FINNOON KESKUS. Tuulisuus

Transkriptio

1 FINNOON KESKUS Tuulisuus

2 Laadunhallinta Versio/muutokset Versio 1 Muutos 1 Muutos 2 Muutos 3 Huomautukset Päivitetty suunnitelman 2/216 mukaiseksi Päivitetty tilaajan kommenttien ja suunnitelman 1/216 pohjalta Päiväys Laatija Risto Kiviluoma Risto Kiviluoma Risto Kiviluoma Allekirjoitus Tarkastanut Allekirjoitus Hyväksynyt Allekirjoitus Raportin numero Tiedostotunnus Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

3 Finnoon keskus Tuulisuus Tilaaja Hartela Kaupintie 2, PL HELSINKI Puh Konsultti WSP Heikkiläntie 7 21 HELSINKI Puh Faksi Rekisteröity osoite WSP Finland Oy FI Heikkiläntie 7, FI-21 Helsinki Konsultin yhdyshenkilö Risto Kiviluoma (tämä raportti) Olli Haveri (projekti) 3

4 Sisällys 1. Johdanto Lähtötiedot Kohteen suunnitelma Laskentamenetelmä ja määrittelyt Tuulensuuntien koordinaatisto Tuulisuuden tarkastelupisteet Tuulisuuden laskentamenetelmä Käytetyt tuulisuuskriteerit Tulokset Kohdealueen perustuulisuus Tuulisuus tarkastelupisteissä Tuulisuus tornien kattoterasseilla Tuulen puuskanopeuspaineet Tornien vaikutus tuulen puuskanopeuspaineisiin Johtopäätökset ja suunnitteluohjeita Lähdeluettelo... 3 Liite 1: Tuulisuuden määrittämisen yleisperiaate Liite 2: Tuulitunnelikokeet vs. numeerinen virtauslaskenta Liite 3: Maaston karheusluokan muutosanalyysi Liite 4: Kohdealueen perustuulisuus Liite 5: Tuulisuuden laskentatulokset... 4 Liite 6: Tuulen puuskanopeuspaineiden laskenta Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

5 1. Johdanto Tämän raportin kohteena on Finnoon keskuksen asemakaavaehdotus (kuva 1). Kohde sijaitsee Espoon Suomenojassa. Se sisältää asuinrakentamista ja metrokeskuksen. Korkein rakennus ulottuu noin 9 m korkeuteen maan pinnan tasosta ja sen poikkileikkauksen leveämpi sivumitta on n. 24 m. Kuva 1: Havainnekuva kohteesta (kuva Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit). Rakennetun ympäristön tuulisuus on muodostunut viime vuosina ajankohtaiseksi Suomessa rantarakentamiseen ja korkeaan rakentamiseen liittyen. Rakennukset ja rakenteet vaikuttavat katutason, pihakansien ja kattoterassien tuulisuuteen mm. siksi, että korkeammat rakennukset ohjaavat korkealla vaikuttavia kovempia virtauksia katutasoon. Tuulisuus vaikuttaa silloin pääasiassa puuskaisuutena, joka voi tulla yllätyksenä alueen käyttäjälle. Korkealla maapinnasta olevat kannet, sillat ja piha-alueet ovat luonnostaan tuulisia johtuen siitä, että tuulennopeudet kasvavat ylöspäin mentäessä maan ja ilmavirtauksen välisen kitkan johdosta. Tuulisuuden merkityksen arvioimiseksi tuulisuus voidaan esittää lukuarvona, joka kuvaa keskimääräisen ajan, jolla tietyn tuulennopeuden raja-arvo ylittyy. Tuulennopeuksien tarkastelu tehdään katutasossa; tarkoittaen tuulisuusmalleissa korkeutta 1,5 2, m alla olevasta jalankulkutasosta laskettuna. Tuulisuuden yleinen määritysperiaate ja tuulisuuteen liittyviä kriteerejä on käsitelty tarkemmin liitteissä 1 ja 2 sekä lähteessä [1]. Suomessa tuulisuuden suhteen tarkasteltuja tai tarkasteltavia rakennushankkeita on ollut, ja on, erityisesti Helsingissä, Tampereella ja Espoossa. Tuulisuus on mainittu Espoon korkean rakentamisen Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

6 periaatteissa [2]. Sen mukaan yli 12-kerroksisen rakennuksen rakennuslupahakemuksen yhteydessä tulisi Espoossa yli 12-kerroksisesta rakennuksesta aina esittää tuulitarkastelu, jonka perusteella voidaan arvioida vaikutukset lähialueen mikroilmastoon. Kuvassa 2 on esitetty Konsultin aikaisempia pääkaupunkiseudun tuulisuusselvitysten kohteita. Näissä tärkein syy selvitysten tekemiseen on ollut korkea rakentaminen. Muita vaikuttavia tekijäitä ovat olleet mm. kohteiden sijainti meren lähistöllä ja korkeammalla sijaitsevien kattopihoja käyttö. Aikaisemmin tutkittujen kohteiden tuloksia voidaan käyttää vertailuaineistona tulosten ohjeellisessa tulkinnassa. Tuulitunnelikokeilla tutkitut referenssikohteet: 1. Keski-Pasila 2. Jätkäsaari 3. Hernesaari 4. Kalastaman keskus 5. Kaupunkikeskus Tapiola Ilman kohteen tuulitunnelikokeita tehdyt tutkimukset: Kuva 2: Aikaisemmin tuulisuuden suhteen tutkittuja pääkaupunkiseudun kohteita tämän raportin kohde ympyröitynä. Kuva muokattu Espoon kaupungin kartta-aineistoon. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

7 Kaavoituksen kannalta alueen tuulisuus koostuu sääoloihin ja kohteen sijaintiin liittyvästä perustuulisuudesta sekä rakennusten ja maaston paikallisista vaikutuksista. Perustuulisuuden osalta tärkeä yksittäinen tekijä on kohdealueen etäisyys merenrannasta ja avomerestä suhteessa korkeimpien rakennusten korkeuteen. Rannikon läheisyydessä mereltä päin puhaltavilla tuulilla on tavanomaisesti suurin merkitys tuulisuuden numeroarvoihin. Tuulen ollessa meren suunnalta merialueiden kovat tuulennopeudet vaikuttavat lähes vaimentumattomina mantereen päällä tietystä korkeudesta ylöspäin, missä korkeus on verrannollinen etäisyyteen merenrannasta. Korkeat rakennuksen voivat rannikon läheisyydessä kääntää näitä vaimentumattomia tuulia katutasoon, jolloin korkeasta rakentamisesta aiheutuva lisä tuulisuuteen voi olla erityisen merkittävä. Tuulisuuden vaikutuksia voidaan tarkastella kahden tasoisina: viihtyvyyteen ja turvallisuuteen liittyvinä. Turvallisuuteen liittyvät vaikutukset liittyvät koviin puuskatuuliin katutasossa, ja niitä varten Konsultti on aikaisemmissa selvityksissä määrittänyt esiintymistodennäköisyyksiä raja-arvoille 16 m/s puuskatuuli katutasossa tavoitteellinen kävely vaikeaa; ja 23 m/s puuskatuuli katutasossa vaarallisen kova tuuli (liite 1). Turvallisuuskysymystä voidaan ajatella myös esteettömyyskysymyksenä. Esimerkiksi asuntoon pitäisi pystyä kävelemään kaikissa olosuhteissa. Turvallisuuskysymykset ovat suhteellisen helposti luokiteltavissa ja niihin voidaan suositella tarvittaessa puututtavaksi kaavoitusmääräyksissä. Viihtyvyystekijät ovat pitkälti subjektiivisia ja niihin vaikuttavat monet tekijät mukaan lukien asukkaiden tottumus, toiminto mitä ollaan tekemässä ja suunnitelman eri alueiden tavoiteltu laatutaso tuulisuuden suhteen. Esimerkiksi alhaisessa lämpötilassa paikoillaan ollessa pienemmätkin tuulennopeudet voivat tuntua kasvoissa epämukavilta tuulen ja pakkasen yhteisvaikutuksen, pakkasen purevuuden, johdosta. Perustuulisuuden taso on Suomessa suhteellisen alhainen verrattuna moneen muuhun maahan. Myrskylukemiin ( 21 m/s keskituuli 1 m korkeus) yltäviä keskituulia mitataan pääkaupunkiseudulla, lähisaarten säämittauspisteissä, noin kerran vuodessa. Mantereella tuulen keskinopeudet ovat huomattavasti pienempiä, esim. Helsinki-Vantaan lentokentällä, avoimessa maastossa, vuotuiset keskituulennopeuden maksimit ovat n. 15 m/s. Karkeana yhteenvetona Konsultin suorittamista pääkaupunkiseudun tuulisuuskartoituksista tuulisuudella voi olla kaavamääräystasoista vaikutusta pääasiassa silloin, kun tarkastelupiste on laajalta sektorilta avoin mereltä puhaltaville tuulille (esim. saaret ja niemet) korkeaa rakentamista on lähellä merta jalankulkutaso on korkealla (pihakannet, sillat ja kattoterassit). Tässä raportissa esitetään laskentapohjainen tuulisuustarkastelu. Se asettuu luotettavuudeltaan ja tarkkuudeltaan asiatuntijalausunnon ja tuulitunnelikokeen avulla tehdyn varsinaisen tuulisuuskartoituksen välille. Tarkastelun pääasiallisen tavoitteena on selvittää tuulisuuskysymysten merkittävyys siten, että johtopäätöksenä voidaan esittää onko tehty tarkastelu riittävä suunnittelun tavoitteiden ja kaavoituksen suhteen, vai suositellaanko täydentäviä tarkempia selvityksiä. Raportissa esitetään myös tuulen suunnittain lasketut tuulen puuskanopeuspaineet tuulennopeuksien ääriarvoille, joita voidaan käyttää esim. alustavassa rakennesuunnittelussa. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

