Meluntorjunta L ELEC-5640 Luku 2: Ilmaääneneristys 7.9.2015 Valtteri Hongisto

Esitys aiheesta: "Meluntorjunta L ELEC-5640 Luku 2: Ilmaääneneristys 7.9.2015 Valtteri Hongisto"— Esityksen transkriptio:

1 Meluntorjunta L ELEC-5640 Luku 2: Ilmaääneneristys 7.9.2015 Valtteri Hongisto valtteri.hongisto@aalto.fi

2 Suomen rakentamismääräyskokoelma C1:1998 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys2

3 3 Läpäisy läpäisysuhde –arvot 0 … 1 –suuri arvo: rakenteen läpäisee vähän ääntä –pieni arvo: ääni heijastuu

4 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys4 Mittaaminen painemenetelmällä ISO 140-3

5 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys5 Ilmaääneneristävyyden määrittäminen painemenetelmällä  on läpäisykerroin W 1 [W] on rakenteeseen osuva ääniteho W 2 rakenteen läpäisevä ääniteho S [m 2 ] on rakenteen pinta- ala A 2 [m 2 ] on vastaanottohuoneen absorptioala I 1 [W/m 2 ] on pintaan osuva intensiteetti  0 [kg/m3] on ilman tiheys c 0 [m/s] on äänen nopeus ilmassa.

6 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys6 Pienikokoinen elementti A 0 =10 m 2 Fresh-100 termostaattiohjattu raitisilmaventtiili

7 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys7 ESIMERKKI

8 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys8 Ilmaääneneristysluku R w Standardoitu vertailukäyrä. Käyrää siirretään 1 dB askelin ylimpään mahdolliseen asentoon, jossa ei toivottujen poikkeamien summa (punaiset) on korkeintaan –32.0 dB: terssikaistamenetelmä –10.0 dB: oktaavikaistamenetelmä R w on vertailukäyrän arvo 500 Hz:llä.

9 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys9 Esimerkkejä, R w

10 Koettu ääneneristys S1 - Akustinen kitara, komppaus S2 - Musiikki bassokorostuksella, J. Jackson S3 - Musiikki ilman bassokorostusta, Rammstein S4 - Vauvan itkuS5 – Äänekäs keskustelu S6 - Koiran haukkuminen, Chihuahua Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys10 59 koehenkilöä kuunteli 6 eri naapuriääntä 9 eri seinän läpi ja arvioi häiritsevyyden asteikolla 0-10. Seinille laskettiin eri mittalukuarvot ja määritettiin yhteys häiritsevyyteen (R 2 ). Mittaluvuista paras R w. Hongisto et al. 2014 Acta Acust united Ac

11 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys11 YKSINKERTAINEN LEVY Ääneneristyksen taajuuskäyttäytyminen Useimmiten alueet 1 ja 2 alle 100 Hz:n alueella eikä niitä käsitellä.

12 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys12 Jäykkyys ja kimmomoduli E x on siirtymä [m] F on voima [N]. Hooken laki:  on jännitys [Pa]  on venymä E on kimmomoduli [Pa] –kimmokerroin –Youngin moduli –elastisuuskerroin

13 Materiaalien tiheyksiä ja kimmomoduleita Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys13

14 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys14 Aaltotyyppien etenemisnopeudet paksut levyt –kun h > –soveltuu esim. betoniin kun taajuus on suuri –taajuusriippumaton ohuet levyt –kun h < –tärkein aaltomuoto alueella 100-5000 Hz –taajuusriippuva –Tämä kaava on pääsyy äänieristyslaskennan monimutkaisuuteen h = levyn paksuus

15 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys15 Koinsidenssi Dispersio = äänen nopeuden taajuusriippuvuus Taivutusaalto dispersiivinen. Kun levyn taivutusaallon nopeus ja äänen nopeus ilmassa ovat samat, syntyy koinsidenssi-ilmiö, jossa ääneneristys on pieni, koska ilman ja levyn impedanssit samat Alin koinsidenssitaajuus (kriittinen taajuus) tapahtuu 90 asteen tulokulmassa saapuvalle äänelle taajuudella

16 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys16 Poissonin suhde Poissonin suhde : metallit 0.30 rakennuslevyt ja kiviaineksiset seinät 0.20.

