2.3 Eurokoodi
2.3.2 Taipuman rajoittaminen
kaavaan (22) (Homb 2006). Kaavassa käytettävä rakenteen ominaistaajuutta pienentävä massan määrä on maakohtainen ja yllä esitetty arvo 30 kg/m2 on esitetty Suomen kansalli-sessa liitteessä. Mikäli lattiarakenne on kahteen suuntaan kantava, ominaistaajuus voidaan laskea kaavasta:
missä, EIb on lattian taivutusjäykkyys pituusyksikköä kohden kohtisuoraan kanto-suuntaa vastaan [Nm2/m]
Kaavat 22 ja 23 pätevät suorakaiteen muotoisille vapaasti tuetuille laatoille, yhtälön 22 avulla voidaan myös määrittää palkkien alimpia ominaistaajuuksia.
2.3.2 Taipuman rajoittaminen
Kun kappaleessa 2.3.1 esitelty lattian värähtelykriteeri täyttyy (f1 > 9 Hz) tulee seuraavaksi tarkistaa lattian taipuma 1 kN pistekuormalla. Tarkastelun tarkoitus on varmistaa rakenteen riittävä jäykkyys, että lattia ei ole liian joustava (Talja et al. 2002; Wallner-Novak et al.
2014). Ihmisten kävelytaajuus on usein myös alhaisempi, kuin lattiarakenteen ominaistaa-juus, jonka takia resonanssin todennäköisyys on pieni. Tästä syystä lattiarakenteen vastetta ihmisen kävelylle arvioidaan 1 kN pistekuorman aiheuttamalla taipumalla (Jarnerö 2014), jossa kuorma kuvastaa ihmisen askelta rakenteen päällä. Eurokoodin mukaan lattiarakenteen ominaistaajuuden ollessa alle 8 Hz (Suomessa 9 Hz) seuraavat ehdot tulee tarkistaa:
𝑤
𝐹 ≤ 𝑎 [𝑚𝑚/𝑘𝑁] ( 24 )
ja
𝑣 ≤ 𝑏(𝑓1ξ−1)[𝑚/𝑁𝑠2] ( 25 )
missä, w on suurin hetkellinen taipuma, jonka aiheuttaa pystysuorapistekuorma F (=1kN), joka vaikuttaa missä tahansa lattian kohdassa, kuormien jakautumi-nen huomioon otettuna
v on yksikköimpulssin aiheuttama lattian pystysuoran värähtelynopeuden suurin alkuarvo [m/s], jonka aiheuttaa ideaalinen yksikköimpulssi (1 Ns), joka asetetaan vaikuttamaan suurimman vasteen aiheuttavaan lattian kohtaan ξ on värähtelymuotoa vastaava vaimennussuhde
a on raja-arvo, joka määräytyy kuvan 11 perusteella
Värähtelynopeuden likimääräisenä alkuarvona voidaan käyttää suorakaiteen muotoisella neljältä reunalta vapaasti tuetulle laatalle arvoa:
𝑣 =4×(0,4+0,6𝑛40)
𝑚×𝑏×𝑙+200 ( 26 )
missä, n40 on ominaismuotojen lukumäärä, jota vastaava ominaistaajuus on enintään 40 Hz
24
Ominaismuotojen lukumäärä voidaan määrittää kaavasta:
n40= {((40
f1)2− 1) × (b
l)2× (EI)l
(EI)b}
0,25 ( 27 )
Eurokoodin Suomen kansallisessa liitteessä 1 kN pystysuuntaisen taipuman raja on w ≤0,50 mm, kun lattian jänneväli on pienempi tai yhtä suuri kuin 6 m. Raja on koko Euroopan tiukin, keskiarvon ollessa 1,23 mm (Zhang et al. 2013). Euroopan maissa määriteltyjä taipuman raja-arvoja jänneväliltään kuusi metriä pitkille lattiarakenteille on havainnollistettu kuvaa-jassa 1. Suomen kansallisessa liitteessä vapaasti tuetun yksi aukkoisen yhteen suuntaan kan-tavan lattiapalkin taipuma 1kN pistekuormalla lasketaan kaavasta:
𝑤 = 𝑚𝑖𝑛 {
Fl2 42×kw×(EI)l
Fl2 48×s×(EI)l
( 28 )
missä, s on lattiapalkkien välinen etäisyys 𝑘𝑤 = √(EI)b
(EI)l
4 , 𝑚𝑢𝑡𝑡𝑎 𝑘𝑤 ≤𝑏
𝑙
Mikäli laattarakenteen jänneväli on pieni, voidaan sallittua 0,5 mm taipumarajaa kasvattaa kertoimella k (kuva 12). Kuvasta voidaan huomata, että jännevälin ollessa alle 6 metriä ker-roin k on suurempi, kuin yksi ja näin ollen korotus voidaan tehdä (Ympäristöministeriö 2016).
Kuva 12. Taipumarajan korotuskertoimen k riippuvuus lattian jännevälistä (Ympäristöministeriö 2016, s.18)
25
Kuvaaja 1. 1kN staattisen pistekuorman sallitut rajat eri Euroopan maissa (Zhang et al. 2013) 2.3.3 Uusi Eurokoodi luonnos
Puurakenteiden Eurokoodista (SFS-EN 1995) on tulossa uusittu versio, jossa CLT-rakentei-den laskentaa ja puurakenteiCLT-rakentei-den värähtelymitoitusta on tarkennettu. Uudesta standardista on tällä hetkellä saatavilla luonnosversio, jota voidaan käyttää rakenteiden suunnittelussa. Uu-sittu standardi sisältää myös matalataajuuslattioiden mitoituskriteerin. Standardissa lattian taso jaetaan sen suorituskyvyn mukaan luokkiin I, II, III, IV, V ja VI, tason I kuvatessa parhaiten toimivia lattiarakenteita. Lattiarakenteiden jakoon eri luokkiin vaikuttavat raken-teen jäykkyys, jota arvioidaan nykyisen standardin tavoin 1 kN staattisen pistekuorman ai-heuttaman taipuman avulla, sekä vastekertoimen R avulla. Vastekerroin kuvastaa rakenteen värähtelyn hyväksyttävyyttä ja sille annetut raja-arvot perustuvat nykyisitä lattiarakenteista tehtyihin havaintoihin. Eri luokkien raja-arvot on esitetty taulukossa 3 Standardin luonnok-sessa eri suorituskyvyn omaavat lattiat on jaettu rakennuksen käyttötarkoituksen mukaan:
laadukkaaseen -, perustason -ja taloudelliseen ratkaisuun, jako on esitetty taulukossa 4. Lat-tiarakenteiden ominaistaajuuden alarajaksi on asetettu 4,5 Hz. Alimman ominaistaajuuden ollessa alle 8 Hz, lattia luokitellaan matalataajuuslattiaksi ja sen suunnittelussa tarkastetaan tällöin kiihtyvyyskriteerin toteutuminen. Alimman ominaistaajuuden ollessa yli 8 Hz lattia luokitellaan korkeataajuuslattiaksi, jollin tarkistetaan nopeuskriteerin toteutuminen. (CEN 2020a, CEN 2020b)
Taulukko 3. Eri lattioiden luokitusten kriteerit (CEN 2020a) Lattian suorituskyky
Kriteeri Taso
I Taso II Taso III Taso IV Taso V Taso VI
Jäykkyys, kaikille lattioille
Taipumarajat Euroopassa, L=6 m
26 Taajuus, kaikille
lattioille
Nopeus, lattioille, joilla f1≥ 8Hz vrms [m/s] ≤
0,0001R
Taulukko 4. Suositeltu suorituskyky lattiarakenteille rakennuksen käyttötarkoituksen mu-kaan (CEN 2020a)
Käyttötarkoitus Laatu Perustaso Taloudellinen
Asuinrakennukset
Standardin uudessa luonnoksessa rakenteen ominaistaajuus voidaan laskea, joko rakenteen jäykkyyteen perustuvalla kaavalla tai rakenteen taipumaan perustuvalla kaavalla. Lisäksi luonnoksessa esitetyissä kaavoissa annetaan myös menetelmä, jolla voidaan huomioida jous-tavien tukien, kuten palkkien, vaikutus koko systeemin alimpaan ominaistaajuuteen. Lisäksi ominaistaajuus voidaan laskea värähtelevän systeemin alimpana ominaistaajuutena, kun laatta tukeutuu molemmista päistään taipuvaan palkkiin. Kaavoissa huomioidaan lisäksi laa-taston jatkuvuus sekä shear-lag ilmiö, laatan tehollisen leveyden laskennalla. Alimman omi-naistaajuuden laskenta kaavat uuden Eurokoodiluonnoksen mukaan on esitetty kaavoissa 29, 30 ja 31. (CEN 2020b)
27
𝑓1 = √ 1 1
𝑓1,𝑙𝑎𝑎𝑡𝑡𝑎2+ 1
3𝑓1,𝑡𝑢𝑘𝑖,12+ 1
3𝑓1,𝑡𝑢𝑘𝑖,22 ( 31 )
missä ke,1 on rakenteen jatkuvuuden ja tuentatavan huomioiva kerroin (yksiaukkoi-sella nivelellisesti tuetulla laatalla ke,1=1)
ke,2 on rakenteen poikittaisjäykkyyden huomioiva kerroin, joka voidaan mää-rittää kaavan 32 perusteella
wsys on systeemin taipuma rakenteen oman painon vaikutuksesta, jossa huo-mioidaan mahdollisten joustavien tukien taipuma
f1, tuki,1 ja f1, tuki,2 ovat laatan tukipalkkien alimmat ominaistaajuudet ke,2 = √1 + (L
B)4(EIb
EIL) ( 32)
2.4 Aikaisempi tutkimus väliseinien vaikutuksista laattarakentei-den värähtelyyn
Väliseinien vaikutusta lattiarakenteiden värähtelyyn on tutkittu jo kauan sekä empiirisesti, laskennallisesti, että kokeellisesti. Tutkimusta ovat edistäneet mm. Lenzen (1966), Pernica (1988), Hu & Tardif (1999), Talja et al. (2002), Ljunggren (2006), Ljunggren & Ågren (2006) sekä Jarnerö et al (2015). Tutkimuksissa on selvitetty kokeellisesti väliseinien vaiku-tusta puu-, betoni- ja betoni-teräs-liittorakenteisille laattarakenteille. Tässä kappaleessa ker-rotaan edellä mainittujen tutkimusten löydöksistä sekä niiden perusteluista. Kappaleen on tarkoitus toimia pohjustuksena sitä seuraavaan tutkimuksen kokeelliseen osaan.
2.4.1 Betonirakenteisten laattojen värähtely
Lenzen (1966) tutki systemaattisesti betonirakenteisen laattarakenteiden värähtelykäyttäy-tymistä. Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti rakenteen ominaistaajuuksiin, vaimennussuh-teisiin ja siihen, miten värähtelyä pystytään vaimentamaan. Tutkimuksia suoritettiin sekä laboratorio-olosuhteissa, että työmailla ja jo valmistuneissa rakennuksissa. Työmailla ja val-miissa rakennuksissa tutkittuja rakenteita oli yhteensä 46. Rakennukset olivat käyttötarkoi-tukseltaan mm. asuinrakennuksia, toimistoja, kirkkoja ja luokkahuoneita. Kuten jo kappa-leessa 2.2.5 todettiin, tutkimuksen perusteella tehokkaimman vaimennuksen rakenteiden vä-rähtelylle aiheuttavat ihmiset. Tutkimuksessa havaittiin myös, että monet rakennuksen kom-ponentit, kuten väliseinät vaimentavat osaltaan värähtelyä. Väliseinien todettiin tutkimuk-sessa olevan erittäin tehokkaita värähtelyn vaimennuktutkimuk-sessa. Tämä huomattiin, kun vertail-tiin tuloksia asuinrakennuksista ja tiloista, joissa väliseiniä on yleisesti melko vähän, esimer-kiksi kirkoissa ja luokkahuoneissa. Tulosten perusteella vaimennus oli suurempaa tiloissa, joissa oli väliseiniä, kuin niissä, joissa väliseinä oli vähän tai ei ollenkaan. Väliseinistä ai-heutuva vaimennus johtui luultavimmin rakenteiden sisäisestä kitkasta, sekä väliseinien ja välipohjien liitosten välisestä kitkasta.
28
2.4.2 Kevyiden väliseinien vaikutus liittolaattoihin
Pernica (1989) tutki kevytrakenteisten väliseinien vaikutusta betoni-teräs liittorakenteisen välipohjarakenteen värähtelykäyttäytymiseen työmaaolosuhteissa. Tutkitttavan rakenteen alla ei ollut väliseiniä tai alaslaskettua kattoa, jotka voisivat mahdollisesti osaltaan vaikuttaa laatan toimintaan. Tutkimuskohteen väliseinät olivat teräsrankarakenteisia väliseiniä, jotka oli verhoiltu kipsilevyillä. Väliseiniä oli laatan päällä useita ja niitä oli rakennettu laatan kantosuuntaan nähden molempiin suuntiin. Tutkimuksessa oli tarkoitus selvittää lattiaraken-teen kuuden ensimmäisen värähtelymuodon ominaisuudet. Mittaukset toteutettiin siten, että lattialle aiheutettiin impulssinomainen kuorma, joka toteutettiin kantapäille pudottautumalla kahdessa eri kohdassa lattian jännevälin keskellä. Kummassakin kohdassa impulsseja aiheu-tettiin kahdeksan kappaletta 30 sekunnin tauotuksella. Tämän jälkeen laatan värähtelykäyt-täytymisestä kerättiin dataa kiihtyvyysanturien avulla, jotka sijaitsivat lattian jännevälin kes-kellä. Koehenkilö, joka toteutti kantapäillepudottautumisen paino, oli n. 930 N.
Tutkimuksessa havaittiin väliseinien aiheuttavan värähtelyominaisuuksia parantavia vaiku-tuksia lattiarakenteelle. Ensimmäinen ominaistaajuus kasvoi 3 % verrattuna lattiaan ilman väliseiniä ja korkeammat ominaistaajuudet kasvoivat suurimmillaan jopa 23 %. Tämän ar-veltiin johtuvan siitä, että väliseinät jäykistävät rakennetta merkittävästi. Eräs mielenkiintoi-nen havainto tehtiin liittyen väliseinään, joka kulki koko rakenteen läpi ollen kohtisuorassa laatan pääkantosuuntaan nähden. Väliseinän havaittiin toimivan viivatukena laattaraken-teelle, minkä takia ensimmäisen ominaistaajuuden ominaismuoto vastasi toisen ominaistaa-juuden muotoa (Kuva 7), koska väliseinä rajoitti laatan taipumaa eikä näin ollen ensimmäistä ominaismuotoa päässyt syntymään. Myös ominaistaajuuksien vaimennussuhteet kasvoivat kaikilla ominaistaajuuksilla. Ensimmäisellä ominaistaajuudella vaimennussuhteen kasvu oli vähäisintä. Yksittäisten väliseinien vaikutusta laattarakenteen värähtelyyn ei pystytty tutki-muksessa selvittämään, sillä mittaukset toteutettiin vasta, kun kaikki väliseinät olivat raken-nettuna. (Pernica 1989)
2.4.3 Kevyiden väliseinien vaikutus puurakenteisiin laattoihin
Hu & Tardiff (1999), tutkivat väliseinien vaikutusta välipohjien värähtelyyn laboratorio-olo-suhteissa, tutkittava rakenne oli puurakenteinen ripalaatta. Laatan päälle tehtiin puuraken-teisia kevyitä (22 kg/m) rankaväliseiniä, jotka kiinnitettiin mekaanisesti ruuvikiinnityksin tutkittavaan laattarakenteeseen. Tutkimuksessa mitattiin 1kN staattisen pistekuorman ai-heuttamaa taipumaa siten että, n. 1 kN painoinen koehenkilö seisoi rakenteen päällä, minkä jälkeen mitattiin rakenteen ominaistaajuutta täristimien ja kiihtyvyysanturien avulla. Mit-taukset järjestettiin neljällä eri väliseinäkonfiguraatiolla. Ensin mitMit-taukset tehtiin rakenteelle ilman väliseiniä, tämän jälkeen mitattiin halutut suureet siten, että väliseinät olivat rakenteen kantosuunnan kanssa yhdensuuntaiset, minkä jälkeen väliseinät asetettiin kohtisuoraan kan-tosuuntaa vastaan. Viimeiseksi mittaukset tehtiin L-muotoisella väliseinä kotelorakenteella, joka asetettiin testilaatan nurkkaan.
Väliseinien havaittiin parantavan rakenteen värähtelyominaisuuksia väliseinien ollessa kan-tosuunnan kanssa yhdensuuntaiset sekä seinen ollessa kantosuuntaa vastaan kohtisuorassa.
L-muotoinen kotelorakenne heikensi ominaisuuksia. Väliseinien ollessa kohtisuorassa laa-tan kantosuuntaan nähden staattisen pistekuorman aiheuttama taipuma pieneni 53 % lattian keskellä ja 73 % suoraan väliseinän alla, rakenteen ominaistaajuus kasvoi 12 %. Tämän pää-teltiin johtuvan siitä, että väliseinä parantaa rakenteen poikittaisjäykkyyttä sekä kasvattaa
29
rakenteen massaa. Näiden yhteisvaikutuksesta rakenteen alkunopeus on pienempi. Poikit-taisjäykkyyden kasvaminen on riippuvainen seinän ja laatan liitoksen jäykkyydestä. Kun lii-tos on suhteellisen jäykkä laatta ja väliseinä toimivat ikään kuin T-poikkileikkauksena, vaikka väliseinää ei ole tarkoitettu rakenteelliseksi elementiksi. (Hu & Tardif 1999)
Väliseinien ollessa yhdensuuntaiset laattarakenteen kantosuunnan kanssa vaikutukset väräh-telykäyttäytymiseen olivat samat, kuin väliseinien ollessa kohtisuoraan kantosuuntaa näh-den. Staattinen taipuma pieneni, ominaistaajuus ja vaimennussuhde kasvoivat. Vaikutukset olivat kuitenkin suhteellisesti pienemmät, kuin väliseinien ollessa kohtisuorassa kantosuun-taan nähden. Tässä tapauksessa vaikutusten todettiin johtuvan siitä, että väliseinät vahvista-vat lattiarakenteen kantavia palkkeja. Toisin sanoen rakenteen taivutusjäykkyys kantosuun-taan on hieman suurempi, kuin ilman väliseiniä, mutta väliseinät myös luovat viivakuorman palkeille niiden ollessa suoraan palkkien päällä. Viivakuorman takia laatan pitkäaikaiset tai-pumat ovat suurempia, mikä on joissain tilanteissa johtanut siihen, että väliseinän läheisyy-teen asetelluista esineistä ja kasveista on pystytty havaitsemaan käyttömukavuuden kannalta epämukavia värähtelyitä muita tilanteita useammin. (Hu & Tardif 1999)
Hu & Tardif (1999) totesivat tutkimuksessaan L-muotoisen väliseinäkotelon olevan laatan värähtelykäyttäytymisen kannalta huonoin vaihtoehto. Rakenteen taipumat olivat muiden lanteiden tavoin pienempiä, mutta rakenteen ominaistaajuus laski jopa 20 % verrattuna ti-lanteeseen, jossa väliseiniä ei ollut. Ominaistaajuuden vaimennussuhde oli vain 2,3 %, kuin muissa tilanteissa vaimennussuhde saattoi olla jopa 6–7 %. Tutkimuksessa todettiin, että ra-kenteen värähtelyominaisuus riippuu pitkälti väliseinän koosta, sijainnista sekä orientaati-osta laatan kantosuuntaan nähden. Väliseinien rakenteeseen ja käytettyihin materiaaleihin ei pystytty tutkimuksessa ottamaan kantaa, koska testit suoritettiin vain yhdenlaisilla välisei-nillä.
2.4.4 Lattioiden värähtelyt, suunnittelu ja kokeellinen arviointi
Talja et al. (2002) tutkivat menetelmiä, joilla voidaan arvioida asuin- ja toimistorakennusten välipohjiin kävelystä aiheutuvien värähtelyjen suuruutta ja haitallisuutta. Tutkimuksessa to-detaan, että väliseinät voivat joissakin tapauksissa parantaa korkeataajuuslattioiden ominai-suuksia. Väliseinät muuttavat lattian värähtelykäyttäytymistä, sillä ne lisäävät lattian mas-saa, mikä johtaa ominaistaajuuden ja vaimennussuhteen muutokseen. Vaikutuksen todetaan olevan suurin, kun väliseinät ovat kohtisuorassa laattarakenteen kantosuuntaan nähden.
Tämä perustuu Hu & Tardif (1999) tekemiin löydöksiin. Väliseinien parantavaan vaikutuk-seen vaikuttaa mm. väliseinätason leikkausjäykkyys, johon vaikuttaa käytetyt rakennusma-teriaalit, käytetyt kiinnittimet sekä väliseinissä olevat mahdolliset aukot. Lisäksi väliseinän ja lattian välisen liitoksen sekä rakenneosan paikallisen jouston erityisesti liittimien välittö-mässä läheisyydessä todetaan vaikuttavan laattarakenteen värähtelykäyttäytymiseen. Tutki-muksessa todetaan, että väliseinien vaikutusta on toistaiseksi vaikeaa laskennallisesti arvi-oida ja arvioinnissa täytyy nojata kokemusperäiseen tietoon. Tutkimuksessa kuitenkin ehdo-tetaan, että välipohjille, joiden päällä on paljon ei-kantavia rakenteita, voitaisiin värähtely-mitoituksessa käyttää suurempaa vaimennussuhteen arvoa, kuin standardit tällä hetkellä määräväät.
30
2.4.5 Dynaaminen ja subjektiivinen analyysi kevyiden laattarakenteiden vä-rähtelystä
Ljunggren & Ågren (2006) tutkivat laboratorio-olosuhteissa teräsrakenteisen välipohjara-kenteen värähtelykäyttäytymistä ja väliseinien vaikutusta siihen. Mittauksia teetettiin yh-teensä kahdeksan, joissa rakenteen reunaehtoja ja käytettyjä materiaaleja vaihdeltiin mit-tauksen mukaan. Testirakenne koostui lattiapalkkeina toimineista teräksisistä C-profiileista, teräspoimulevystä sekä poimulevyn päälle tehtävästä valusta. Valu tehtiin sekä betonista, että kipsistä, jolloin rakenne luokiteltiin kevytrakenteiseksi. Väliseinien vaikutusta simuloi-tiin asettamalla laatan päälle liimapuupalkkeja (n.60 kg/m). Väliseinien yksinkertaistaminen palkeiksi todettiin vaikuttavan tuloksiin siten, että ne eivät anna täydellistä kuvaa väliseinien vaikutuksesta rakenteen toimintaan. Liimapuupalkkien paino on myös huomattavasti suu-rempi, kuin esimerkiksi Hu & Tardif (1999) tekemässä tutkimuksessa. Mittauksissa vaihdel-tiin väliseinien kiinnityksen astetta laattarakenteeseen käyttämällä eri pituisia ruuveja, minkä todettiin vaikuttavan liitoksen jäykkyyden tasoon ja tämän myötä rakenteen värähtelykäyt-täytymiseen. Pidemmillä ruuveilla liittorakennevaikutus oli suurempi ja näin ollen laatan taivutusjäykkyys myös kasvoi hieman.
Tutkimuksessa huomattiin, että väliseiniä lisäämällä ensimmäinen ominaistaajuus kasvoi n.1,5–2,0 Hz, minkä lisäksi ominaistaajuuksien vaimennussuhde kasvoi kaikilla taajuuksilla.
Vaimennussuhteen kasvun todettiin johtuvan väliseinän ja laatan liitoksessa sekä väliseinien sisäisissä liitoksissa syntyvän kitkan takia. Väliseinien vaikutus laatan värähtelykäyttäyty-miseen todettiin johtuvan väliseinän rakenteesta sekä sijainnista ja orientaatiosta, laatan ja seinän välisen mekaanisen kiinnityksen asteen ei havainnoitu vaikuttavan ominaistaajuuk-siin tai vaimennussuhteiominaistaajuuk-siin merkittävästi. Havainnot siis tukivat Pernica (1989) sekä Hu &
Tardif (1999) jo aiemmin tekemiä löydöksiä väliseinien vaikutuksista lattarakenteen väräh-telykäyttäytymiseen. Väliseinien ollessa tukien päällä niiden todettiin kasvattavan ominais-taajuuksia merkittävästi. Tämä johtuu siitä, että väliseinä tuen päällä tekee tuesta jäykemmän ja näin ollen muokkaa rakenteen reunaehtoja. Raskaammilla seinillä vaikutus oli tällöin suu-rempi. (Ljunggren & Ågren 2006)
2.4.6 Puurakenteisen lattian dynaamiset ominaisuudet
Jarnerö et al. (2015) tutkivat puurakenteisten välipohjien värähtelykäyttäytymistä sekä työ-maa-, että laboratorio-olosuhteissa. Tutkimuksessa pyrittiin selvittämään, miten välipohja-rakenteen värähtelykäyttäytyminen muuttuu, kun se integroituu osaksi muita rakenteita ja alkaa toimimaan osana suurempaa kokonaisuutta. Tutkittavana rakenteena toimi kahdeksan kerroksisen puukerrostalon välipohjarakenne, joka koostui kolmilamellisesta CLT-laatasta ja siihen liimatuista ja ruuvatuista liimapuupalkeista. Liimattu ja ruuvattu liitos palkkien ja laatan välillä takasi sen, että rakenne toimi T-poikkileikkauksen tavoin. Tutkittavan laatta-elementin paksuus oli 73 mm ja liimapuupalkkien poikkileikkauksen dimensiot olivat sijain-nista riippuen joko 42x22 mm2 tai 56x180 mm2. Tuilla CLT-laattojen alle oli asennettu täri-näeristeeksi ja runkoäänien sivutiesiirtymän estämiseksi Sylodyn® ja Sylomer® eristettä.
Sylodyn® ja Sylomer® ovat suljettusoluisia polyuretaanielastomeerejä, joita käytetään usein rakenteiden tärinäeristeenä.
Mittaukset toteutettiin seitsemässä osassa: ensin tutkittiin irrallisen laatan toimintaa labora-torio-olosuhteissa, minkä jälkeen mittaukset siirrettiin työmaalle, jossa ensimmäinen mittaus tehtiin, kun laattaelementti oli irrallaan muista rakenteista, minkä jälkeen mittaus tehtiin
31
uudestaan laatan ollessa kiinnitettynä viereisiin elementteihin. Tämän jälkeen mittaukset toistettiin, kun rakennuksen neljännen kerroksen kantavat seinät oli rakennettu. Seuraava mittaus tehtiin, kun kuudennen ja seitsemännen kerroksen kantavat seinät olivat asennettu.
Viimeiset mittaukset toteutettiin, kun rakennuksen kahdeksannen kerroksen kantavat seinät olivat asennettuna, jonka lisäksi testihuoneen kevyet väliseinät sekä seinien ja katon levy-tykset ja muut viimeistelytyöt olivat myös valmiina. Mittaukset toteutettiin työmaalla raken-nuksen kolmannessa kerroksessa sijainneessa testihuoneessa. Laboratoriomittauksissa laatta oli tuettu kahdelta reunalta liimapuupalkein ja teräsprofiilein. Sekä työmaalla, että laborato-riossa dynaaminen ärsyke tuotettiin laattarakenteelle sähkökäyttöisten täristimien avulla ja dataa kerättiin kiihtyvyysantureilla. (Jarnerö et al. 2015)
Jarnerö et al. (2015) huomasivat tutkimuksessaan, että yksittäisen laattarakenteen värähtely-käyttäytymiseen vaikuttavat merkittäväsi väliseinät ja muut sekundääriset rakenteet, suori-tetaanko mittaukset laboratoriossa vai työmaalla, rakennuksen valmiusaste sekä elementtien kiinnitys ja toiminta toistensa kanssa. Laboratoriossa mitattu laatan alin ominaistaajuus oli 8,8 Hz ja vaimennussuhde 1,4 %. Kun elementti oli työmaalla kiinnitetty ympäröiviin ele-mentteihin, alin ominaistaajuus sai arvon 21,4 Hz ja vaimennussuhde kasvoi 5,7 %:iin. Suu-rimmillaan rakenteen alin ominaistaajuus ja vaimennussuhde olivat, kun rakennuksen nel-jännen kerroksen kantavat seinät oli rakennettu, jolloin alin ominaistaajuus oli 22,8 Hz ja vastaava vaimennussuhde 8,8 %. Tämän jälkeen ominaistaajuus ja vaimennussuhde laskivat arvoihin 20,7 Hz ja 7 %. Laskun arveltiin johtuvan ylempien kerrosten asennuksesta, minkä takia kuormat tuilla kasvavat ja testikerroksen CLT-laatan tuenta jäykistyi. Rakennuksen ylimmän kerroksen ja väliseinien rakentamisen jälkeen rakenteen alin ominaistaajuus nousi arvoon 21,7 Hz, mutta vaimennussuhde pieneni 0,5 %.
Tutkimuksen perusteella suurin vaikutus laattarakenteen värähtelykäyttäytymiseen on sen integroitumisella muihin rakenteisiin ja yhteistoiminta ympäröivien rakenteiden kanssa. Il-miö johtuu laattaelementin reunaehtojen muutoksesta. Kun elementti kiinnitetään viereisiin elementteihin, sen pitkien sivujen tuenta muuttuu vapaasta joustavaksi niveltuennaksi, näin ollen elementti alkaa käyttäytymään kuin kahteen suuntaan kantava laatta. Väliseinien vai-kutus huomattiin mittausten viimeisessä vaiheessa, minkä perusteella väliseinien asennus testihuoneeseen kasvatti rakenteen ominaistaajuutta, mutta pienensi vaimennusta. Vaimen-nuksen pieneneminen johtui luultavammin väliseinien muodosta ja massasta. Väliseinät asennettiin L-muotoon, jolloin vaimennussuhde pieneni 0,5 %. Tulos on linjassa Hu & Tar-dif (1999) tutkimuksen kanssa, jossa todettiin kyseisen muodon olevan kaikkein epäedullisin laattarakenteen värähtelyn kannalta. Väliseinillä on kuitenkin jäykistävä sekä massaa lisäävä vaikutus rakenteeseen, minkä vuoksi ominaistaajuus kasvaa, kuten Pernica (1989), Hu &
Tardif (1999) sekä Ljunggren & Ågren (2006) tutkimuksissa on jo aikaisemmin havainnoitu.
Mitattu vaimennussuhde (6–7 %) oli kuitenkin huomattavasti suurempi kuin Eurokoodissa määritelty 1 %. Vaimennussuhdetta eniten kasvattavat laattaelementin kiinnitys muihin ele-mentteihin, minkä osuus on noin 39 %, lisäkerrosten, viimeistelytöiden ja väliseinien vaiku-tus vaimennuksesta on noin 12 %. (Jarnerö et al. 2015)
2.4.7 Tutkimusten yhteenveto
Kappaleessa esiteltyjen tutkimusten tulokset ovat toistensa kanssa samankaltaisia, mikä ker-too siitä, että väliseinät muokkaavat laatan jäykkyyttä ja massaa, minkä takia ominaistaajuus ja vaimennussuhde usein kasvavat riippuen väliseinien muodosta ja staattisten kuormien ai-heuttamat taipumat pienenevät. Laattarakanteiden värähtelykäyttäytymisen kannalta paras
32
vaikutus saadaan aikaan, kun väliseinät tehdään kohtisuoraan laatan pääkantosuuntaa vas-taan. Tällöin laatan poikittaisjäykkyys kasvaa, mikä vaikuttaa merkittävästi ominaistaajuuk-siin, vaimennukseen sekä taipumiin. Mikäli väliseinillä on vain massaa lisäävä vaikutus ra-kenteeseen, kuten L-muotoisen seinän tapauksessa vaimennus pienenee, kuten kappaleessa 2.2.5 kerrottiin.
33
3 Tutkimuskohteet ja -menetelmät
Tässä kappaleessa kerrotaan tutkimuksessa käytetyistä tutkimusmenetelmistä, tutkimusolo-suhteista sekä niiden valintaperusteista ja soveltuvuudesta tutkimuksen toteutukseen. Kap-paleessa esitellään myös tutkimuksessa käytetty mittauslaitteisto sekä mittausdata analysoin-tiin käytetyt työkalut ja ohjelmistot sekä niiden ominaisuudet ja rajoitteet. Kappaleen lopuksi esiteellään tutkimuksessa käytetyt referenssikohteet. Referenssikohteet esitellään yleisesti, sekä niiden rakenneratkaisuihin ja liitosdetaljikkaan paneudutaan niiltä osin, kuin se on tä-män tutkimuksen kannalta merkityksellistä ja tarpeellista, jotta tutkimuksen tulosten analy-soinnissa, joka tapahtuu kappaleessa 4, voidaan tehdä oikeita olettamuksia ja johtopäätöksiä välipohjien värähtelyyn vaikuttavista tekijöistä. Referenssikohteiden osalta esitellään myös kussakin kohteessa suoritettujen mittausten mittausjärjestelyt sekä perustellaan niiden käyt-töperusteet.
3.1 Tutkimusmenetelmät
Tässä kappaleessa kerrotaan tutkimuksen kokeellisessa osuudessa käytetyistä menetelmistä, joiden avulla pyrittiin selvittämään kolmen tutkitun referenssikohteen CLT-välipohjien vä-rähtelykäyttäytymistä. Mittauksen toteutuksessa noudatettiin Talja et al. (2002) ohjeistusta kevytrakenteisten laattarakenteiden kokeellisesta testauksesta sekä standardin SFS-EN 16929 (2018) mukaisia ohjeita. Kappaleessa kerrotaan ensin värähtelyherätteen synnyttämi-seen käytetyistä metodeista, minkä jälkeen esitellään toimenpiteet, joiden avulla laattaraken-teiden värähtelyä tutkimuksessa arvioitiin. Tämän jälkeen esitellään, miten mittaukset jak-sotettiin tutkimuksen aikana ja lopuksi kerrotaan mittausten toteutusolosuhteista. Kussakin kappaleessa perustellaan tutkimuksen toteutuksessa valitut toimenpiteet ja metodit, jotta nii-den valintaperusteet ja toimivuus tutkimuksen toteutusta ajatellen voidaan varmentaa.
Koska tutkimus keskittyy nimenomaan CLT-rakenteisiin välipohjiin, jotka useimmiten mi-toitetaan standardien mukaan korkeataajuuslattioina, värähtelymittauksissa ja mitatussa da-tassa keskityttiin korkeataajuuslattioita mitoittaviin suureisiin. Tutkimuksen kokeellisen osan mittauksissa välipohjien värähtelyä tutkittiin kiihtyvyysantureiden avulla. Mitattava suure oli siis aiheutetun värähtelyn kiihtyvyys eri kohdissa laattaa. Mitattujen kiihtyvyyksien avulla määritettiin seuraavat korkeataajuuslattioiden värähtelyn kannalta olennaiset suuret:
• Välipohjarakenteen alin ominaistaajuus
• Alinta ominaistaajuutta vastaavan kiihtyvyyskomponentin suuruus
• Alimman ominaistaajuuden vaimennussuhde
Tutkimuksessa käytetyt mittausalueet pyrittiin mahdollisuuksien mukaan valitsemaan siten, että dataa pystyttiin keräämään alueilta, joissa rakennuksen ei-kantavat väliseinät olivat vä-lipohjalaataston pääkantosuuntaa vastaan kohtisuorassa ja alueilta, joissa ei-kantavat väli-seinät olivat välipohjalaataston pääkantosuunnan kanssa yhdensuuntaiset. Valituilla menet-telyillä haluttiin tutkia, miten ei-kantavien väliseinien orientaatio kantavan välipohjapalkis-ton kantosuuntaan nähden vaikuttaa laatasvälipohjapalkis-ton värähtelykäyttäytymiseen ja yllä lueteltuihin tutkittuihin suureisiin. Yllä lueteltujen suureiden lisäksi välipohjien värähtelyä pyrittiin ar-vioimaan myös aistinvaraisin havainnoin, jotta saatiin kokonaiskuvaa lattian toiminnasta ja olivatko mitatut lattiat käyttäjien kannalta toimivia. Eurokoodi 5:en mukaan lattiat on
34
ominaistaajuuden ja taipumakriteerien lisäksi suunniteltava myös toimiviksi (SFS-EN 1995-1-1).
3.1.1 Värähtelyherätteen aiheuttaminen
Tutkimuksen kokeellisen osuuden värähtelymittauksissa välipohjarakenteiden värähtelyhe-räte aiheutettiin laatastolle kävelemällä ennalta määrättyä reittiä, jolloin reitin varrella olevat kiihtyvyysanturit pystyivät mittaamaan kävelyn aiheuttamia laataston kiihtyvyyksiä. Kus-takin tutkittavasta kohteesta laadittiin erilliset kävelykartat, joiden reitit pyrittiin määrittä-mään siten, että toinen reiteistä kulkee alueella, jossa rakennuksen ei-kantavat väliseinät oli-vat kantavan välipohjalaataston pääkantosuuntaa vastaan kohtisuorassa, toinen kävelyreitti pyrittiin määrittämään siten, että se kulkee alueella, jossa rakennuksen ei-kantavat väliseinät olivat kantavan laataston pääkantosuunnan kanssa yhdensuuntaiset. Kävelyreittien valin-nassa pyrittiin myös huomioimaan, että reitti kulkee sen pisteen läpi tai mahdollisimman
Tutkimuksen kokeellisen osuuden värähtelymittauksissa välipohjarakenteiden värähtelyhe-räte aiheutettiin laatastolle kävelemällä ennalta määrättyä reittiä, jolloin reitin varrella olevat kiihtyvyysanturit pystyivät mittaamaan kävelyn aiheuttamia laataston kiihtyvyyksiä. Kus-takin tutkittavasta kohteesta laadittiin erilliset kävelykartat, joiden reitit pyrittiin määrittä-mään siten, että toinen reiteistä kulkee alueella, jossa rakennuksen ei-kantavat väliseinät oli-vat kantavan välipohjalaataston pääkantosuuntaa vastaan kohtisuorassa, toinen kävelyreitti pyrittiin määrittämään siten, että se kulkee alueella, jossa rakennuksen ei-kantavat väliseinät olivat kantavan laataston pääkantosuunnan kanssa yhdensuuntaiset. Kävelyreittien valin-nassa pyrittiin myös huomioimaan, että reitti kulkee sen pisteen läpi tai mahdollisimman