Julkinen puurakentaminen on yleistymässä. Kappalemääräisesti eniten julkisista rakennuksista on viime vuosina toteutettu puurakenteisia kouluja. Samanaikaisesti puurakenteiden ääneneristävyyden suunnittelumenetelmät ovat kehittyneet nopeasti. Ratkaisujen akustinen toimivuus voidaan varmistaa suunnittelijan työpöydällä ilman tarvetta raskaisiin ja aikaa vieviin laboratoriomittauksiin tai koerakentamiseen.

Teksti: Mikko Kylliäinen, Pekka Latvanne ja Antti Mikkilä
Kuvat: A-Insinöörit, Hannu Rytky, Aki Rask

Read the article in English: Modern computing technologies offer new acoustic design opportunities for wooden schools

Artikkeli jatkuu mainoksen jälkeen

Puu on viime vuosina saavuttanut jalansijaa julkisten rakennusten, erityisesti opetusrakennusten, rakennusmateriaalina. Tämä johtuu erityisesti valtakunnallisista puurakentamisen edistämisohjelmista sekä kuntien omista, esimerkiksi hiilijalanjälkeen liittyvistä tavoitteista, mikä konkretisoituu myös kaavoituksessa: monet kunnat ovat kaavoittaneet laajuudeltaan merkittäviä alueita puurakentamiseen.

Puurakenteisissa oppilaitoksissa opetustilojen ääneneristys on suunniteltava ja toteutettava tilan käyttötarkoitus huomioon ottaen siten, että niissä saavutetaan toimintaa vastaava riittävän hyvä ääniympäristö. Tätä edellyttää rakennusmateriaalista riippumatta ympäristöministeriön asetus 796/2017 rakennusten ääniympäristöstä [1]. Opetustiloissa tulee olla puheenerotettavuuden kannalta hyvät ääniolosuhteet oppimisen mahdollistamiseksi. Opetustilojen välillä tulee olla ääneneristävyyttä työrauhan saavuttamiseksi ja jotta muista tiloista kantautuvat häiriöäänet eivät haittaisi keskittymistä. Avoimissa opetustiloissa hyvät ääniolosuhteet saavutetaan huoneakustisella vaimennuksella ja peiteäänijärjestelmällä [2].

Opetusrakennusten arkkitehtisuunnittelun tavoitteet nivoutuvat akustiikkasuunnittelun tavoin tilojen toiminnallisiin tavoitteisiin. Rakennusmateriaalista riippumatta tilojen tulee mahdollistaa terveellinen, turvallinen ja viihtyisä oppimisympäristö. Puurakenteisille opetusrakennuksille on ominaista puun käyttö sisustuselementtinä, ja puupintoja pyritään jättämään näkyviin mahdollisimman paljon [3]. Esimerkiksi Lempäälän Kanavan koulun aulatiloissa hirsirakenteet näkyvät sisäverhouspintoina (kuva 1).

Suomalainen teollinen puurakentaminen on yhä kehitysvaiheessa, minkä vuoksi rakennusten suunnitteluprosessiin liittyy usein uusien rakenneratkaisuiden kehittämistä ja ideointia. Kehitystyö edellyttää akustiikkasuunnittelijalta kykyä arvioida eri suunnitteluratkaisuiden vaikutusta esimerkiksi ääneneristävyyteen. Tällainen suunnittelu on yleensä vaativaa, sillä rakenteiden ääneneristävyyden arvioinnissa ei voida hyödyntää vakiintuneita massiivirakenteiden laskentamenetelmiä tai mittaustuloksia. Puurakenteiden ja massiivirakenteiden suunnittelu eroaa myös siinä, että kantokykyvaatimusten sijaan puurakenteiden dimensiot määräytyvät usein jonkin muun seikan perusteella.

Puurakentamisen yleistyessä julkisissa rakennushankkeissa myös puurakenteiden akustisten ominaisuuksien laskentamenetelmät sekä tieto puurakenteiden akustisesta käyttäytymisestä ovat lisääntyneet [esim. 4–7]. Tämän artikkelin tarkoituksena on esitellä puurakenteisten oppilaitosten suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä ja uusien laskentateknologioiden mahdollisuuksia puurakennusten ääneneristävyyden suunnittelussa.

