Puurakenteisten asuinkerrostalojen kilpailukyvyn kannalta välipohja on keskeinen rakennusosa. Askelääneneristävyys tiedetään mitoittavammaksi tekijäksi ilmaääneneristävyyteen verrattuna. Kerrostalojen puuvälipohjien kehitystyö on pitkään perustunut kokeilemiseen ja mittaamiseen, mikä ei ole kustannustehokas eikä nopea tapa. Kehitetyllä parametrisella laskentamallilla saadaan paitsi tarkkoja tuloksia, myös tutkituksi nopeasti erilaisia rakennevaihtoehtoja ja optimoida rakennetta.

Teksti ja kuvat: Pekka Latvanne, Mikko Kylliäinen, A-Insinöörit

Artikkeli on julkaistu Puu-lehdessä 3/2019.

Read the article in English: Computational evaluation of impact insulation of wood intermediate floors

Puurakenteisten asuinkerrostalojen kilpailukyvyn kannalta välipohja on keskeinen rakennusosa, sillä siihen kohdistuu runsaasti vaatimuksia. Niitä asettavat ainakin kantavuus, taipuma, värähtely, palonkesto ja tiiviys sekä ilma- ja askelääneneristävyys [1]. Käytännössä askelääneneristävyys on mitoittavampi tekijä kuin ilmaääneneristävyys: välipohjan täyttäessä askeläänitasolukua L’nT,w + CI,50-2500 koskevat määräykset myös ilmaääneneristävyyttä mittaavaa äänitasoerolukua DnT,w koskevat vaatimukset tavallisesti toteutuvat [2, 3].

Askeläänet ovat erilaisia asumisesta syntyviä, lattiaan kohdistuvien iskujen tuottamia ääniä. Esimerkkejä näistä ovat esineiden putoaminen lattialle, lasten leikki, huonekalujen siirtely tai kävelyn aiheuttamat äänet. Huoneistojen ääneneristävyys, jonka yksi osa askelääneneristävyys on, vaikuttaa merkittävästi asumismukavuuteen ja -terveyteen. [4]

Puu on betoniin verrattuna kevyttä (tiheys noin 500 kg/m³). Tästä seuraa se, että levymäinen puukerros on ilmaääneneristävyydeltään noin 15 dB heikompi kuin paksuudeltaan vastaava betonikerros. Näin ollen puukerrostaloissa huoneistojen välinen ääneneristävyys ei voi perustua puun massaan eikä tiloja erottavia rakenteita sivuavien rakenteiden kautta kulkevan äänen siirtymistä tilasta toiseen voida vähentää tekemällä näiden rakenteiden liitoksista jäykkiä. Puun tiheyden ja jäykkyyden suhde on lisäksi sellainen, että levymäisen puutuotteen ääneneristävyys on heikompi kuin yhtä painavan kipsilevyn, jonka tiheys ja jäykkyys on optimoitu ääneneristävyyden suhteen. Tämän vuoksi puurakenteet ovat tavalla tai toisella kerroksellisia siten, että levykerrosten välissä on ääntä vaimentavalla materiaalilla kokonaan tai osin täytetty ilmaväli. Levykerrokset voivat lisäksi muodostua useasta kerroksesta, esimerkiksi CLT-levyjen pintaan asennetaan tavallisesti rakennuslevyjä, kuten kipsilevykerros tai -kerroksia. [5]

Rakenteiden monimutkaisuuden vuoksi puuvälipohjien askelääneneristävyyden laskentaan ei ole nykyisellään saatavissa laskentamalleja, ja askelääneneristävyyden arviointi perustuu suurelta osin kokemusperäiseen tietoon. Massiivivälipohjien askelääneneristävyyden laskentaan on kehitetty laskentamalleja [6], mutta ne soveltuvat heikosti puuvälipohjien askelääneneristävyyden arviointiin [7]. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää yksinkertainen parametrinen laskentamalli, jolla voidaan nopeasti ja kustannustehokkaasti määrittää puuvälipohjan askeläänitasoluku L’_nT,w sekä askeläänitasot taajuuskaistoittain.

Tutkimus jakautui kahteen osaan: ensimmäisessä osassa selvitettiin, mitkä puuvälipohjan rakenteelliset ominaisuudet vaikuttavat välipohjan askelääneneristävyyteen. Erityisen keskeistä tässä osuudessa oli tunnistaa ne tekijät, jotka vaikuttavat merkittävästi ja ne tekijät, joiden merkitys on vähäinen. Tutkimus perustuu laajaan kirjallisuusselvitykseen, jonka lähdeaineistona käytettiin 148 puuvälipohjarakenteen laboratoriossa mitattuja askeläänitasoja [7, 8].

Taulukko 1. Puuvälipohjan askelääneneristävyyteen vaikuttavat merkittävimmät tekijät sekä tekijät, joilla ei ole havaittu olevan vaikutusta tai onheikentävä vaikutus askelääneneristävyyteen.

Tutkimuksen toisessa osassa kehitettiin parametrinen laskentamalli, joka perustuu kirjallisuustutkimuksessa tunnistettuihin, askelääneneristävyyteen merkittävästi vaikuttaviin tekijöihin sekä askelääneneristävyyttä koskeviin teoreettisiin laskentamalleihin. Kehitetty laskentamalli on myös validoitu vertaamalla saatuja laskentatuloksia mittaustuloksiin [9, 10]. Ääniympäristöasetuksen [3] antamisen myötä askelääneneristävyyden mittausalue on laajentunut perinteisestä 100 Hz keskitaajuudesta alemmas 50 Hz keskitaajuuteen, sillä tällä taajuusalueella ilmenevien askeläänien häiritsevyydestä tietyissä tilanteissa on viime aikoina saatu uusia viitteitä [4]. Kehitetty laskentamalli toimii myös tällä taajuusalueella.

Puuvälipohjan askelääneneristävyyteen vaikuttavat tekijät

Kirjallisuustutkimuksessa [8] tunnistettiin useita välipohjan askelääneneristävyyteen vaikuttavia tekijöitä. Taulukossa 1 on esitetty merkityksellisimmät sekä ei-merkitykselliset tai haitalliset tekijät puuvälipohjan askelääneneristävyyden kannalta.

Välipohjan kansilevytyksen ja alakaton massan lisääminen parantaa välipohjan askelääneneristävyyttä. Rakenteiden keveys on puurakentamisen etu perinteisiin massiivirakenneratkaisuihin nähden [11-14], joten massalisäykset tulee optimoida askelääneneristävyyden ohella myös tuotanto- ja kustannustehokkuuden näkökulmasta. Välipohjan massaa voidaan kasvattaa erilaisten laatta- ja levyrakenteiden avulla, joko kelluvana tai suoraan kansilevyn päälle asennettuna. Kelluvan rakenteen asennusalustan ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi kelluvan lattian tuottamaan askelääneneristävyyden parannusvaikutukseen [15,16]. Valettavien pintarakenteiden haasteena on niiden vaatima kosteudenhallinta ja kuivumisaika, jotka hidastavat tuotantoa sekä työmaa- että tehdasolosuhteissa.

Kuvan 1 kuvaajassa on esitetty välipohjan kansilevyn päälle suoraan asennettujen levy- ja valukerrosten vaikutus askelääneneristävyyteen. Massalisäyksen parannusvaikutus on huomattava erityisesti pienillä taajuuksilla.

Välipohjan pintaan kohdistuva askelheräte etenee rakenteen läpi sekä runko- että ilmaäänenä [17-19]. Koska rakenteita pitkin etenevä runkoääni on erityisen merkittävä äänenkulkureitti, puuvälipohjan askelääneneristävyys perustuu suurelta osin rakennekerrosten liitoksissa tapahtuviin energiahäviöihin [12, 20, 21]. Kirjallisuustutkimuksen perusteella alakaton liitos kantavaan palkistoon ja pintalaatan liitos kansilevyyn ovat merkittävimpiä liitoksia puuvälipohjissa [8]. Kuvan 2 kuvaajassa on esitetty eri alakattotyyppien parannusvaikutus palkkivälipohjalla.

Alakaton kiinnitys joustavasti jousirangoilla parantaa askelääneneristävyyttä huomattavasti enemmän kuin alakatto, joka on kiinnitetty suoraan kantaviin palkkeihin, sillä palkkien kautta kulkeva runkoääni vaimenee tehokkaasti joustavassa liitoksessa.

Lattianpäällyste vaimentaa lattian pintaan kohdistuvaa iskua ja samalla koko rakenteeseen siirtyvää askelääniherätettä [22]. Lattiapäällysteiden askelääneneristävyyden parannusvaikutus on vahvasti riippuvainen tarkastelutaajuudesta ja siitä, millaisen välipohjan päälle lattianpäällyste asennetaan [23]. Raskaalla betonilaatalla mitattuja lattianpäällysteen parannusarvoja ei voida käyttää suoraan arvioitaessa parannusvaikutusta puuvälipohjilla. Myös kevytrakenteisissa välipohjissa on eroja. Sama lattiapäällyste paksun CLT-levyn tai ohuen lattiakipsilevyn päällä tuottaa erilaisen parannusvaikutuksen [8, 15]. Yleisesti käytössä olevien lattianpäällysteiden parannusvaikutus puuvälipohjilla alkaa noin 250 Hz taajuudelta [17, 24, 25]. Tampereen teknillisessä yliopistossa on tutkittu lattiapäällysteiden vaikutusta askelääneneristävyyteen sekä puu- että betonivälipohjilla. [4, 23] Kuvan 3 kuvaajassa on esitetty erään vinyylilattiapäällysteen askelääneneristävyyden parannusvaikutus, kun se on asennettu erilaisten puuvälipohjien päälle. Alusrakenne vaikuttaa parannusvaikutukseen erityisesti yli 500 Hz taajuuksilla.

Palkkirakenteisilla välipohjilla ohutkin absorptiomateriaalikerros välipohjan sisällä parantaa askelääneneristävyyttä huomattavasti [8]. Absorptiomateriaali vaimentaa välipohjan sisällä etenevää ilmaääntä ja vaimentaa ilmatilaan syntyviä seisovia ääniaaltoja. Välipohjan sisään jäävän ilmatila ylitäytöllä ei ole havaittu olevan askelääneneristystä parantavaa vaikutusta [8, 17]. Absorptiomateriaalin parannusvaikutus havaitaan myös CLT-välipohjilla, joissa on levyrakenteinen alaslaskettu alakatto. Alakaton yläpuolisessa ilmatilassa absorptiomateriaali vaimentaa ilmatilan äänikenttää. Kuvan 4 kuvaajassa on esitetty vertailu eri absorptiomateriaalipaksuuksien vaikutuksesta välipohjan askelääneneristävyyteen. Suhteellisesti suurin parannus saavutetaan, kun täysin tyhjään ilmatilaan lisätään ohut absorptiomateriaalikerros.

Askelääneneristävyyden laskentamalli

Puuvälipohjien askelääneneristävyyden laskentaan ei ole ollut saatavissa validoituja ja suunnittelutyöhön soveltuvia laskentamenetelmiä tai -ohjelmistoja. [8] A-Insinöörien akustiikkasuunnitteluyksikössä on luotu suunnittelutyöhön ja tuotekehitykseen soveltuva askelääneneristävyyden laskentamenetelmä. Menetelmä perustuu laajaan kirjallisuustutkimukseen puuvälipohjien parametrisistä askelääneneristävyysmittauksista [8] sekä A-Insinöörien akustiikkasuunnitteluyksikön tutkimus- ja kehitystyöhön. Laskentamalli ja sen validoinnin tulokset on esitetty aikaisemmin kansainvälisessä Baltic-Nordic Acoustic Meeting 2018 konferenssissa Islannissa keväällä 2018 sekä tulevassa Rakennusfysiikka 2019-seminaarissa Tampereella [9, 10]. Validointi tehtiin vertailemalla laskentamenetelmällä määritettyjä askeläänitasoja L_n sekä askeläänitasolukuja L_n,w ja L´_n,w+ C_I,50-2500 vastaavien rakenteiden mittaustuloksiin. Vertailussa oli mukana laboratoriossa ja asuinrakennuksissa mitattuja välipohjarakenteita, yhteensä 28 rakennetta. Laskentamallin laskennan vaiheet on esitetty kuvan 5 vuokaaviossa. Vaiheissa 1-3 tulokset lasketaan 1/3-oktaavikaistoittain 50-5000 Hz taajuusalueella.

Ensimmäisessä vaiheessa lasketaan raakavälipohjan askeläänitasot L_n ja alakaton parannusvaikutus ΔL_d. Raakavälipohjalla tarkoitetaan tässä tapauksessa joko kantavaa palkistoa ja niihin kiinnitettyä kansilevyä tai kantavaa massiivipuulevyä, kuten CLT. Toisessa vaiheessa arvioidaan mahdollisen kelluvan laatan ΔL_ff, raakavälipohjan yläpuolisten levykerrosten ΔL_fb ja lattianpäällysteen ΔL_fc parannusvaikutus askeläänitasoihin. Parannusvaikutukset voidaan arvioida joko laskennallisesti tai mittausdatan avulla [9,10]. Kansilevyn päälle asennettujen levykerrosten parannusvaikutukset yhdistetään raakavälipohjan laskennalliseen askeläänitasolukuun W. Scholl et al. mukaisesti [26, 27]. 1/3-oktaavikaistoittain lasketuista askeläänitasoista L_n voidaan määrittää yksilukuarvot L_n,w ja L_n,w + C_I,50-2500 [28]. Kuvan 6 kuvaajissa on esitetty kahden välipohjan mitatut ja laskennalliset askeläänitasot 1/3-oktaavikaistoittain.

Validoinnin perusteella raakavälipohjien laskentatulokset vastasivat mittaustuloksia hyvin koko tarkastellulla taajuusalueella. Validoinnissa havaittiin, että CLT-rakenteiden laskentatulokset olivat erittäin riippuvaisia laskennassa käytetyistä materiaaliparametrien lähtöarvoista. Kokonaisten välipohjarakenteiden validoinnissa havaittiin, että laskentamallin tulokset vastaavat mittaustuloksia parhaiten 50-1000 Hz taajuusalueella. Laskentamallin epävarmuus kasvaa rakenteen monimutkaistuessa. Materiaalien rajapinnoissa ja sisällä tapahtuvat energiahäviöt ovat kuitenkin edelleen merkittävä epävarmuustekijä. Laskentamenetelmän jatkokehityksessä tarvitaan lisää tietoa lattiapäällysteiden käyttäytymisestä puuvälipohjilla sekä tarkennetaan raakavälipohjien laskennallisen voima- ja tehosuureiden laskentaa. [10]

Laskentamallin hyödyntäminen

Suomessa puukerrostalojen välipohjat on pitkään tehty siten, että kantavaan puurakenteeseen liittyy tavalla tai toisella toteutettu kelluva lattia sekä joustavasti ripustettu alakatto [2]. Jopa aivan tuoreessakin kansainvälisessä tutkimusraportissa todetaan, että puinen välipohjarakenne ilman kelluvaa lattiaa ei voi tuottaa hyväksyttävää askelääneneristävyyttä [29].

Tutkimuskirjallisuudesta on löydettävissä 1990-luvun loppupuolelta tutkijoiden kokeiluja, joiden tarkoituksena on ollut selvittää sitä, kuinka paljon kelluva lattia ja alakatto vaikuttavat askeläänitasoihin [30-32]. Käytännössä alakaton vaikutus askelääneneristävyyteen todettiin suuremmaksi kuin kelluvan lattian [31]. Tutkijoiden kokeilut eivät kuitenkaan johtaneet siihen, että olisi kehitetty välipohja, jossa kelluva lattia tai alakatto olisi jäänyt pois. Kelluvan lattian ominaistaajuus toisaalta myös johtaa suuriin askeläänitasoihin pienillä, yleensä alle 100 Hz taajuuksilla [33].

Lähteessä [34] on raportoitu hanke, jossa kehitettiin puuvälipohja, joka täyttää nykyiset määräykset askelääneneristävyydestä [3] siten, että kelluvaa lattiarakennetta ei tarvita. Välipohjan akustinen toiminta perustuu kansilevyn massaan sekä alakaton levytyksen joustavaan ripustukseen. Välipohjan rakennekerrokset määriteltiin A-Insinöörien kehittämällä parametrisella laskentamallilla, jolla voitiin myös ennustaa välipohjalla saavutettava askeläänitasoluku erittäin tarkasti.

Kehityshanke kokonaisuutena osoittaa, että puurakenteiden kehitystyössä kannattaa hyödyntää uusimpia tutkimus- ja kehityshankkeiden tuloksia. Lisäksi hankkeen tulokset osoittavat, että puuvälipohjia on mahdollista edelleen kehittää akustisesti paremmin toimiviksi ja samalla kustannustehokkaiksi. Tässä kehitystyössä parametrinen askelääneneristävyyden laskentamalli on käyttökelpoinen ja tehokas työkalu.

• Lue Puu-lehti 3/2019 kokonaisuudessaan.
• Tilaa Puu-lehti itsellesi (maksuton SAFA:n, RIL:n, RIA:n, SI:n, SIO:n, TKO:n, RKL:n, RTY:n ja Ornamon henkilö- ja opiskelijajäsenille kotiosoitteeseen postitettuna)