Sustainable building construction as a driver for bio-economy

201

Variation of Basic Density and Brinell Hardness Within Mature Finnish Betula Pendula and B. Pubescens Stems

The objective of this study was to analyze the variation in basic density between different horizontal and vertical locations within mature Finnish Betula pendula and B. pubescens stems. In addition, the dependence of Brinell hardness in radial direction, which is of importance especially for the parquetry, veneer, and plywood industries, on the basic density was investigated. Furthermore, the sources of error in the Brinell hardness test according to EN 1534 were analyzed. Both basic density and Brinell hardness were measured from small, defect-free specimens. The average basic density of B. pendula and B. pubescens were 512 kg/m3 and 478 kg/m3, respectively. Concerning both birch species, wood material near the pith was clearly less dense than near the surface of the stem. The average Brinell hardness of B. pendula specimens was 23.4 MPa, and that of B. pubescens specimens was 20.5 MPa. Brinell hardness was found to be positively correlated with basic density. Therefore, the assumption that Brinell hardness varies within a birch stem similarly to basic density is confirmed. The test method according to the EN 1534 standard was found to be precise enough but unnecessarily laborious for hardness tests. Finally, an alternative method is suggested for determining Brinell hardness on an industrial scale

Tutkimuksesta ideoita ja innovaatioita - Lukella tuhannen taalan paikka

Kolumni julkaistu alunperin metla.fi sivustolla, Luken NEW-ohjelma201

Puutuotealan kasvumahdollisuudet cleantech-yhteistyön avulla

Suomessa biotalous, cleantech ja digitalisaatio on valtioneuvoston periaatepäätöksellä määritelty kasvun kärkialoiksi. Biotaloudella tarkoitetaan uusiutuvien raaka-aineiden turvin toteutuvaa taloudellista kasvua ja cleantechilla taloudellisen toiminnan ympäristövaikutuksia pienentäviä prosesseja tai ratkaisuja. Puutuoteteollisuus on vahvasti profiloitunut biotalouden osaksi, mutta integroituminen cleantech-alojen kanssa on ollut vähäistä. Sisällöllistä ristiriitaa biotalous- ja cleantech-konseptien välillä ei kuitenkaan ole, koska biotalouden näkökulma on vahvasti raaka-ainepohjainen ja cleantechin prosessipohjainen. Myös työ- ja elinkeinoministeriössä toiminut Metsäalan strateginen ohjelma peräänkuulutti metsäalalle yritysten kasvua tukevaa toimintamallia eli vastaavaa mallia, jota Cleantech Finland toteuttaa cleantech-yritysten kanssa. Tässä esitutkimuksessa analysoidaan biotalouden ja cleantechin yhteistyömahdollisuuksia erityisesti puutuoteteollisuuden kilpailukyvyn ja kasvun mahdollisuuksien näkökulmasta. Tutkimukseen kerättiin tausta-aineistoa kirjallisuudesta ja internetistä sekä empiirinen aineisto asiantuntijahaastatteluina ja webropol-kyselyllä. Haastatellut asiantuntijat (10 henkeä) edustivat pääosin metsä- ja puualan ulkopuolista osaamista, kun taas webropol-kyselyaineiston vastaajat (62 vastausta, vastausprosentti 27,1) edustivat valtaosin metsä- ja puualaa. Tulosten mukaan cleantechiä ja sen tarjoamia viennin kasvun, tki-rahoituksen ja brändäyksen mahdollisuuksia ei tunneta kovin hyvin metsä- ja puualan toimijoiden keskuudessa. Yhteistyön lisäämiseen suhtauduttiin pääosin positiivisesti. Tutkimuksessa tunnistettiin kaksi varsin selvää cleantech-potentiaalin toimialaa: puurakentamisen arvoketjut sekä puutuoteteollisuuden tuotantoteknologiat ja niihin liittyvä prosessiosaaminen. Erityisesti Kiinan, mutta myös muun Aasian ja Euroopan markkinat todettiin erittäin ostovoimaisiksi ja houkutteleviksi puutuoteteollisuuden kasvun alueiksi, joissa keskeisenä avaimena menestykselle voi olla yhteistyö cleantech-toimijoiden kanssa. Kooltaan suurien markkinoiden tarpeisiin vastaamista voisi helpottaa yhteispohjoismaisen ”Cleantech Nordic” brändin lanseeraaminen. Erityisesti Suomella ja Ruotsilla on hyvin samankaltaiset cleantech-strategiat, mutta pienten maiden resurssit erillisinä toimijoina ovat liian vähäiset ajatellen esimerkiksi Kiinan lähivuosille kaavailemia yli 500 miljardin euron cleantech-kehitystarpeita. Biotalouden kasvutavoitteet asettavat myös puutuotealalle selviä kasvun tavoitteita. Nämä ta-voitteet eivät ole realistisia, mikäli liiketoimintojen kehittämisessä rajoitutaan perinteiseen segmenttipohjaiseen ajattelun. On selvää, ettei puutuotealan kannata tavoitella brändäytymistä puhtaasti cleantech-toimijaksi. Vastaavasti on lyhytnäköistä, jos potentiaalista cleantech-yhteistyötä vaikeutetaan toiminnallisesti tai mielikuvatasolla profiloitumalla liian tiukasti biotalous-brändin alle. Tunnistettujen keihäänkärkituotteiden, -prosessien tai -palveluiden kehittäminen ja markkinointi yhteistyössä cleantech-toimijoiden kanssa voi avata kasvun mahdollisuuksia maantieteellisesti uusille tai jopa uudentyyppisille markkinoille. Perinteisen puutuoteteollisuuden uudistuminen ja biotalouden tavoiteltu kasvu edellyttävät teollisuudelta kykyä ja halua reagoida uusiin ajatuksiin, liiketoimintamalleihin ja yhteistyötapoihin. Cleantech-yhteistyö tarjoaa tähän erinomaisen mahdollisuuden.201

