9 Värähtely ja tärinä - MyCourses - Aalto

Meluntorjunta ELEC-E5640
Värähtely ja tärinä.
5.10.2015
Valtteri Hongisto
[email protected]
PERUSSUUREET
• Poikkeama s
• Värähtely = kiinteässä
kappaleessa tapahtuva
ajallisesti muuttuva
liikepoikkeama
• Tärinä = aistikynnyksen
ylittävä värähtely
• Runkoääni = kappaleen
värähtely, jotka säteilee
kuultavaa ääntä
st   sˆeit s 
• Nopeus v ja kiihtyvyys a
poikkeaman aikaderivaattoina
2
d
d
at   vt   2 st 
dt
dt
• Ihmisen havaintokynnys:
aˆw, z  0.015 m/s 2  15 mm/s 2
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
2
Värähtelysuureiden keskinäinen riippuvuus
Värähtelysuureen yksikkö hakasulkeissa
10000
a  iv   2s
1000
100
a [mm/s2]
v [mm/s]
s [mm]
10
1
1
10
100
0.1
0.01
Taajuus [Hz]
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
3
TÄRINÄ= Ihmisen aistima värähtely
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
4
Kehon resonanssit
• Aistittavia resonansseja
voi aiheuttaa tärinä tai
ilmaääni
• Ilmaäänen oltava väh.
40 dB kuulokynnyksen
yläpuolella, jotta
aistittava resonanssi
syntyy
• Pahoinvointi 100-500
mHz
• Pitkäaikainen voimakas
tärinäaltistus voi
aiheuttaa negatiivisia
terveysvaikutuksia
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
5
Käsityökoneiden ja ajoneuvojen tärinäemission
ilmoittaminen
VnP 400/2008 ja ns. konedirektiivi 2006/42/EY
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
6
Valtioneuvoston asetus 48/2005 työntekijöiden
suojelemisesta tärinästä aiheutuvista vaaroista
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
7
Tärinäntorjuntaohjelma
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
8
Tärinäaltistuksen mittaluvut
• Tehollisarvo
a~ 
T
1 2
a t dt

T0
• Kokovartalotärinän arvioinnissa käytettävä painotus (weighting)
Wn ja mittaus 3D (n=1,2,3)
a~w 
3
~ 2

W
a
 nn
n 1
• Käsitärinän (hand) arvioinnissa Kn ja mittaus 3D
a~h, w 
2
~
 K n ah,n 
3
n 1
• painotuskertoimet Wn / Kn erilaiset eri suunnissa
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
9
Painotuskertoimet
Kerroin
1.20
Wk
Wd
Kn
1.00
0.80
Kn = käsitärinä
Wk = kehotärinä, vaaka
Wd = kehotärinä, pysty
0.60
0.40
0.20
0.5
0.8
1.25
2
3.15
5
8
12.5
20
31.5
50
80
125
200
315
500
800
1250
0.00
Taajuus [Hz]
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
10
Tärinäaltistuksen määrittäminen
• Mittaus lyhytaikaisista
näytteistä, koska anturi
vaikuttaa työntekoon
• Tärinäaltistus arvioidaan
yhtälöllä
a~h , w,eq (8)

1 ~2

ah, w t dt

T8 0
1 N ~2

a t

i 1 h , w,i i
T8

N
t  8h
i 1 i
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
• Käsitärinäaltistusta mitataan
esim. asettamalla käden ja
kahvan väliin jäykkä rauta,
johon 3D-anturi kiinnitetään.
11
VnA 48/2005 raja-arvot
Pisin sallittu altistusaika, jolla työpäivän käsitärinäaltistuksen
toiminta-arvo tai raja-arvo alittuu
Työskentelyaikana T vallitseva käsitärinä
2
(a h,w )eq(T) , m/s
120
Esim. Jos henkilö työskentelee
alle minuutin tärinäaltistuksessa
(a h,w )eq(1 min) =47 m/s 2, päästään koko
työpäivään (8 h) suhteutetussa
tärinäaltistuksessa alle toimintaarvon (a h,w )eq(8 h) =2.5 m/s 2
100
80
60
0
56 s
1 ~2
ah,w t dt

T8 0
T8=8 h
KIELLETTY
ALUE
40
20
a~h,w,eq (8) 

