Värähtelyn vaimentaminen korkeissa rakennuksissa

Abstract

Korkearakentaminen on kasvava globaali trendi, ja tulevaisuudessa Suomessakin saatetaan suunnitella niin korkeita ja hoikkia rakennuksia, että värähtelyn hallitseminen edellyttää vaimennustoimenpiteitä. Tämä diplomityö tutkii värähtelyä ja värähtelyn vaimentamista rakennuksissa. Tässä tutkimuksessa selvitetään mitä värähtely on, mistä se muodostuu rakennuksiin Suomessa, miten kansainväliset standardit käsittelevät värähtelyä, millä eri tavoilla rakennuksen värähtelyä voidaan vaimentaa, miten lisävaimennin valitaan, sekä kuinka korkea rakennuksesta voidaan tehdä, ennen kuin lisävaimennusta tarvitaan ja kuinka korkea sen kanssa.

Tutkimusmenetelminä käytetään kirjallisuusselvitystä, haastattelututkimusta ja kokeellista tutkimusta. Värähtelyn perusteoria, standardit, ja vaimennustavat selvitetään kirjallisuusselvityksellä. Lisävaimentimen valinta tutkitaan haastatteluna. Rakennuksen maksimaalinen korkeus ennen vaimennusta ja lisävaimentimen kanssa määritetään kokeellisesti tutkimusta varten luodun parametrisen suunnittelutyökalun avulla.

Värähtely on systeemin liikettä tasapainoaseman ympäri, ja se voi olla jaksoittaista, jaksollista, determinististä tai epädeterminististä. Suomessa värähtely johtuu rakennuksiin kohdistuvista tuulikuormista, ja se ilmenee rakennuksen kerroskiihtyvyytenä.

Rakennesuunnittelun standardit määrittelevät tuulen nopeuden keskenään eri tavoin, mikä pitää huomioida standardeja verratessa. Sisäisen vaimennuksen määritetään yleensä olevan noin 1 % teräsrakenteille ja noin 1,5 % betonirakenteille. Kerroskiihtyvyyden rajaarvo riippuu rakennuksen ominaistaajuudesta ja tyypillisesti sallitaan korkeampia kerroskiihtyvyyksiä, mitä matalampi rakennuksen ominaistaajuus on.

Rakennusten vaimennusvaihtoehtoja on useita, kuten aerodynaaminen optimointi, lisäjäykistys ja lisävaimentimien käyttö. Aerodynaaminen optimointi ja viritetty massavaimennin ovat yleisimmät vaihtoehdot maailman korkeimmissa rakennuksissa. Lisävaimentimen valinta on tyypillisesti viritetyn massa- ja nestevaimentimen välillä. Valintaan vaikuttaa muun muassa käytettävissä oleva tila, kustannukset ja aikataulu.

Kokeellisen tutkimuksen perusteella rakennus voidaan tehdä ilman lisävaimennusta noin 100 metriä korkeaksi. Jos käytetään viritettyä massavaimenninta, rakennuksen korkeutta voidaan kasvattaa jopa kaksinkertaiseksi. Viritetty nestevaimennin mahdollistaa lähes yhtä korkean rakennuksen. Tulokset ovat kuitenkin konservatiivisia, ja vaatisivat vielä laajempaa tutkimusta tarkkuuden parantamiseksi.

High-rise construction is a globally increasing trend. In the future, there might be a need in Finland as well to be able to design a building that requires additional measures for vibration damping. This thesis examines vibration and vibration damping in buildings in Finland. The study investigates what vibration is, how it occurs in buildings in Finland, how international standards address vibration, the different ways to dampen building vibration, how to select additional damping devices, and how high a building can be constructed before additional damping is needed and how high it can be with additional damping.

The research methods used include literature review, interview research, and experimental research. The theoretical foundations of vibration, standards, and damping methods are explored through a literature review. The selection of additional damping devices is investigated through interviews. The maximum height of a building before damping and with additional damping is determined experimentally using a parametric design tool developed for the study.

Vibration is the movement of a system around its equilibrium position and can be periodic, non-periodic, deterministic, or non-deterministic. In Finland, vibration is caused by wind loads on buildings and manifests as floor acceleration.

Structural design standards define wind speed differently, which should be considered when comparing standards. Internal damping is typically defined as around 1% for steel structures and around 1.5% for concrete structures. The allowable limit for lateral acceleration depends on the natural frequency of the building, and typically, higher floor accelerations are allowed as the natural frequency of the building decreases.

There are several options for increasing damping in a building, such as aerodynamic optimization, additional stiffening, and the use of additional damping devices. Aerodynamic optimization and tuned mass dampers are the most common options in the tallest buildings world-wide. The choice of additional damping device typically lies between tuned mass dampers and tuned liquid dampers. Factors affecting the choice include available space, costs, and schedule.

Based on experimental research, a building can be constructed without additional damping up to a height of approximately 100 meters. If a tuned mass damper is used, the height of the building can be doubled. A tuned liquid damper allows for a similar height. The results, however, are conservative and would require further extensive research to improve accuracy.