8 2. Lähtötiedot 2.1 Kohteen suunnitelma Suunnitelmaa ja sen sijaintia suhteessa ympäristöönsä on havainnollistettu kuvissa 3 7. Suunnitelma sisältää rannan suunnasta loivasti ylöspäin nousevan viherkannen, jonka alla on pysäköintitiloja. Kannen korkeus on metroaukiolla ja torniaukiolla n. 6 m sekä Kauppasataman korttelissa noin 1 13 m. Kuva 3: Tarkasteltava kohdealue ja sen suunnitelma 2/216 (kuva tulostettu Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit aineistosta). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

9 Kuva 4: Kohteen periaateleikkauksia (kuvat Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

10 Kuva 5a: Havainnenäkymiä torista (kuvat Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

11 Kuva 5b: Havainnenäkymä päiväkodin pihasta (kuva Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit). Kuva 5c: Havainnenäkymä torniaukion suuntaan (kuva Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

12 Kuva 6: Alueen suunniteltuja toiminnallisuuksia (kuva Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit). Kuva 7: Tornien kattoterassien periaatekuva (kuva Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

13 3. Laskentamenetelmä ja määrittelyt 3.1 Tuulensuuntien koordinaatisto Tuulen suuntakulmien koordinaatisto on esitetty kuvassa 8 ja vastaavat tuulen suunnan sektorit kuvassa 9. pohjoistuuli Ө = o Ө = 315 o Ө = 45 o länsituuli Ө = 27 o itätuuli Ө = 9 o Ө = 135 o Ө = 225 o etelätuuli Ө = 18 o Kuva 8: Tuulensuuntien koordinaatisto (kuva muokattu Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit aineistosta). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

14 337,5 o o 22,5 o 315 o 45 o 292,5 o 67,5 o 27 o 9 o 247,5 o 112,5 o 225 o 135 o 22,5 o 18 o 157,5 o Kuva 9: Tuulen suuntia vastaavat sektorit maaston karheusluokan muutosanalyysiin (kuva muokattu Helsingin kaupungin kartta-aineistosta); ruudukon kehien väli = 5 m. 3.2 Tuulisuuden tarkastelupisteet Tuulisuuden arviointiin on valittu kuvan 1 mukaiset pisteet. Pisteet on sijoitettu alueiden suunniteltujen toiminnallisuuksien kannalta keskeisiin kohtiin. Pisteiden sijainti on lisäksi valittu siten, että niissä tuulisuus on rakennusten vaikutusten yms. tekijöiden johdosta oletettavasti maksimissaan. Poikkeuksena on piste 13, joka sijoitettu säilytettävän metsän suojaan. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

15 Kuva 1: Tuulisuuden laskentapisteet (kuva muokattu Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit aineistosta). Vaaleammalla värillä esitetyt pisteet sijaitsevat luonnollisen maanpinnan tasolla, ja tummemmalla värillä esitetyt pisteet kansirakenteiden päällä. 3.3 Tuulisuuden laskentamenetelmä Tuulisuuden laskenta/arviointi on tehty lähteen [1] mukaisella menetelmällä, joka perustuu kohdealueen perustuulisuuden laskentaan (ilman rakennusten paikallisia vaikutuksia) ja suunnitelman mukaisten rakennusten (tai suunnitelmamuutosten) vaikutusten laskentaan, kun käytössä on viitekohteiden tuulitunnelikoetuloksia. Viitekohteen tuloksina on käytetty lähteiden [3,4,5] mukaisia tuulitunnelikoetuloksia. Huomioon otettavia tekijöitä ovat erityisesti - tarkastelupisteen korkeuden muutos kiila- tai porrasmaisella rakenteella (kuva 11) - korkean rakennuksen vaikutus tai sen korkeuden muutoksen vaikutus (kuva 12) - kahden lähekkäisen rakennuksen aiheuttama kanavointivaikutus (kuva 13). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

16 a) Tuulen 1 min keskinopeudet ja puuskanopeudet eri maastotyypeissä Maastoluokka (avomeri tai merelle avoin rannikko) Maastoluokka I (järvet tai tasangot) Maastoluokka II (avoin maasto yleisesti) Maastoluokka III (kylät, esikaupunkialueet, metsät) Maateluokka IV (suuret kaupunkit, rakennusten korkeus > 15 m) z [m] tuulen puuskanopeudet (n. 1 s huippuarvo) on esitetty katkoviivalla [m/s] b) Kuva 11: a) tuulennopeuden korkeusprofiili eri maastoluokissa (arvot vastaavat likimain vuotuista maksimia pääkaupunkiseudulla); ja b) yksittäisen jalankulkutasoa nostavan rakenteen (tai mäkisen maastonmuodon) vaikutus tuulen keskinopeuteen ja puuskanopeuteen. Tässä Eurokoodin [7] mukaisessa mallissa tuule hetkellisen tuulennopeuden keskihajonta σ f ei riipu rakenteen korkeudesta H, ja c voidaan olettaa ykköseksi jos L u > 2H. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

17 Kuva 12: Ympäristöään selvästi korkeamman rakennuksen tuulisuutta lisäävä vaikutus lähteen [1] laskentamalleissa. Kuva 13: Kahden rakennuksen aiheuttama kanavointi lähteen [1] laskentamalleissa. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

18 Perustuulisuus lasketaan maaston karheusluokan muutosanalyysin perusteella paikallisen sääaseman tuulitilastosta. Keskituulet oletetaan Weibull-jakaantuneiksi, jossa jakauman parametrit määritetään käyrän sovituksella tuulitilastoon tuulen suunnittain. Käytetty tuulitilasto on Ilmatieteenlaitoksen Harmajan sääaseman tulokset 1 v. 3.4 Käytetyt tuulisuuskriteerit Tässä raportissa on käytetty samoja tuulisuuskriteereitä (rajatuulennopeuksia katutasossa, toiminnallisia luokkia ja ylittävien tuulien esiintymisaikaa, liite 1) kuin Konsultin aikaisemmissa tutkimuksissa. Näitä ovat: M-kriteeri, tunnin keskinopeus > 5 m/s. Tuulisuutta kuvaava yleinen kriteeri, joka soveltuu käytettäväksi, kun tuulen puuskaisuudella ei ole suurempaa merkitystä Jos tuulia esiintyy 5 % ajasta, on tuulisuudella oletettavasti merkitystä A-kriteeri, tuulen puuskanopeus > 1 m/s kesäkaudella (huhtikuu-syyskuu). Istuminen pitkiä aikoja; makaaminen; terassit ja kahvilat; ulkoilmateatterit; uima-altaat. Toiminnot ovat epäviihtyisiä, kun tuulia esiintyy kerran kesässä tai useammin ( 2,2 h / kesä) B-kriteeri, tuulen puuskanopeus > 13 m/s kesäkaudella (huhtikuu-syyskuu). Seisominen/istuminen paikoillaan lyhyitä aikoja; puistot; kauppakeskukset; rakennusten ulko-ovet. Toiminnot ovat epäviihtyisiä, kun tuulia esiintyy kerran kesässä tai useammin ( 2,2 h / kesä) C-kriteeri, tuulen puuskanopeus > 16 m/s. Kävely yleisesti; rakennuksiin sisälle meno ja niistä poistuminen. Toiminnot ovat epäviihtyisiä tai vaarallisia, kun tuulia esiintyy kerran vuodessa tai useammin ( 2,2 h / v) D-kriteeri, tuulen puuskanopeus > 23 m/s. Vaarallisen kova tuuli; tuulisuus on ei-hyväksyttävä, kun tuulia esiintyy kerran vuodessa tai useammin ( 2,2 h / v). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