Puurakenteisten oppilaitosten runkojärjestelmät

Puurakennushankkeissa akustiikkasuunnittelijan rooli ja asiantuntemus korostuvat hankkeen suunnittelun alkuvaiheessa, kun valitaan kohteen runkojärjestelmä ja rakennetyypit. Tyypillisiä puurakennuksen runkojärjestelmiä ovat ranka-, massiivipuu-, hirsi- tai pilari–palkkirunko [8–9]. Puurakentamisessa pyritään korkeaan esivalmistusasteeseen ja sen myötä lyhyempään rakennusaikaan tontilla. Korkea esivalmistusaste tarkoittaa käytännössä rankarakenteiden elementointia ja suurikokoisia CLT-levyjä, jolloin rakenteet voivat jatkua yhtenäisinä usean tilan välillä. CLT- ja rankarunkoisissa rakennuksissa väliseinät voivat toimia kantavina sekä jäykistävinä rakenteina.

Alla olevassa kuvassa on CLT-runkoinen Hopealaakson päiväkoti. CLT-elementit ovat betonirakenteisiin verrattuna kevyitä, minkä ansiosta elementtien nosto oli mahdollista tehdä kevyellä ajoneuvonosturilla.

Viime vuosina markkinoilla ovat yleistyneet myös erilaiset hybridirakenteet, kuten puu–betoni-liittorakenteet. Tällaisissa rakenteissa pyritään hyödyntämään kunkin rakennusmateriaalin parhaat ominaisuudet. Puurakenteita voidaan hyödyntää myös esimerkiksi vain ei-kantavina ulkoseininä, jolloin rakennuksen kantava runko voidaan toteuttaa betoni- tai puurakenteisena. Rakennusmateriaalien yhdistämistä tukevat myös ympäristöministeriön vähähiilisen rakentamisen hankintakriteerisuositukset, jotka ohjaavat uusiutuvan ja kierrätetyn rakennusmateriaalin käyttöön julkisessa rakentamisessa [10].

Ääntä eristävien puurakenteiden rakennetyypit

Opetusrakennusten suunnittelussa akustiikkasuunnittelijan tehtäviin kuuluu rakennesuunnittelijan avustaminen rakennetyyppien laadinnassa [3]. Rakennetyyppien dimensiot eivät useinkaan määräydy lujuusteknisten vaatimusten perusteella vaan mitoittavaksi tulee rakenteen ääneneristävyys, palonkesto tai vaakarakenteiden tapauksessa värähtely ja sallittu taipuma.

Levymäinen puukerros on ilmaääneneristävyydeltään noin 15 dB heikompi kuin paksuudeltaan vastaava betonikerros. Saavutettavaan ääneneristävyyteen vaikuttaa myös rakenteen koinsidenssin rajataajuus, joka on riippuvainen rakenteen massasta ja jäykkyydestä. Puulevyrakenteilla tämä rajataajuus osuu yleensä rakennusakustiikan kannalta kiinnostavan taajuusalueen keskivaiheille (kuva 3), mikä heikentää ääneneristävyyttä [8].

Kuva 3. 180 mm paksujen CLT- ja betonilevyjen ilmaääneneristävyydet taajuuden suhteen laskettuna parametrisella ilmaääneneristävyyden laskentamallilla. Punainen piste osoittaa koinsidenssin rajataajuuden, joita CLT-levyllä on kaksi.

Puun keveys ja koinsidenssi-ilmiö johtavat siihen, että puurakenteet joudutaan usein verhoamaan levyverhouksella ääneneristävyyden parantamiseksi. Kun kevyitä väliseiniä käytetään rakennuksen kantavina tai jäykistävinä rakenteina, käytetään rakenteessa puurankoja ja -levyjä sekä usein tavanomaista tiheämpää kiinnikejakoa. Nämä tekijät voivat heikentää väliseinän ilmaääneneristävyyttä verrattuna tavanomaiseen vastaavan paksuiseen teräsrankaväliseinään. Rakennusosan rakennekerrosten, ilmavälien ja rankojen sekä monien muiden tekijöiden vaikutuksia rakennusosan ääneneristävyyteen voidaan tutkia parametrisilla laskentamalleilla (kuva 3), joiden tarkkuustaso suunnittelutarkoituksiin on hyvin riittävä [11–12].