Pienen pyöreän puun käyttö rakentamisessa II : Suomen rakennuspuuvarat : rakennuspuun korjuukustannukset : rakennuspuun tuotantokustannukset

Suomen rakennuspuuvarat JOHTOPÄÄTÖKSET Pyöreää rakennuspuuta saadaan keskimäärin eniten leimikoista, jotka ovat tuoreilla kivennäismailla Etelä-Suomessa, joiden pääpuulaji on kuusi ja jotka ovat luontaisesti uudistettuja. Kuusikoissa laadunvaihtelu on kuitenkin suurta. Parhaan neljänneksen leimikoista suurin osa oli karujen kivennäismaiden männiköitä. Rakennuspuun tekninen laatu oli parempi veroluokkaryhmässä II-IV kuin rehevämmillä kasvupaikoilla. Luontaisesti uudistetuista metsiköistä saadaan parempaa rakennuspuuta. Eniten rakennuspuuta saadaan rehevien maiden kuusikoista ja karujen maiden männiköistä, jotka ovat luontaisesti sopivia näille puulajeille. Tarkasteltaessa luontaisesti sopivia kasvupaikkoja kuusikoista saanto on tavallisesti suurempi kuin männiköistä, mutta kuusikoissa on vikojen, kuten lenkous ja tyvimutkat, esiintyminen melko tavallista. Karujen maiden männiköissä vastaavien vikojen osuus on pienempi. Leimikoiden oikea valinta vaikuttaa hyvin paljon saatavan rakennuspuun määrään. Parhaimmissa leimikoissa rakennuspuun määrä on kaksinkertainen rakennuspuun keskimääräiseen saantoon verrattuna. Vaikeutena on vain se, ettei ainakaan tässä tutkimuksessa löydetty yhtään hyvää rakennuspuun määrän selittäjää. Rakennuspuusaanto pitää selvittää etukäteen maastoinventoinnilla, jos puuta on tarkoitus korjata enemmän. Käytettyjen oletusten mukaan rakennuspuuta olisi mahdollista hakata noin 8 miljoonaa kuutiota, mikäli mitään rajoitteita ei olisi. Tämän perusteella rakennuspuuvarat voidaan arvioida ainakin 2 miljoonaksi kuutioksi, jos oletetaan, että rakennuspuuta kannattaa hakata saannoltaan parhaasta neljänneksestä. Pientä pyöreää rakennuspuuta käytettäessä kannattaa suosia pölkkyjä, joiden pituus on 3 metriä ja läpimitta 10, 12,5 tai 15 cm. Jos tarvitaan neljän metrin jänneväliä, läpimitat olisivat tällöin 10 ja 12,5 cm:ä. Tällaisia pölkkyjä saadaan luontaisesti ilman suurempaa hakemista. Tuloksista käy myös ilmi, että on mahdollista saada myös pölkkyjä, joiden latvaläpimitta on 10 cm ja pituus 7 metriä. Nämä ovat kuitenkin niin harvinaisia, että tällaisia pituuksia pitäisi käyttää vain erityistarkoituksiin. Metsiköt, joita harvennetaan toista kertaa, ovat myös hyviä rakennuspuun korjuukohteita. Näissä on se etu, että huonompia puita on jo poistettu ensimmäisessä harvennuksessa, jolloin jäljellä olevien puiden laatu on parempi. Lisäksi poistettava puu on suurempaa, jolloin tarpeen vaatiessa saadaan suurempaa rakennuspuuta. Pyöreän rakennuspuun korjuukustannukset JOHTOPÄÄTÖKSET 1 Hakattavat leimikot Pyöreä rakennuspuu pitää hakata harvennusten yhteydessä, sillä taloudellisesti tai metsänhoidollisesti ei ole järkevää korjata pelkästään yhtä puutavaralajia. Ennen korjuuta on tärkeää arvioida leimikon rakennuspuun saanto, varsinkin jos rakennuspuuta tarvitaan enemmän. Mitä suurempi osa poistumasta täyttää rakennuspuun laatuvaatimukset, sen parempi. Pienen rakennuspuumäärän keräily eri paikoista ei ole kannattavaa. Rakennuspuun saantoa voidaan pitää hyvänä, mikäli vähintäin joka kolmannesta poistettavasta puusta saadaan rakennuspuupölkky. Tapaukset vaihtelevat tilanteittain ja paikoittain, joten mitään tarkkaa lukua siitä, paljonko rakennuspuuta hehtaarilta pitäisi saada, ei voida antaa. Lisäksi rakennuspuun saantoa on vaikeaa arvioida, koska pystyssä olevien puiden laatua on vaikea arvioida ja osaa vioista ei puista näe ennen kaatoa. 