19 4 Tulokset 4.1 Kohdealueen perustuulisuus Kohdealueen perustuulisuus on määritetty 15 m korkeudessa vastaten tuulitilaston mittauspisteen korkeutta. Laskenta on esitetty liitteessä 3. Yksityiskohtaiset laskentatulokset on esitetty liitteessä 4. Tuloksia on havainnollistettu kuvissa 14 ja 15. Kesäkausi: keskituulien esiintyminen kohdealueessa (% ajasta; 15 m korkeus) kesäkausi = huhtikuu syyskuu 337,5 8% 22, % ,5 27 4% 2% % 67,5 9 > 8 m/s > 6 m/s 247,5 112,5 > 4 m/s , ,5 Talvikausi: keskituulien esiintyminen (% ajasta; 15 m korkeus) talvikausi = lokakuu maaliskuu 337,5 8% 22, % ,5 27 4% 2% % 67,5 9 >8 m/s > 6 m/s 247,5 112,5 > 4 m/s , ,5 Kuva 14: Perustuulisuus kohdealueessa tuulen suunnittain (arvot ovat tunnin keskituulia 15 korkeudessa). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

20 Tuulisuuden perustaso kohdealueessa (15 m korkeus) Ylittävien tuulien osuus 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Tunnin keskituuli 15 m korkeudessa [m/s] Kesäkausi Talvikausi Kuva 15: Perustuulisuus kohdealueessa summana kaikista tuulensuunnista. 4.2 Tuulisuus tarkastelupisteissä Yksityiskohtaiset laskentatulokset on esitetty liitteessä 5. Yhteenveto tuloksista on esitetty kuvissa Näiden kuvien väriasteikoissa kirjaintunnuksella varustettu nuoli osoittaa kriteeriä vastaavan tuulen toistumisen raja-arvon. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

21 Tunnin keskituuli > 5 m/s M Koko vuosi Kesäkausi Piste % ajasta h/vuosi h/kk h/vk % ajasta* h h/kk h/vk 1,9 % ,1 % 6,1 1,,2 2 3,1 % ,8 % 37,1 6,2 1,4 3 1,5 % ,5 % 23,5 3,9,9 4 1,7 % ,7 % 31,6 5,3 1,2 5 3,2 % ,1 % 46,3 7,7 1,8 6 5,9 % ,7 % 118,4 19,7 4,6 7 1,5 % ,5 % 21,5 3,6,8 8 3,5 % ,4 % 59,7 9,9 2,3 9 1, % ,1 % 5,3,9,2 1 1,5 % ,5 % 2, 3,3,8 11,1 % 1 1, % 1,,2, 12 3,1 % ,1 % 48,6 8,1 1,9 13, % 3, %,1,, 14 3,3 % ,9 % 38,2 6,4 1,5 15,2 % 16 1, % 1,,2, * kesäkauden tunnit = 1 % M Väriasteikko, %,5 %,5 % 1, % 1, % 2, % 2, % 3, % 3, % 4, % 4, % 4,5 % 4,5 % 5, %,1 5, % 6, %,1 6, % 7, %,1 7, % 8, %,1 8, % Kuva 16: Tunnin keskituulien esiintyminen tarkastelupisteissä (M-kriteeri). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

22 Puuskatuuli > 1 m/s Koko vuosi A Kesäkausi Piste % ajasta h/vuosi h/kk h/vk % ajasta* h h/kk h/vk 1 1,7 % ,3 2,8,35 % 15,3 2,5,6 2 2,3 % 21 16,7 3,9,55 % 24, 4,,9 3 1,1 % 11 8,4 1,9,29 % 12,7 2,1,5 4 2, % ,3 3,3,67 % 29,3 4,9 1,1 5 2,2 % 19 15,9 3,7,69 % 3, 5, 1,2 6 2,4 % ,7 4,1,48 % 2,9 3,5,8 7 2,5 % ,3 4,2,61 % 26,6 4,4 1, 8 5,7 % 53 41,9 9,7 2, % 87,5 14,6 3,4 9 1,8 % ,4 3,1,28 % 12,1 2,,5 1 2,4 % 27 17,2 4,,56 % 24,6 4,1,9 11,2 % 2 1,7,4,6 % 2,4,4,1 12 1,6 % , 2,8,45 % 19,6 3,3,8 13,2 % 14 1,2,3,2 %,9,1, 14 2,9 % ,3 4,9,62 % 27, 4,5 1, 15,3 % 3 2,5,6,6 % 2,4,4,1 * kesäkauden tunnit = 1 % A Väriasteikko, %,5 %,5 %,1 %,1 %,2 %,2 %,3 %,3 %,4 %,4 %,45 %,45 %,5 %,5 %,1 %,1 %,25 %,25 % 1, % 1, % Kuva 17: Puuskatuulien > 1 m/s esiintyminen tarkastelupisteissä (A-kriteeri). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

23 Puuskatuuli > 13 m/s Koko vuosi B Kesäkausi Piste % ajasta h/vuosi h/kk h/vk % ajasta* h h/kk h/vk 1,2 % 17 1,4,3,2 %,7,1, 2,3 % 28 2,3,5,3 % 1,5,2,1 3,1 % 9,8,2,3 % 1,1,2, 4,3 % 3 2,5,6,11 % 4,9,8,2 5,3 % 29 2,4,5,1 % 4,4,7,2 6,4 % 35 2,9,7,1 %,6,1, 7,4 % 31 2,6,6,5 % 2,3,4,1 8 1,1 % 98 8,1 1,9,13 % 5,8 1,,2 9,3 % 23 1,9,4,1 %,3,1, 1,3 % 29 2,4,6,5 % 2,1,3,1 11, % 1,1,, %,1,, 12,2 % 17 1,4,3,4 % 1,9,3,1 13, % 1,1,, %,,, 14,4 % 33 2,7,6,3 % 1,1,2, 15, % 2,1,, %,,, * kesäkauden tunnit = 1 % Kuva 18: Puuskatuulien > 13 m/s esiintyminen tarkastelupisteissä ( B-kriteeri ). B Väriasteikko, %,5 %,5 %,1 %,1 %,2 %,2 %,3 %,3 %,4 %,4 %,45 %,45 %,5 %,5 %,1 %,1 %,25 %,25 % 1, % 1, % Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

24 Puuskatuuli > 16 m/s C Koko vuosi Kesäkausi Piste % ajasta h/vuosi h/kk h/vk % ajasta* h h/kk h/vk 1,19 % 1,7,1,, %,,, 2,35 % 3,,3,1,1 %,1,1, 3,5 %,4,,,2 %,1,1, 4,46 % 4,,3,1,15 %,7,11,3 5,31 % 2,7,2,1,11 %,5,8,2 6,45 % 3,9,3,1, %,,, 7,44 % 3,8,3,1,4 %,2,3,1 8,161 % 14,1 1,2,3,4 %,2,3,1 9,26 % 2,3,2,, %,,, 1,39 % 3,4,3,1,3 %,1,2,1 11, %,,,, %,,, 12,12 % 1,1,1,,3 %,1,2,1 13,1 %,1,,, %,,, 14,34 % 3,,2,1,1 %,1,1, 15,1 %,1,,, %,,, * kesäkauden tunnit = 1 % C Väriasteikko, %,1 %,1 %,3 %,3 %,5 %,5 %,1 %,1 %,15 %,15 %,2 %,2 %,25 %,25 %,5 %,5 %,1 %,1 %,2 %,2 % Kuva 19: Puuskatuulien > 16 m/s esiintyminen tarkastelupisteissä (C-kriteeri). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

