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 st sˆeit s • Nopeus v ja kiihtyvyys a poikkeaman aikaderivaattoina 2 d d at vt 2 st 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 iv 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)=F0sint 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 g1 sigma=1 20 g0.5 sigma=0.5 10 sigma=0.01 g0.1 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 2,5f0, järjestelmää sanotaan ylikriittisesti mitoitetuksi. Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Värähtely ja tärinä. 22 F(t)=F0sint 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)=F0sint 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
© Copyright 2024