Puurakenteiden liitokset

Puurakennuksessa runkojärjestelmällä on merkittävä vaikutus rakenteelliseen sivutiesiirtymään ja tilojen välillä saavutettavaan ääneneristävyyteen. Puurakenteiden liitoksissa tapahtuvien häviöiden laskentaan ei toistaiseksi ole standardoitua tai muuta yleisesti hyväksyttyä menetelmää. Betonirakenteilla liitosten ääneneristävyys perustuu liitosten jäykkyyteen ja liittyvien rakennusosien massaan. Puurakennusten rakenteiden liitosten suunnittelu on perustunut pitkälti asuntorakentamisen yhteydessä tehtyyn mittaus- ja kehitystyöhön. [8–9]

Asuinrakennukseen kehitetyt liitosratkaisut ovat osin ylimitoitettuja opetusrakennukseen, koska opetustilojen ääneneristysvaatimukset ovat pääsääntöisesti kevyempiä. Rakenteellisen sivutiesiirtymän vaikutusta ääneneristävyyteen voidaan arvioida laskennallisilla menetelmillä [13]. Toistaiseksi puurakentamisen liitosratkaisut eivät kuitenkaan ole vakiintuneet, vaan rakenteellisen sivutiesiirtymän rajoittamiseksi tehtävien rakennekatkojen ja ääneneristysverhousten määritys tehdään tapauskohtaisesti.

Tuoreiden tutkimustulosten perusteella vaikuttaisi siltä, että rakenteiden katkoja ei välttämättä oppilaitosrakennuksissa tarvittaisi, kun tilojen välistä ilmaääneneristävyyttä kuvaavalle äänitasoeroluvulle D_nT,w asetettu vaatimustaso on luokkaa 40–48 dB [14]. Suurin osa oppilaitosten tiloista asettuu tähän haarukkaan, kuten opetustilat, toimistohuoneet ja oppilashuollon tilat.

Huoneakustiikka puurakenteisissa oppilaitoksissa

Opetusrakennuksissa tarkoituksenmukaiset huoneakustiset olosuhteet luovat edellytykset vaivattomalle kommunikaatiolle opettajan ja oppilaiden välillä. Opetusrakennusten suunnittelussa akustiikkasuunnittelijan tehtäviin kuuluu huoneakustisten vaatimusten määrittely sekä huoneakustisten rakenteiden ja materiaalien määrittely yhteistyössä arkkitehdin kanssa.  Esimerkiksi Suomalais-venäläisen koulun aulatilassa seinien huoneakustiset verhoukset on asennettu harvapuurimoituksen taakse [3]. Aulassa pyrittiin jättämään näkyviin mahdollisimman paljon kantavia puurakenteita (kuva 4).

Tyypillisesti puurakennuksissa laajat puupinnat toimivat tärkeänä osana sisustusta. Puupohjaisia materiaaleja pyritään suosimaan myös muissa sisäverhouspinnoissa, kuten alakatoissa ja seinäverhouksissa. Käytännön ratkaisuja ovat erilaiset puukuitulevyt sekä rei’itetyt puulevyt ja -rimoitukset, joiden taustalle asennetaan ääntä absorboivaa materiaalia. Puupintojen käyttöä rajoittaa merkittävimmin julkisten tilojen pintamateriaalien pintaluokkavaatimukset. Palosuojaamattomien puurakenteiden pintaluokka on yleensä D-s2-d2, pois lukien puuritilärakenteet, joilla on heikompi pintaluokka [15].

