Maa- ja pohjarakenteet 1 RAKENTAMISEN AIHEUTTAMAT TÄRINÄT -PROJEKTI Taustaselvitykset Postiosoite Käyntiosoite Vaihde Faksi PL 600 33101 Tampere Korkeakoulunkatu 5, 33720 Tampere 03-3115 111 03-3115 2884
2 SISÄLLYS Tärinän siirtyminen maasta rakenteisiin.. 3 Rakenteiden tärinän ohjearvot.......32 Laitteiden tärinän raja-arvot.....56 Pudotustiivistystärinä....72 Tiivistystärinä 92 Hydraulivasaran aiheuttama tärinä..108 Työmaaliikennetärinä.. 126 Paalutus- ja pontitustärinää on käsitelty Hanna Leppäsen diplomityössä: Paalutuksesta ja pontituksesta aiheutuva tärinä, TTY 2008. Selvityskohtaiset sisällys- ja kirjallisuusluettelot on esitetty kunkin taustaselvityksen yhteydessä
3 RAKENTAMISEN AIHEUTTAMAT TÄRINÄT -PROJEKTI Tärinän siirtyminen maasta rakenteisiin Taustaselvitys 1. Energia Maahan / kallioon 3. Siirtyminen rakennukseen 4. Siirtyminen rakenteissa 2. Leviäminen maassa
4 SISÄLLYS 1. JOHDANTO.3 2. DYNAMIIKAN PERUSTEITA.. 4 2.1 Värähtelyn kuvaaminen..4 2.2 Ominaisvärähtely...5 2.3 Pakkovärähtely, tärinän siirtyminen maasta rakenteisiin...8 2.4 Taajuusvastefunktio..13 3 MAADYNAMIIKAN PERUSTEITA.14 3.1 Kuormitukset.. 14 3.2. Dynaamisen kuormituksen muuttuminen maassa.. 15 4. TÄRINÄN SIIRTYMINEN MAASTA RAKENTEISIIN.. 19 4.1 Taustaa..19 4.2 Jatkuvan tärinäkuormituksen vaikutus.21 4.3 Jatkuvan iskumaisen tärinäkuormituksen vaikutus..23 4.4 Iskumaisen tärinäkuormitus vaikutus.. 23 5. TÄRINÄN SIIRTYMINEN MAASTA RAKENTEISIIN MITTAUSTEN PERUSTEELLA 24 5.1 Yleistä 24 5.2 Lyöntipaalutus...24 5.3 Pudotustiivistys. 26 5.4 Roudan rikkominen hydraulisvasaralla.27 6. JOHTOPÄÄTÖKSET..28 KIRJALLISUUS..28
5 1 JOHDANTO Tärinän siirtyminen maasta rakenteisiin on rakentamisen aiheuttamien tärinöiden arvioinnin keskeinen asia. Tärinä voi vaurioittaa rakenteita, aiheuttaa häiriöitä laitteille ja häiritä rakennuksissa olevia ihmisiä. Tarkkoja tai edes likimääräisiäkään laskelmia ei yleensä voida tehdä tärinän siirtymisestä rakenteisiin käytännön rakennuskohteessa. Tarkastelut perustuvat yleensä aikaisemmin samankaltaisissa olosuhteissa tehtyihin mittauksiin. Arvioinnin luotettavuutta ja yleistettävyyttä lisää, kun tarkastelijalle on perustiedot dynamiikasta ja rakenteiden käyttäytymisestä. Taustaselvityksen toisessa luvussa tarkastellaan dynamiikan perusteita lähinnä ilmiön luonteen kuvaamiseksi ja ymmärtämiseksi. Tarkemmin on dynamiikkaa käsitelty alan käsikirjoissa (mm. Clough,R. and Penzien 1975) ja maassa leviävää tärinää mm. Hanna Leppäsen diplomityössä (Leppänen 2008). Viidennessä luvussa tarkastellaan tärinän siirtymistä maasta rakenteisiin konkreettisimmin mm. tehtyjen mittausten perusteella. Tarkemmin on tärinän siirtymistä rakenteisiin kuvattu VTT:n tiedotteessa 2425 (Talja, A., Vepsä, A., Kurkela, J. ja Halonen, M. 2008). VTT:n tiedote käsittelee liikennetärinää, mutta on sovellettavissa myös muun tärinän siirtymiseen maasta rakenteisiin.
6 2. DYNAMIIKAN PERUSTEITA 2.1 Värähtelyn kuvaaminen Kuvassa 1 on esitetty pistemäisen jäykän massan värähtely jousen varassa ja sen harmonisen eli ajan suhteen säännöllisen värähtelyn siirtymä-, nopeus- ja kiihtyvyysamplitudit. Värähtelyä ajan suhteen kuvataan matemaattisesti ympyräliikkeenä. Yksi kierros (2π) vastaa yhtä värähtelyä. Siirtymä on maksimiamplitudin A:n x-akselin suuntainen komponentti (pystysuunta). Koska värähtelyllä on ainoastaan yksi suunta eli siirtymämahdollisuus, kutsutaan värähtelevää massaa yhden vapausasteen värähtelijäksi. π/2 π/2 x siirtymä v nopeus, siirtymän 1.derivaatta ajan suhteen = A ω ( sin ωt + π/2) a kiihtyvyys, siirtymän 2. derivaatta ajan suhteen = A ω² (sin ωt +π) t aika A siirtymän heilahdusamplitudi ω kulmanopeus, kulmataajuus, rad/s T heilahdusaika, värähtelyjakso = 2π / ω Heilahdusten määrää sekunnissa nimitetään taajuudeksi f= ω / 2π, jolloin ω=2πf, 2π on yksivärähdys eli ympyrän kaaren pituus. Kuva 1. Yhden vapausasteen värähtelijän säännöllinen harmoninen värähtely, värähtelevä systeemi, siirtymäamplitudi, heilahdusnopeus, kiihtyvyys. Huomaa siirtymän, nopeuden ja kiihtyvyyden välinen vaihe-ero π/2 (90º). Suuri osa heilahdusliikkeistä noudattaa harrmonisen värähdysliikkeen lainalaisuuksia.
7 Heilahdusliikkeissä on yleensä useita eri taajuudella värähteleviä komponentteja, jotka voidaan Fourier-analyysilla erottaa kokonaisvärähtelystä kuvien 2 ja 3 mukaisesti. Lyhytkestoisen iskun värähtely ei ole harmonista, mutta siinäkin värähtelyn komponentit voidaan erottaa Fourier-analyysilla toisistaan. Iskun tapauksessa taajuussisältö riippuu suuresti siitä miten pitkää jaksoa tarkastellaan ja mistä värähtelyn vaiheesta analyysi tehdään (ns. ikkunointi). A B C Kuva 2. a) Jaksollinen summavärähtely b) värähtelynkomponentit aikatasossa (Ewins 1986) A B C Kuva 3. Periaatteellinen esitys kuvan 2 värähtelyistä taajuustasossa, jossa vaakaakselilla on taajuus. Erottamalla eritaajuiset komponentit toisistaan, voidaan niiden vaikutuksia tarkastella komponenteittain ja laskea niitä tarvittaessa yhteen superpositioperiaatteen mukaisesti. 2.2 Ominaisvärähtely Rakennetta poikkeutettaessa esimerkiksi impulssimaisella kuormituksella, se alkaa värähdellä tasapainoasemansa suhteen. Rakenteissa ominais- eli vapaa värähtely voi syntyä äkillisen iskumaisen kuormituksen kuten räjäytyksen jälkeen. Heilahdusamplitudin suuruus riippuu systeemin vastaanottamasta energiasta. Vähitellen vaimennusvoimat hidastavat liikkeen. Vapaassa värähtelyssä jousivoiman (kx) ja massahitausvoiman (ma) suhde vaihtelee, niiden summan ollessa vaimenemattomassa va-
8 paassa värähtelyssä 0. Kun vaimennusta ei oteta huomioon saadaan voimatasapainosta yhtälö (1). ma = kx ( 1 ) m massa (kg), k jousivakio (N/m) a kiihtyvyys (m/s 2 ) x siirtymä (m) sijoittamalla kiihtyvyydeksi kuvan 1 mukaan a = xω 2, saadaan mxω 2 = k x ja sieventämällä edelleen saadaan resonanssi l. ominaiskulmataajuus: ω n = k/m (rad/s) ( 2 ) ja merkitsemällä ω n = 2 π f n, saadaan (vrt. kuvan 1 selitysteksti): Ominaistaajuus f n = (1/2π ) k/m (1/s, Hz) ( 3 ) Vaimennus pienentää ominaistaajuutta. Pienillä vaimennussuhteilla D < 0.20 vaikutus on kuitenkin vähäinen ja sitä ei tarvitse ottaa käytännössä huomioon. Ylärakenteiden vaimennussuhde eli suhteellinen vaimennus D on yleensä pieni 0,01 0,05. Maanvastaisten rakenteiden vaimennus voi olla huomattavasti suurempi, koska maanvastaiset rakenteet voivat säteillä energiaa aaltoliikkeinä maapohjaan. Suhteellinen vaimennus D on yksi, kun liike vaimenee yhden värähtelyjakson aikana. Kun värähtelevä kappale on pistemäinen (vrt. kuva 1) on kyseessä jäykän kappaleen värähtely. Jäykällä kappaleella on kolme siirtymä- ja kolme kiertymämahdollisuutta eli vapausastetta, jolloin jokaisella näistä on omat ominaistaajuutensa (kuva 4). Kuva 4. Jäykän perustuksen värähtelymuodot.
