Puisten kävelysiltojen värähtelymittaukset Puupäivä, 28.11.2013, Wanha Satama, Helsinki Asko Talja, VTT Timo Tirkkonen, Liikennevirasto
2 Esityksen sisältö Tausta ja tavoitteet Mitatut sillat Koeohjelma Värähtelyn aistinvarainen arviointi Mitatut ominaistaajuudet ja vaimennukset Aistinvarainen arviointi verrattuna mittaustuloksiin Vertailu liikenneviraston ohjeisiin (NCCI 5. 2013) Vertailu Eurode-ohjeisiin (EN1995-2: Liite B)
3 Tausta ja tavoitteet Tutkittu neljässä siltakohteessa puurakenteista, yksiaukkoista, poikittain jännitettyä kevyen liikenteen tyyppisiltaa Eurokoodien tulo muuttanut kevyen liikenteen siltojen (tässä kävelysiltojen) värähtelymitoitusta Luokitus neljään luokkaan pääasiassa liikennemäärän mukaan Toimiiko silta värähtelyn suhteen niin kuin ohjeistuksessa ja suunnittelussa oletetaan? Voidaanko mittausten perusteella siltatyyppiä hyväksyä vaativampiin luokkiin kuin mihin se on suunniteltu? Miten värähtelyn mittaus yhdistettynä aistinvaraiseen testaukseen toimii?
4 Siltaluokat Luokka Kuvaus Dynaaminen heräte 1 Erittäin vilkkaasti liikennöidyt kevyen liikenteen sillat. Esimerkiksi sillat urheilustadionien läheisyydessä. 2 Vilkkaasti liikennöidyt kevyen liikenteen sillat. Esimerkiksi sillat kaupunkien keskustoissa. 3 Normaalisti liikennöidyt kevyen liikenteen sillat. 4 Vähäisesti liikennöidyt kevyen liikenteen sillat. Esimerkiksi sillat metsäpolkujen varrella. Heräte määritellään hankekohtaisesti. Jalankulkijavirta 0,5 henkilöä/m 2 tai kaksi juoksijaa. Neljä kävelijää tai yksi juoksija. Yksi kävelijä. Hankekohtaisesti tarkastelu voidaan jättää tekemättä.
5 Poikittaisen esijännityksen periaate TRANVERSELY PRE-STRESSED DECK STRUCTURE BRIDGE DECK PAVEMENT PRE-STRESSED CROSSBAR GLULAM BEAM
6 Siltatiedot L H L h p b p n p Kansirakenne f 0 Silta 1 16 4 540 140 7 Puukansi Kaareva (R=100 m) 4,2 4,8 Silta 2 30 4,5 1230 165 8 Asfalttipääll. puukansi Kaareva (R=200 m) 2,9 3,4 Silta 3 22 4,2 810 165 6 Puukansi Suora 3,6 4,2 Silta 4 - Suora 24 4 900 215 5 Asfalttipääll. puukansi Suora 3,0 3,5 Silta 4 - Kaareva 28 4 900 215 5 Asfalttipääll. puukansi Kaareva (R=135 m) 2,3 2,6 L Jänneväli [m] H L Kannen leveys [m] h p Palkin korkeus [mm] b p Palkin leveys [mm] n p Palkkien lukumäärä f 0 Arvioitu ominaistaajuus [Hz], - puun tiheys 400 600 kg/m 3 - kimmokerroin 13,7 GPa
7 Silta 1, L = 16 m
8 Silta 2, L = 30 m
9 Silta 3, L = 22 m
10 Silta 4 Suora osuus, L = 24 m
11 Silta 4 - Kaareva osuus, L = 28 m
12 Ominaistaajuuden ja vaimennuksen määritys ns. heel-drop testin avulla B A Pysty- ja vaakavärähtelyn mittaus eri pisteissä aiheutetusta herätteestä: Herätepiste A, mittauspisteet A and B Herätepiste B, mittauspisteet A ja B Herätepiste A, mittauspisteet A ja D Herätepiste C, mittauspisteet A ja D Herätepiste D, mittauspisteet A ja D C D
13 Heel-drop herätteestä saadut tulokset Esimerkkinäyte Vaimennus Mitattu f 0 Laskettu f 0 Silta 1 3,5% 5,0 Hz 4,2 4,8 Hz Silta 2 2,5% 3,6 Hz 2,9 3,4 Hz Silta 3 2% 3,6 Hz 3,6 4,2 Hz Silta 4 - Suora 4% 3,3 Hz 3,0 3,5 Hz Silta 4 - Kaareva 3% 2,7 Hz 2,3 2,6 Hz
14 Kävelystä ja juoksusta aiheutuvan värähtelyn mittaaminen ja samanaikainen aistinvarainen arviointi B A D Kävelylinja Värähtelyn mittaus pisteistä A ja B Yksi henkilö, ominaistaajuuteen tahdistettu heel-drop pisteessä D Yksi henkilö, kävely askeltaajuudella 2 Hz Yksi henkilö, juoksu askeltaajuudella 2,5 Hz Yksi henkilö, ominaistaajuuteen tahdistettu kävely/juoksu Kolme henkilöä, ominaistaajuuteen tahdistettu kävely/juoksu Aistinvarainen arviointi tehtiin mittauspisteen A välittömässä läheisyydessä
