Järvenpään Perhelän korttelin tuulisuudesta

Transkriptio

1 Järvenpään Perhelän korttelin tuulisuudesta Reijo Hyvönen, Tutkija, Ilmatieteen laitos, Tutkimus ja kehitys, Meteorologinen tutkimus/ Meteorologiset sovellutukset 1 Menetelmän kuvaus Tuulisuus Järvenpään alueella Tuulisuus laskentakohteessa Laskettu mitoitustuuli Korkeiden tornitalojen tuulisuutta lisäävästä vaikutuksesta Yhteenveto

2 Järvenpään Perhelän korttelin tuulisuudesta Johdanto Selvityksessä arvioitiin kohdepaikan n kortteli keskimääräistä tuuliprofiilia sektoreittain ja 50 vuoden esiintymistiheydellä toistuvaa maksimituulta 50 metrin, 70 metrin, 90 metrin, 110 metrin ja 130 metrin korkeudella kohteessa. Tuulijakaumista laskettiin toistumisajat muutamalle kovatuuliselle sektorille sekä tarkasteltiin Suomen Tuuliatlasaineiston mukaisia tuulensuuntajakaumia Järvenpään alueella. Tässä selvityksessä ei arvioida turbulenssin intensiteettiä kohteessa. 1 Menetelmän kuvaus Tehtävänä oli arvioida tuulisuutta ja mitoitustuulta Järvenpään Perhelän korttelin kohteessa, mukaan lukien lähirakennusten aiheuttamat häiriöt. Laskennassa käytettiin Suomen tuuliatlasaineistoa [1], [2], ja siitä pisteen 5428 (60,46307 p, 25,09515 i) tuulitietoja aikasarjamuodossa 100 m ja 200 m tasolta. Lisäksi käytettiin lähimmän ERA40-aineiston [3] hilapisteen 850 hpa:n mallipinnan tuuliaineistoa arvioitaessa mitoitustuulta eli 50 vuoden toistumisajalla esiintyvää tuulen nopeutta. Rosoisuusaineistona ja korkeusmallina käytettiin kohdealueen ympäristökuvausta tuuliatlasaineiston [1] tarkkustasolla. Tilauksen yhteydessä toimitettuja asemakaavakuvia käytettiin korttelikohtaisena vektoriaineistona. Laskennassa käytetty menetelmä perustuu tuuliprofiilin määrittämiseen erilaisilla alustoilla. Tuulen keskinopeuden vertikaalinen profiili ja sen muuttuminen eri paikoissa ja erilaisilla alustoilla kuvattiin WAsP Engineering 1 -menetelmän avulla. WAsP Engineering -malli kuvaa tiettyä tuulitilannetta vastaavan keskimääräisen vertikaalisen tuuliprofiilin muutoksia. Mallissa on selviä rajoituksia esimerkiksi yksittäisten rakennusten aiheuttaman virtauskentän kuvaamisessa. Mallissa on alustan rosoisuudesta ja maaston korkeuserovaihtelusta aiheutuvan turbulenssin laskentaa, mutta ei rakennusten aiheuttaman turbulenssin laskentamahdollisuutta. Myös lämpövuosta (konvektiosta) aiheutuvaa turbulenssia WAsP Engineering malli ei ota huomioon. 1 WAsP Engineering [5] on PC-ohjelma, jonka avulla voi laskea vaaka- ja pystysuunnassa tuulen nopeuden, tuulen suunnan ja turbulenssin paikallisia arvoja, kun lähtötietona on mitattu tuulen nopeus jossain laskenta-alueen pisteessä tai standardikorkeudelle ja rosoisudelle redusoitu tuulitieto. 2

