SteelLib
Первая в России энциклопедия по стальному строительству
Главная Печать
Сообщить об ошибке

Акустика и вибрация

Многоэтажные здания со стальным каркасом гораздо легче (как правило на 60%) аналогичных зданий, построенных из бетона. Это часто порождает миф о том, что здания с применением металлоконструкций не отвечают требованиям к акустике и виброизоляции.

В секторе стального строительства накоплен значительный опыт проектирования стальных конструкций, удовлетворяющих самым строгим требованиям к акустике и виброизоляции. В настоящее время для проектировщиков существует множество подробной справочной литературы и инструментов, помогающих подчеркнуть преимущества стального строительства в скорости возведения, низких затратах и экологической устойчивости без ущерба показателям виброизоляции и акустики.

Вибрация междуэтажных перекрытий

Вибрация перекрытий по сути является колебаниями, которые возникают в здании и воздействуют на находящихся в нём людей в их повседневной деятельности.

Вибрация присутствует во всех зданиях и сооружениях и чаще всего незаметна. Если технические требования ограничивают чувствительность к виброизоляции здания, проектировщик может без особого труда проверить конструктивную схему здания на соответствие этим требованиям.

В большинстве многоэтажных офисных зданий со стальным каркасом не требуется дополнительных мер по снижению вибрации. Для более чувствительных к вибрации помещений, например, операционных, требуется более глубокий предварительный анализ и, возможно, стальной каркас в таких случаях будет проектироваться более жёстким.

Наиболее распространённым источником вибрации, вызывающим досадные помехи, является жизнедеятельность человека, обычно - ходьба. Несмотря на то, что абсолютная величина колебаний невелика, вибрация, вызванная ходьбой, может вызвать неприятные ощущения у людей, работающих или живущих в здании.

Когда здание уже построено, изменить уже выполненные конструкции перекрытий для сокращения вибрации представляется сложным: чтобы ощутимо снизить амплитуду колебаний, понадобятся серьёзные изменения массы, жёсткости или принудительное гашение колебаний (демпфирование) перекрытий. Поэтому важно, чтобы решения по допустимому уровню вибрации принимались на стадии эскизного проекта.

Несмотря на существующие предубеждения, практика показывает, что большепролётные конструкции, для которых стальной каркас является наиболее распространённым решением, обеспечивают эффективное снижение колебаний. Это достигается увеличением жёсткости балок и массы большепролетных плит перекрытий, которые реагируют на каждое движение и снижают чувствительность к вибрации.

Оценка вибрации перекрытий

Как правило, вибрация перекрытий считается вопросом, относящимся исключительно к эксплуатационным качествам зданий и сооружений, в первую очередь к условиям комфортности людей и содержанию чувствительного к вибрации оборудования, установленного в помещении.

Для каркасных перекрытий - как стальных, так и сталежелезобетонных - при проектировании основным критерием может стать именно пригодность к нормальной эксплуатации.

Подвижность вибрирующей системы можно определить тремя параметрами:

1) Частота колебаний определяет, как быстро она вибрирует;
2) Амплитуда колебаний определяет, насколько она вибрирует;
3) Затухание колебаний определяет, как долго она вибрирует.

В прежние годы проектирование виброизоляции сводилось к ограничению частот колебаний главных и второстепенных балок, как правило величиной в 4Гц. Однако, это довольно простое требование не берёт в расчёт все факторы, характеризующие тип здания и условия его эксплуатации.

В настоящее время разработан ряд упрощённых процедур, помогающих инженерам-конструкторам аналитически определить соответствие конструкции перекрытий вибрационным нормативам.

Как правило, методы анализа включают расчёт первой собственной частоты перекрытий и либо максимальную амплитуду и виброскорость, либо виброускорение для определения характеристик вынужденных колебаний. В некоторых случаях также требуется расчётная оценка гашения колебаний в конструкции перекрытий. Шкала восприятия этих колебаний человеком используется чтобы определить, отвечает ли конструкция перекрытий требованиям к условиям эксплуатации.