2 Tulosten vertailu aikaisempiin tutkimuksiin Yleisesti ottaen korjuun kustannukset olivat samaa suuruusluokkaa kuin aikaisemmissa tutkimuksissa todetut kuitupuun korjuukustannuskset. Metsurin hakkuukustannukset olivat suunnilleen samat kuin keskimääräisessä kuitupuun ensiharvennusleimikossa (Mattila 1995). Tutkimuksessa saatuja todellisia hakkuu- ja kuljetuskustannuksia verrattiin Oijalan & Örnin (1995) tulosten perusteella saatuihin laskennallisiin kustannuksiin. Tässä tutkimuksessa leimikolla toteutuneet hakkuukustannukset olivat likimain samat kuin leimikon laskennalliset hakkuukustannukset. Puiden metsäkuljetus oli laskelmia halvempaa, koska konevikoja tai muita keskeytyksiä ei sattunut. 3 Korjuumenetelmät Parasta korjuumenetelmää pyöreän rakennuspuun korjaamiseen on vaikea sanoa, koska parhaat ratkaisut vaihtelevat tapauksittain. Valittaessa rakennuspuut kuitupuupinoista, kustannukset ovat muita menetelmiä pienempiä ja laatu-hinta -suhde on hyvä. Korjuun kustannukset ovat samat kuin kuitupuun hakkuussa ja ainoat ylimääräiset kustannukset syntyvät pölkkyjen valinnasta. Toisaalta tällä tavalla ei saada erilaisia mittoja ja pituuksia, vaan on käytettävä niitä, mitä kuitupuun korjuussa syntyy. Rakennuspuuta valittaessa täytyy käsitellä suuria puumääriä, mikä voi olla ruumiillisesti ja henkisesti raskasta, mikäli työ kestää useita päiviä. Tämä voi vielä lisää heikentää valinnan onnistumista. Valinnassa tarvitaan kuormainta ja aina ei maataloustraktorin kuormain riitä. Metsurin tekemässä hakkuussa kustannukset ovat suurimmat mutta korjattavan rakennuspuun laatu on paras, koska melkein jokainen rakennuspuuksi tehty pölkky täyttää laatuvaatimukset. Hakkuun yhteydessä on myös mahdollista laatulajitella hakattava puu yksinkertaisten oksakokoon ja kasvunopeuteen perustuvien ohjeiden mukaan. Rakennuspuiden sekoittuminen kuitupuun kanssa metsäkuljetuksessa voidaan estää merkkaamalla rakennuspuun päähän jokin liitumerkki. Valmisteleva hakkuu ei tässä tutkimuksessa päässyt oikeuksiinsa, koska koepalstalla ei ollut paljoa alikasvustoa tai pientä puuta. Lisäksi todettiin epävarmaksi menetelmä, jossa metsuri hakkaa rakennuspuut ja hakkuukone kuitupuut. Ennen kaatoa on vaikeaa arvioida, onko jokin runko rakennus- vai kuitupuuta. Tällöin metsuri voi kaataa myös kuitupuita, ja toisaalta rakennuspuuksi sopivia runkoja joutuu kuitupuun joukkoon. Jos otetaan huomioon vain tuottavuus ja kustannukset, koneellinen hakkuu näyttäisi oleva paras menetelmä rakennus- ja kuitupuun yhdistettyyn korjuuseen. Mutta jos otetaan huomioon korjattavan rakennuspuun laatu, tilanne muuttuu. Vähemmän kuin 80 % pölkyistä täytti rakennuspuun laatuvaatimukset, mikä lisäsi rakennuspuuksi sopivien puiden korjuukustannuksia. Huono laatu johtui siitä, että hakkuukoneen kuljettaja ei nähnyt hakattavien runkojen laatua tarpeeksi hyvin ohjaamoon. Myös hakkuupään siirtorullat vahingoittivat pölkkyjä. Tosin myös hakkuukoneella hakatuista puista voidaan valita sopivimmat rakennuspuut kasasta tienvarressa. Pyöreän rakennuspuun tuotantokustannukset JOHTOPÄÄTÖKSET Tämän tutkimuksen mukaan pyöreän kuoritun rakennuspuun tuotantokustannukset ovat keskimäärin 140 euro/m3 (840 mk/m3) ja sorvatun puun 190 euro/m3 (1 150 mk/m3). Tuotantokustannukset vaihtelevat kuitenkin erittäin paljon, vaihtelu voi olla jopa 100 euro/m3 (600 mk/m3). Tutkimuksessa käytetyissä kustannuksissa suurin epävarmuus liittyy kuorintakustannuksiin. Kuorintakustannukset ovat vaikeita arvioida, koska kuoritut puumäärät vaikuttavat näihin hyvin paljon. Suomessa on kuorimalaitteita, joilla pientä pyöreää puuta voidaan sorvata, mutta näidenkin hinnoittelu on hyvin vaihtelevaa. Sorvauskustannusten epävarmuus tekee tuloksesta kokonaisuudessaan hieman epävarman, koska sorvauksen osuus on liki puolet koko kustannuksista. Toisaalta sorvauskustannusten pienentämisellä voidaan vaikuttaa hyvin paljon pyöreän puun tuotantokustannuksiin. Tuotantokustannuksiin vaikutti eniten sorvauksen ja kuorinnan saanto. Mitä suurempi saanto on, sitä pienemmät ovat tuotantokustannukset. Saanto vaikuttaa tuotekuutiota kohti tarvittavan raaka-aineen, korjuutyön ja kuorintatyön määrään. Jos saanto on pieni, niin puuta tarvitsee ostaa, käsitellä ja kuoria enemmän tuotekuutiota kohti ja kustannukset kasvavat. Saantoon vaikuttaa eniten pölkyn läpimitta. Isojen pölkkyjen saanto on parempi ja samalla kuution tuotantokustannukset ovat pienemmät. Toisaalta taas paksujen pölkkyjen metrihinnat ovat korkeammat. Puusta kannattaa maksaa enemmän, jos raaka-aineen laatua saadaan parannettua ja siten tuotannon saantoa lisättyä. Lisähintaa voidaan maksaa joko raaka-aineesta, jolloin voidaan ostaa parempilaatuisia leimikoita, tai korjuusta, jolloin puut valitaan ja katkotaan tarkemmin. Tuloksista käy ilmi, että pyöreä rakennuspuu on kalliimpaa kuin sahatavara. Tulos on sama, verrattiinpa sahatavaraa sorvattuihin tai kuorittuihin puihin. Syynä tähän on se, että saanto pyöreän puun valmistuksessa on suunnilleen sama kuin sahatavaran valmistuksessa, ja pienen puun korjuukustannus on suurempi kuin sahatukin. Pääsyy hinnan eroon on kuitenkin sorvaus ja kuorinta, joka on paljon kalliimpaa kuin sahaus. Halvempi raaka-aine ei kuro tätä eroa umpeen. Tosin tällä hetkellä sahatavaran hinta nousee, mikä vähentää hintaeroa pyöreään puuhun. Syinä sorvauksen korkeaan hintaan voi olla useita. Sorvien vuotuinen käyttö on todennäköisesti pientä, jolloin korkeat pääomakustannukset nostavat palvelun hintaa. Voi myös olla, että hinnoittelu perustuu rakennushirren sorvaukseen, jossa hinta voi olla korkeampi, eikä sen osuus lopputuotteen hinnasta ole niin suuri. Hinta rajaa pyöreän puun käyttöä kohteisiin, joissa puun muotoa tai sen lujuutta voidaan hyödyntää. Parhaiten pyöreän puun käyttöä lisäisi kuitenkin sen jalostuskustannusten pienentäminen, jolloin hintaa saataisiin laskettua. Nykyinen vähäinen käyttö johtaa korkeisiin hintoihin, joka vähentää käyttöä entisestään.vo