25 Puuskatuuli > 23 m/s D Koko vuosi Kesäkausi Piste % ajasta h/vuosi h/kk h/vk % ajasta* h h/kk h/vk 1, %,,,, %,,, 2, %,,,, %,,, 3, %,,,, %,,, 4, %,,,, %,,, 5, %,,,, %,,, 6, %,,,, %,,, 7,1 %,1,,, %,,, 8, %,,,, %,,, 9, %,,,, %,,, 1,1 %,,,, %,,, 11, %,,,, %,,, 12, %,,,, %,,, 13, %,,,, %,,, 14, %,,,, %,,, 15, %,,,, %,,, * kesäkauden tunnit = 1 % Kuva 2: Puuskatuulien > 23 m/s esiintyminen tarkastelupisteissä (D-kriteeri). D Väriasteikko, %,1 %,1 %,3 %,3 %,5 %,5 %,1 %,1 %,15 %,15 %,2 %,2 %,25 %,25 %,5 %,5 %,1 %,1 %,2 %,2 % Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

26 4.3 Tuulisuus tornien kattoterasseilla Kuvan 7 tyyppisten kattorassien toimivuutta tuulisuuden suhteen on tutkittu aikaisemmin Keski-Pasilan tornitalokaavoituksen yhteydessä [6]. Perusratkaisu havaittiin toimivaksi siten, että tuulisuuden vaikutuksia voidaan lieventää, ja siten terassien käyttöaikaa lisätä, tuulisuojan korkeuden valinnalla. Noin 6 m korkea tuulisuoja riitti tuottamaan hyvän tuulensuojan 16 m koreaan torniin, jonka katto on viistetty noin 45 o kulmaan. Finnoon keskuksen tornien osalta tuulisuoja voi saman vaikutuksen tuottamiseksi olla oletettavasti matalampi, koska katon viiste on loivempi. 4.4 Tuulen puuskanopeuspaineet Keskituulen perusarvo (1 m korkeus, 1 min keskiarvo, 5 v. toistumisväli) on Helsingin edustan sääasemien tilastojen perusteella n. 31 m/s, kun tarkastelussa otetaan huomioon - 9% luotettavuusväli-tarkastelu tilastointiajan rajallisuuden suhteen - 5% lisä tuulilastojen systemaattisten virheiden (mittareiden jäätyminen ja ei-jatkuva rekisteröinti) suhteen - 5% lisä ilmaston muuttumisesta aiheutuvien ääri-ilmiöiden kasvun huomioon ottamiseksi. Eurokoodin kansallisen liitteen mukaista laskentakaavaa vastaava arvo on 3,7 m/s. Tarkastelun perustaksi sopii siten tuulen meri-maastoluokkaa vastaava keskituulennopeuden arvo 31 m/s. Puuskatuulennopeuden ja muiden tuuliparametrien laskenta on esitetty liitteessä 6. Tuloksia on havainnollistettu tuulen suunnittain kuvassa 21. Kuvassa 21 on esitetty myös muunnoskertoimet muille kuin 5 v toistumisvälin tuulta vastaaville tuulen puuskanopeuspaineille. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

27 292,5 27 Tuulen 1 s. puuskanopeuspaineet kohdealueella (5 v toistumisvälin tuuli) ,5 1,8 1,6 1,4 1,2 1,8,6,4,2 22, ,5 9 Todenäköisyyskerroin Toistumisväli [v] c prob 5,73 1,81 5 1, 1 1,8 12 1,1 247,5 112, , ,5 z=15 m z=5m z=9m Eurokoodi+NA Meri-maastoluokka z=15 m Eurokoodi+NA Meri-maastoluokka z=5 m Eurokoodi+NA Meri-maastoluokka z=9 m Kuva 21: Tuulen puuskanopeuspaineet alustavaan rakennesuunnitteluun. 4.4 Tornien vaikutus tuulen puuskanopeuspaineisiin Suunnitelmaan liittyvät tornitalot ovat ympäristöään korkeampia ja vaikuttavat muihin rakennuksiin ja rakenteisiin tuulenpaineita lisäävänä tekijänä. Sopivana yksinkertaistavana otaksumana voidaan pitää, että alempana sijaitsevat rakenteet mitoitetaan vähintään tuulikuormalle, joka määritetään korkeudella z n vaikuttavan tuulen puuskanopeuspaineen mukaan. Tässä z n määritetään Eurokoodin [6] liitteen A.4 mukaisesti. Korkeimman tornin korkeus h high = 9 m ja leveämpi sivumitta d large = 24 m. Tällöin z n = 24 m. Alustavaan rakennesuunnitteluun voidaan siten antaa suositus, että tuulen puuskanopeuspainetta ei tule olettaa pienemmiksi kuin 1,3 kn/m 2 niiden rakenteiden osalta, jotka sijaitsevat n. 1 m etäisyydellä torneista. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

28 5 Johtopäätökset ja suunnitteluohjeita - Kohdealue ei sijaitse suoraan meren rannassa, ja ympäröivien alueiden kaavoitusratkaisut voivat pienentää kohdealueen tuulisuutta tulevaisuudessa. Suoraan avomerelle on avoinna ainoastaan kaakon suuntaan avautuva tuulensuunnan sektori. Muissa meren puolelle avautuvissa tuulensuunnan sektoreissa lähisaaret ja Porkkalanniemi pienentävät tuulennopeuksia lähellä maapintaa. Kohdealueen perustuulisuus ei siten ole erityisen ongelmallinen. - Tulosten mukaan yli 23 m/s puuskatuulia esiintyy selvästi harvemmin kuin kerran vuodessa, ja kaavoitusta varten ei ole tarvetta suositella tarkempaa tuulisuusanalyysiä (tuulitunnelikokeen avulla) tai erityisten tuulisuutta koskevien kaavamääräysten käyttöä. Nämä puuskatuulet ovat hyvin harvinaisia, ja niitä voi esiintyä n. kerran 2 vuodessa. Vastaavissa myrkyissä kaatuvat puut, sähkökatkot ja tulviva merivesi ovat olettavasti merkittävämpi riskejä kuin kävelyn vaarat - suunnitelmaan liittyvät tornit voivat kasvattaa tuulisuutta alueella joka ylettyy n. 1 m päähän torneista. Tuulisuuden kasvu johtuu korkean rakentamisen tavanomaisista vaikutusmekanismeista. Tornien vaikutusalueella voi esiintyä kovia puuskatuulia (> 16 m/s) useamman kerran vuodessa. Nämä esiintyvät talvikauden kovimmissa myrkyissä, kun tuulen suunta on mereltä. Kesäkauden kriteereillä (puuskatuuli > 1 m/s ja > 13 m/s) osalta tuulisuuolosuhteet ovat viiteaineistoon (kuva 2) verrattuna samaa suuruusluokkaa rannikon asuinalueiden kanssa - tornitalojen pihalle johtavat ulko-ovet olisi hyvä suojata korkeissa rakennuksissa yleisesti käytetyillä ratkaisuilla, kuten sisennykset ja katokset. Viheristutukset ja muut virtauksia hajottavat suunnitteluratkaisut ovat suositeltavia erityisesti torniaukion pihojen oleskelupisteiden viihtyisyyden parantamiseksi. Samalla on pidettävä huolta että istutukset kestävät puuskatuulien vaikutukset kaatumatta. Puut tulisi ankkuroida hyvin kasvualustaansa. Kaatumisen estämisen suhteen pensasistutukset voisivat olla turvallisempi valinta. Muita suojaavia rakenteita ovat yleisesti esim. ristikot ja pergolat, joilla voidaan suojata paikallinen kohde, esim. pihan hiekkalaatikko - tornien ohella toinen suunnitelmaan liittyvä tuulisuutta kasvattava tekijä on kansirakenne, jolloin jalankulkutaso jää luonnollisen maanpinnan tasoa korkeammalle. Suunnitelma sisältää kuitenkin rannan suunnasta loivasti ylöspäin nousevan viherkannen, joka vähentää tähän liittyvää tuulisuuden kasvua - torniaukion ulkopuolella yli 16 m/s puuskatuulia esiintyy kohdealueella n. kerran vuodessa. Suurempaa tarvetta esim. ulkoilureittien suojaamiseen tuulen vaikutukselta ei ole - kohdealueen tuulisin piste on tulosten mukaan torniaukion kulma (kuva 22), jossa tornien väliin syntyy kanavointivaikutus kaakkois- ja luoteistuulissa. Tässä pisteessä kävelyä hankalaksi tekeviä kovia puuskatuulia (> 16 m/s) esiintyy suuruusluokaltaan 14 h/v. Ne esiintyvät talvikauden myrskyjen yhteydessä. Tulos vastaa likimain suoraan merenrannassa olevan pisteen tuulisuutta. Kuvan 22 mukainen katos voi pienentää tuulisuutta tässä kohdassa - metroaukio (piste 5) on kesäkaudella kohtuullisen viihtyisä tuulisuuden suhteen ottaen huomioon että se sijaitsee n. 6 m korkeudessa. Yli 13 m/s puuskatuulia esiintyy kuitenkin muutaman kerran kesässä. Metroaukio on oletettavasti tärkeä osa suunnitelmaa, koska siinä liikkuu ja oleskelee paljon ihmisiä. Kuvassa 5a esitetyt puut ovat eduksi tuulisuuden vähentämiseksi Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