9 Kaikkia vapausasteita käsitellään saman tapaan, kiertoliikkeissä massan korvaa massahitausmomentti ja jousen kiertojouset. Yhden vapausasteen värähtelijä voi käytännön rakenteissa olla esimerkiksi perustus, jossa maa voidaan kuvata kimmoiseksi jouseksi tai palkki tai laatta, jonka kimmoisuus taipuma - voidaan usein mallintaa jousena. Vaimennus on tyypillisesti rakenteen sisäistä tai liitosten materiaalivaimennusta, joka muuttaa värähtelyn lopulta kitkan välityksellä lämmöksi. Rakenteen omapaino ja myös muuttuva kuorma voi olla massana. Tärkeää on dynamiikassa huomata massan ja voiman ero. Jatkuvilla rakenteilla on ääretön määrä ominaistaajuuksia ja niitä vastaavia värähtelyn ominaismuotoja. Ominaistaajuuteen vaikuttavat tällöinkin rakenteiden massat ja jäykkyydet yhtälöön (1) tapaan. Koska jäykkyyttä ja massaa ei voi tällöin kuvata pistemäisesti, ne on kuvattava matriisein. Tällöin laskenta tehdään tavallisesti numeerisin menetelmin. Joskus voidaan alustavissa laskelmissa kuvata rakenteen alinta ominaistaajuutta yhden vapausasteen värähtelijänä. Massan jakautumisesta rakenteessa sekä kuormituksesta ja sen taajuudesta riippuu miten hyvin yksinkertaistettu malli vastaa todellisuutta. Alin ominaismuoto vastaa usein staattista taipumaviivaa. Massa tai sen osa voidaan usein keskittää rakenteesta riippuen palkissa keskelle ja ulokkeessa sen päähän. Jousivakio saadaan rakenteellisen jäykkyyden esimerkiksi taipuman perusteella. Kuvassa 5 on esitetty kolmikerroksisen rakenteen ominaistaajuudet ja värähtelymuodot. Rakenne on kuvattu vaakasuunnassa kolmen vapausasteen värähtelijänä. Massat on keskitetty kerroksiin. Jäykkyys riippuu pilareiden dimensioista ja materiaalista. Kuva 5. Kolmikerroksisen rakenteen kolme alinta ominaistaajuutta ja ominaismuotoa. Alin muoto b) vastaa likimain rakenteen staattista taipumaa vaakasuunnassa (Smith 1988). Dynaamisen kuormituksen paikasta ja suunnasta riippuu miten rakenteiden eri ominaistaajuudet ja muodot värähtelevät. Kun kuormitus on ominaismuodon solmukohdassa, voi rakenteen värähtely olla vastaavalla ominaistaajuudella pientä, vaikka kuormitus olisikin resonanssialueella. Värähtely edellyttää myös sitä, että kuormituksen suunta vastaa ominaismuotoa. Esimerkiksi kuvan 5 rakenteen ominaismuotoja vastaava pakkovärähtely edellyttää vaakasuuntaista kuormitusta.
10 2.3 Pakkovärähtely, tärinän siirtyminen maasta rakenteisiin Tässä kuvataan värähtelyn siirtymistä maasta tai kalliosta rakenteisiin dynamiikan yleisien lainalaisuuksien kannalta. Lähtökohta on pitkälti sama kuin esimerkiksi koneperustusten dynamiikan tarkasteluissa. Erona on se, että koneperustuksessa dynaaminen kuormitus vaikuttaa rakenteeseen itseensä ja energiaa siirtyy aaltoina ympäröivään maahan. Kun värähtelyt siirtyvät maasta rakenteisiin on energian siirtymissuunta päinvastainen. Tällöin vaimennusvoimat käyttäytyvät jossain määrin eri tavalla. Koneperustuksissa suuri vaimennus, joka voi aiheutua perustuksesta ympäristöön leviävien aaltojen vaikutuksesta, vähentää aina rakenteen värähtelyä eli tärinää. Kun tärinä siirtyy maasta rakenteisiin, myös vaimennusvoimat siirtävät tärinää. Yleensä vaimennus on alhainen, jolloin tällä ei ole käytännön merkitystä. Dynaamisen kuormitusta on usein käytännöllistä tarkastella liikkeen ja voimien vektoriesityksenä. Kuvassa 6 on esitetty värähtelyliikkeen siirtymän, nopeuden ja kiihtyvyyden vaihe-erot (90º = π/2) toisiinsa nähden (vrt. kuva 1). Kuva 6. Heilahdusliikkeen komponenttien vaihe-erot (Niskanen 1969). Voimayhtälö voidaan esittää muodossa: m ω 2 z + cωz + kz =f(t) (4) m ω z c k f(t) massa (kg) kulmataajuus (rad/s) siirtymä (m) vaimennus (kg/s) jousivakio (N/m) dynaaminen kuorma (N) jolloin saadaan kuvan 7 mukainen vektoriesitys.
11 Kuva 7. Dynaamisen kuormitustilanteen voimat vektoriesityksenä, korkeaviritteinen rakenne (Niskanen 1969). Systeemin jäykkyyttä kuvaava jousivoiman maksimiarvo kz vastustaa siirtymää, joten voima kz on vaikuttaa vastakkaiseen suuntaan kuin siirtymä z. Hitausvoiman maksimiarvo mω²z vastustaa kiihtyvyyttä, joten se osoittaa päinvastaiseen suuntaan kuin kiihtyvyys ja jousivoima kz. Vaimennusvoima cωz vastustaa liikettä ja on nopeuden ωz suunnalle vastakkainen. Tärinäkuormituksen aiheuttama pakkovoima f(t) on neljäs systeemin voima. Systeemin dynaamisen voiman herätetaajuudesta, systeemin jäykkyys- ja hitausvoimien suhteesta sekä vaimennusominaisuuksista riippuu mikä on kuvan 7 mukainen siirtymän ja pakkovoiman välinen vaihe-ero, vaihekulma φ. Vaihekulman avulla rakenteen voimat tasapainottuvat. Olennaista on huomata, että siirtymä seuraa voimaa viiveellä, jota kuvaa vaihekulma. Tämä voidaan helposti huomata esimerkiksi pihakeinussa tai vaikkapa jojossa, jossa keinun tukirakenteen tai jojon liike seuraa keinujaa tai kättä eli dynaamista voimaa. Keinun tai jojon vauhdittaminen perustuu resonanssin hyväksi käyttöön. Keinujan ponnistustahti eli pakkovoiman taajuus on sama kuin keinun resonanssin taajuus. Kuvan 7 tapauksessa vaihekulma on φ < 90, jolloin perustussysteemi on korkeaviritteinen. Korkeaviritteisessä perustussysteemissä herätetaajuus ω pienempi kuin ominaistaajuus ω n, jolloin taajuussuhde on < 1. Resonanssin kohdalla jousi- ja hitausvoimat kumoavat toisensa, jolloin pakkovoimaa jää vastustamaan ainoastaan vaimennusvoima kuvan 8 mukaisesti. Vaimennuksella on ratkaiseva merkitys resonanssissa siihen miten suureksi värähtely kasvaa. Usein rakenteiden suhteellinen vaimennus on pieni, D, ξ on noin 1 5 %, jolloin värähtely voi olla sallittua voimakkaampaa. On luonnollista, että resonanssitilanteita pyritään välttämään. Resonanssissa on herätetaajuus ω n yhtä suuri kuin ominaistaajuus ω. Tällöin vaihekulma on 90.