Для определения собственных частот, модальных масс и форм колебаний для самых разных типов перекрытий может быть использован метод конечных элементов. Этот метод оптимален для зданий с нерегулярной сеткой, либо зданий с повышенными требованиями к виброизоляции, например, больниц. Метод конечных элементов более точен и менее консервативен в сравнении с вычислениями вручную.


Рис.1 Моделирование методом конечных элементов, используемое для прогнозирования чувствительности к вибрации

Предельно допустимая вибрация

На человеческое восприятие колебаний наибольшее воздействие оказывает ускорение, а не перемещение, и поэтому предельные значения вибрации также выражаются величинами ускорения.

Действующие стандарты оценивают интенсивность колебаний перекрытий через уровень их виброускорения, который в свою очередь определяется через взвешенное среднеквадратичное ускорение. Соответствие перекрытий нормативным требованиям оценивается путём деления прогнозируемого виброускорения на нормативное значение. Таким образом определяется коэффициент, значение которого не должно превышать предельных значений, указанных в соответствующих нормативах. Для примера, предельное значение этого коэффициента для офисных зданий обычно равно 8, для операционных в больницах 1, а в больничных палатах - 2.

Если уровень виброизоляции перекрытия на стадии эскизного проекта признан недопустимым, проектировщик должен изменить конструктивную схему здания таким образом, чтобы чувствительность к вибрации снизилась до требуемых значений. Изменения могут выражаться в увеличении массы, жёсткости и способов гашения колебаний перекрытий, смещении в плане коридоров или сокращении их длины и др.

Полезный инструмент в помощь проектировщику для оценки динамической реакции перекрытий разработал Институт стальных конструкций (SCI) - см. информацию ниже.

Акустические эксплуатационные характеристики

Хорошая акустика очень важна для многоэтажных зданий, особенно в жилых домах, школах и больницах. В офисных зданиях основное внимание уделяется защите от внешних и внутренних шумов, и от шума систем инженерного оборудования.

Шум

Шум в помещении измеряется и описывается в соответствии с тем, как его воспринимает человек. Человеческое ухо улавливает два важнейших параметра звука, а именно:
  • уровень или громкость
  • высота тона или частота
Значения уровня шума и звукоизоляции (снижение уровня шума) выражаются в децибелах (дБ), а высота тона или частота - в герцах (Гц).

Самыми важными элементами, влияющими на акустику в помещениях, являются стены и вышележащие перекрытия.

Звукоизоляционные свойства стен или перекрытий варьируются в зависимости от частоты и, поскольку большинство звуков представляет собой смешение различных частот, в конкретно взятой конструкции определённые частоты с большой долей вероятности затухают более эффективно чем другие. Таким образом, звукоизоляционные характеристики стен и перекрытий измеряются в диапазоне частот, воспринимаемом человеческим ухом.

При определении требуемой звукоизоляции конструкциями зданий различают два вида шума:
  • воздушный шум
  • ударный шум
Изоляция от шумов, передающихся по воздуху, важна как для стен, так и для междуэтажных перекрытий. Звукоизоляционные параметры отдельных строительных элементов могут измеряться лабораторно. Итоговое значение измерений называется индексом изоляции шума R.

Изоляция от ударного шума обычно относится только к междуэтажным перекрытиям. Для определения нормативного уровня ударного шума Ln применяются лабораторные испытания с привлечением стандартных источников шумового воздействия. Соответствие техническим строительным требованиям по акустике проверяется по параметрам R и Ln.

Распространение шума

Конструктивные решения перекрытий, стен, узлы их соединения оказывают существенный эффект на степень проникновения шума в здание и из него на близлежащие территории.