15 4 3 2 f 0 =6 Hz f step =2 Hz Tahdistetun herätteen vaikutus värähtelyyn Tahdistettu heräte Värähtelyn voimistuminen 1 un/u 0 0-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-2 -3 1 % 6 % Vaimennus -4 n
16 Voimakkuuden, miellyttävyyden ja hyväksyttävyyden arviointi 0 Ei havaittava 1 Juuri havaittava 2 Selvästi havaittava 3 Voimakas 4 Kiusallisen voimakas 0 Ei epämiellyttävä 1 Hieman epämiellyttävä 2 Selvästi epämiellyttävä 3 Erittäin epämiellyttävä 4 Pelkoa aiheuttava +2 Erittäin hyvä +1 Hyväksyttävä -1 Ei hyväksyttävä -2 Erittäin huono Heräte Voimakkuus Miellyttävyys Hyväksyttävyys Tahdistettu heel-drop Kävely 1 hlö Juoksu 1 hlö Tahdistettu kävely, 1 hlö Tahdistettu juoksu, 1 hlö Ryhmä, tahd. kävely Ryhmä, tahd. juoksu Liikkujien tuntemus 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 +2 +1-1 -2
17 Värähtelyt ja niiden hyväksyttävyys Ei-hyväksytyt Hyväksytyt
18 Koettu voimakkuus mitattuun värähtelyyn nähden
19 Koettu miellyttävyys mitattuun värähtelyyn nähden
20 Ilmoitettu hyväksyttävyys mitattuun värähtelyyn nähden
21 Päätulokset koskien yksiaukkoisia poikittain jännitettyjä kevyen liikenteen siltoja Mitattu vaimennussuhde 2,0 4,0 % on korkeampi kuin ohjeissa esitetty arvo 1,0 1,5 % Ominaistaajuuden laskennassa virhe voi helposti olla ± 15% Aistinvaraisessa arvioinnissa värähtely 0,5 0,7 m/s 2 koetaan yleensä selvästi tai voimakkaasti havaittavissa hieman tai selvästi epämukavaksi ja silta arvioidaan keskimäärin hyväksyttäväksi Värähtely 1,0 1,5 m/s 2 koetaan yleensä voimakkaaksi tai kiusallisen voimakkaaksi selvästi tai hyvin epämiellyttäväksi ja silta arvioidaan ei-hyväksyttäväksi tai erittäin huonoksi Liikkeessä olevat ihmiset eivät yleensä havaitse värähtelyä, joka on alle 1,5 2,0 m/s 2
22 Laskenta Eurokoodin soveltamisohjeiden mukaan NCCI 5: Puurakenteiden suunnittelu ja NCCI 1: Siltojen kuormat ja suunnitteluperusteet
23 Pystysuuntaisen herätteen amplitudi Yksi henkilö tai ryhmä : F=kaP k= n 0,5 määräkerroin, henkilöt epätahdissa n henkilöiden määrä kuormakerroin P yhden henkilön paino (700N) Kävely Juoksu =0,83 e -0,35 f <0,45 =5,25 e -0,45 f <0,45 kävelylle juoksulle f = f 0 (alin ominaistaajuus) Jalankulkijavirta: F=0,4Pn y = 10,8 xn A x vaimennussuhde A kannen pinta-ala y 1 kun f 0 =1,7 2,1 Hz 0 kun f 0 <1,25 Hz tai f 0 >2,3 Hz muuten arvo interpoloidaan
24 Mitattu/Laskettu (NCCI), yksi henkilö, tahdistettu juoksu Mitattu vaimennus Tahdistuksen taajuus 3,5% 2,5% 2% 4% 3% f 0 /2=2,5 Hz f 0 =3,6 Hz f 0 =3,6 Hz f 0 =3,3 Hz f 0 =2,7 Hz
25 Laskenta Eurocode-ohjeiden mukaan Eurokoodi 5: Puurakenteiden suunnittelu Osa 2: Sillat Liite B (opastava): Jalankulkijoiden aiheuttama värähtely
26 Yhdestä henkilöstä aiheutuvan pystyvärähtelyn suuruus Kävelylle Juoksulle
27 Mitattu/Laskettu (EN), yksi henkilö, tahdistettu juoksu Mitattu vaimennus Tahdistuksen taajuus 3,5% 2,5% 2% 4% 3% f 0 /2=2,5 Hz f 0 =3,6 Hz f 0 =3,6 Hz f 0 =3,3 Hz f 0 =2,7 Hz
28 Johtopäätökset vertailuista Koskien yksiaukkoisia poikittain jännitettyjä kevyen liikenteen siltoja, 2 % vaimennuksen käyttö on perusteltua, joissakin tapauksissa jopa 3 %:n käyttö voisi olla mahdollinen Sekä Suomen NCCI ohjeet ja EN 1995-2: Osa 2: Sillat: Liite B antavat luotettavia tuloksia ja niiden suunnittelutarkkuudella ei ole merkittävää eroa Kun sillan alin ominaistaajuus on yli 3,5 Hz, NCCI-ohjeen kuormakerroin juoksuherätteelle vaikuttaa liian suurelta. Erikssoninin esittämän kuormakertoimen käyttö parantaisi tilannetta Kuormakeeorroin Taajuus (Hz) NCCI 1
29 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa