The impact of microclimate on biodeterioration of wood in historic buildings

Abstract

Abstract

Mattsson, J. 2017. The impact of microclimate on biodeterioration of wood in historic buildings.

Building materials in historic buildings are naturally, due to long-term exposure to various climatic and microclimatic conditions, gradually deteriorated. This study shows that the main crucial factors in various cases of biodeterioration are the temperature and humidity conditions at a microclimatic level, right down to few centimeters around the wood cells of the timber.

In an ideal situation of building survey, one could hope for good access to historic information about both previous exposure and damages. Unfortunately, such information almost never exists. Since the established fungal attacks and activity of wood-destroying insects are a direct response to the long-term temperature and moisture exposure in the historic buildings, it is possible to read the information in the damages as a long-term monitoring of previous conditions. In order to understand the causes and prevent further deterioration, it is important to identify the occurring species due to their individual requirements for ecological conditions. By examining special details of the damages, for example, the pattern of fungal decay or insect attacks and mixtures of various organisms, it can be possible to identify the causative factors that have to be handeled in order to avoid further damages. My experience is that the methods for such surveys are universal. By this reason, damages caused by biodeterioration from the polar regions to the tropics can be evaluated by the same approach.

Microclimatic conditions and cases of biodeterioration at four different sites in Norway: Bryggen in Bergen, Lærdalsøyri/Otternes, Røros, and Svalbard have been examined in various projects during a 20-year period. The aim of these studies has been to clarify how microclimate influences biodeterioration in historic buildings and wooden structures – both with respect to the actual damages and the practical consequences these damages cause. Focus has been on the two most crucial physical factors for biodeterioration, temperature and moisture.

At Bryggen in Bergen, there are conditions of persistent high moisture exposure, a temperature which is suitable for fungal growth and activity of wood-boring insects. Despite long term exposure to these conditions, thewood in the foundation shows surprisingly few damages caused by biodeterioration. The main reason for this is a long-term accumulation of salt from seawater and storage on wooden surfaces, which effectively protects the wood against biodeterioration.

The wood-boring beetle Hylotrupes bajulus has good conditions for development in the inner part of Sognefjorden in Western Norway. Building survey and monitoring of various construction details have revealed the great influence that temperature fluctuations have on preventing insect damages. The tests have also shown the importance of how results are reported in order to understand and explain the real situation.

Historic buildings in Røros are made of timber from Scots Pine with a large part of heartwood and dense annual rings, and these materials are exposed to a cold and dry climate. This gives a general potential for good prevention against biodeterioration, but the research has shown that even small variations in temperature is crucial for development of fungal decay. Outdoor exposed wood in Røros showed to have high persistent wooden moisture content. This is normally critical for risk of biodeterioration, but due to the cold climate, the materials have an expected long service life. However, the study has shown that wood with a sun-exposed position can have local, extensive fungal decay damages. These damages are restricted to the sun-exposed part of the material, while the part of wood that is a few centimeters away in permanent shadow position is without damages.

Sammendrag Mattsson, J. 2017. Virkningen av mikroklima på biologisk nedbrytning av treverk i historiske bygninger.