Small-Diameter Scots Pine and Birch Timber as Raw Materials for Engineered Wood Products

In the future, the building industries will need predictable, homogeneous and cost-competitive wood products with structural safety in increasing quantity and quality. This can be provided by, e.g., breaking solid wood and reconstructing the structure in a way that the degrading influence of knots, cracks, decay and other natural irregularities in wood will be eliminated. Beams, panels or boards made by this principle are called the engineered wood products (EWP). The purpose of this study was to investigate the possibilities to utilize small-diameter Scots pine and birch timber for production of EWPs that are reconstituted of strands. The wood technological characteristics of the tree species used in these products worldwide were studied based on the literature, and the findings were compared to the characteristics of domestic woods. In addition, test specimens were manufactured from domestic raw materials of Scots pine and birch species, and tested in order to examine the differences between woods from young trees from the first commercial thinnings and top sections of mature trees from final cuttings as a raw material. According to the literature review, the average basic density and, consequently, many mechanical properties of pine and birch grown in Finland do not markedly differ from those of the numerous foreign species used for EWPs. The empirical tests indicated that beams (air-dry density ca. 620-800 kgm-3) with relatively auspicious static stiffness (ca. 6000-8500 MPa) and bending strength (ca. 32-42 MPa) could be manufactured from timber equal to or smaller than pulpwood in diameter