17 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys17 Koinsidenssitaajuus on kulmariippuva Alin koinsidenssitaajuus tapahtuu 90 asteen kulmassa = kriittinen taajuus f c, jossa koinsidenssikuoppa on syvimmillään Kohtisuoralle tulokulmalla koinsidenssitaajuus on ∞ Ulkoa tuleva ääni: Koinsidenssitaajuus on terävä ja kulmariippuvuuden voi aistia ikkunan takana kuvan mukaisessa tilanteessa, kun lähde liikkuu. Huonetilassa syntyvä ääni: ääntä saapuu Pintaan kaikilta suunnilta, jolloin koinsidenssikuoppa on laakea.

18 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys18 Säteilytehokkuus  Säteilytehokkuus (säteilykerroin, säteilysuhde, radiation efficiency) kertoo miten suuri osa taivutusvärähtelystä säteilee ääntä ilmaan. Säteilytehokkuuden määritelmä: W [W] on levyn säteilemä ääniteho –v [m/s] on levyn keskimääräinen värähtelynopeus –S on pinta-ala [m 2 ] Säteilytehokkuus voi saada arvoja 0.00 ja 1.00 välillä. –=1 kun f>f c (f c on koinsidenssitaajuus) –=0...1 kun f<f c Paksut betonirakenteet: f c 100-200 Hz  rakenteen säteilemä äänitehotaso voidaan määrittää lähes koko taajuusalueella (100- 3150 Hz) värähtelynopeudesta, koska värähtely tuottaa ilmaääntä tehokkaasti. Rakennuslevyt: f c 1000-3000 Hz  värähtelynopeus ei kerro äänen säteilystä suurimmalla osalla taajuusaluetta

19 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys19 Pakkovärähtelyn ja resonoiva värähtely yksinkertaisessa seinälevyssä pakkovärähtely alue; f<f c aallonpituus ilmassa a pitempi kuin levyssä m akustinen oikosulku levyn keskellä: ääntä ei säteile kaukokenttään Vain nurkat tai laidat voivat säteillä tehokkaasti Massasta riippuva eristävyys resonoiva alue; f>f c aallonpituus levyssä pitempi kuin ilmassa ei oikosulkua koko levy säteilee tehokkaasti äänieristys on huono

20 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys20 Akustinen oikosulku, f<f c äänen nopeus levyssä suurempi kuin ilmassa vierekkäiset taivutusaaltojen + ja – kohdat kumoavat toisensa levyn reuna-alueille kulmamoodi ja laitamoodi

21 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys21 Levyn ominaistaajuudet heikentävät ääneneristystä pienillä taajuuksilla usein 100 Hz alapuolella, eivätkä vaikuta R w -arvoon –L x on levyn kiinnityspisteiden välinen etäisyys vaakasuunnassa [m] –L x on levyn kiinnityspisteiden välinen etäisyys pystysuunnassa [m]

22 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys22

23 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys23 Häviökerroin  Kertoo materiaalissa tapahtuvasta energiahäviöstä yhtä jaksoa kohti Häviökerroin voidaan mitata levyn jälkikaiunta-ajan avulla Kokonaishäviökerroin on kolmen osatekijän summa –kytkentähäviökerroin –sisäinen häviökerroin –säteilyhäviökerroin Kytkentähäviökerroin suurin. Sisäiset häviöt ovat vain murto-osa kokonaishäviökertoimesta –sisäiset häviöt saa selville mittaamalla jälkikaiunta-aika riiputtamalla levyä siimassa tyhjössä Säteilyhäviö aiheutuu levyn äänisäteilystä.

24 Kokonaishäviökerroin ja ilmaääneneristävyys Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys24 Kipsitiiliseinä 100 mm, 120 kg/m 2 testattiin kahdella eri asennustavalla laboratoriossa: Asennustapa A: Jäykkä liitos asennusaukkoon: bitumi Asennustapa B:Elastinen liitos asennusaukkoon: korkki ja silikoni Meier and Schmitz 1999 Building Acoustics

25 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys25 Kokonaishäviökerroin taajuusriippuvuus

26 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys26 YKSINKERTAINEN LEVY - laskentamalli pintamassa m' taajuus f kimmomoduli E häviökerroin  –Taajuusr:va mitat L x, L y, h Poissonin suhde  massalaki 6 dB kasvu per oktaavi

27 Vakiohäviökertoimen vaikutus äänieristykseen Laskettu edell. kaavalla Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys27

28 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys28 Esimerkki Larm ym. 2006 Työterveyslaitos Esimerkki: Molemmat levyt painavat n. 15 kg/m2. Miksi teräs 8 dB parempi?

29 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys29 KIVIAINEKSINEN LEVY (pintamassa > 40 kg/m 2 ) Ohuiden levyrakenteiden ilmaäänen säteily riippuu pääosin taivutusaaltojen (bending waves) ominaisuuksista 10 kHz alapuolella. Kun levyn paksuus on suurempi kuin taivutusaallon kuudesosa, alkaa leikkausaaltojen (shear waves) äänensäteily hallita rakenteen äänensäteilyä ja siten myös ilmaääneneristävyyttä. Kuvassa teräsbetonin laskettu äänieristys luvun 2.11 mukaisilla yhtälöillä – leikkausaaltoja ei huomioitu

30 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys30 KAKSINKERTAINEN SEINÄRAKENNE Kytkemätön tapaus: Laitimmaisten levykerrosten välillä ei kytkentää –paitsi kantava lattia, jonka päälle seinä on pystytetty Sovelletaan, kun halutaan suuri eristävyys, R w >65 dB. Eristävyys paranee, kun –kokonaismassa kasvaa –kaviteetin paksuus kasvaa –kaviteetin täytemateriaalin absorptiosuhde ja määrä kasvavat. Mallinnus helppoa. Kytketty tapaus: Yleisempi tapa, koska jäykempi, ohuempi ja helpompi valmistaa elementtinä. Vasemmalla olevat säännöt pätevät lievempänä. Huonompi eristävyys. Eristävyys paranee, kun –kytkentöjen määrä vähenee –kytkentöjen joustavuus paranee –levyn kiinnitys rankoihin heikkenee Mallinnus vaikeampaa.

31 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys31 Kevytväliseiniä 1

32 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys32 Kevytväliseiniä 2

33 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys33 Stadionin yläpohja (kevytrakenteinen)

34 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys34 Kaksinkertaisen seinärakenteen laskennan eteneminen portaittain 1.Kytkemätön rakenne, absorboiva kaviteetti. 2.Absorption korjaus, jos ei absorboiva kaviteetti. 3.Jos kytketty rakenne, laskenta ensin jäykällä rangalla. 4.Jos joustava ranka, korjaus jäykkään rankaan nähden.

35 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys35 Kytkemätön kaksinkertainen seinärakenne, ideaalitilanne Kytkemätön kaksinkertainen rakenne Kaviteetti absorboiva (ei kaiuntaa) d=ilmavälin paksuus [m] f mam =massa-ilma-massa resonanssi [Hz] f l =rajataajuus [Hz] R 1 on levykerroksen 1 ääneneristys [dB] R 2 on levykerroksen 2 ääneneristys dB f mam flfl 18 dB/okt 12 dB/okt

36 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys36 Massa-ilma-massaresonanssi, f mam massa-ilma-massa - resonanssitaajuus d=kaviteetin paksuus m' 1 =pintalevyn 1 pintamassa m' 2 =pintalevyn 2 pintamassa maksimoimalla d ja m saadaan f mam pieneksi

37 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys37 Kaviteetin paksuuden vaikutus kytkemättömässä rakenteessa (absorboiva kaviteetti) Hongisto ym, Työterveyslaitos, 2002

38 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys38 Kaviteetin paksuuden vaikutus kytkemättömässä rakenteessa (tyhjä kaviteetti) Hongisto ym, Työterveyslaitos, 2002

39 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys39 Kaviteetin kaiunta kaiunta aiheutuu seisovista aalloista eli moodeista xyz- suunnassa haitallisimmat seisovat aallot ovat levyn suuntaisia (alemmat moodit) vasta kun kaviteettiin "mahtuu" puolikas aallonpituus, syntyy poikittaisia seisovia aaltoja (ylemmät moodit) ilmavälin paksuus rankojen välit huone korkeus

40 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys40 Kaviteetin vajaan absorption huomiointi Jos absorptio ei ole täydellinen kaviteetissa, ääneneristys huononee ideaalitilanteeseen nähden kasvavan kaiunnan vuoksi absorption heikennystermi: – c = materiaalin absorptiosuhde –FR = kaviteetin täyttösuhde (0...1) Arvo on on alimmillaan -13 dB Ääneneristävyys

41 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys41

42 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys42 Ilmavälin absorptio: Laskentaesimerkki f c1  R abs

43 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys43 Absorptiomateriaalin täyttösuhteen FR vaikutus kytkemättömässä rakenteessa d = 125 mm Hongisto ym, Työterveyslaitos, 2002 FR = 0 FR = 0.88

44 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys44 Kytketty rakenne, jäykät rangat Esim. puuranka Lähtökohdaksi otetaan koko seinän massalakiarvo Siltataajuus f br (bridge frequency) Siltataajuuden yläpuolella rangallisen seinän ääneneristävyys R br on korkeintaan R M +R M : Jäykkien rankojen tuottama parannus massalakiin nähden R M : b on viivakytkentöjen eli rankojen välinen etäisyys [m] eli koolausjako

45 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys45 Ilmavälin erilaiset kytkennät: yhteenveto Ilmavälissä absorptio f br RMRM

46 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys46 Ilmavälin kytkennät: joustavan rangan mallintaminen Bradley&Birta (2001) Noise Con Eng J

47 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys47 Rangan dynaamisen jäykkyyden määritys Mittausjärjestelmässä 2 kpl rankoja pituus L=0.6 m. Dynaaminen jäykkyys yksikköpituutta 1 m kohti on K'.

48 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys48 Rangan dynaaminen jäykkyys seinässä Joustavimpien teräsrankojen K'=0.1 MPa –tätä löysempiin on vaikea ruuvata kiinni mitään Jäykimpien rankojen jäykkyys on luokkaa 10 MPa –tätä jäykemmät antavat lähes saman äänieristysarvon kuin puurangat Seinärakenteessa rankojen välinen etäisyys on b, jolloin dynaamisen jäykkyyden yksikköpituusarvo muunnetaan vastaamaan rankojen tiheyttä seinässä:

49 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys49 Ilmavälin kytkennät: joustavan rangan mallintaminen Joustavilla rangoilla saavutettava ääneneristävyyden parannus jäykkään rankaan nähden R fb : Jousivaikutus voidaan esittää lisäeristyksen muodossa: Taajuus f r on ensimmäisen pintalevyn, joustavan rangan ja toisen pintalevyn muodostama mjm-resonanssi:

50 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys50 R fb vaimennussuhde  Käytännössä parannus ei ylitä 10 dB, koska ääni kiertää ylä- ja alajuoksun kautta, jotka ovat jäykkiä.

51 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys51 Tutkimus kytkentöjen vaikutuksista

52 52 CASE Koolauksen jäykkyyden vaikutus Jäykästi kytketty: 240mm, 42 kg/m2, 48 dB –profiilipelti 3 kg/m2 rakennuslevy 11 kg/m2 ilmaväli 50 mm kasetissa 150 mm villa kasetissa, 4,5 kg/m2 200 mm peltikasetti 11,7 kg/m2 Joustavasti kytketty: 230mm, 41,2 kg/m2, 54 dB profiilipelti 3,5 kg/m2 rakennuslevy 18 kg/m2 50 mm ilmaväli + joustava koolaus 150 mm villa kasetissa, 4,5 kg/m2 150 mm peltikasetti 7 kg/m2

53 53 CASE Kaksi kerrosta useamman sijaan Paksuus 220 mm, 77,5 kg/m2 peltikasetit 1 mm pinnoissa kipsilevyjä 4 kpl villatäytteet

54 54 CASE Levyjärjestys ja lisämassa 47 dB: 52 kg/m2, 350 mm peltiprofiili, kipsi, Z-ranka 150 mm + villatäyte, kipsi, U-ranka 50 mm, ohutlevyprofiili 66 dB: 65 kg/m2, 400 mm peltiprofiili, villa 50 mm, 2 kipsiä, Z- ranka 150 mm + villatäyte, 50 mm U- ranka ristikoolattuna + villatäyte, kipsi, ohutlevyprofiili

55 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys55 Sandwich-rakenne Tuplarakenteen kaviteetin korvaa jäykkyyttä lisäävä ydinaine Seinä- ja kattoelementit, joissa mineraalivillalamellit on liimattu kahden peltilevyn väliin EPS-täytteiset lämpöeristeovet Palo-ovet, joissa pinnalla olevat peltilevyt on liimattu ydinaineena olevaan kivivillakerrokseen. Hunajakennotäytteiset ovet Kelluvat lattiat s' on dyn. jäykkyys [N/m3] m' on pintamassa [kg/m2]

56 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys56

57 Sandwich ydinmateriaalin paksuus Pintalevy: 1 mm teräs Ydin mineraalivilla (100 kg/m 3 ). Sulkeissa on R w -arvo. Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys57 Pintalevy 0.6 mm teräs Ydin mineraalivilla (125 kg/m 3 ). jäykempi ydinaine löysempi ydinaine

58 Villapinnoituksen vaikutus ääneneristävyyteen Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys58

59 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys59 Yhteisääneneristävyys

60 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys60 Esimerkki

61 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys61 Ympäristömelun ohjearvot, VnP 993/92

62 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys62 Julkisivun ääneneristystarve Julkisivurakenteiden ääneneristävyyden pitää olla sellainen, että ohjearvot sisällä täyttyvät, L A,eq,s Pitää selvittää melutaso ulkona, L A,eq,u –mittaus tai mallinnus –Taso ilman talon heijastavaa vaikutusta Kaavamerkinnät –Ylempi merkintä L=L A,eq,u - L A,eq,s käyttötarkoitus tiedossa –Alempi merkintä L A,eq,u kun käyttötarkoitus ei tiedossa

63 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys63 JULKISIVUN MITOITUS – ympäristöopas 108 1.Vaatimus ulkomelun ja sallittavan sisämelun erotukselle L: 2.Julkisivun ääneneristysvaatimus R tr,vaad : (R w +C tr ) 3.Julkisivun kokonaisääneneristävyyden vaatimus R A,tr,kok : 4.Ikkunan ja oven ääneneristysvaatimus R A,tr : 5.Seinän ääneneristysvaatimus R A,tr,seinä : 6.Pienten elementtien ääneneristysvaatimus D n,e,A,tr :

64 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys64 Korjauskertoimet K 1 ja K 2

65 Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-5640. Ilmaääneneristävyys65 Tyypillisiä ääneneristysvaatimuksia