ВЛИЯНИЕ СТЫКОВ СОПРЯЖЕНИЯ ЛЕГКИХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ЗВУКОИЗОЛЯЦИЮ ПОМЕЩЕНИЙ

В.М.Разживин, А.В.Воскресенский, Е.А. Терентьева

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

г.Пенза, Россия.

Как показывает практика строительства, легкие ограждающие конструкции из стали, алюминия, стекла, полимерных материалов заметно превосходят традиционные конструкции и имеют явные преимущества в повышении степени сборности, снижение веса на основания здания, высокие прочностные и эстетические качества. Применения такого рода материалов стало возможным благодаря развитой индустриальной базе, производящей конструкции со строго определенными физико-механическими и геометрическими параметрами, а также высокой степени механизации на самой строительной площадке и широкого использования ручных пневмо- и электроинструментов.

Вместе с тем, опыт использования названных материалов в качестве ограждающих элементов указывает на заметное снижение изоляции воздушного шума помещений. Если для традиционных конструкций из бетонов, кирпича звукоизолирующая способность связана прямо пропорциональной зависимостью с поверхностной плотностью ограждения, то для легких, значительных по площади ограждений (например, наружного остекления зданий, легких внутренних стен и перегородок в планировочной структуре для обособления отдельных помещений) определяющим становится выбранный прием стыков сопряжения с несущими элементами.

Конструктивно его можно представить как вариант жесткого защемления (при заделке бетоном, жестким раствором, клепкой, сваркой, высокопрочным клеем), либо закрепленных с использованием упругих вставок с прижимными элементами. Очевидно, для последнего варианта закрепления упругому элементу придаются качества уплотнителя, обеспечивающего герметизацию стыка. Вместе с этим при определенных свойствах уплотнитель в таких соединениях способен проявлять качества изолятора звуковых вибраций.

Поэтому выбор того или иного способа прикрепления к примыкающим массивным конструкциям несущего остова здания (стены, колонны, междуэтажные перекрытия) может стать определяющим в характере изоляции воздушного шума каждого отдельно взятого элемента ограждения. Такая конструкция на пути шумового фронта находится под воздействием знакопеременных по давлению звуковых волн и совершает синхронно им колебательные движения.

В случае свободного опирания по контуру такого ограждения (конструкция не закреплена) изгибные волны, превалирующие среди прочих упругих волн, полностью отражаются от краев, образуя замкнутое энергетическое поле в плоскости конструкции. Но достаточно закрепить края ограждения( например, приварив их точечной сваркой) , как часть энергии колебаний будет переходить через это соединение в примыкающие конструкции. Отток энергии способствует снижению колебания ограждения и, как следствие из этого, повышению звукоизоляции. Отсюда следует первый вывод: чем «прочнее» связь с примыкающими конструкциями, тем большая часть энергии колеблющейся преграды будет переходить из неё через стыки в примыкающие массивные конструкции, для которых уровень подобных вибраций не имеет существенного значения.

Плотность сопряжения определяется одним условием: есть ли в соединении третий, промежуточный материал, и какими изолирующими свойствами он наделен.

Для примера исследуем звукоизолирующую преграду из силикатного стекла толщиной 4 мм ( далее принято обозначение m₂ ). Предположим, что в уплотнении по периметру используется асбестокартон толщиной 10 мм ( Е=50МПа,ε=0,2 и средней плотности ρ=600…800 кг/м³ ).Расчеты показывают, что резонансная частота f_о = 0.16х[Е/(d(1- ε)хm₂] = 8900 Гц ,т.е. будет находится в высокочастотной области. При сравнении с резиноподобными материалов такой же толщины( Е=5···10 МПа и среднем значении плотности ρ=1000…1200 кг/м³) та же частота f_о = 0.16х[Е/(d(1- ε)хm₂] = 800…1600 Гц и виброизолирующий эффект проявляется уже в достаточно большой области, включающей низкие и средние частоты.

Кроме того, плотность стыка с упругими вставками определяется конфигурацией прокладочного материала. В большинстве своем используются уплотнители П–образной и Х–образной формы, в пазах которых зажимается кромка ограждения. Возможно их следовало бы заменить на Г–образную или Z– образную формы для того, чтобы хотя бы одна из плоскостей ограждения–верхняя или нижняя плотно соприкасалась с поверхностью несущей массивной конструкции.

В работах М.С.Седова [1] на основе теории локального совпадения спектров удалось аналитически выразить зависимость между граничными условиями и звукоизоляцией облегченных ограждений. Однако форма её представления весьма сложна и затруднительна для анализа конкретных конструктивных решений.

С целью четкого представления вопроса о влиянии условий закрепления контура легких ограждений на их звукоизоляцию проводились экспериментальные исследования на пластинах из различных материалов.

Анализ вибраций и звукоизоляции при возбуждении пластин диффузным звуковым полем позволил предположить, что изменения звукоизолирующей способности находятся в прямой зависимости от скорости колебания пластин. Исследования [1] прямо указывают на то, что в формировании колебания пластин участвуют вынужденные и свободные волны. Вынужденные волны определяются уровнем звукового давления в падающей волне, а свободные – величиной отражения от краев. Таким образом, при одних условиях инициирования колебательного процесса звуковой волной наблюдается разница изоляции в зависимости от граничных условий.

Как показал частотный анализ, на низких и средних частотах изгибные волны оказываются превалирующими для легких конструкций, лежащих в одной пространственной плоскости с вибрирующей поверхностью; в других же раскрепленных в перпендикулярной им плоскости, вибрационное поле формируется в основном за счет изгибных и частично продольных волн. Происходит трансформация упругих волн, ослабление которых можно определить расчетным путем :

R= 10 lg (1/ Ƭ) , дБ

где Ƭ – коэффициент прохождения энергии вибрации.

Для построения расчетной схемы этого процесса используются модели и полученные на их основе логические комбинации колебательных систем[2]. Физическая модель прохождения упругой волны через угловое соединение при условии нормального падения звуковой волны, однородности материала стыка и сопрягаемых элементов, представляет стереомеханический удар четырех приведенных масс через невесомый уголок, который вращается относительно вершины. Для описания такой модели необходимо записать четыре уравнения. Два уравнения отображают взаимодействие приведенных масс в виде проекций импульса силы на ортогональные оси; одно уравнение является аналитическим выражением передачи момента количества движения через невесомый уголок; четвертое выражает закон сохранения кинетической энергии, полученной системой в результате упругого удара приведенной массы, которая наделяется единичной скоростью и одновременно запускает колебательный процесс.

Значения трех других масс определяется через соответствующие коэффициенты отражения β и прохождения α для продольных и изгибных волн, совершающих как поступательное, так и вращательное движения в самой волне при переходе из тонкого элемента (колеблющейся пластины) в толстый, так и наоборот.

Разработанная расчетная схема позволяет наглядно и с достаточной точностью рассчитать величину виброизоляции. Для этого необходимо выполнить переход от коэффициентов скорости к коэффициентам прохождения (отражения) энергии упругих волн.

Такого рода сопряжения стыков ограждающих конструкций из легких пластин в общей схеме несущего остова позволяют без дополнительных затрат повысить звукоизоляцию на 4- 6 дБ на низких и средних частотах, которые преобладают в спектре шумов гражданских зданий.

ЛИТЕРАТУРА

1.Седов М.С. Механизм прохождения звука через тонкую пластину

ограниченного размера. – Известия вузов МВ и ССО СССР, «Строительство и архитектура», №7, 1964, с.67-73.

2.Ковригин С.Д., Захаров А.В., Герасимов А.И. Борьба с шумом в

гражданских зданиях. – М., Стройиздат, 1969.