Puurakenteisten oppilaitosten sisäverhouksissa tarvitaan absorboivaa materiaalia siksi, että toisin kuin usein ajatellaan, puu on joko lähes täydellisesti ääntä heijastava pinta (massiivipuukerrokset) betonin tai lasin tapaan tai absorboi ääntä lähinnä pienillä taajuuksilla, bassoalueella (levyrakenteet, joiden takana on ilmatila). Rakennusmateriaalien kykyä absorboida ääntä eli kykyä vähentää äänitehoa äänen heijastuessa materiaalipinnasta mitataan absorptiosuhteella α. Sen arvo 0 tarkoittaa, että materiaalin kohtaama ääni heijastuu materiaalista täysin pois vaimentumatta lainkaan. Arvo 1 tarkoittaa, että materiaali absorboi äänen täydellisesti eikä mitään heijastu pois.

Kuvassa 5 on esitetty joidenkin puu- ja muiden pintojen absorptiosuhteita. Puheen kuuluvuuden ja selvyyden edellyttämä absorptio tai aulatiloissa ja ruokaloissa tärkeä yleismelutason alentaminen johtavat siihen, että puupintojen lisäksi on käytettävä joko rei’itettyjä levyjä tai huokoisia materiaalikerroksia hyvien huoneakustisten olosuhteiden saavuttamiseksi.

Digitaalisen akustiikkalaboratorion mahdollisuudet

Puurakenteisten koulujen runkojärjestelmät ja rakennetyypit eivät ole toistaiseksi vakiintuneet, ja toisaalta niiden kehittämis- ja optimointimahdollisuuksia on olemassa. Puurakenteiden ääneneristävyyden kehitystyö alkoi Suomessa 1990-luvun puolivälissä, kun rakentamismääräykset sallivat kahta kerrosta korkeampien puukerrostalojen rakentamisen. Puurakenteiden kehittäminen ja tutkimus oli tuolloin täysin kokeellista. Tutkimuskirjallisuuden tai mittaustuloksista koottujen tietokantojen perusteella yritettiin päätellä, millä tavoin erilaiset rakenteisiin tehtävät muutokset vaikuttavat yksittäisten rakennusosien tai tilojen väliseen ilma- tai askelääneneristävyyteen. Tämän jälkeen rakenteiden akustinen toimivuus vielä testattiin joko laboratoriossa tai koerakennuksessa [16].

Puurakennusten rakennushankkeissa suunnittelu on paljolti perustunut aiemmin hyväksi havaittujen ratkaisujen toistamiseen. Suunnittelu tai kehitystyö, joka perustuu pääasiallisesti ratkaisujen testaamiseen laboratoriossa tai koerakennuksessa, on puurakentamisen edistymisen kannalta kuitenkin ongelma. Asian merkitystä voidaan havainnollistaa vertaamalla tilannetta rakennesuunnitteluun: jos rakennesuunnittelu perustuisi kantavien rakenteiden koekuormitukseen ilman mahdollisuutta tarkastella rakenteiden käyttäytymistä laskennallisesti, on selvää, että tällainen suunnittelu olisi tehotonta sekä ajankäytön että kustannusten kannalta.

Ääneneristävyyden laboratoriomittaukset vievät aikaa eikä laboratoriossa voida käytännössä koskaan tehdä niin laajoja koesarjoja, että ratkaisuja voitaisiin optimoida. Lisäksi on havaittu, että rakennuksessa rakenteet eivät välttämättä toimikaan samalla tavalla kuin laboratoriossa, koska esimerkiksi liitokset ympäröiviin rakenteisiin vaikuttavat ääneneristävyyteen eikä näitä vaikutuksia laboratoriossa saada selville. Koerakennuksen rakennuskustannukset taas ovat suuret. Järkevää olisi saada koerakennuksen rakennusosat tai tilaelementit käytetyksi todellisessa rakennuksessa, mutta aina se ei ole mahdollista.