Bygningsmaterialer i historiske bygninger kan gjennom en langvarig eksponering for ulike klimatiske og mikroklimatiske forhold utsettes for en gradvis nedbrytning av biologiske skadegjørere. Denne studien viser at avgjørende faktorer i forskjellige tilfeller av biologisk nedbrytning i stor grad er temperatur og fuktighet på et mikroklimatisk nivå, helt ned til noen få centimeter rundt vedcellene i treverket. Ved bygningsundersøkelser av historiske bygninger kan man ønske seg en god tilgang til historisk informasjon om konstruksjoner, materialer, tidligere bruk, eksponering og eventuelle skader. Dessverre er slik informasjon sjelden tilgjengelig. Fordi både muggsopp, råtesopp og treskadeinsekter har spesielle krav til økologiske forhold, er etablerte skader et resultat av tidligere langtidseksponering av fukt- og temperaturforhold. Identifikasjon av forekommende arter kan dermed gi avgjørende innsikt om skader. Hvis man kan tolke skadene i henhold til disse forholdene, kan man forstå årsakene til skadeutvikling og dermed også forebygge ytterligere skadeutvikling. Min erfaring er at forutsetningen for biologisk nedbrytning av treverk er universell. Takket være dette kan man i prinsippet vurdere skader fra polområdene til tropene på den samme måten. De mikroklimatiske forholdene og aktivitet av ulike biologiske skadegjørere har vært undersøkt på fire ulike steder i Norge: Bryggen i Bergen, Lærdalsøyri/Otternes, Røros og Svalbard i forbindelse med ulike prosjekter i løpet av en 20 års periode. Målet med disse studiene har vært å avklare hvordan mikroklimaet påvirker sopp- og insektskader i verneverdige bygninger og trekonstruksjoner – både med hensyn til de faktiske skader og de praktiske konsekvenser skader forårsaker. Fokus har vært på de to mest avgjørende fysiske faktorene for biologiske skadegjørere, temperatur og fuktighet. På Bryggen i Bergen er fuktighet og temperatur gunstig for både vekst av sopp og aktivitet av treskadeinsekter. Til tross for dette, har treverket i fundamentene under bygningene på Bryggen overraskende få skader. Grunnen til dette er en langvarig akkumulasjon av salt i treoverflatene fra sjøvann og søl fra bruk og lagring. Dette har gitt en lokal, effektiv beskyttelse av treverket mot biologisk nedbryting. Husbukk (Hylotrupes bajulus) har gode utviklingsmuligheter i den indre delen av Sognefjorden på Vestlandet i Norge. Bygningsundersøkelser og oppfølging av ulike konstruksjoner har vist hvor stor innvirkning temperatursvingninger har for å forebygge insektskader. Undersøkelsene har også vist hvor viktig det er at man formidler måleverdiene på en korrekt måte for at de skal gjenspeile den aktuelle situasjonen. Historiske bygninger og konstruksjoner på Røros består av tettvokst furu med stor kjernevedsandel og de står i et kaldt og tørt klima. Dette gir en generelt god beskyttelse mot biologisk nedbrytning, men undersøkelser har vist at selv små variasjoner i temperatur er avgjørende for utvikling av råtesoppskader. Utendørs eksponert treverk på Røros har vist seg å ha en vedvarende høy fuktkvote. Dette innebærer en klar risiko for utvikling av råtesoppskader, men takket være det kjølige klimaet har materialene en forventet lang levetid. Imidlertid har studien vist at tre med en solutsatt posisjon kan ha lokalt omfattende råtesoppskader. Disse skadene er avgrensede til den solutsatte delen av materialet, mens deler i permanent skygge er uten skader. Det arktiske klimaet på Svalbard har tradisjonelt vært ansett for å gi en god beskyttelse mot biologisk nedbrytning. Til tross for det ekstremt kalde og tørre klimaet har undersøkelser vist at det er et stort problem med råtesoppskader i de fredede bygningene og konstruksjonene. På grunn av lokalt gunstig mikroklima i solutsatte deler av treverket, særlig i jordkontakt, kan råtesopp forårsake alvorlig skader i løpet av relativt kort tid. På Svalbard er det en spesiell art av råtesopp, husnettsopp (Leucogyrophana mollis), som dominerer i skadene. Dette er klart annerledes enn hva som er observert ved råtesoppskader i bygninger i Norge for øvrig. Kombinasjonen av at sopp- og insektskader hovedsakelig utvikles inne i trematerialene og at det eksisterer klare tekniske begrensninger i mulighetene for å grundig undersøke historiske bygninger, fører til at det er vanskelig å gjennomføre en tilfredsstillende avklaring og vurdering av eventuelle skader. Med en utilstrekkelig forståelse av skaden, blir både vurderinger og tiltak unøyaktige, og i noen tilfeller feil. Konsekvensen av dette kan være både unødvendige tiltak og utgifter. Det er også en klar risiko for videreutvikling av biologisk nedbryting av treverket. Dette betyr at man må sørge for at de som gjennomfører undersøkelser og vurdering av sopp- og insektskader har en tilstrekkelig god kunnskap til å utføre dette arbeidet. Denne avhandlingen beskriver hvordan mikroklimaet påvirker biologisk nedbrygning av treverk i historiske bygninger. Det er en forhåpning om at disse resultatene og erfaringene bidrar til å forbedre denne kunnskapen i ulike fagmiljøer.