29 Kuva 22: Kanavointivaikutus torniaukion kulmassa (kuva muokattu Cederqvist & Jäntti Arkkitehdit aineistosta). - tuulen keskinopeuteen perustuvien tuulisuuskriteerien osalta voidaan todeta, että missään tarkastelupisteistä tunnin keskituulia ei esiinny 6 % enempää ajasta. Esim. Helsingin Jätkäsaaren suunnitelman [3] tuulisimmassa pisteessä näitä esiintyy samoin 6 % ajasta. Pakkasen purevuus, joka laskentamalleissa on verrannollinen tuulen keskinopeuteen, ei siten oletettavasti poikkea merkittävästi pääkaupunkiseudun rannikon olosuhteista - päiväkodin piha (kuva 5b), piste 14, on talvikaudella altis pohjoisen puolelta puhaltaville kylmille tuulille. Vierustan tornitalot voivat lisäksi aiheuttaa kuvan 22 mukaista kanavointia, ja keskituuli > 5 m/s esiintyy n. 3 % ajasta. Koska pihaa käytetään läpi vuoden, sen oleskelupisteitä voitaisiin suojata pensailla ja istutuksilla viihtyvyyden parantamiseksi - tornien kattoterassien viihtyvyyden ja käytettävyyden parantamiseksi niiden tuulisuojat voitaisiin suunnitella joku suoraan korkeiksi, tai niiden korkeus voitaisiin optimoida lisätutkimusten avulla - esimerkkejä tuulisuutta korjaavista rakenteita ja rakennusten massoitteluperiaatteista on esitetty esimerkiksi lähteessä [8]. Näitä ei kuitenkaan tulosten mukaan ole tarvetta suositella kohteeseen. Poikkeuksena on kuvan 22 mukaisessa kohta (piste 8), jossa ne voivat olla tarpeellisia ottaen huomioon että kyseessä on keskeinen kulkuväylä. Tärkein suositeltava viihtyvyyttä parantava suunnitteluratkaisu on pensaiden ja puiden käyttö suojaamaan toiminnoitaan suurempaa viihtyisyyttä edellyttäviä pisteitä tornitalojen vaikutusalueella - tornien vierustan matalampien rakenteiden rakennesuunnittelussa on otettava huomioon tornien puuskanopeuspaineita kasvattava vaikutus. Alustavan rakennesuunnittelun tarkastelut on suositeltavaa tehdä tämän raportin arvojen ja ohjeiden mukaisesti - verrattuna aikaisemmin tutkittuun suunnitelmaan (11/214) nyt tarkasteltua suunnitelmaan voidaan pitää kokonaisuutena hieman vähätuulisempana. Tähän vaikuttaa tornitalojen ympäröivän viherkannen alempi korkeusasema ja tornitalojen sijoittelu tasaisemmin viherkannen ympärille. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

30 Lähdeluettelo 1. Helsingin kaupunki, kaupunkisuunnitteluvirasto: Jätkäsaaren ja Hernesaaren asemakaavoitus, Tuulisuuden laskenta- ja luokitusohje. WSP Finland Oy, , 78 s. 2. Espoon korkean rakentamisen periaatteet. Espoon kaupunkisuunnittelukeskuksen julkaisuja 1/ s. + liiteet. 3. Helsingin kaupunki, kaupunkisuunnitteluvirasto: Jätkäsaaren kaavoitus, tuulisuuden sekä pakkasen ja tuulen yhteisvaikutuksen kartoitus, tutkimusraportti versio C, WSP Finland Oy, 27, s Helsingin kaupunki, kaupunkisuunnitteluvirasto. Hernesaaren kaavoitus, Tuulisuuskartoitus, WSP Finland Oy, , s Helsingin kaupunki, kaupunkisuunnitteluvirasto: Kalasataman keskuksen suunnittelu, tuulisuuskartoitus. WSP Finland Oy, 211, s Helsingin kaupunki, kaupunkisuunnitteluvirasto: Keski-Pasilan asemakaavoitus, Täydentävät tuulitunnelikokeet, WSP Finland Oy, , s SFS-EN :25 Eurocode1: Rakenteiden kuormat. Yleiset kuormat. Osa 1-4: tuulikuormat. 255 s. & Kansallinen liite NA SFS-EN ( ). 8. Jessica Bennet, Wind Design Guide Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

31 Liite 1: Tuulisuuden määrittämisen yleisperiaate Tuulisuus voidaan määrittää objektiivisesti periaatteella raja-arvon ylittävien katutason tuulien keskimääräinen kesto (esim. % ajasta). Esim. tuulen keskinopeus > 5 m/s katutasossa 5 % ajasta on toisinaan käytetty nyrkkisääntö olosuhteelle, jossa tuulisuudella on merkitystä. Katutaso tarkoittaa tuulisuusmalleissa korkeutta 1,5 2, m pisteen alla olevan jalankulkutason yläpuolella. Katutason tuulisuus riippuu alueen perustuulisuuden tasosta sekä rakennusten, maastonmuotojen, aukeiden, vesialueiden, puiden, pensaiden, aitojen yms. paikallisten tekijöiden vaikutuksesta. Kaavoituksen yhteydessä tuulisuus on kiinnostuksen kohteena useimmiten juuri rakennetussa ympäristössä, jossa rakennusten paikallinen merkitys on suuri. Perustuulisuus saadaan määritettyä meteorologisten tuulitilastojen avulla ottaen huomioon maaston karheusluokan erot tuulitilaston mittauspisteen ja kohdealueen sijainnin välillä. Kyseiset tuulitilastot mitataan avoimessa maastossa n. 1 m korkeudella maapinnasta. Tuulen keskinopeus 1 m korkeudessa on likimain 1,5-kertainen katutason keskinopeuteen nähden. Tavanomainen tuulisuustarkasteluissa hyödynnettävä tuulitilasto on tyypiltään tuuliruusu (kuva L1.1), joka esittää säähavaintoaseman mittauspisteen eri keskituulien esiintymisen prosentteina ajasta. Kuva L1.1: Esimerkki meteorologisen havaintoaseman mittaustuloksista laaditusta tuuliruususta (Heidrun, Norja). Uutta rakennuskantaa suunniteltaessa paikallisten tekijöiden tarkka huomioon ottaminen edellyttää käytännössä tuulitunnelikokeiden suorittamista kohdealueen pienoismallia apuna käyttäen. Tuulisuus määritetään tietyissä suunnitelman kannalta mielenkiintoisissa pisteissä. Tällaisesta yksityiskohtaisesta tarkastelusta käytetään nimeä tuulisuuskartoitus. Tuulisuuden hyväksytty taso voidaan esittää tuulisuuskriteerinä, joka koostuu tyypillisesti tuulennopeuden raja-arvosta (katutason keskituuli tai puuskatuuli) Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

32 ylittävien tuulennopeuksien sallitusta keskimääräisestä kestosta raja-arvoa vastaten ihmisen toimintaa kuvaavasta luokasta (paikoillaan olo, kävely jne.) kuvauksesta siitä miten kriteerin täyttämättä jääminen vaikuttaa (tuulisuus epäviihtyisää tai vaarallista) Tuulisuuskriteereitä ovat esittäneen kansainvälisesti eri tutkimuslaitokset ja yksittäiset tutkijat. Niitä voidaan laatia tuulitunnelikokeiden avulla, tekemällä tuulennopeuden mittauksia todellisessa kohteessa ja haastattelemalla ihmisiä. Tuulisuuskriteereissä voi siten erottua maakohtaisia eroja, esim. ihmisten tottumus tuulen vaikutuksiin, sateet, valoisa aika vuorokaudessa ja lämpötilan vaikutus. Kun alueen tuulisuus on kartoitettu, viimekädessä jokainen henkilö voi tehdä oman tulkintansa asian merkittävyydestä. Esimerkiksi katukahvilan pitäjä voi arvioida montako myyntipäivää hän menettää epäedullisten tuuliolojen takia. Tuulisuuskriteereille ei Suomessa ole toistaiseksi olemassa viranomaisohjeita. Suomessa, kuten kansainvälisestikin, käytetään alan tutkijoiden esittämiä suosituksia. Suunnittelukäyttöön vakiintuneet suositukset vaihtelevat maittain. Suomen oloissa esim. tuulen ja pakkasen yhteisvaikutus (pakkasen purevuus) ja siihen liittyvä kasvojen paleltumisriski on oma kysymyksensä. Liiallista tuulisuutta esiintyy tyypillisesti tietyissä ongelmapisteissä korkeiden rakennusten vieressä ja kattoterasseilla; avoimilla alueilla ja korkealla sijaitsevilla siltakansilla ja jalankuluväylillä; sekä hyvää viihtyvyyttä edellyttävissä paikoissa (puistot, urheilukentät ja katukahvilat jne.). Näille voidaan etsiä korjaavia suunnitteluratkaisuja. Alhaisilla tuulennopeuksilla tuulisuus on viihtyvyyskysymys, mutta kovimmissa puuskatuulissa siihen liittyy myös turvallisuustekijä. Kaavoituksessa ja rakennustarkastuksessa voidaan edellyttää ongelmallisimpien pisteiden korjaamista. Konsultin aikaisemmissa kohteissa on ehdotettu kaavatasoiseksi tuulisuuden raja-arvoksi puuskatuulen > 23 m/s esiintymistä korkeintaan kerran vuodessa katutasossa. Suomen perustuulisuuden tasosta johtuen tämä kriteeri ei täyty (eli tuulisuus olisi liiallista) pääosin ainoastaan korkeiden rakennusten vierustan ongelmapisteissä sekä korotettujen jalankulkutasojen yhteydessä. Tilaajan kohteissa Konsultin aikaisemmin käyttämiä toiminnallisia luokkia ovat: A istuminen pitkiä aikoja; makaaminen; terassit ja kahvilat; ulkoilmateatterit; uima-altaat. Kesäkausi (huhtikuu-syyskuu) B seisominen/istuminen paikoillaan lyhyitä aikoja; puistot; kauppakeskukset; rakennusten ulko-ovet. Kesäkausi (huhtikuu-syyskuu) C kävely yleisesti; rakennuksiin sisälle meno ja niistä poistuminen. Koko vuosi D vaarallisen tuulen kriteeri; tavoitteellinen kävely; nopea kävely; parkkipaikat. Koko vuosi. Näihin liittyviä hyväksymisluokkia ovat esim.: epäviihtyisä vaarallinen, ei hyväksyttävä. Tuulisuudeltaan ongelmallinen piste tulisi korjata jatkosuunnittelussa. Raja-arvot perustuvat Melbournen esittämään malliin, joka perustuu kerran vuodessa esiintyvään puuskatuuleen. Puuskatuuli v g on laskettu tuulitunnelikokeessa käyttäen virtausnopeuden vaakakomponentin keskihajonnalle kerrointa g = 3,5. Mallissa todennäköisyyden raja-arvo kerran vuodessa vastaan likimain vuotuista ylitystodennäköisyyttä P =,25 % (= 2,2 tuntia vuodessa). Tuulisuuskriteerit ovat: Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

33 A: v g > 1 m/s; P A,25 % * (epäviihtyisä) B: v g > 13 m/s; P B,25 % * (epäviihtyisä) C: v g > 16 m/s; P C,25 % (epäviihtyisä) D: v g > 23 m/s; P D,25 % (vaarallinen) * raja-arvo tarkoittaa 2,2 tuntia kesäkautta kohden, joka vastaa,5 % kesäkauden tunneista. Kun kriteeri ei täyty, tarkoittaa se, että tuulisuutta esiintyy siinä määrin ( liian monta tuntia tarkastelujaksolla ), että kriteerin mukainen toiminto on epäviihtyisää (luokat A, B, C), tai vaarallista (luokka D) tarkastelupisteessä. Tuulen puuskanopeuteen perustuvat mallit kuvaavat tarkasti esimeriksi virtauksen paikallisen turbulenssin ja korkean rakentamisen aiheuttamia vaikutuksia tarkastelupisteessä. Edellä mainittu tuulen puuskanopeuden ylitystodennäköisyys tarkoittaa sellaista keskinopeuden mittausjaksoa, jossa tuulenpuuskissa raja-arvo voi keskimäärin ylittyä. Esimerkiksi 1 min mittausjakson aikana tuulen puuskanopeus, eli tuulennopeuden hetkellinen huippuarvo, voi ylittää raja-arvon useamman kerran jokaisen ylityksen kestäessä vain muutaman sekunnin: ylitystodennäköisyys lasketaan 1 min mukaan, eikä ylitysten todellisen keston suhteen. Tuulisuuskriteerejä voidaan esittää myös tuulen keskinopeuden perusteella, jolloin kriteerissä otetaan huomioon tuulen puuskaisuuden ja paikallisen turbulenssin vaikutus yleisemmällä kuvailevalla tasolla Boforiasteikon tyylisesti. Isossa-Britanniassa konsulttiselvityksissä laajasti käytetty Lawsonin-kriteeristö perustuu myös tuulen keskinopeuden (Boforien) raja-arvojen esiintymiseen, mutta se ottaa myös huomioon tuulen puuskien vaikutuksen. Puuskien vaikutus saadaan laskemalla 3 s puuskanopeuden perusteella ekvivalentti keskinopeus (jakamalla luvulla 1,85 tai 2,, missä suurempaa jakajaa voidaan käyttää rannikolla, jossa ihmiset ovat tottuneet tuuleen ). Kriteeri tarkastetaan tällöin määräävän vaikutuksen mukaan joka keskinopeuden tai ekvivalentin keskinopeuden mukaan. Sovellettavissa olevia keskituuleen perustuvia malleja on esim. tanskalisen FORCE Technologyn malli, joka perustuu 1 h keskituuleen: A: v h > 5 m/s; P M,1 % (hyväksyttävä) B: v h > 5 m/s; P M 6 % (hyväksyttävä) C: v h > 5 m/s; P M 23 % (hyväksyttävä) D: v h > 5 m/s; P M 43 % (hyväksyttävä). Pelkästään keskituuleen perustuvat mallit eivät kuvaa kovin tarkasti esimerkiksi rakennusten paikallisia vaikutuksia, ja saattavat yliarvioida esimerkiksi puuston, pensaiden ja aitojen suojaavaa vaikutusta. FORCEn mallia tulisikin tulkita siten, että se soveltuu tyypilliseen tanskalaiseen rakennuskantaan, maastoon ja ilmastoon. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