Viime vuosina ilma- ja askelääneneristävyyksien määrittämiseksi on kehitetty tarkkuudeltaan ja nopeudeltaan eritasoisia laskentamenetelmiä. Parametriset laskentamallit [11, 12, 17] soveltuvat erityisesti suunnittelutyökaluiksi jokapäiväisissä rakennushankkeissa. Vaativammissa suunnittelutehtävissä ja rakenteiden tuotekehitystyössä voidaan käyttää numeerisia menetelmiä, joiden tarkkuus vastaa parhaimmillaan ääneneristysmittausten mittausepävarmuutta. Ilma- ja askelääneneristävyyksien laskentaan on esitetty myös runsaasti analyyttisiä laskentamalleja, mutta niiden käyttökelpoisuutta rajoittavat menetelmien monet reunaehdot: pienikin muutos laskettavassa rakenteessa reunaehtoihin nähden voi johtaa siihen, että menetelmää ei voida soveltaa. Numeerisilla menetelmillä tällaisia rajoitteita ei vastaavassa määrin ole [17].

Ääneneristävyyttä voidaan tarkastella numeerisin menetelmin käyttäen esimerkiksi elementtimenetelmää (FEM), jonka käyttöä eivät rajoita parametrisille tai analyyttisille menetelmille tyypilliset reunaehdot. Perinteisesti FE-menetelmät ovat rakennusakustiikassa rajautuneet lähinnä pientaajuustarkasteluihin. Tämä johtuu luultavasti akustisten mallien suuresta laskentatehon tarpeesta, kun puhutaan tarkastelutaajuuteen nähden suurista malleista. Nykyisten laskentakoneiden teho on kuitenkin riittävä myös suurilla taajuuksilla. FEM-mallinnuksen mahdollisuuksia on tutkittu viimeisen 10 vuoden aikana erityisesti puurakenteissa. FE-menetelmällä voidaan ottaa huomioon rakenteen tarkka geometria sekä monimutkaisemmat materiaalimallit, kontaktit ja tuennat, joiden vaikutus ja toteutustavat ovat puurakenteilla betonirakenteita monimuotoisemmat [17–18].

FE-menetelmän tarjoama mahdollisuus mallintaa rakenteiden, liitosten ja tiivisteiden geometria tarkasti tarkoittaa sitä. että sillä voidaan mallintaa myös ovien, ikkunoiden tai hirsiseinien ilmaääneneristävyyttä toisin kuin analyyttisillä tai parametrisillä malleilla (kuva 6).

Hyviä tuloksia on saatu myös puurakenteisen ripalaatan (kuva 7) ilma- ja askelääneneristävyyden mallintamisesta. [17–18].

Edellä kuvatuilla mallinnusmenetelmillä voidaan rakenteiden ja materiaalien käyttäytymistä tutkia samalla tavalla kuin laboratoriomittauksin, mutta nopeammin ja edullisemmin. Ilma- ja askelääneneristävyyden lisäksi FEM-mallinnuksella voidaan määrittää esimerkiksi ilmanvaihtokanavissa tai teollisuuslaitoksissa puhallin- tai virtausmelun vaimentamiseksi tarvittavien äänenvaimentimien äänenvaimennusarvoja erittäin tarkasti. Samoin huoneakustisten verhousten absorptiosuhteiden laskeminen on mahdollista. Koska nämä laskelmat tehdään digitaalisesti mallinnuksen keinoin, tästä kokonaisuudesta on alettu käyttää nimitystä digitaalinen akustiikkalaboratorio. Sen mahdollisuuksia on jo sovellettu runsaasti sekä suunnittelukohteissa että rakennustuoteteollisuuden tuotekehityshankkeissa.

TEKIJÄT

Artikkelin kirjoittajat Mikko Kylliäinen, Pekka Latvanne ja Antti Mikkilä työskentelevät A-Insinöörien akustiikkasuunnitteluyksikössä. Kylliäinen on akustiikkasuunnittelun yksikönjohtaja ja tekniikan tohtori ja toimii myös tutkijatohtorina Tampereen yliopistossa. Hän on työskennellyt puurakennusten akustiikan parissa vuodesta 1995. Latvanne on projektipäällikkö ja erikoistunut julkisten puurakennusten akustiikkasuunnitteluun. Suunnittelupäällikkö Mikkilä on toiminut lukuisten julkisten rakennushankkeiden, kuten koulujen, sairaaloiden ja kirjastojen, rakennushankkeissa akustiikasta vastaavana suunnittelijana.

Lähteet

1. Ympäristöministeriön asetus 796/2017 rakennuksen ääniympäristöstä.
2. Kylliäinen, M. & Pääkkönen, R. 2017. Ääniolosuhteet avoimissa oppimisympäristöissä. Akustiikkapäivät 2017. Espoo, 24.–25.8., Akustinen Seura ry, s. 21–26.
3. Latvanne, P. & Mikkilä, A. 2021. Puurakenteisten oppilaitosten akustiikkasuunnittelun erityispiirteitä. Akustiikkapäivät 2021. Turku, 24.–25.11., Akustinen Seura ry, s. 182–183.
4. Kylliäinen, M., Björman, J. & Hakkarainen, J. 2015. Akustisesti toimivan kustannustehokkaan puuvälipohjan kehittäminen. Rakennusfysiikka 2015. Tampere, 20.–22.10., Tampereen teknillinen yliopisto ja Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry, s. 573–578.
5. Latvanne, P. & Kylliäinen, M. 2017. Puuvälipohjien askelääneneristävyyteen vaikuttavat tekijät. Akustiikkapäivät 2017. Espoo, 24.–25.8., Akustinen Seura ry, s. 117–122.
6. Lietzén, J., Miettinen, J., Kylliäinen, M. & Pajunen, S. 2021. Impact force excitation generated by an ISO tapping machine on wooden floors. Applied Acoustics. Vol. 175, article 107821
7. Lietzén, J., Kylliäinen, M. & Pajunen, S. 2021. Lattianpäällysteiden toiminta puuvälipohjilla. Akustiikkapäivät 2021. Turku, 24.–25.11., Akustinen Seura ry, s. 66–71.
8. Lahtela, T., Kylliäinen, M., Lietzén, J., Kovalainen, V. & Talus, L. 2021. Ääneneristys puutalossa. Helsinki, Puuinfo Oy.
9. Kylliäinen, M., Latvanne, P., Kuusinen, A., Kekki, T. 2017. Puukerrostalojen ääneneristys: Asiantuntijaselvitys. Joensuu. Karelia-ammattikorkeakoulu, Karelia-ammattikorkeakoulun julkaisu C44.
10. Kuittinen, M. & le Roux, S. 2017. Vähähiilisen rakentamisen hankintakriteerit. Helsinki, ympäristöministeriö.
11. Riitakangas, J. 2020. Ilmaääneneristävyyden parametrisen laskentamallin validointi. Insinöörityö. Kuopio, Savonia-ammattikorkeakoulu, rakennustekniikan tutkinto-ohjelma. 
12. Latvanne, P. & Kylliäinen, M. 2019. Puuvälipohjien askelääneneristävyyden laskennallinen arviointi. Puu. Nro 3, s. 42–50.
13. Pura, M., Kylliäinen, M. & Kovalainen, V. 2021. Rakenteellisten sivutiesiirtymien laskennallinen tarkastelu puurakennuksissa. Akustiikkapäivät 2021. Turku, 24.–25.11., Akustinen Seura ry, s. 84–89.
14. Pura, M. 2021. Äänen rakenteelliset sivutiesiirtymät puurakennuksissa. Diplomityö. Oulun yliopisto, Rakennus- ja yhdyskuntatekniikan tutkinto-ohjelma.
15. Lahtela, T. 2021. Paloturvallinen puutalo. Helsinki, Puuinfo Oy.
16. Keronen, A. & Kylliäinen, M. 1997. Sound insulating structures of beam-to-column framed wooden apartment buildings. Tampere, Tampere University of Technology, Laboratory of Structural Engineering, Publication 77.
17. Kylliäinen, M., Lietzén, J. & Kovalainen, V. 2021. Puurakenteiden ääneneristävyyden nykyaikaiset laskentamenetelmät. Rakennusfysiikka 2021. Tampere, 26.–28.10., Tampereen yliopisto ja Kiinko Kiinteistöalan Koulutuskeskus Oy, s. 471–476.
18. Lietzén, J. & Kovalainen, V. 2021. Rakenteiden ilmaääneneristävyyden arviointi elementtimenetelmällä. Akustiikkapäivät 2021. Turku, 24.–25.11., Akustinen Seura ry, s. 102–107.