12 Kuva 8. Vektoriesitys resonanssin kohdalla (Niskanen 1969). Resonanssilla on suuri merkitys ns. pakkovärähtelyssä. Resonanssissa, jolloin kuormituksen taajuus on yhtä suuri kuin ominaistaajuus, rakenteeseen kerääntyy energiaa ja värähtely kasvaa suureksi, ellei rakenteen vaimennus rajoita liikettä. Vaimennus estää amplitudin kasvamisen äärettömäksi. Vaimennussuhteesta riippuu miten nopeasti täysimääräinen resonanssi amplitudi saavutetaan. Mitä suurempi vaimennus on, sitä nopeammin saavutetaan suurin heilahdusamplitudi (kuvat 9 ja 10). Toisaalta suuri vaimennus rajoittaa liikkeen resonanssissakin vähäiseksi. Kuva 9. Värähtelyn kehittyminen. Ylimmässä kuvassa ei ole vaimennusta, alimmainen liike on melko voimakkaasti vaimennettu (Clough and Penzien 1975).
13 Kuva 10. Resonanssin kehittymiseen tarvittavien syklien määrä riippuu rakenteen vaimennussuhteesta. D, ξ on suhteellinen vaimennus (0,02 = 2 %). Kun suhteellinen vaimennus on 5 % (0,05) syklejä tarvitaan noin 14 kappaletta (Clough and Penzien 1975). Kuormitustaajuuden kasvaessa vaihekulma kasvaa suuremmaksi kuin 90, jolloin rakenteen hitausvoimat alkavat tasapainottaa pakkovoimaa. Dynaaminen systeemi on siirtynyt matalaviritteiseksi kuvan 11 mukaisesti. Tällöin hitausvoimat vastustavat dynaamista voimaa. Tätä pyritään käytetään hyödyksi tärinäneristämisessä. Rakenteesta tehdään hidas lisäämällä massaa ja asentamalla rakenteen alle pehmeät jouset. Matalavirityksellä voidaan käänteisessä tapauksessa rajoittaa dynaamisesti kuormitetusta koneperustuksesta ympäristöön siirtyvää voimaa. Kuva 11. Matalaviritteisen rakenteen vektoriesitys (Niskanen 1969).
14 Kuvassa 12 on merkitty katkoviivalla voima F sm, joka siirtyy eristimien - jousien (kz) ja vaimentimien (cωz) läpi alarakenteisiin tai ulkoisessa tärinäkuormituksessa päinvastaiseen suuntaan. Kuvassa 13 on esitetty siirtyvän voiman F sm ja dynaamisen voiman F o suhde taajuussuhteen r = f / f n funktiona harmonisessa jatkuvassa värähtelyssä. Kuvaa 13 ei voi suoraan soveltaa iskumaisen värähtelyn aiheuttamaan rakenteiden värähtelyn voimistumiseen. Hitaalla rakenteella kun ominaistaajuus f n on alhainen - siirtyvä voima vähenee, tällöin vaihekulma Ф on suuri. Voimien tapaan voidaan tarkastella vaihtoehtoisesti siirtymiä X ja X a (vrt. kuva 13). F o F sm kz cωz Kuva 12. Alustaan eristimien kautta siirtyvä voima F sm (katkoviiva).muut voimat ovat kuvan yläosan mukaiset. Merkille pantavaa on, että myös vaimentimien kautta siirtyy voimaa ja tärinää (Niskanen 1969). X X a Kuva 13. Harmonisen värähtelyn eristyssuhde r = f / f n. taajuussuhteen r = ω / ω n funktiona ((Niskanen 1969).
15 Eristyssuhdetta voidaan käyttää hyväksi maasta sen yläpuoliseen rakenteeseen siirtyvän voiman tai tärinäamplitudin arvioimiseen ja ilmiön ymmärtämiseen. Erityssuhde voi olla pienimmillään noin 0,1. Näin suuri vaikutus edellyttää, että taajuussuhde on noin 4 5 ja vaimennus pieni. Rakenteiden kautta siirtyy aina dynaamista kuormitusta eli samalla tärinää. Tärinän siirtyminen voidaan katkaista jättämällä rakenteiden väliin rako, esimerkiksi louhintatöissä. Tällöin raon on oltava puhdas, koska vähäinenkin määrä raon katkaisevaa materiaalia kuten kiveä, vähentää eristyksen vaikutusta huomattavasti. Tässä on käytetty harmoniselle värähtelylle termiä eristyssuhde, joka poikkeaa jossain määrin siirtokertoimesta, jota voidaan käyttää myös muunlaiselle kuin harmoniselle kuormitukselle. Tärinän siirtymistä maasta rakenteisiin voidaan vaihtoehtoisesti kuvata vastespektrimenetelmällä, jota käytetään erityisesti maanjäristysten yhteydessä. 2.4 Taajuusvastefunktio Joissakin tilanteissa on käytännöllistä kuvata värähtelyä ja myös maasta rakenteisiin siirtyvää tärinää taajuusvastefunktion avulla. Tarkastelu tapahtuu taajuustasossa, jolloin taajuusalue valitaan rakenteen ja kuormituksen mukaan. Menettely on samantapainen kuin silloin, kun staattisen kuorman vaikutusta siirtymiin kuvataan jousella. Taajuusvastefunktio eli siirtokerroin vastaa jousivakion käänteislukua (1/k) ja värähtelyn suuruus voimaa (kuva 14). Dynaamisessa jousivakiossa eli siirtokertoimessa on otettu huomioon jäykkyyden lisäksi vaimennus ja massa yhtälön 4 mukaisesti. Kuva 14. Maaperän värähtelyn siirtyminen asuntoon esitettynä taajuusvastefunktion avulla. Huomaa vastaavuus staattisen tilaan verrattuna jousiyhtälöstä F / k = s. Toisen resonanssin kohdalla ei tapahdu voimistumista, koska sen ominaistaajuuden kohdalla ei ole kuormitusta (Talja 2004). Asuintilan värähtelyn suuruudesta voidaan havaita, että värähtely voimistuu maaperän värähtelyn eli kuormituksen taajuudella. Rakennuksessa on kaksi ominaistaajuutta (resonanssikohtaa), joista ylemmän ominaistaajuuden kohdalla ei ole maaperän kautta tulevaa kuormitusta. Tällöin ei ole myöskään vastetta eli tärinää asuinrakennuksessa.
16 3 MAADYNAMIIKAN PERUSTEITA 3.1 Kuormitukset Kuvassa 15 on esitetty tyypillisiä rakentamisen maankamaraan aiheuttamia dynaamisia kuormituksia ja kuvassa 16 niiden taajuussisältöjä. Kuva 15. Tyypillisiä rakentamisen maahan tai kallioon aiheuttamia dynaamisia kuormituksia. Ylinnä jatkuva kuormitus, jota aiheuttaa mm. tärytiivistys ja pontin täryttäminen. Keskellä toistuva iskumainen kuormitus, jota aiheuttavat mm. lyöntipaalutus ja hydraulinen iskuvasara. Alimpana iskumainen kuormitus, jota aiheuttavat mm. louhinta ja pudotustiivistys (Hiller, D.M. and Crabb 2000). A B C Kuva 16. Maasta mitattuja taajuussisältöjä. A) Täryjyrän B) hydraulivasaran ja C) pudotustiivistyksen aiheuttaman kuormituksen taajuusalueet maassa.