34 Liite 2: Tuulitunnelikokeet vs. numeerinen virtauslaskenta Katutason tuulisuutta alettiin tutkia tarkemmin maailmanlaajuisesti 197-luvun alkupuolella tuulitunnelikokeiden avulla. Tärkeimpänä kysymyksenä oli käytännössä havaittu tuulisuuden kasvu ja vaarallisen kovat tuulenpuuskat korkeiden rakennusten vierustassa. Samassa yhteydessä alettiin esittää myös kriteerejä tuulisuuden sallitulle tasolle, toisin sanoen tuulisuuskriteerit perustuvat useimmiten tuulitunnekoetulosten käyttöön. Tuulitunnelikokeet ovat säilyneet toistaiseksi luotettavimpana työkaluna uuden asuinalueen tai rakennuksen ympäristöön liittyvän tuulisuuden analyysissä. Numeerinen virtauslaskenta (CFD, Computational Fluid Dynamics) kehittyy kuitenkin koko ajan, ja sillä on saatu asiantuntijakäytössä enenevissä määrin käyttökelpoisia tuloksia. Periaatteessa voitaisiin kehittää myös CFD-laskennan tuloksiin perustuvia tuulisuuskriteereitä, mikä parantaisi käytettävyyttä edelleen. Tuulitunnelikoe ja CFD eivät kuitenkaan yleisesti anna yhteneviä tuloksia; eivät edes geometrialtaan yksinkertaisissa testimalleissa. Paikalliset tuulennopeudet (suhteessa kohdealueen reunalla vaikuttavaan tuulennopeuteen) määritetään luotettavimmin rajakerros-tyyppisessä tuulitunnelissa, jossa virtaukseen luodaan luonnon tuulta vastaava tuulennopeuden korkeusprofiili ja turbulenssi. Tämä tehdään useimmiten asentamalla karhennuspalikoita tuulitunnelin sisälle lattiaan n. 1 2 m matkalle virtauksen yläpuolelle, sekä käyttämällä virtauksen sisääntulossa pyörteisyyttä aiheuttavia kiiloja. Alueen pienoismallin avulla otetaan huomioon paikalliset tekijät. Pienoismallin mittakaava määräytyy tuulitunnelin mittatilan koon ja tarkasteltavien rakennusten korkeuden mukaan ja on tyypillisesti 1:1 1:25. Kuva L2.1: Tuulitunnelikoe Jätkäsaaren osayleiskaavavaiheen kaupunkirakennemallin tuulisuuden selvittämiseksi vuonna 26 (kuva WSP). Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

35 Pienoismalli voi joissain tapauksissa olla suoraan kohteen kaavoituksen esittelymalli tai se voidaan tehdä erikseen tuulitunnelikoetta varten. Puut ja pensaat ovat yleensä esittelymalleissa jollain tarkkuudella mukana. Ne eivät kuitenkaan hidasta tuulta katutasossa yhtä voimakkaasti kuin todellisuudessa, joten tulokset ovat tältä osin konservatiivisia. Jos pienoismalli tehdään pelkästään tuulitunnelikoetta varten, voidaan puita ja pensaita mallintaa tarkemminkin. Tuulitunnelikokeessa mitataan paikallisia virtausnopeuksia jalankulkijan korkeudella (1,5..2, m katutasosta täydessä mittakaavassa, eli 2 5 mm tavanomaisessa pienoismallissa). Mittaukseen käytetään joko kuumalanka-anemometria, jolloin mittaukset tehdään pienoismallin päältä (vrt. kuva L2.1); tai pienoismallin läpi porattuja paineantureita. Mittauksia tehdään tietyissä suunnitelman kannalta mielenkiintoisissa pisteissä eri tuulen suunnilla. Yksittäistä mittaustulosta on havainnollistettu kuvassa L2.2. Tuloksista erotellaan virtauksen keskinopeus v m ja nopeuden keskihajonta σ v. Virtausnopeuden huippuarvo σ v tietyllä tarkastelujaksolla voidaan esittää muodossa v g v m g v missä g = huippuarvokerroin. Huippuarvoon vaikuttaa sen määritysaika. Huippuarvokerroin on lisäksi tilastollinen suure, eli huippuaro voi vaihdella tarkastelujaksosta toiseen liittyen ilmiön luonnolliseen satunnaisuuteen. Luonnon tuulessa huippuarvokerroin on suuruusluokaltaan g = 3,5 kun tarkastellaan n. 1 3 sekunnin tavanomaisia huippuarvoja (eli puuskatuulia) ja v m määritellään 1 min tai tunnin aikakeskiarvona. Virtausnopeuden keskihajonta esitetään useimmiten turbulenssin intensiteetin I v perusteella muodossa I v v v m jolloin huippuarvo saadaan kaavasta v g v m( 1 giv ) Turbulenssin intensiteetti on dimensioton luku, ja se esitetäänkin useasti prosenteissa. Katutasossa mitattuna rakennusten vaikutuksessa I v on suuruusluokkaa 5 % (vrt. kuva L2.2). Tuulisuustarkasteluissa sovellettava huippuarvokerroin g on yleensä annettu tarkasteltavassa tuulisuuskriteerissä, joten sitä ei ole tarvetta määrittää mittausten yhteydessä. Tuulen keskinopeutta vastaava kriteeri tarkoittaisi arvoa g =. 5 4 I v = 51 % vm(1+3,5iv) vm mittaustulos 3 [m/s] Aika [s] Kuva L2.2: Esimerkki tuulitunnelikokeessa mitatusta katutason virtausnopeudesta. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

36 Tuulisuuskartoituksiin soveltuva numeerinen virtauslaskenta voidaan tehdä kahdella vaihtoehtoisella menetelmällä: suurten pyörteiden simuloinnilla (LES, Large Eddy Simulation) tai ajasta riippumattomalla RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) -menetelmällä. Ensin mainittu on laskenta-ajaltaan huomattavasti pitempi siten, että RANS on tällä hetkellä käytetyin menetelmä. RANS-menetelmä soveltuu ainoastaan virtauksen keskinopeuden määrittämiseen (kuvan L2.2 yhtenäinen viiva). LES-menetelmällä voidaan simuloida turbulenssin suurempia pyörteitä, jolloin kuvan L2.2 mukainen virtausnopeuden vaihtelu saadaan jollain tarkkuudella tasoitettuna otetuksi huomioon, mutta on selvää että esimerkiksi kuvan L2.1 mukainen laaja kaupunkirakenne on käytännössä mahdotonta simuloida tarkasti kun tavoitteena on erityisesti katutason tuulien selvitys. Jotta tulos olisi realistinen, myös kaupunkirakenteen kohtaavaan tuulen, eri laskennan raunaehdon, tulisi olla kuvan L2.2 mukainen turbulenttinen virtaus, joka vastaisi luonnon tuulta tarkasteltavalle tuulensuunnalle. Luonnon tuuli on aina turbulenttista. Numeerisen virtauslaskennan ja tuulitunnelikoetulosten tulosten tulkinnan tärkeä ero on käytännössä se, että virtausnopeuden hetkelliset huippuarvot (tuulen puuskien / turbulenssin vaikutus) tulevat aliarvioiduksi numeerisessa laskennassa. Tämän virheen merkitys on vähäinen, jos itse tuulisuuskriteeri perustuu tuulen keskinopeuteen ja vastaavasti merkittävä, jos kriteeri perustuu tuulen puuskanopeuteen. Tuulitunnelikokeilla ja numeerisella virtauslaskennalla on myös toinen merkittävä ero: tuulitunnelikokeessa on rajallinen määrä mitattavia pisteitä (tyypillisesti suuruusluokaltaan 5), joissa tuulisuuden numeroarvo määritetään tarkasti. Numeerisessa laskennassa tarkastelupisteiden sijainti ja määrä voidaan valita vapaasti ja virtauksen kulkua kohdealueessa voidaan visualisoida graafisesti. Tuulitunnelikokeessa paikallisia virtauksia voidaan tarkastella ja visualisoida esim. savun avulla. Virtausnopeuden mittausten lisäksi tuulisuuden tarkasteluja on tehty tuulitunneleissa myös hiekka-eroosiokokeilla, jossa pienoismallin ripotellut hiekanjyväset puhaltuvat pois tuulisemmista kohdista, ja lopputulos antaa likimääräisesti visuaalisen kokonaiskuvan tuulisista kohdista kyseisellä tuulensuunnalla. Tuulitunnelikokeen pisteet valitaan suunnitelman kannalta oleellisiin pisteisiin, esimerkiksi pihan oleskelupaikalle, rakennuksen sisääntulon kohdalle tai kävelysillalle. Muilta osin pisteet valitaan yleensä sellaisiin kohtiin, jossa tiedetään esiintyvän suuria tuulen puuskanopeuksia; kuten rakennuksen kulmien kohdelle, rakennusten väliin tai laajojen julkisivupintojen viereen. Tuulitunnelikoe tai numeerinen virtauslaskentatulos ei sellaisenaan ole tuulisuuskartoitus, vaan tuulisuuskartoituksen tekemiseksi tarvitaan lisäksi tulosten yhdistäminen paikallisiin tuulitilastoihin, ottaen lisäksi huomioon tuulitilaston mittauspisteen ja kohteen välinen sijaintiero. Tämä edellyttää ns. maaston karheusluokan muutosanalyysiä ja sitä varten laadittujen laskentamallien käyttöä. Tavanomaisesti tuulen suunnat käydään läpi 22,5 o 45 o välein. Rajakerros-tuulitunnelit ovat suurikokoisia. Tuulitunnelikokeita tekevät rutiininomaisesti kymmenkunta tuulitunnelilaboratoriota mm. Kanadassa, USA:ssa, Isossa-Britanniassa, Australiassa, Tanskassa, Ranskassa, Japanissa ja Kiinassa. Suomessa kokeita voidaan suorittaa Espoon Otaniemessä sijaitsevassa rajakerrostuulitunnelissa. Yhteenvetona voidaan todeta, että: tuulitunnelikokeen tai numeerisen laskennan tulos ei sellaisenaan ole tuulisuuskartoitus ( tuulitarkastelu ). Tuulisuuskartoitus edellyttää tulosten yhdistämistä paikallisiin tuulitilastoihin tuulen suunnittain. Tuulisuuden numeroarvo muodostuu tällöin eri tuulensuuntien summana. Toisinaan käytetty hallitsevan tuulensunnan selvittäminen ja sitä vastaavan virtauslaskentatuloksen esittäminen kuvaa puutteellisesti tuulisuuden vaikutuksia, koska esimerkiksi myrskytuulet esiintyvät Suomessa suhteellisen tasaisesti eri tuulensuunnista Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