Если две комнаты отделены друг от друга стеной, шум проходит либо напрямую сквозь разделяющий элемент (прямая передача шума), либо вокруг разделяющего элемента через прилегающие элементы здания (боковая передача шума). В обоих случаях степень звукоизоляции определяется следующими характеристиками:
  • масса;
  • изоляция;
  • герметичность узлов примыканий.
Прямая передача шума зависит от свойств разделяющей стены или перекрытия и может измеряться при испытаниях в лаборатории.

Боковую передачу шума труднее прогнозировать, поскольку на неё влияют материалы соединений между строительными элементами и качество строительных работ на площадке. В обычных условиях, боковая передача приводит к большему проникновению и распространению шума, чем прямая.  Таким образом, важно, чтобы соединения между разделительными элементами были запроектированы и смонтированы корректно.

Требования к акустике

Отдельные страны и регионы имеют свои собственные стандарты и требования к звукоизоляции. Нормативные акустические показатели зависят от типа и функционального назначения того или иного здания. В представленной таблице приведены требования к акустике для различных секторов строительной отрасли.
 
Вид объекта Стены Перекрытия  
  Воздушный шум Воздушный шум Ударный шум
Жилые здания Rw ≥ 62 дБ Rw ≥ 57 дБ L'nTw ≤ 62 дБ
Школы Rw ≥ 60 дБ Rw ≥ 60 дБ L'nTw ≤ 60 дБ
Больницы Rw ≥ 57 дБ Rw ≥ 57 дБ L'nTw ≤ 65 дБ
Офисные здания Rw ≥ 50 дБ Rw ≥ 50 дБ  
Кинотеатры Rw ≥ 74 дБ            
Табл. 1 Стандартные требования к звукоизоляции для различных типов зданий.
Rw - индекс изоляции воздушного шума,
L'nTw  - индекс приведённого уровня ударного шума.

Нормативные акустические требования подтверждаются либо в ходе предварительных испытаний, проводимых на объекте, либо путём реализации типовых конструктивных решений, соответствие которых требованиям к акустике было доказано опытным путём. 

Стены

Стены в зданиях со стальным каркасом обычно выполняются в виде панелей, состоящих из лёгкого стального каркаса, утеплителя и обшивки, например, из гипсокартона. Стены могут быть несущими и ненесущими. 



Рис. 2 Внутренняя стена с каркасом из тонкостенных стальных профилей

Существует множество различных типов профилей элементов каркаса стены, теплоизоляционных материалов и обшивки, каждому из них свойственны разные акустические свойства. Хорошие акустические характеристики здания достигаются прежде всего правильным подбором материалов и конструктивных узлов.

Для выполнения внутренних и наружных стен, а также перегородок разработан целый ряд типовых решений с применением стальных конструкций. Ниже представлен фрагмент внутренней стены с каркасом из стальных профилей, минераловатной изоляцией и двумя слоями гипсокартона с каждой стороны. Индекс изоляции воздушного шума R для этой конструкции находится в диапазоне от 56 до 66 дБ.

Выбрать необходимое решение в зависимости от региона строительства и типа здания можно с помощью производителей стеновых систем или иных источников.  Институт стальных конструкций (SCI) разработал специальное программное обеспечение для расчёта акустических параметров - см. информацию ниже.

Перекрытия

Как и в случае стеновых систем, в секторе стального строительства был разработан целый ряд конструктивных решений междуэтажных перекрытий с различными акустическими характеристиками. В широком доступе можно найти чертежи с типовыми решениями и акустические характеристики таких видов перекрытий как:
  • сталежелезобетонные перекрытия;
  • сборные железобетонные элементы на каркасе из стальных балок;
  • перекрытия из лёгких стальных тонкостенных балок с щитовой отделкой;
  • перекрытия из лёгких стальных тонкостенных ферм с бетонной стяжкой.
Помимо конструктивных решений, важное значение имеет выбор отделочных материалов перекрытия и потолков, которые значительно влияют на акустические характеристики.