17 3.2. Dynaamisen kuormituksen muuttuminen maassa Kuvassa 17 on esitetty tyypillinen tilanne, jossa tärinä vähenee maassa etäisyyden kasvaessa. Aina kuvassa esitetyt alueet A,B ja C eivät ole tärinämittaustuloksissa selvästi erotettavissa toisistaan. Kun maahan tai kallioon kohdistuu dynaaminen kuormitus, sitä vastustavat maan kimmoisuus, hitaus- ja vaimennusvoimat. Näiden yhteisvaikutuksesta syntyy maahan energiaa siirtävät aallot; pitkittäiset P-aallot ja poikittaiset leikkausaallot (S-aalto). Nämä runkoaallot hallitsevat tärinäilmiötä kuormituksen lähialueella (alue A). Runkoaallot yhdistyvät lähialueen reunalla pinta-aalloiksi(r-aalto), jotka siirtävät pääosan tärinäenergiasta lähialueen ulkopuolella (alue B). Lähialueen laajuus riippuu runkoaaltojen syntytavasta. Lyöntipaalutuksessa, jossa leikkausaallot kehittyvät paalun vaipan ja pitkittäisaallot kärjen kautta, lähialue on noin puolet paalupituudesta, syvätiivistyksessä se on noin 15 20 ja hydraulivasaran iskutyössä ja tärytiivistyksessä yleensä alle 5 metriä. Kauempana kuormituksesta tärinä vähenee merkittävästi geometrisen vaimennuksen lisäksi myös aaltojen dispersion ja materiaalivaimennuksen vuoksi (alue C). Heilahdusnopeus [mm/s] 100 10 1 0 A B C 1 10 100 Etäisyys [m] Kuva 17. Tärinän vähenemisen luonne maaperässä. Pystysuunta Tärinäaaltojen vaimeneminen maaperässä muodostuu pääosin geometrisen ja materiaalivaimennuksen yhteisvaikutuksesta (yhtälö 5). Geometrisessa vaimennuksessa aaltoenergia leviää etäisyyden kasvaessa laajentuvalle pinta-alalle, jolloin tärinän amplitudi pienenee. Materiaalivaimennuksessa energiaa kuluu rakeiden välisten liikkeiden aiheuttamaan kitkaan. Materiaalivaimennus riippuu suuresti tärinän muodonmuutostasosta. Yleensä lähialueen ulkopuolella muodonmuutostaso on alhainen ja samalla materiaalivaimennus pieni. ( 5 ) v 1 tärinän heilahdusnopeus etäisyydellä R 1 v 2 tärinän heilahdusnopeus etäisyydellä R 2 α materiaalivaimennuskerroin n vaimenemisen kerroin
18 Vaimenemisen kertoimen teoreettiset arvot on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Geometrisen vaimenemisen kerroin n runko- ja pinta-aalloille tärinälähteen muodon ja sijainnin mukaisesti (Leppänen 2008). Yleensä kuormitus on väliaineen pinnassa kuten pudotustiivistyksessä. Kun kuormitus on väliaineen sisässä, kuten lyöntipaalutuksessa, kertoimen arvot ovat pienempiä. Kuormitus lähenee ääretöntä viivaa esimerkiksi pitkällä tavarajunalla ja jossain määrin myös paalun vaipan leikkausaaltoja synnyttävässä kuormituksessa. Materiaalivaimennuskerroin α = 2πf sisältää myös taajuuden vaikutuksen (yhtälö 6). Korkeat taajuuskomponentit vaimenevat nopeasti, koska niissä syklien määrä on suuri ja energia muuttuu nopeasti lämmöksi. Tällä on huomattava merkitys kuormituksen lähialueella. Tärinän taajuussisältö alenee etäisyyden kasvaessa. Tällä voi olla huomattava merkitys, kun tarkastellaan maasta tai kalliosta rakenteisiin siirtyvää tärinää. ( 6 ) D Materiaalivaimennus v r Pinta-aallon nopeus (m/s) Käytännössä tärinää vähentää etäisyyden kasvaessa myös aaltojen dispersio. Dispersiossa energia hajoaa laajemmalle alueelle aallon etenemisen suunnassa, kun eri taajuussisältöiset aallot kulkevat eri nopeuksilla. Iskumaisen dynaamisen kuormituksen taajuussisältö on laaja. Korkeataajuisten värähtelyiden aallonpituus on lyhyt ja matalataajuisten vastaavasti pitkä. Kun maan jännitystila ja samalla rakeiden välinen jäykkyys kasvavat mm. maan omasta painosta johtuen maanpinnalta syvemmälle siirryttäessä, myös aallonnopeudet kasvavat. Kun runkoaallot puolestaan etenevät noin puolen aallonpituutensa syvyisessä vyöhykkeessä ja eri taajuiset aallot etenevät maassa eri nopeuksilla, tapahtuu aaltojen dispersiota (kuva 18).
19 A B Kuva 18. (A) Pudotustiivistyksen lähialueelta ja noin 100 metrin päässä mitattu tärinä (B). Dispersion vuoksi tärinän kesto on kaukoalueella selvästi suurempi kuin lähialueella. Dispersion lisäksi tärinän kestoon ja suuruuteen vaikuttavat aaltojen heijastumiset ja taittumiset raja-pinnoilta. Käytännössä yhtälön 5 käyttö tärinän vaimentumisen arvioinnissa sellaisenaan on vaikeaa. Ongelmina ovat mm. eri aaltotyyppien merkityksen arvioinnin vaikeus etäisyyden kasvaessa, kuormituksen hallitsevaan taajuussisältöön vaikuttaa myös maan kerrosrakenne, materiaalivaimennuksen suuruus vaihtelee jne. Näiden lisäksi maakerrosten rajapinnoilta ja epäjatkuvuuskohdista syntyy aaltojen heijastuksia ja taittumista, jota yhtälö 5 ei käsittele lainkaan. Käytännössä on mahdollista, että värähtelyamplitudi voi paikallisesti kasvaa etäisyyden kasvaessa. Tällaista voi tapahtua esimerkiksi maassa kalliojyrkänteiden vieressä tai kallion kohotessa maan alla lähelle pintaa. Pintaaallot liikkuvat maassa saman tapaisesti kuin vedenaallot, jotka voimistuvat rantaa lähestyttäessä ja myös vedenalaisen luodon kohdalla. Tärinän taajuussisältöön vaikuttaa dispersion ja korkeiden taajuuksien nopean vaimenemisen lisäksi maaperän ominaistaajuudet (kuva 19). Kuva 19. Maapohjan ominaistaajuuden merkitys maasta rakenteisiin siirtyvän tärinän suuruudessa (Talja 2008 ym.).
20 Maaperän ominaistaajuudella etenevät aallot ovat hallitsevia erityisesti siirryttäessä kauemmaksi dynaamisesta kuormituksesta. Tällöin tärinän taajuussisältö kapeakaistaistuu. Pehmeiköillä korostuvat matalat taajuudet, yleensä noin 3 8 Hz ja tiiveimmillä kitkamailla korkeammat taajuudet, yleensä noin 15.40 Hz. Kalliossa vastaava taajuusalue on vielä korkeampi. Käytännössä kokonaisvaimenemista, joka ottaa huomioon geometrisen vaimennuksen ja materiaalivaimennuksen ja dispersion, voidaan lähestyä ns. pseudovaimenemiskäsitteen kautta. Kuvassa 20 on esitetty yhtälöön 5 perustuvat vaimenemisen arviointitavat, ja vastaavat mittaustulokset. Pelkkä geometrisen vaimenemisen huomioiminen aliarvioi vaimenemista, eikä sovi mitattuihin tärinäarvoihin pitkillä etäisyyksillä. 1 2 3 Kuva 20. Tärinän vaimeneminen, 1) ainoastaan geometrinen vaimeneminen on huomioitu, 2) myös materiaalivaimeneminen on huomioitu yhtälön 1 mukaisesti 3) pseudovaimeneminen (Dowding 1996). Käytännössä pseudovaimeneminen on usein riittävä menetelmä tärinän vaimenemisen arvioimiseen, kun tärinälähteen vaikutusalue on suhteellisen pieni. Pitkillä etäisyyksillä pseudovaimeneminen ei kuvaa riittävällä tavalla materiaalivaimenemista. Käytännössä voidaan vaimenemista kuvata yhtälön 5 tapaan käyttämällä vaimenemiskerrointa n ja jättämällä materiaalivaimennusta kuvaava jälkimmäinen termi pois. Vaimenemiskertoimen n arvo perustuu tällöin yleensä aiemmin vertailukelpoisissa olosuhteissa tehtyihin mittauksiin. Tällöin n suuruus poikkeaa teoreettisista arvoista ja on teoreettisia arvoja suurempi.