37 numeerinen virtauslaskennan tulokset aliarvioivat tuulennopeuden hetkellisiä huippuarvoja (tuulen puuskien / turbulenssin vaikutusta), mikäli niitä ylipäätään on laskettu. Numeerisen virtauslaskennan tuloksia tulisi soveltaa sellaisenaan vain tuulen keskinopeuteen perustuvien tuulisuuskriteerien yhteydessä tuulisuuskartoituksen tarkastelupisteitä valitaan useasti kohtiin, jossa tuulisuus on suurinta. Vaikka tuulisuuden numeroarvot olisivat näissä suuria, voi lähistöllä olla pisteitä, jotka ovat esimerkiksi puiden ja pensaiden suojassa, ja jossa tuulisuus on vähäistä. Projektinumero: 3593 Raportin pvm:

38 Liite 3: Maaston karheusluokan muutosanalyysi Tuulen suuntakulma Symboli Yks. 22, , , , , , , ,5 Kommentti Viite v mr m/s 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, 28, keskituulen perusarvo (1 min, 1 m, 5 v, z r) Tuulitilastot k,75,75,75,75,75,75,75,75,75,75,75,75,75,75,75,75 toistumisvälin kerroin v ref m/s 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 21, 1 v toistumisvälin tuuli u* r m/s,912,912,912,912,912,912,912,912,912,912,912,912,912,912,912,912 kitkanopeus (friction velocity) vastaten z r zr m,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1 rosoisuusmitta (roughness length) keskituulen perusarvoon liittyen z 1 m,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3 kohdealueen ympäristössä Eurokoodi (z 1/z r),7 m/s 1,491 1,491 1,491 1,491 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,491 1,491 1,491 1,491 1,491 u*1 m/s 1,36 1,36 1,36 1,36,985,985,985,985,985,985,985 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 kitkanopeus vastaten z1 Eurokoodi, Simiu & Scanlan Iv(z =1 m),29,29,29,29,12,12,12,12,12,12,12,29,29,29,29,29 turbulenssin intensiteetti Eurokoodi Iv(z =15 m),26,26,26,26,12,12,12,12,12,12,12,26,26,26,26,26 Iv(z =76 m),18,18,18,18,1,1,1,1,1,1,1,18,18,18,18,18 Iv(z =16 m),16,16,16,16,9,9,9,9,9,9,9,16,16,16,16,16 vm(z =1 m) m/s min keskituuli Eurokoodi vm(z =15 m) m/s vm(z =76 m) m/s vm(z =16 m) m/s vh(z =1 m) m/s tunnin keskituuli Simiu&Scanlan vh(z =15 m) m/s vh(z =76 m) m/s vh(z =16 m) m/s v(z =1 m) m/s puuskatuuli Eurokoodi v(z =15 m) m/s v(z =76 m) m/s v(z =16 m) m/s z2 m,3,3,3,3,3,3,3,1,3,3,3,3,3,3,3,3 kohdealueella Eurokoodi (z2/z1),7 1, 1, 1, 1, 1,38 1,38 1,38 1,278 1,38 1,38 1,38 1, 1, 1, 1, 1, u* 2 m/s 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,259 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 kitkanopeus vastaten z 2 Iv(z =1 m),29,29,29,29,29,29,29,22,29,29,29,29,29,29,29,29 turbulenssin intensiteetti Eurokoodi Iv(z =15 m),26,26,26,26,26,26,26,2,26,26,26,26,26,26,26,26 Iv(z =76 m),18,18,18,18,18,18,18,15,18,18,18,18,18,18,18,18 Iv(z =16 m),16,16,16,16,16,16,16,14,16,16,16,16,16,16,16,16 vm(z =1 m) m/s min keskituuli Eurokoodi vm(z =15 m) m/s vm(z =76 m) m/s vm(z =16 m) m/s vh(z =1 m) m/s tunnin keskituuli Simiu&Scanlan vh(z =15 m) m/s vh(z =76 m) m/s vh(z =16 m) m/s v(z =1 m) m/s puuskatuuli Eurokoodi v(z =15 m) m/s v(z =76 m) m/s v(z =16 m) m/s Maaston rosoisuuden muutoksen (z 1 - > z 2) vaikutus ESDU852 mukaisesti x m etäisyys muutoskohtaan zi m sis. rajakerroksen korkeus Iv(z =1 m),29,29,29,29,23,23,2,19,23,25,26,29,29,29,29,29 Iv(z =15 m),26,26,26,26,21,2,18,18,21,22,24,26,26,26,26,26 Iv(z =76 m),18,18,18,18,15,13,1,13,15,17,18,18,18,18,18,18 Iv(z =16 m),16,16,16,16,11,1,8,11,12,14,16,16,16,16,16,16 1 min keskituuli Tarkastelupisteessä: vm(z =1 m) m/s vm(z =15 m) m/s vm(z =76 m) m/s vm(z =16 m) m/s Tunnin keskituuli vh(z =1 m) m/s vh(z =15 m) m/s vh(z =76 m) m/s vh(z =16 m) m/s Puuskatuuli (EN :25 puuskamäärittely) n. 1 s huippuarvo v(z =1 m) m/s v(z =15 m) m/s v(z =76 m) m/s v(z =16 m) m/s Puuskatuulen nopeuspaine (EN :25 puuskatuulimäärittely): ilman tiheys = 1,25 kg/m3 1 v toistumisväli NA q(z =1 m) kn/m 2,27,27,27,27,32,34,37,37,32,3,28,27,27,27,27,27 q(z =15 m) kn/m 2,31,31,31,31,38,39,42,43,38,35,32,31,31,31,31,31 q(z =76 m) kn/m 2,5,5,5,5,6,61,64,62,6,58,55,5,5,5,5,5 q(z =16 m) kn/m 2,6,6,6,6,7,7,67,7,7,68,66,6,6,6,6,6 EN :25 & NA q (maasto ) Vertailuarvo q(z =1 m) kn/m 2,62,62,62,62,62,62,62,62,62,62,62,62,62,62,62,62 q(z =15 m) kn/m 2,66,66,66,66,66,66,66,66,66,66,66,66,66,66,66,66 q(z =76 m) kn/m 2,87,87,87,87,87,87,87,87,87,87,87,87,87,87,87,87 q(z =16 m) kn/m 2,98,98,98,98,98,98,98,98,98,98,98,98,98,98,98,98 ESDU Projektinumero: 3593 Raportin pvm: