nastavenou teplotní kompenzací je popsána rovnicí W = − 0,1132T + 18,161, kde W je vlhkost vzorku a T teplota nastavená na vlhkoměru. Korelační koeficient je 0,994. Z toho plyne, že pro změření vlhkosti s přesností jedno procento, musíme určit teplotu v místě měření s přesností osm stupňů Celsia. Při určení teploty s přesností pět stupňů Celsia, bude vlhkost změřena s přesností šest desetin procenta atd. K nepřesnosti měření je třeba přičíst i nepřesnost vlhkoměru, kterou výrobce udává ve výši dvě desetiny procenta.

Jak určíme teplotu v místě měření?

Teplota v místě měření se mění v závislosti na teplotě v interiéru a exteriéru stavby, na vzdálenosti místa měření od vnějšího, nebo vnitřního povrchu stěny. Teplotu dřeva v místě měření dále ovlivňuje počasí, roční období, denní doba, umístění prvku v konstrukci, použité materiály a jejich tloušťky v konkrétní sendvičové skladbě ovlivňující tepelnou setrvačnost konstrukce.

Teplotu konkrétního místa v obvodové konstrukci určíme nejlépe měřením, ale to u Metody pasivních vlhkostních bodů není možné.

Proto jsme navrhli dva způsoby určení teploty v měřeném místě. První vychází z posouzení skladby stavební konstrukce z hlediska šíření tepla a vodní páry dle ČSN 73 0540 [2] jehož součástí je graf teplot v typickém místě konstrukce v ustálených návrhových podmínkách. Graf na obr. č. 2 je vytvořen pomocí programu Teplo 2017 [3]. Na příkladu je vidět řešení pro sendvičovou stěnu dřevostavby z konstrukčních izolovaných panelů (SIP) při vnitřní teplotě 21 °C a venkovní teplotě 5 °C. Teplota na povrchu OSB uvnitř stěny je za těchto podmínek cca 15 °C, tedy při měření vlhkosti této desky by byla na vlhkoměru nastavena teplota 15 °C.

Katalog těchto grafů pro různé teplotní režimy všech obvodových konstrukcí stavby dokáže pomocí příslušného softwaru vytvořit každý projektant, či stavební technik.

Druhá metoda je jednoduší. Určuje teplotu v daném místě konstrukce na základě interiérové a exteriérové teploty. Všechny konstrukční a izolační materiály používané pro dřevostavby mají obdobné tepelně technické parametry. Drobné rozdíly v teplotní vodivosti použitých izolačních materiálů jsou v konstrukcích kompenzovány jejich tloušťkou. Lze tedy vyvodit, že nejdůležitější proměnnou je celková tloušťka obvodové konstrukce a dále, že průběh teploty má lineární charakter, což potvrzuje i obr. č. 2.

V tabulce č. 1 lze při znalosti teploty v interiéru a exteriéru a relativní hloubce umístění elektrod (tabelované po desetinách) zjistit přibližnou teplotu v místě měření. Příklad: Konstrukce z obr. č. 2 má tloušťku 322 mm. Jedna desetina je 32,2 mm. Elektrody budou zašroubovány v OSB jejíž vnější plocha je umístěna 118 mm od interiérového povrchu stěny. Měřené místo je umístěno v 118/32,2 = 3,7 desetinách tloušťky. V tabulce č. 1 odečteme pro exteriérovou teplotu 5 °C teplotu v místě měření mezi 15 a 16 °C. V grafu na obr. č. 2 pro povrch OSB odečteme teplotu cca 15 °C. Zkonstruovaná tabulka je univerzálním nástrojem, ale může být snadno přizpůsobena každé stavbě.

Pro využití výše popsaných metod určení teploty v daném místě konstrukce je důležité znát hloubku umístění měřících elektrod od vnitřního povrchu stěny, či střešního pláště. Proto navrhujeme číslovat měřící místa ve formátu A/B/C, kde A je číslo měřícího místa, B tloušťka konstrukce v mm a C vzdálenost elektrod od vnitřního povrchu dané konstrukce.

Elektromagnetické rušení běžnými domácími spotřebiči

Cílem dalšího experimentu bylo ověřit, zda měření vlhkosti ovlivňují zapnuté domácí spotřebiče. Proto byl ve vzdálenosti 100 mm od propojovacích kabelů umístěn ventilátor, ve vzdálenosti 500 mm rozhlasový přijímač a osvětlovací těleso osazené klasickými zářivkovými trubicemi. Rušení se neprokázalo, naměřené hodnoty vlhkosti při vypnutých i zapnutých spotřebičích byli stejné. V případě nestandardních výsledků lze při měření elektrické spotřebiče odpojit od sítě.

Součásti Metody pasivních vlhkostních bodů

Pro zájemce o využití metody pasivních vlhkostních bodů je připraveno základní školení, jehož náplní je stručné seznámení s problematikou vlhkosti dřeva, vysvětlení principu Metody pasivních vlhkostních bodů, instalace jejich prvků a vlastní měření vlhkosti dřeva touto metodou. Dále je vypracován Instalační manuál, který obsahuje přesnou specifikaci potřebného materiálu, popis a ilustrační obrázky instalace elektrod, propojení s měřícím místem a způsobem kontroly správného zapojení. Součástí manuálu je návod na zpracování instalačního plánu pro konkrétní stavbu a doporučení pro umístění pasivních vlhkostních bodů. Dále je zpracována Uživatelská příručka Metody pasivních vlhkostních bodů. Jedná se o přesný popis měření vlhkosti dřeva touto metodou. Součástí je „Vlhkostní semafor“, který jednoduchou formou pomáhá uživateli vyhodnotit naměřené údaje. Uživatelská příručka obsahuje postup pro zpracování časového plánu měření pro konkrétní stavbu.

Závěr

Závěrem můžeme konstatovat, že se nám podařilo vyvinout metodu měření vlhkosti dřeva a konstrukčních desek OSB, skrytých v obvodových konstrukcích dřevostaveb splňující všechny definované požadavky:

1. Měření vlhkosti musí být nedestruktivní – instalací pasivních měřících bodů v procesu výstavby, nebo při výrobě panelů a jejich propojením s libovolným místem stavby, kde bude připojován vlhkoměr, je tento požadavek splněn. Změříme vlhkost uvnitř konstrukce bez potřeby její demontáže.
2. Místo snímání vlhkosti a místo měření vlhkosti mohou být od sebe vzdálená v řádu jednotek či desítek metrů – vlhkost lze metodou pasivních vlhkostních bodů měřit na vzdálenost třicet metrů. Větší vzdálenost zatím nebyla experimentálně ověřována.
3. Vlhkost bude měřena s přesností 1 % – díky vyřešení problému s určením teploty v místě měření je tento požadavek splněn.
4. Instalaci systému a vlastní měření zvládne zaškolená osoba – za tímto účelem je připraveno školení, instalační manuál a uživatelská příručka.
5. Množství měřících míst nesmí být omezeno kvůli výši nákladů, systém musí být tak levný, aby kvůli ceně nebyl poddimenzováván – protože je celá metoda založena na nerezových vrutech stíněných kabelech a na jednom odporovém vlhkoměru, je tato podmínka splněna.
6. Naměřená data z jednotlivých míst konstrukce budou archivována, prioritně v papírové podobě, a dostupná po celou dobu životnosti stavby – to bude vždy záležet na uživateli a uživatelská příručka k tomuto poskytuje návod.
7. Systém nesmí být závislý na externím dodavateli – závislost metody je pouze v proškolení uživatele, případně v poskytnutém poradenství. Po proškolení získává uživatel kompletní know-how, které může využívat a dále rozvíjet.
8. Vyhodnocení dat musí zvládnout zaškolená osoba – za tímto účelem je v uživatelské příručce uveden systém „Semafor“, který vede uživatele při vyhodnocování naměřených údajů a určuje další postup.

Důkaz předchozích tvrzení je na 3. a 4. obrázku. Na prvku SM 80/140, dlouhodobě klimatizovaném v kryté venkovní expozici (třída provozu 2) jsou nainstalovány dva pasivní vlhkostní body s propojovacími kabely délky 400 mm. Jeden pasivní vlhkostní bod je připojen měřícím kabelem na vlhkoměr. Druhý pasivní vlhkostní bod je měřícím kabelem zapojen do svorkovnice a ze svorkovnice je propojen dalšími vodiči s druhým vlhkoměrem. Oba vlhkoměry ukazují vlhkost 18,0 %. Na obrázku č. 4 je stejné zapojení, akorát mezi kabely pasivních vlhkostních bodů a měřící kabely vlhkoměrů jsou vloženy propojovací kabely délky 10 m. První vlhkoměr ukazuje vlhkost 18 % a druhý 18,1 %.

Věříme, že Metoda pasivních vlhkostních bodů osloví všechny, kteří dosud přesnou, levnou, snadno použitelnou a masivně aplikovatelnou metodu pro monitoring vlhkosti dřeva zabudovaného v konstrukcích dřevostaveb postrádali. Případné dotazy na adresu autora textu: liska@liwebuild.cz

Literatura

1. ČSN EN 1995-1-1, Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla pro pozemní stavby, odstavec 2.3.1.3
2. ČSN 73 0540-2 (2011) Tepelná ochrana budov, Část 2: Požadavky
3. Software TEPLO 2017