Puun ominaisuuksien modifiointi : Menetelmät ja tutkimuksen tila

Tässä julkaisussa tarkastellaan puun ominaisuuksien fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia muokkaus- eli modifiointimenetelmiä. Näillä menetelmillä on tavoitteena parantaa sekä puun alun perin hyviä ominaisuuksia että sen käyttöä rajoittavia ominaisuuksia. Modifioinnilla tarkoitetaan käsittelyjä, joissa puuhun ei lisätä eikä siitä käytön aikana liukene ympäristöön eliöille haitallisia kemikaaleja eli biosidejä, ja että tuotetta elinkaarensa lopuksi hävitettäessä syntyvät ympäristöhaitat eivät ylitä modifioimattoman puun hävittämisestä syntyviä haittoja. Julkaisun alussa on käsitelty lähemmin niitä ominaisuuksia, joihin modifioinnilla pyritään pääasiassa vaikuttamaan: biologinen ja kosteudenkestävyys, mekaaninen kestävyys, palonkestävyys, säänkestävyys ja pH. Tämän jälkeen käydään läpi käytössä sekä kehitteillä olevia modifiointimenetelmiä. Fysikaalisista modifiointimenetelmistä huomattavinta kaupallista merkitystä on lämpökäsittelyllä, jonka määrä ylittää selvästi muut modifiointimenetelmät ja on kasvanut vuosittain 2000-luvun alusta saakka. Kaupallistettuja kemiallisia puun modifiointimenetelmiä ovat asetylointi, furfulointi, öljy- ja vahakäsittelyt sekä muutamat polymeerimodifiointimenetelmät. Kehitteillä olevia modifiointimenetelmiä on tässä työssä selvitetty tutkimusjulkaisuista ja muista saatavilla olevista lähteistä. Merkittävä tutkimuksen ja kehittämisen kohde tällä hetkellä ovat puunsuoja-aineiksi soveltuvat luontaiset kemikaalit, koska biosideille etsitään ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja. Puumateriaalin ja erityisesti sen pinnan puristamista yhdistettynä lämpökäsittelyyn tutkitaan ja kehitetään sekä teollisuudessa että tutkimuslaitoksissa. Myös kemiallisten ja fysikaalisten modifiointimenetelmien yhdistämistä kehitetään. Suurin haaste modifioitujen puutuotteiden kaupallistamisessa on valmistuskustannus: tuotantoprosessi ja tarvittavat tuotannontekijät on vaikea saattaa kustannustasolle, joka mahdollistaisi hinnaltaan elinkelpoisten tuotteiden valmistamisen. Myös jo kaupallisessa tuotannossa olevia modifiointimenetelmiä kehitetään jatkuvasti niiden taloudellisuuden ja teknisen kilpailukyvyn parantamiseksi. Julkaisussa on käsitelty myös modifioitujen puutuotteiden testausta, testausstandardien soveltuvuutta modifioidulle puulle sekä standardien käyttöön liittyviä erityispiirteitä modifioidulla puulla.201

Wood materials and products in the development of bioeconomy - research, development and innovation programme (2014-2018)

201

WOOD QUALITY OF BIRCH (BETULA SPP.) TREES DAMAGED BY MOOSE

European white birch (Betula pubescens) and silver birch (B. pendula) are important tree species for Finnish pulp and wood-products industries. Moose (Alces alces) damage, however, reduces the quality of butt logs intended for high-quality plywood and saw logs. In addition to flaws in stem form, pith discoloration and color change outside the pith reduce quality and value of logs irrespective of their end use. Our objectives were to 1) analyze the external and internal quality of birch trees damaged by moose, 2) measure whether the severity, type, and occurrence of damage differedbetween silver birch and European white birch trees, and 3) evaluate visual criteria that would enable a forest-owner to assess damage and future value of moose-damaged birch trees prior to the first commercial thinning. We sampled 4 stands with a known history of moose damage; 18 trees per stand were classified by visual evaluation into 3 damage categories. The severity and type of damage lowering the internal quality of logs from sample trees were classified into 5 grades. The proportion of all visible color defects and/or decay was 74% in silver birch trees and 67% in white birch trees. Moose damage caused no visible color defect and/or decay in 35% of silver birch and 33% of white birch trees. The commercial quality and value of birch trees damaged by moose was reduced by the internal color defects and/or decay, even in certain trees without obvious external moose damage. Nevertheless, forest-owners can evaluate the internal quality of most birch trees in order to remove those of low-quality in the first commercial thinning by using external quality indicators of moose-damaged stems (e.g., stem form and clear curve at the point of stem breakage)