3 2 Tuulisuus Järvenpään alueella. Tuulisuutta selvitettiin käyttäen samaa aineistoa kuin Tuuliatlaksen (2009) tuottamisessa. Aineisto edustaa Suomen keskimääräisiä tuuliolosuhteita viimeisen 50 vuoden ajalta. Tätä varten valittiin yhteensä 48 kuukautta vuosilta , joiden kombinaatio edustaa tuulisuudeltaan keskimääräistä vuotta. Valitut kuukauden simuloitiin uudelleen Ilmatieteen laitoksen numeerisella AROME-sääennustusmallilla [1]. Työssä käytetty tuulitietoaineisto on dynaamisen tuuliatlaskartan 2,5 km:n aineiston tuottamiseen käytetyt tuulen nopeus- ja tuulen suuntatiedot hilapisteestä 5428 (id, 60,46307 p, 25,09515 i). Lähtötietoina käytettiin tuulitetoja 100 m korkeudelta hilaruudun maan pinnan tasolta. Työssä käytetty hilapiste on esitetty kuvassa 2. Kuvassa 1. on esitetty tuuliruusukuvana Järvenpään alueen tuulen suunnan jakautuminen 12 sektoriin. Sektorit 210 ja 240 astetta ovat eniten edustettuina, 17,2 % ja 13,8 %., muiden sektoreiden osuuden jäädessä kunkin alle 10 prosentin. Vuoden keskinopeus 100 m korkeudella on 6,1 m/s. Taulukossa 1 on tuulen suuntajakauma lukuina. Sen lisäksi taulukossa on annettu sektorikohtaiset tuulen nopeusjakaumaa kuvaavat Weibullparametrit A ja k. Tuulen nopeuden pysyvyyskäyrä 100 m maanpinnan yläpuolella on esitetty kuvassa 2. Kuvasta nähdään, kuinka paljon tuulista on tietyn tuulen nopeusarvon alapuolella kaikki suuntasektorit mukaan lukien. Kuvan aineiston (100 m tuuli) mukaan 5 % tuulista on yli 10,4 m/s ja 1 % tuulista yli 12,3 m/s. 5 % on vuoden jaksosta noin 18 vuorokautta ja 1 % on noin 3,6 vuorokautta. Tämän mukaan olisi 100 metrin korkeudella Järvenpään lähialueella n. 4 päivää vuodessa tuulen nopeus 12 m/s tai sitä suurempi. Todellisuudessa itse keskusta-alueella tuulen nopeus on pienempi johtuen kerrostaloalueen suuremmasta rosoisuudesta. Toisaalta lounaistuulet (suunta 210 ) ovat Järvenpään keskusta-alueella voimakkaampia kuin itse kaupungin ympäristössä. Taulukko 1. Tuulen suunnan jakautuminen 12 sektoriin koko vuoden ajalta 100 metrin korkeudella Tuusulanjärven pohjoispään hilaruudussa. Suunta Sektori % k A 1 0 6,65 2,5 6, ,14 2,6 6, ,61 2,6 5, ,36 2,8 6, ,39 2,8 6, ,93 2,5 6, ,51 2,3 7, ,17 2,8 7, ,75 2,8 7, ,30 2,7 7, ,30 2,5 7, ,88 2,7 6,9 Keskiarvo 2,6 6,8 3

4 Kuva 1. Suomen tuuliatlas, keskimääräinen tuuliruusu koko vuoden ajalta 100 metrin korkeudella Tuusulanjärven pohjoispään hilaruudussa. Tuulet luokiteltiin 12 sektoriin. Taulukossa 2 on lasketut prosenttiosuudet koville tuulille sektoreittain useammalla eri korkeudella. Raja-arvona käytetty 10 m/s. Esimerkiksi lounaistuulista (suunta 210 ) on 12,5 % yli 10 m/s 100 m korkeudella. 4

5 Pysyvyys % Pysyvyys m/s Kuva 2. Suomen tuuliatlas, tuulen nopeuden pysyvyyskäyrä koko vuoden ajalta 100 metrin korkeudella Tuusulanjärven pohjoispään hilaruudussa. Taulukko 2. Tuulen keskinopeus yli 10 m/s, tapausten prosentuaalinen osuus eri korkeuksilla välillä 50 m 130 m) Sektori > 10 m/s, % [ ] 50 m 70 m 90 m 100 m 110 m 130 m 0 0,1 0,3 0,9 1,3 2,5 4,9 30 0,2 0,4 1,1 1,5 2,2 4,9 60 0,03 0,2 0,4 0,6 1,0 2,4 90 0,03 0,1 0,4 0,5 1,0 2, ,4 1,2 2,0 2,7 4,2 7, ,4 1,1 1,9 2,5 3,5 5, ,8 6,8 8,9 9,3 11,1 14, ,0 9,3 11,6 12,5 14,6 19, ,2 0,7 1,7 2,3 3,3 6, ,2 0,8 1,8 2,4 4,1 7, ,2 0,8 2,3 3,1 4,3 8, ,1 0,4 1,1 2,0 3,0 6,6 5