Toiminta-arvo
Raja-arvo
SALLITTU
ALUE
1 min
53 s
3 min
45 s
7 min 15 min 30 min
30 s
1h
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640.
Värähtelyaltistusaika
ja tärinä.
Pisin sallittu
T
2h
4h
8h
12
VÄRÄHTELY RAKENNUKSISSA
Värähtelyn lähteet:
• raskas tieliikenne, tien
epätasaisuuksissa myös henkilöautot
• rautatie, raitiovaunu, metro
• LVIS-laitteet
Värähtelevät komponentit
• Koko rakennus
• Välipohja, seinä
• Räminä pienemmissä esineissä
Vaikutukset
• Asumismukavuuden väheneminen
• Keskittymiskyvyn ja nukkumisen
häiriintyminen
• Pelko rakennevaurioista tai kiinteistön
arvon alenemisesta.
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
Kiihtyvyys [mm/s2]
100
10
1
1
10
100
Taajuus [Hz]
• Värähtelykiihtyvyyden
havaintokynnys
• Päiväsaikaan siedetään
jopa 10x voimakkaampaa
tärinää kuin yöaikaan
13
Tärinän leviäminen lähteeltä asuintilaan
Talja, VTT, 2004
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
14
Rakennuksen värähtelymuotoja
Talja, VTT, 2004
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
15
Maalajin vaikutus haitalliseksi koetun tärinän
kokemisessa
Talja, VTT, 2004
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
16
Tieliikenteen tärinäntorjuntaa
•
•
•
•
•
•
•
teiden linjaaminen kauas taloista varsinkin savipohjaisilla alueilla,
tienpinnan tasaisuuden ylläpito,
normaalia paksumpi tienpinta,
nopeuden rajoittaminen,
raskaan liikenteen ohjaaminen etäälle asutuksesta,
rakennuksen perustuksien vahvistaminen, tai ääritapauksissa,
rakennuksen "tärinäeristäminen" ns. maakatkolla.
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
17
Tiepainauman tärinä puutaloalueella
Värähtelynopeus, m/s
0.100000
0.010000
Korkein mitattu värähtely eli
maksimi (291)
0.001000
Alhaisin mitattu värähtely eli
taustavärähtely (496)
0.000100
kokokehon tärinän
havaintokynnys
0.000010
rakennusvaurioiden rajaarvo, asuinrakennukset
0.000001
rakennusvaurioiden rajaarvo, herkät rakennukset
100
80
63
50
40
31.5
25
20
16
12.5
10
8
6.3
5
4
0.000000
Taajuus, Hz
Värähtelynopeus 12.5 Hz
taajuuskaistalla, m/s
Mitattu maksimiarvo
Rakennusvaurioiden raja-arvo, asuinrakennukset
0.100000
Rakennusvaurioiden raja-arvo, herkät rakennukset
Ihmisen havaintokynnys
taustavärähtely
0.010000
0.001000
0.000100
0.000010
0.000001
0
50
klo
Aalto-yliopisto.
8:59
100
150
200
250
300
350
400
450
Minuutti Värähtely ja tärinä.
Meluntorjunta ELEC-E5640.
500
klo
18:19
18
Raideliikennetärinän ja -runkomelun torjunta
• Raideliikenteen runkomelu yleisintä taajuuksilla 50-200 Hz.
• Yleensä 100 m sisäpuolella
– kallioperustaisissa taloissa suurempi ongelma
• Äänenpainetasolle sovelletaan usein ohjearvoja:
– toimistot LA,S,max=40 dBA
– asunnot LA,S,max=30 dBA
– erikoistilat tapauskohtaisesti
• Erityisesti uusilla alueilla ohjearvoja sovelletaan näitä
• Raiteen alle sijoitettava tärinäneristimiä, jos enimmäisarvojen
arvioidaan ylittyvän
• Runkomelutason laskennassa tarvitaan ratakaluston pituus ja
nopeus, ratarakenne, kallioperän vaimennus ja kytkennät
kallioperän ja rakennuksen välillä
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
19
Länsimetro
LÄHDE: Peltonen & Backholm 2013
Akustiikkapäivät
100 000 m2 sepelinalusmattoa
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
20
F(t)=F0sint
VÄRÄHTELYN ERISTYS
m
d 2x
dx
m 2  kx  C
 F t 
dt
dt
• m on systeemin massa [kg]
• k on jousivakio [N/m]
• C on jousen vaimennus [Ns/m].
k
C
 2gn 2  1  n 2 2 
D  10 lg 