21 4. TÄRINÄN SIIRTYMINEN MAASTA RAKENTEISIIN 4.1 Taustaa Usein oletetaan, että rakennuksen perustukset liikkuvat maan tai kallion kanssa samassa vaiheessa ja yhtä paljon (kuva 21 ja kuva 22). Tämä pitää melko hyvin paikkansa, kun tärinä taajuus on alhainen, perustukset ovat kevyitä, joustavia ja niiden jäykkyys vähäinen. Tällaisia perusmuuriperustuksia ovat muuratut kivi- tai tiiliperustukset ja raudoittamattomat tai vähän raudoitetut betoniperustukset, joskus myös puuperustukset. Näihin perustuksiin värähtely vaikuttaa samaan tapaan kuin ohi ajavan laivan aalto pienvenesataman kevyeen ja joustavaan ponttonilaituriin. Rakennuksen käyttäytymistä voidaan kuvata staattisesti ja dynamiikalla on vain vähän vaikutusta tärinän siirtymisessä maasta rakennukseen. Kuva 21. Tärinäkuormituksen aiheuttamat rakenteiden siirtymät (Vuolio 1990). Värähtelyt, joiden taajuus on korkea ja samalla aallonpituus lyhyt, vaimenevat siirtyessään maankamarasta rakenteisiin. Vaimeneminen on yleensä sitä suurempaa, mitä raskaampi rakenne on ja mitä korkeampi on siirtyvän tärinän taajuus. Rakenteen hitausvoimat vastustavat dynaamista kuormitusta (vrt. kuvat 13 ja 22). Kuvan 22 mukaan värähtely olisi perustuksissa korkeintaan yhtä suurta kuin maassa. Tämä pitää yleensä paikkansa. Sen sijaan perustuksista ylärakenteisiin siirtyessä värähtely voi voimistua, merkittävästikin. Kuva 22. Perustuksen värähtelyn arvioimisessa käytetty maaperän värähtelyn pienennyskerroin (Talja 2008).
22 Toisaalta myös jäykät massiiviset teräsbetoniperustukset, jotka kestävät hyvin taivutusta, puristusta, vetoa ja leikkausta voivat siirtävät kuormituksia, ja niissä myös värähtelyiden aiheuttamat siirtymät voivat olla selvästi maankamaran värähtelyitä vähäisempiä. Tätä tilannetta voisi verrata Suomenlahden aaltoihin, jotka lyövät suuren tankkilaivan runkoon tai pienemmässä mittakaavassa pienempi aalto raskaaseen ponttonilaituriin. Kun rakenne on sivumitoiltaan pieni ja jäykkä se liikkuu aaltojen päällä kuin ongen koho, venepoiju tai pienvene sopivassa sivuaallokossa. Silloin suuretkin siirtymät ovat varsinkin resonanssitilanteessa mahdollisia. Suuret rakennuksen mitat voivat puolestaan pienentää vaakavärähtelyä. Kun rakennuksen perustus on vaakasuunnassa jatkuva ja äärettömän jäykkä, teoreettisesti katsoen värähtelyn suuruus puolittuu, jos rakennuksen pituus on suurempi kuin puolet aallonpituudesta (λ/2). Jos rakennuksen pituus on λ, teoreettisesti vaakavärähtely häviää täysin. Tähän on syynä se, että yhden aallonpituuden matkalla erivaiheessa olevat liikkeet, jotka kohdistuvat rakennukseen, tasapainottavat toisensa (kuva 23). Kuva 23. Rakennuksen pituuden vaakavärähtelyä pienentävä vaikutus (Talja ym. 2008). Kun maaperän värähtely siirtyy maasta perustukseen ja edelleen rakennuksen runkoon tai lattiaan, värähtelyn suuruuden lisäksi muuttuu myös sen taajuussisältö rakennuksen ja rakenteiden dynaamisten ominaisuuksien; jäykkyyden, massan ja vaimennuksen ja näin myös rakennuksen ominaistaajuuksien perusteella. Rakennukseen siirtyvää tärinää voidaan arvioida kahden lähestymistavan perusteella. Toisessa otetaan huomioon rakenteiden, yleensä alimmalla ominaistaajuudella, esiintyvän maaperän värähtelyn voimistuminen resonanssin vuoksi ja toisessa otetaan huomioon maaperän värähtelyn koko taajuusalueen kattava yleinen voimistuminen. Tasaiselle voimistumiselle esitetty värähtelyn suurennuskerroin on huomattavasti pienempi kuin resonanssin vuoksi tapahtuvalle värähtelyn voimistumiselle esitetty kerroin. Rakentamisen aiheuttamien tärinöiden vahvistumisen arvioinnissa käytetään lähes aina tasaisen voimistumisen periaatetta. Tällöin voimistumisen arviointi tehdään yleensä aikaisemmin vertailukelpoisissa olosuhteissa tehtyjen tärinämittausten perusteella. Liikennetärinämittauksissa ja myös joidenkin rakennustyötärinämittausten yhteydessä on saatu ylärakenteiden tasaiseen värähtelyn voimistumiskertoimeksi eli siirtokertoimeksi yleensä 1,5 2,5 (Talja ym. 2008).
23 Ensimmäistä lähestymistapaa, joka perustuu rakenteiden alimpien ominaistaajuuksien ja tärinän kuormitustaajuuksien tuntemiseen, ei yleensä voida soveltaa rakenteiden tärinätasojen arviointiin puutteellisten lähtötietojen ja arvioinnin suuritöisyyden vuoksi. Paalut ovat joissakin kohteissa pienentäneet perustukseen siirtyvää pystyvärähtelyä, mutta useimmissa kohteissa paalutettujen rakennusten tärinämittaustulokset eivät eroa merkittävästi paaluttamattomien rakennusten tuloksista Kellarikerroksen merkitys tärinän siirtymisessä maasta rakenteisiin on kaksinainen. Toisaalta kellarin maanvastaiset seinät ottavat tärinää hyvin vastaan ja toisaalta kellarin seinät myös siirtävät värähtelyenergiaa rakenteista maahan. Kuormitustilanteesta ja kellarin rakenteesta riippuu, kumpi on merkittävämpi. 4.2 Jatkuvan tärinäkuormituksen vaikutus Maassa etenevän tärinäkuormituksen luonteesta riippuu miten rakenteiden värähtely kehittyy. Koko rakennus Varsinainen resonanssitilanne voi kehittyä, kun tärinänkuormitus on harmonista sekä jatkuvaa (vrt. kuva 15) ja kuormitustaajuus on samalla alueella rakennuksen tai jonkin sen rakenteen ominaistaajuuden kanssa. Tällöin rakenteen värähtelyjen kehittymiseen vaikuttaa suuresti niiden vaimennuskyky. Rakenne värähtelee kokonaisena helpoimmin vaakasuunnassa, jossa sen jäykkyys on yleensä selvästi pienempi kuin pystysuunnassa. Rakennuksen alin vaakasuuntainen ominaistaajuus f n voidaan suhteellisen luotettavasti arvioida kokeellisella yhtälöllä 7, kun huonekorkeus on tavanomainen. f n = 10/n (Hz) ( 7 ) n kerrosluku Tällöin yksikerroksisen rakennuksen alin ominaistaajuus on noin 10 Hz ja viisikerroksisen vastaavasti 2 Hz. Ominaistaajuuksien arvoista voidaan päätellä, että rakennus ei kokonaisuudessaan voi tavanomaisissa olosuhteissa joutua vaakasuunnassa resonanssiin, kun tärinälähteenä on yleinen rakentamisessa käytetty tärinälähde. Poikkeuksena voi olla hydraulisen iskuvasaran käytön aiheuttamat värähtely iskutaajuudella noin 3 10 Hz. Tällöinkään ei yleensä ole suurta resonanssivaaraa, koska lähellä rakennusta tapahtuvan iskutyön tärinäaalto kohtaa rakennuksen eri aikaan ja erivaiheessa (kuva 24). Kauempaa, mahdollisesti samaan aikaan, rakennuksen kohtaava aalto on yleensä amplitudiltaan jo vaimentunut pieneksi. Sen sijaan rautatieliikenteessä asia on toisin, Pitkä tavaravarajuna voi aiheuttaa pientalossa koko rakenteen resonanssin.
24 Kuva 24. Aaltorintama kohtaa rakennuksen. Kaukana tärinälähteestä aaltorintama kohtaa rakennuksen lähes yhtä aikaa. Musta nuoli kuvaa dynaamista kuormitusta ja sen sijaintia ja sininen ympyrä aaltojen etenemistä. Pystysuunnassa rakennuksen alimmat ominaistaajuudet ovat yleensä jonkun verran vaakasuuntaisia ominaistaajuuksia korkeampia. Tällöinkään ei ole yleensä resonanssiriskiä. Rakenteet Rakenteilla kuten palkeilla, laatoilla, seinillä ja ikkunoilla on useita ominaistaajuuksia, joista osa on väistämättä samalla taajuusalueella maasta siirtyvän tärinän kanssa. Tällaisessa tilanteessa voi rakenteisiin kehittyä jatkuvassa dynaamisessa kuormituksessa resonanssitilanne. Rakenteen vaimennuksesta riippuu, miten suureksi värähtely kasvaa. Resonanssissa vaimennus vähentää aina värähtelyä (vrt. kuva 13). Rakenteiden värähtely, jonka taajuus on ihmisen kuuloalueella (yli 16 Hz) voi siirtyä ilmaan häiritseväksi kumisevaksi runkoääneksi. Koska rakennuksen kantavat seinät ovat pystysuunnassa hyvin jäykkiä, perustuksen pystyvärähtely voi siirtyä lähes samansuuruisena herätteenä eri kerroksiin ja siirtyä välipohjien värähtelyksi. Välipohjien ominaistaajuudet vaihtelevat paljon. Kevyiden puu- tai teräsrunkoisten lattioiden, joiden jänneväli on yleensä 3 8 m ominaistaajuus on 8 30 Hz ja vaimennus 3 7 %. Mitä lyhyempi on jänneväli, sitä korkeammat ovat ominaistaajuudet. Raskaammilla ja pitempijänteisillä ontelolaattalattioilla ominaistaajuus on yleensä alempi, 6 20 Hz. Pitkäjänteisillä teräsbetoniliittorakenteilla, jotka eivät kuitenkaan ole yleisiä asuinrakennuksissa, ominaistaajuudet ovat vielä alempia ja yleensä 3 8 Hz. Ontelolaattalattioilla ja muilla raskailla lattioilla vaimennus vaihtelee väliseinien yms. varusteiden määrästä riippuen ja on yleensä 2 4 %. Paikalla valettujen asuinrakennusten välipohjien ominaistaajuudet ovat yleensä korkeita, välillä 20 60 Hz. Koska resonanssi-ilmiö voimistaa voimakkaasti vain sitä taajuuskomponenttia, joka sattuu ominaistaajuuden alueelle, resonanssin ilmeneminen voi olla satunnaista, mutta ilmetessään resonanssin merkitys on hyvin suuri. Joidenkin mittausten perusteella värähtely voi voimistua jopa noin kuusinkertaiseksi.
25 Välipohjien päällä olevien laitteiden tärinää arvioitaessa oletetaan lattioiden resonanssin yleensä syntyvän maaperän pystyvärähtelystä. 4.3 Jatkuvan iskumaisen tärinäkuormituksen vaikutus Jatkuvan iskumaisen dynaamisen kuormituksen (vrt. kuva 15) sopivasti toistuvat iskut voivat voimistaa erityisesti rakenneosien värähtelyä, mutta joissakin tilanteissa myös rakennuskokonaisuuden värähtelyä, vaikka varsinaista resonanssia ei kehittyisikään (kuva 25). Värähtelyn suuruus riippuu paitsi taajuussuhteista, myös rakennuksen jäykkyydestä, massasta ja vaimennuksesta. Kuva 25. Jatkuvan iskumaisen kuormituksen aikaansaama värähtelyn voimistuminen. Kuvassa askelherätteen (2 Hz) monikerta on samalla taajuusalueella lattian ominaistaajuuden (6 Hz) kanssa (Talja). 4.4 Iskumaisen tärinäkuormitus vaikutus Isku herättää rakenteiden ominaisvärähtelyn, ja rakenteet jäävät värähtelemään ominaistaajuuksillaan (ominaisvärähtely). Iskun suuruudesta, rakenteiden jäykkyyksistä, massoista ja vaimennuksista riippuu miten voimakkaaksi värähtelyt kehittyvät. Rakenteissa, joiden jäykkyys on pieni, voi värähtely tällöin olla amplitudiltaan suurempaa kuin iskun aiheuttama tärinä maassa. Tällaisessakin tilanteessa voi tärinä siis voimistua siirtyessään maasta rakenteisiin; lasit helisevät, kasvit havisevat jne. Isku sisältää taajuudeltaan laajakaistaisen dynaamisen kuormituksen. Mitä terävämpi ja lyhyempi isku, sitä enemmän siinä taajuudeltaan erilaisia komponentteja. Rakentamisen aiheuttamassa iskumaisessa kuormituksessa, kuten louhinnassa tai paalutuksessa, on yleensä riittävästi eri taajuuskomponentteja rakenteiden ominaisvärähtelyn aiheuttamiseksi. Kauempana iskumaisesta kuormituksesta aaltojen dispersio pidentää kuormituksen kestoa (vrt. kuva 18). Tällöin iskumaisen kuormituksen ja värähtelyiden voimistumisen luonne lähestyy jatkuvaa iskumaista kuormitusta (vrt. kuva 25).
26 5 TÄRINÄN SIIRTYMINEN MAASTA RAKENTEISIIN MITTAUSTEN PERUSTEELLA 5.1 Yleistä 5.2 Lyöntipaalutus Tässä käsiteltävällä tärinän siirtokertoimella maasta rakenteisiin ei ole suoraa yhteyttä tärinätasoon. Siirtokerroin esittää sen, miten suuri osa maassa mitatusta tärinästä siirtyy viereiseen rakenteeseen. Tärinää käsitellään heilahdusnopeuksina. Paalutusten siirtokerroin on määritetty sekä maassa että rakenteessa samaan aikaan mitatusta tärinästä. Pudotustiivistyksessä ja roudan rikkomisessa siirtokerroin on määritetty suurimpien arvojen tai keskiarvojen perusteella. Kaivinpaalutusten ja porapaalutuksen tärinämittausten yhteydessä mitattiin myös tärinän siirtymistä perustuksiin. Siirtokertoimen arvo oli yleensä 0,5-2,0 välillä. Kaivinpaalun ja porapaalun asennuksen aikaiset tärinätasot olivat kuitenkin rakennuksen vieressä maassa ja rakennuksessa alhaisia, joten tässä yhteydessä näitä mittaustuloksia ei käsitellä tarkemmin. Lahden kohteessa asennettiin teräsbetonipaaluja 300 x 300 mm 2 pudotusjärkälekalustolla. Mittauspaikalla on maanpinnassa kerrallisia savia ja silttejä. Hienorakeisten kerrostumien kokonaispaksuus on mitatun paalun kohdalla noin 20 25 metriä. Uudisrakentamisen yhteydessä vuonna 2008 tehtiin uusi teräsrakenteinen julkisivu ja sen perustamiseen liittyvät paalutustyöt olemassa olevan rakennuksen vieressä. Vanha paikalla valettu pilari-laattarakenteinen teräsbetonipaaluilla perustettu teollisuusrakennus on tehty vuona 1986 (Hakulinen 2008a). Kun paalua lyötiin rakennuksen vieressä noin yhden metrin päässä rakenteista tärinää siirtyi erittäin vähän viereiseen teräsbetonipilariin. Tärinän siirtokerroin pystysuunnassa oli 0,02 0,08. Muissa suunnissa tulokset olivat samaa suuruusluokkaa. Suurimmillaan siirtokerroin oli paalun kärjen ollessa noin 5 metrin syvyydessä. Suurin mitattu tärinä oli maassa olleessa mittauspisteessä pystysuunnassa 63 mm/s ja rakenteessa 3,3 mm/s. Rakennuksen kolmannessa kerroksessa teräsbetonilaatan keskellä olevassa mittauspisteessä, tärinä voimistui pystysuunnassa noin 1,5-kertaiseksi verrattuna maassa vastaavalla etäisyydellä olevaan tärinään. Vaakasuunnassa vastaava tärinä väheni ja oli rakennuksessa noin 70 80 % maassa mitatusta tärinästä. Lappeenrannan kohteessa asennettiin myös teräsbetonipaaluja 300 x 300 mm 2 pudotusjärkälekalustolla. Kalliopinnan päällä on noin 6.0 metrin paksuinen tiivis siltti- ja moreenikerrostuma. Vanha kaksikerroksinen pilarirunkoinen toimistorakennus on tehty paalujen varaan. Tontille rakennetaan teräsbetonirunkoinen 3-kerroksinen toimistorakennus (Hakulinen 2009a). Kuvassa 26 on esitetty tärinän siirtokerroin maasta rakennuksen sokkeliin, kun etäisyys paalusta oli noin 7 metriä.
27 Tärinän siirtokerroin oli pystysuunnassa noin 0,30 0,55. Muissa suunnissa tulokset olivat samaa suuruusluokkaa. Suurimmat mitatut pystysuuntaisen tärinän arvot olivat näissä mittauspisteissä maassa noin 10 mm/s ja sokkelissa noin 4,5 mm/s. Lappeenrannan Yritystila Oy, teräsbetonipaalu 0 0,0 Siirtokerroin 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Syvyys [m] 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Kuva 26. Tärinän siirtokerroin maasta rakennuksen sokkeliin, kun etäisyys lyötävästä paalusta oli noin 7 metriä. Kangasalan kohteessa asennettiin pudotusjärkäleellä kitkapaaluiksi sekä teräsbetonipaaluja että RR- teräsputkipaaluja kirjastorakennuksen laajentamista varten. Näiden lisäksi asennettiin teräsputkipaaluja Franki- menetelmällä. Franki menetelmällä asennettujen paalujen yhteydessä ei mitattu tärinää maasta, joten tärinän siirtokerrointa maasta rakenteisiin ei voitu siten määrittää. Mittauspaikalla on maanpinnassa noin 1 2 metriä paksu täyttömaakerros, sen alapuolella silttiä noin 6 7 metriä ja siltin alla hiekkaa. Kairaukset ovat päättyneet noin 15 20 metrin syvyydessä. Kangasalan vanha kirjastorakennus on tehty paalujen varaan. Uudisrakentamisen yhteydessä tehdään paalujen varaan perustettava kirjaston laajennus (Hakulinen 2009b). Teräsbetonipaalujen 300 x 300 mm 2 tärinän siirtokerroin pystysuunnassa noin 5 metrin päässä paalusta oli noin 0,2 0,8 ja noin 10 metrin etäisyydellä paalusta noin 0,20-0,25. Muissa suunnissa tulokset olivat samaa suuruusluokkaa.
28 5.3 Pudotustiivistys Suurimmat mitatut pystysuuntaisen tärinän arvot olivat 5 metrin etäisyydellä maassa noin 13 mm/s ja rakenteessa noin 6,2 mm/s ja vastaavasti 10 metrin etäisyydellä paalusta maassa 9 mm/s ja rakenteessa 2 mm/s. Viiden metrin etäisyydellä tärinän siirtokerroin pääsääntöisesti kasvoi paalun kärjen syvyyden kasvaessa. Kymmenen metrin etäisyydellä tärinän siirtokerroin oli lähes sama koko paalutuksen ajan. RR-paalujen 170 x 10 tärinän siirtokerroin pystysuunnassa noin 3 metrin päässä paalusta oli noin 0,25 0,65 ja noin 7 metrin etäisyydellä paalusta noin 0,40-0,75. Muissa suunnissa tulokset olivat samaa suuruusluokkaa (Hakulinen 2009c). Suurimmat mitatut pystysuuntaisen tärinän arvot olivat 3 metrin etäisyydellä maassa noin 18 mm/s ja rakenteessa noin 3 mm/s ja vastaavasti 7 metrin etäisyydellä paalusta maassa 3 mm/s ja rakenteessa 2 mm/s. Tärinän siirtokerroin vaihteli, mutta pääsääntöisesti jonkun verran kasvoi paalun kärjen syvyyden kasvaessa. Kaukaan Voima Oy:n Biovoimalan kattila- ja turbiinirakennukset sekä sähkösuodattimet on perustettu maanvaraisesti syvätiivistetyn pohjamaan varaan. Rakennuspaikka on Ensimmäisen Salpausselän pohjoisreunassa, jossa on tyypillisesti tiiveydeltään ja rakeisuudeltaan vaihtelevia puskumoreenikerrostumia ja niiden välissä hiekkalinssejä. Löyhien kerrostumien paksuus on suurimmillaan noin 6 metriä. Pohjavesi on alueella yli 10 metrin syvyydessä (Hakulinen 2008b). Tärinän siirtymistä rakenteisiin mitattiin tiilirakennuksesta, yli 250 metrin etäisyydellä pudotuspaikasta. Tärinämittauspisteet olivat maassa kadulla, rakennuksen kellarissa ja ullakolla (kuva 27). Kuva 27. Mittauspisteet pudotustiivistyksen aikana.
29 Siirtokerroin pystysuunnassa maasta perustuksiin oli 0,65 ja vaakasuunnassa vastaavasti 0,45. Perustuksista ullakon seinään vastaavat kertoimet olivat 1,4 ja 2,2 ja maasta ullakon seinään 0,9 ja 1,0. Suurimmat heilahdusnopeudet olivat rakennuksen vieressä maassa pystysuunnassa 0,7 mm/s ja vaakasuunnassa 0,6 mm/s. Siirtokertoimet on määritetty heilahdusnopeuksien keskiarvojen perusteella. 5.4 Roudan rikkominen hydraulisvasaralla Roudan rikkominen ja siihen liittyvä tärinämittaus tehtiin Kaukaan Voima Oy:n voimalan syvätiivistetylle maapohjalle perustettujen turbiini- ja kattilarakennusten vieressä helmikuussa 2009 (Hakulinen 2009d). Kuvassa 28 on esitetty siirtokerroin maasta rakennukseen. Pystysuuntainen tärinä oli samaa suuruusluokkaa sekä maassa että rakennuksessa. Vaakasuuntainen tärinä oli yleensä jonkun verran suurempaa rakennuksessa kuin maassa. Suurimmillaan siirtokerroin oli vaakasuunnassa noin 2,0. Tärinän siirtyminen maasta rakennukseen, Roudan rikkominen Lappeenranta 2,5 Siirtokerroin 2 1,5 1 0,5 Pysty Poikittainen Pitkittäinen 0 0 5 10 15 20 25 30 Etäisyys (m) Kuva 28. Tärinän siirtyminen roudan rikkomisessa maasta rakennukseen. Suurimmat tärinän arvot olivat pystysuunnassa 0,9 mm/s maassa ja rakennuksessa 0,75 mm/s.
30 6 JOHTOPÄÄTÖKSET Yleinen olettamus, että tärinä siirtyy sellaisenaan perustuksiin on varovainen. Erityisesti silloin, kun tärinän taajuussisältö on korkea, tärinästä siirtyy vain osa perustuksiin (vrt. kuva 25). Korkea taajuiset komponentit vaimenevat nopeasti, jolloin tärinän taajuussisältö muuttaa alhaisemmaksi, kun siirrytään kuormituksesta kauemmaksi. Tällä on merkitystä tärinän siirtymisessä perustuksiin. Kauempana siirtokerroin voi olla lähialuetta suurempi. Tärinän siirtymiseen vaikuttaa taajuussisällön lisäksi mm. rakennuksen mittasuhteet ja se miten tärinäaaltorintama kohtaa rakennuksen (vrt. kuva 24). Lyöntipaalutuksen yhteydessä mitatut tärinän siirtokertoimet maasta perustuksiin ovat olleet yleensä välillä 0,1 0,8. Tärinä yleensä voimistuu, kun se siirtyy edelleen perustuksista ylärakenteisiin. Tärinä voimistumiseen vaikuttavat rakennuksen dynaamiset ominaisuudet: massat, jäykkyydet ja vaimennukset sekä erityisesti tärinä kuormituksen luonne ja kesto. Usein siirtokerroin perustuksista ylärakenteisiin on tärinämittauksissa ollut 1,0 2,5. Jatkuva harmoninen dynaaminen kuormitus, kuten tiivistys- tai pontitustärinä, voi aiheuttaa ylärakenteissa resonanssitilanteen. Tällöin värähtelyt voivat voimistua huomattavasti. Erityisesti välipohjat voivat tällöin olla ongelmallisia. Tällaisista resonanssitilanteista on vähän mittaustuloksia, mutta liikennetärinämittausten perusteella voidaan arvioida tärinän voivan voimistua jopa kuusinkertaiseksi. Välipohjat kestävät yleensä kasvavan värähtelyn, mutta niiden varaan rakennetut ei-kantavat mahdollisesti hauraat seinät ym. rakenteet voivat vaurioitua tai välipohjien päällä olevat laitteet häiriintyä. Jatkuvakorkeataajuinen rakenteiden värähtely voi synnyttää myös kuultavaa runkoääntä. Toisaalta jatkuvan korkeataajuisen tärinän siirtyminen maasta perustuksiin voi olla vähäistä. Jatkuva iskumainen dynaaminen kuormitus, kuten hydraulivasaran aiheuttama tärinä, voi joissakin tilanteissa aiheuttaa värähtelyn joka lähestyy resonanssitilannetta (vrt. kuva 25). On mahdollista, että hydraulivasaran iskutaajuus on samalla alueella pientalon alimman vaakasuuntaisen ominaistaajuuden kanssa. Tällaisessa tilanteessa koko rakennus voi olla resonanssissa. Iskumainen kuormitus, kuten louhinta- tai paalutustärinä ei aiheuta varsinaista resonanssitilaa kuormituksen lähialueella. Iskut kuitenkin saavat aikaan rakenteissa värähtelyjä niiden ominaistaajuuksilla. Tällöin ylärakenteiden värähtelyt voivat olla suurempia kuin perustusten värähtelyt. Tärinä voimistuu. Kauempana tärinälähteestä tärinäaallot hajaantuvat (dispersio, kuva 18) ja rakenteiden kuormitus voi lähestyä resonanssitilannetta. KIRJALLISUUS Ewins,D.J. Modal Testing:Theory and Practice. Br_el & Kiær.1986. Hakulinen, M. Lahti, Teräsbetonipaalutus, tärinämittausraportti, Rakentamisen aiheuttamat tärinät - tutkimushanke, Tampereen teknillinen yliopisto. 2008a. Hakulinen, M. Lappeenranta, Pudotustiivistys, tärinämittausraportti, Rakentamisen aiheuttamat tärinät - tutkimushanke, Tampereen teknillinen yliopisto. 2008b.
31 Hakulinen, M. Lappeenranta, Teräsbetonipaalutus, tärinämittausraportti, Rakentamisen aiheuttamat tärinät - tutkimushanke, Tampereen teknillinen yliopisto. 2009a. Hakulinen, M. Kangasala, Teräsbetonipaalutus, tärinämittausraportti, Rakentamisen aiheuttamat tärinät - tutkimushanke, Tampereen teknillinen yliopisto. 2009b. Hakulinen, M. Kangasala, RR- paalutus, tärinämittausraportti, Rakentamisen aiheuttamat tärinät - tutkimushanke, Tampereen teknillinen yliopisto. 2009c. Hakulinen, M. Lappeenranta, Roudan rikkominen hydraulivasaralla, tärinämittausraportti, Rakentamisen aiheuttamat tärinät - tutkimushanke, Tampereen teknillinen yliopisto. 2009d. Hiller, D.M. and Crabb, G.I, Groundborne vibration caused by mechanised construction works, TRL Report 429, 2000. Dowding, C.H. Construction Vibrations, Practice Hall, 1976. Clough,R. and Penzien, J. Dynamics of structures, Mc Graw-Hill. 1975. Leppänen, H. Paalutuksesta ja pontituksesta aiheutuva tärinä, diplomityö, Tampereen teknillinen yliopisto. 2008. Niskanen, S. Lujuusoppi V b - Värähtelyoppia B 270. Otakustantamo. 1969. Talja, A Suositus liikennetärinän mittaamisesta ja luokituksesta, VTT Tiedotteita 2278, 2004. Talja, A., Vepsä, A., Kurkela, J. ja Halonen, M. Rakennukseen siirtyvän liikennetärinän arviointi, VTT Tiedotteita 2425. 2008.
32 RAKENTAMISEN AIHEUTTAMAT TÄRINÄT -PROJEKTI Rakenteiden tärinän ohjearvot Taustaselvitys
33 SISÄLLYS 1 JOHDANTO...34 2. TÄRINÄN OHJEARVOJEN PERUSTEITA...35 2.1 Taustaa...35 2.2 Tärinäsuureet...36 2.3 Tärinän vaikutusten luonne rakenteissa...37 2.4 Vaakasuuntainen tärinä lisää rasituksia...41 2.5 Ylärakenteiden värähtelyt...43 3. OHJEARVOJA...43 3.1 Massarch ja Broms...43 3.2 Suomalainen louhintatärinäkäytäntö...47 3.3 Ruotsalainen käytäntö pohjarakentamisessa...49 3.3 DIN 4150...50 3.4 Sveitsin normi...51 3.5 Yhdysvallat ja Iso-Britannia...52 4 JOHTOPÄÄTÖKSET...53
34 1 JOHDANTO Nykyaikaisen rakennuksen, varsinkin asuin- ja työpaikkarakennuksen vaipan on oltava mahdollisimman tiivis. Tällöin rakennuksen laadukas toiminta edellyttää, että rakenteet ovat jäykkiä ja lähes painumattomia. Tiivis jäykkä rakennus edistää paitsi rakenteellisesta turvallisuutta niin myös energiataloutta, käyttömukavuutta, palo- ja kosteusturvallisuutta, äänieristystä ja terveellisyyttä, sen värähtelytasot ovat alhaisia ja rakenteiden ja ulkopintojen kunnossapitotarve on pieni ja elinkaari pitkä. Yhteiskunnan kehittyessä tiiviin ja jäykän rakennuksen merkitys näyttää kasvavan. Rakennuksen kuntoon vaikuttaa sen elinkaaren aikana muiden kuormitusten lisäksi tärinäkuormitus. Rakennus pysyy paremmin kunnossa, kun sen lähialueella tapahtuva rakentaminen ei aiheuta tarpeettoman suurta tärinää. Perinteisesti on rakentamisen yhteydessä tarkasteltu louhintatärinää. Louhintatärinän lisäksi rakentamiseen liittyy lukuisa joukko menetelmiä, jotka aiheuttavat tärinää. Niiden aiheuttaman tärinän luonne mm. taajuus, voi poiketa merkittävästi louhintatärinästä. Tällöin louhintaa varten laaditut tärinän ohjearvot eivät aina sovellu muiden töiden aiheuttaman tärinän arviointiin. Kaupungistumisen myötä ja tekniikan kehittyessä joudutaan tulevaisuudessa ottamaan huomioon tarkemmin ihmisen häiriöksi kokema tärinä ja tärinälle herkkien laitteiden kestävyys ja käyttö. Olennainen kysymys on kuka määrittää tärinän ohjearvojen suuruuden; arkkitehti, rakenne-, pohja- tai kalliorakennesuunnittelija, tärinänmittaaja, urakoitsija, rakennuttaja, rahoittaja, vakuutusyhtiö, viereisen kiinteistöjen esimerkiksi sairaalan omistaja, kunta vai joku muu? Usein ajatellaan, että urakoitsija tai rakennuttaja voisi ottaa riskiä ja ylittää harkitusti ohjearvot. Tämä voi olla perusteltua työssä, jossa mahdolliset vahinkokustannukset voidaan selkeästi kohdistaa urakoitsijalle tai rakennuttajalle. Tällainen kohde voisi olla esimerkiksi suuren teollisuuslaitoksen sisällä tai kaivosalueella. Yleensä ja yhä useammin tärinän vaikutuksia tarkastellaan laajemmin. Kukin osapuoli arvioi vaikutuksia usein omasta näkökulmastaan. On yhteiskunnan etu ja tehtävä pyrkiä asiassa optimiratkaisuun, vaikka siihen ei olekaan selvää kaavaa tai tietä. Tärkeää on, että eri toimijat eivät pyri hakemaan taloudellista etua jonkin muun kustannuksella ja että toimijat pystyvät kantamaan ottamansa riskin joko itse tai vakuutustensa turvin. On myös tiedostettava, että osa riskeistä voi toteutua myöhemmin. Tällaisia ovat esimerkiksi tärinän välilliset ajan kuluessa tapahtuvat painumat löyhien hiekkamaiden varaan tehdyissä rakenteissa. Myös rakenteelliset vauriot voivat tulla esiin vasta ajan myötä. On hyvä, että ohjearvoilla on riittävästi varmuutta.
35 2. TÄRINÄN OHJEARVOJEN PERUSTEITA 2.1 Taustaa Ensimmäiset teoreettisesti perustellut maadynamiikan tutkimukset liittyivät maanjäristyksiin 1900- luvun alkupuolella. Toisen maailmansodan jälkeen rakennuskoneiden ja menetelmien, erityisesti louhinnan kehittyessä, on yhä enemmän kiinnitetty huomiota myös rakentamisen aiheuttamiin tärinöihin. Aluksi tärinänsietokyvyn arviointi kohdistui rakennuksiin ja rakenteisiin. Ensimmäiset tutkimustuloksiin perustuvat rakennusten ohjea-arvot otettiin käyttöön Ruotsissa 1950-luvulla ( kuva 1, Langefors ja Kihlström 1978). Kuva 1. Tärinän ja rakennusvaurioiden välinen riippuvuus (Langefors ja Kihlström 1978). Talot ovat kalliolle rakennettuja kivitaloja (Vuolio 1990). Rakenteiden tärinänsietoon vaikuttaa merkittävästi niiden aikaisempi kuormitushistoria ja rakenteiden kunto. Huonossa kunnossa oleva rakenne voi vaurioitua vähäisestäkin lisäkuormituksesta, esimerkiksi tärinästä. Se voi olla se viimeinen korsi, joka katkaisee kamelin selän (kuva 2). Rakenne vaurioituu, kun kuormitus eli jännitys ylittää rakenteen lujuuden, tavallisesti heikoimman vetolujuuden. Huonokuntoisen rakenteen elinkaari ly-