6 Kuvassa 3 on esitetty varsin yleinen tuulen suunnan tapaus 210. Tuulen nopeus 100 metrin korkeudella on asetettu arvoon 10 m/s kaupungin ulkopuolella olevassa pisteessä, jossa tuuli tulee peltojen ja metsäalueiden yli. Tuusulanjärven yli tuleva virtaus on pienemmän rosoisuuden vuoksi voimakkaampi ja tuulen nopeus saa Perhelän kortteli kohdalla arvoja 11,2 11,3 m/s, eli 12 % - 13 % enemmän kuin Järvenpään keskustan ulkopuolella. Muilla tuulen suunnilla järven tuulta kiihdyttävä vaikutus ei osu Järvenpään keskustaan, ja tuulisempi alue on rajatumpi, koska järvi on pitkä juuri lounaaseen päin. Kuva 3. Tuulen nopeus laskettuna 100 m korkeudella Järvenpään ympäristössä kun oletetaan tuulen nopeus 9,8 m/s järven itäpuolella (ympyröity piste). Laatikolla merkitty alue on Perhelän ja rautatieaseman kohdalla, ja siellä tuulen nopeus saa arvoja 11,2 11,3 m/s. 6

7 3 Tuulisuus laskentakohteessa 3.1 Laskettu mitoitustuuli WasP Engineering [5] -mallilla laskettiin 50 vuoden toistumisajalla esiintyvä suurin 10 minuutin keskimääräinen tuulen nopeus kohdepaikkaan Perhelän kortteli Järvenpään keskustassa. WasP Engineering versio mallin käytössä oli yllättäviä ongelmia saada esteen vaikutukset esiin tuloksissa, ongelmat todennäköisesti liittyvät uuden version käyttämiin tiedostoihin. Tähän tarkasteluun ei ehditty saada varmistettua, että maksimituuliajot saataisiin ajettua esteen kanssa tuottaen luotettavia tuloksia (isoja rakennuksia joko tuulen puolella tai laskentakohteen vieressä). Ilman esteitä suoritetussa laskennassa laskettiin 50 vuoden tuuli V 50 kohdepaikkaan 50 m 130 m väliltä korkeustasoille 50 m, 70 m, 90 m, 110 m ja 130 m. Kohtepaikan koordinaatit KKJ:n yhtenäiskoordinaatistossa olivat p, i. Tämä paikka on Mannilantien ja Sibeliuksenkadun risteyksessä heti kahden suunnitellun tornitalon pohjoispuolella. ETRS89 maantieteellisessä koordinaatistossa laskentapisteen koordinaatit olivat N, E. Laskennan tulokset ovat tuulen nopeuden keskiarvoja, joista voidaan laskea korkean talon ulkoseiniin kohdistuvia painevoimia standardin Eurocode 1, SFS-ENV :1995 Osa 2-4: Rakenteiden kuormat Tuulikuormat ohjeiden mukaan [4]. Taulukossa 3 on yhteenveto V 50 -tuulista. V 50 saa arvoja välillä 21,2 m/s (50 m korkeustaso) ja 26,0 m/s (130 m korkeustaso). Epävarmuus, joka tulee Gumbelin sovituksen epävarmuudesta käytettyyn ERA40-aineistolla, on suuruusluokkaa 0,6 0,9 m/s. On huomattava että tässä annetut arvot ovat 10 minuutin keskiarvoja, tuulen puuska nopeudet ovat suurempia ja kerroin puuskanopeuden laskemiseksi riippuu siitä, minkä mittaista puuskaa tarkastellaan ja yleisesti alustan rosoisuudesta. Lisäksi esteet lisäävät puuskaisuutta. Näin tuulen puolella olevat matalammat rakennusket lisäävät korkean tornitalon kohdalla puuskaisuutta. 3.2 Korkeiden tornitalojen tuulisuutta lisäävästä vaikutuksesta Kuvassa 4. on esitetty yleispiirteisesti talon ympärillä ne alueet, joissa yhden korkean rakennuksen tuulisuutta lisäävät vaikutukset ovat suurimpia. Kun tarkastellaan tuulen suuntaa 210, korkealla n. 100 metrin korkeudella on tuulen nopeus n. 1,4 kertainen verrattuna tuulen nopeuteen 10 m korkeudella Tuusulanjärven rannassa ennen rakennusten vaikutusta. Ylempänä olevan maanpintatasoa voimakkaamman tuulen on pakko kiertää rakennus ja myös alaspäin suuntautunut tuulikomponentti on merkittävä, ja 7

8 tästä syystä syntyy mm rakennuksen kulmiin kovemman tuulen alue. Siinä tuulen nopeus on n. 2-kertainen kuin samalla korkeudella ennen esteitä. Kun muualla Järvenpään keskustassa vallitsee kohtalainen tuuli, esim 6 m/s, on tuuli talon kulmalla navakkaa, jopa kovaa. Kovan tuulen tilanteessa puuskat voivat olla myrskyluokkaa talon kulmalla. Toinen tornitalo viereisessä korttelissa tulee voimistamaan ensimmäisen talon tuulta lisäävää vaikutusta lähellä maanpintaa (kuva 6). Tämä tulee ottaa huomioon tuulikuormakertoimissa, kun lasketaan katutasoa lähellä olevien rakenteiden lujuusvaatimuksia. Myös korkeammalla on kahden talon yhdistelmällä lievää kanavoivaa ja tuulta lisäävää vaikutusta. Nämä kaksi yleisellä tasolla esitettyä arviota olisi hyvä tarkistaa täydellisellä virtausmallilla, jottei synny vahinkoja liian alhaisen kuormitustason mukaisella rakentamisella. Taulukko 3. Järvenpään Perhelän kortteli, mitoitustuuli V50 eli 50 vuoden toistumisajalla esiintyvä keskituulen nopeus (m/s), lähtötietoina ERA-40 aineisto. Laskentakorkeus 50, 70, 90, 110 ja 130 m maan pinna yläpuolella (mpy). 50 m mpy 21,2 (+/- 0,8) 70 m mpy 22,8 (+/- 0,8) 90 m mpy 24,1 (+/- 0,9) 110 m mpy 25,2 (+/- 0,6) 130 m mpy 26,0 (+/- 0,8) Kuva 4. Skemaattinen kuva korkean rakennuksen tuulisuutta lisäävästä vaikutuksesta. 8

9 Kuva 5. Havainnekuva Järvenpään keskustasta Tuusulanjärven pohjoispäästä katsoen Arkkitehtiryhmä A6 Oy:n pdf-muotoisesta esityksestä Järvenpään kaupunkikuvallinen selvitys Yhteenveto Tässä selvityksessä laskettiin mitoitustuuli eri korkeuksilla Perhelän tarkastelupisteessä, sekä annettu klimatologian mukainen tuulensuuntajakauma ja suuntakohtainen tuulen nopeusjakauma. Lisäksi on annettu 10 m/s ylittävien tuulen nopeuksien todennäköisyydet eri korkeuksilla. Korkeat rakennukset lisäävät Perhelän korttelin ympärillä katutasolla koettavaa tuulisuutta, mutta sopivalla suunnittelulla voidaan vähentää tämän vaikutusta. Tuulen nopeus on 100 metrin korkeudella yli 10 m/s keskimäärin 2-3 päivää / kuukausi. Todennäköisimpiä kovatuuliset päivät ovat loppusyksystä ja talvella, lokakuusta helmikuuhun. 9

10 Viiteluettelo: [1] [2] The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system; D. P. Dee1,S. M. Uppala et al., European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Reading, UK. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Volume 137, Issue 656, pages , April 2011 Part A ( [3] Uppala and Co-authors, 2005: The ERA-40 re-analysis. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 612, [4] SFS-ENV :1995 Osa 2-4: Rakenteiden kuormat. Tuulikuormat [5] 10