2


1

2
g
n


g
C
2 km
Eristävyys D [dB]
60
50
• Jos C=0, sinimuotoiselle
värähtelylle saadaan
resonanssitaajuus:
1
f0 
2
k
m
40
30
g1
sigma=1
20
g0.5
sigma=0.5
10
sigma=0.01
g0.1
0
0.13 0.25 0.5
1
2
4
8
16
32
64
-10
-20
n=f/f0
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
21
Värähtelyeristys taajuuden funktiona
Esimerkki, kun resonanssi 3,2 Hz
• Eristystä
saavutetaan, kun
f>1.4f0
• Kun herätetaajuus
on yli 2,5f0,
järjestelmää
sanotaan
ylikriittisesti
mitoitetuksi.
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
22
F(t)=F0sint
m
Yhden massan järjestelmä
k
C
1 KONEEN MASSA
KONE
+
ALUS
2 ALUSMASSA
ALUSTA
m=värähtelevän systeemin massa
=malus + mkone
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
jousi k (eristin)
23
F(t)=F0sint
Puristuma Dx
m
• Jousivoiman ja massan
aiheuttaman puristuman Dx [m]
välillä yhteys:
kDx  mg
• Ominaistaajuudeksi saadaan:
1
f0 
2
k
Puristuma x [mm]
100
k=10 N/mm
g
1

Dx 2 Dx
• Systeemin ominaistaajuus voidaan
siis arvioida tarkastelemalla jousen
tai eristimen puristumaa
tasapainoasemaan nähden
1
Dx 
4 f 02
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
C
10
1
1
10
Massa [kg]
100
24
Eristinmitoitus
http://www.getzner.com/en/user-area/freqcalc/
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
25
Tärinäneristinten puristus ja leikkauskuormitus
Jousivakiot erilaisia
puristukselle ja leikkaukselle
Kuva: Kylliäinen, 2006
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
26
Elastomeeriset eristimet
•
•
•
•
•
•
6-20 Hz
10-100 vuotta
monipuolisia
yleisimpiä
herkkyys liuottimille ja valolle
sisäinen vaimennus kohtalainen
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
Metallijouset
• "ikuisia"
• 1.5 – 8 Hz
• sisäinen vaimennus
alhainen ja vaatii
erillisen vaimentimen
27
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
28
Yhden massan värähtelyjärjestelmäksi oletetun
laitteen värähtelyeristimen mitoitus
• Selvitetään laitteen alin kierrosluku ja taajuus
– Esim. 600 rpm = 10 Hz
• Systeemin ominaistaajuus f0 saa olla korkeintaan 1/3 laitteen
kierrosluvusta
– f0=10/3 = 3.3 Hz
• Lasketaan tärinäneristinten vähimmäispuristuma
– esimerkkitapauksessa Dx=1/(4*3.32) = 23 mm
1
Dx 
4 f 02
• Valittavan eristimen tulee olla kuormituksen optimialueella.
• Tukipisteitä useita, jokaiseen pyritään saamaan sama puristuma.
• Jos laitteen massa ei ole riittävä vaaditun puristuman
saavuttamiseksi, laitteelle on suunniteltava lisämassa
– useimmiten lisämassa toteutetaan jalustana, jolle laite asennetaan
• Tärinäneristimille asennetaan laite ja lisämassa yhdessä
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
29
ESIMERKKI
Luentoesimerkki 9.1
Puhallin aiheuttaa runkoääntä sen alapuoliseen betonivälipohjaan.
Puhallin tärinäeristetään.
Puhaltimen käyntitaajuus on 800 rpm.
Tärinäneristimiä on tarjolla kahta tyyppiä:
a) eristimen puristuma on 1 mm.
b) eristimen puristuma on 10 mm.
Mikä on systeemin (puhallin, aluslaatta, eristimet) resonanssitaajuus eri tapauksissa?
Kumpi eristintyyppi pitää valita, jotta betonivälipohjan värähtely pienenisi
puhaltimen käyntitaajuudella?
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
30
Värähtelyneristämisen käytännön seikkoja
• Epätasapainosta aiheutuvat vaakasuuntaiset
resonanssit: asennuksissa huomioitava kaikki voimat
• Tukevuuden puute: tärinäneristimet sijoitetaan
mahdollisimman kauas massakeskipisteestä
• Eristinten vaakasuuntaisen jäykkyyden tulee olla yhtä
suuri kuin pystysuuntainen jäykkyys, sillä muutoin
eristettävä laite alkaa värähdellä vaakasuunnassa
• Järjestelmän massakeskipisteen tulee olla
mahdollisimman lähellä tasoa, jonka muodostavat
eristimien tukipisteet
• Värähtelyn pääakselin tulee kulkea mahdollisimman
läheltä järjestelmän massakeskipistettä
• Eristetystä koneesta ei saa olla kiinteitä kytkentöjä
rakennuksen runkoon runkovärähtelyn estämiseksi.
• Putkiin asennetaan joustavat putkenosat, sähköjohdot
toteutetaan vapaasti riippuvana lenkkinä,
ilmastointikanaviin asennetaan tarvittaessa joustavat
liitinnauhat.
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
31
Kutomakoneiden eristys
Värähtelynopeustason muutos betonilaatassa [dB]
10
Eristematto
Luonnonkumieristin
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
32
2585
818
460
1454
Taajuus [Hz]
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
259
145
82
46
26
15
8
5
3
-35
1
• 15 kutomakonetta 100 mm laatalla.
• 5000 kg ja 200-300 rpm (3,2-5,0 Hz)
• Harmoniset virittivät lattian
resonanssin 12 Hz
• Liikuntasaumat eivät toimineet ja
viereisen laboratoriotilan laitteet ja
toimistotilat häiriintyivät värähtelystä
• Kumieristimet mitoitettiin kierrosluvun
ja kokonaismassan perusteella 4
jalaksen alle painojakauman mukaan.
• Värähtelysysteemin (laite + eristimet)
resonanssitaajuus viritettiin 6 Hz
taajuuteen, jotta 12 Hz:llä vaimennus
10 dB: Dx=14 mm
• Verrattiin eristemattoon, jolla Dx=2 mm
• Kumieristimen eristys oli 15-19 dB
taajuuksilla 8 … 500 Hz.
• Matolla jotain eristystä saavutettiin
vasta 100 Hz yläpuolella.
Ilmastointilaitoksen jäähdytysyksikön
korkeataajuinen runkoäänenvaimennus
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
60
50
Äänitaso, dB
• Saneerauskohde
• Ilmastointilaitos ohuen 100 mm
yläpohjalaatan päälle
• Jäähdytystilanteessa alakerran luokassa
melutaso kasvoi 40 dB(A)  52 dB(A)
• Ääni oli erittäin häiritsevä: 630 Hz äänes
• Syynä ruuvikompressorin eristyksen
epäonnistuminen, eristys vain 1-5 dB
• Lisäksi kuului kavitaatiokohinaa
jäähdytysvaiheen alussa
• Eristimet vaihdettiin
• Ruuvikompressorin ääntä ei kyetty
kokonaan poistamaan kevyen laatan
vuoksi
• Runkomelun vaimennus 6 dB
40
30
20
10
50
100
200
400
800
Taajuus, Hz
1.6k
3.15k
ALKUTILANNE: Kavitaatio + ruuvi 52 dB
Ei ruuvia, ei kavitaatiota 40 dB
Alkutilanne: ruuvi käy 44 dB
LOPPUTILANNE: kavitaatio + ruuvi 46 dB
33
Kevytväliseinä
100
Poistoilmakoneen tärinäneristys
Tärinäkiihtyvyystaso, dB
80
• kerrostalon ylimmässä kerroksessa
voimakas pientaajuinen melu
• ääni säteili eniten kevytväliseinästä, jonka
ominaistaajuus oli 24 Hz
• äänilähteeksi paljastui katolla oleva
yhteispoistoilmalaite huoneen yläpuolella
Jälkeen, molemmat
käy, MP2
70
60
50
40
30
20
10
0
3
4
5
7
9 12 16 22 29 39 52 69
Taajuus, Hz
Ontelolaattakatto
70
Ennen, molemmat
käy, MP3
– aiheutti yläpohjaan 24 Hz runkovärähtelyn
60
Tärinäkiihtyvyystaso, dB
• koneen värähtelyeristys oli puutteellinen
• uusin eristimin saatiin 15 dB vaimennus
väliseinään
Ennen, molemmat
käy, MP2
90
Jälkeen, molemmat
käy, MP3
50
40
30
20
10
0
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
3 4 5 6 7 9 12 15 18 23 29 37 46 58
34
Taajuus, Hz
Toimiston yläpuolisen
lauhduttimen eristys
• Eristimien vaihto toimiviin
a) väärä mitoitus (yläkuva)
b) oikea mitoitus (alakuva)
Äänenpainetaso [dB]
90
80
70
60
50
40
30
20
8k
4k
2k
1k
500
250
125
63
31.5
16
10
Taajuus [Hz]
Konehuone,
Alakerta, a,
Konehuone,
Alakerta, b,
a, LAeq=88 dB
LAeq=49 dB
b, LAeq=87 dB
LAeq=39 dB
Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä.
35