  
Рис. 3 Узел конструкции сталежелезобетонного перекрытия.
Акустические характеристики: индекс изоляции воздушного шума - 48 - 60 дБ,
индекс приведённого ударного шума - 25 - 50 дБ.

Узлы примыкания

При проектировании особое внимание уделяется узлам соединений перекрытий с наружными и внутренними стенами, а также изоляции основного стального каркаса и инженерных систем, так как всё это существенно влияет на передачу шума.
 
Разработка конструкции стены или перекрытия, обладающих необходимыми акустическими характеристиками, представляется достаточно простой задачей. Однако, именно соединение отдельных элементов может оказаться слабым звеном в системе звукоизоляции, и поэтому не должно быть проигнорировано при проектировании.
 
Организация работ на стройплощадке должна обеспечить точное соответствие чертежам и спецификациям для эффективной изоляции основного стального каркаса от прямой передачи шума.
 
Существует большой выбор типовых узлов изоляции боковой передачи шума. На изображении показан узел примыкания внутренней стены, выполненной с каркасом из лёгких стальных профилей, со сталежелезобетонным перекрытием.  


Рис. 4 Узел примыкания лёгкой каркасной стены к сталежелезобетонному перекрытию

Дополнительная информация

Существует несколько различных подходов к анализу чувствительности к вибрации, начиная от достаточно простых, основанных на консервативных методах расчёта, и заканчивая сложным компьютерным моделированием, которое даёт более точные результаты, но требует высокой квалификации специалиста.
  • SCI P354  Design of floors for vibration: A new approach (Revised Edition), The Steel Construction Institute, 2009
  • Steel Designers' Manual 7th Edition, Editors B. Davidson and G.W. Owens. The Steel Construction Institute, 2012. Chapter 12, Structural Vibration.
  • Онлайн-калькулятор вибрационной реакции перекрытия: http://bcsatools.steel-sci.org/FloorResponse
  • Design Guide 11: Vibrations of Steel-Framed Structural Systems Due to Human Activity (Second Edition). AISC, 2016.
  • Design guide for floor vibrations. ArcelorMittal Commercial Sections.
Требования к звукоизоляции различаются в зависимости от типа здания, его месторасположения, а также законов, действующих в той или иной стране. В связи с этим, всегда необходимо консультироваться с местными специалистами.
 
Общая информация и справочный материал по акустике в зданиях с использованием стальных конструкций вы найдете на сайте Института стальных конструкций: www.steelconstruction.info/Acoustics На сайте предлагается руководство по проектированию стен, междуэтажных перекрытий и узлов соединений.
  • SCI P372 Acoustic detailing for steel construction.
  • The Steel Construction Institute, 2008.
Расчётные программы для определения акустических характеристик, рекомендованные Институтом стальных конструкций (SCI) можно найти по ссылке: http://bcsatools.steel-sci.org/Acoustics/Floors/aspx

Примечания для редакторов  

В мировом масштабе, строительство - это важнейший сектор для стальной промышленности, потребляющий в весовом отношении около 50% выплавляемой стали.
 
Сфера применения стальных конструкций достаточно широка:
  • горячекатаный стальной профиль и толстолистовая сталь используются в основных конструкциях зданий;
  • оцинкованная рулонная сталь используется для производства стальных профилей, конструкций наружного ограждения здания, профилированного настила и др;
  • стальная арматура повышает прочность железобетонных конструкций.
В некоторых странах металлоконструкции достаточно распространены в строительстве, тогда как в иных это всё ещё новая и недостаточно изученная технология. Зачастую проектировщики и заказчики проекта игнорируют стальные конструкции при разработке конструктивных решений зданий в силу недостатка знаний о свойствах стали, о практическом опыте и справочных материалах, раскрывающих преимущества стального строительства.  Настоящая серия публикаций имеет цель изменить сложившуюся ситуацию, предоставляя факты (и развеивая мифы) о свойствах и достоинствах металлоконструкций.
 
Данный обзор - одна из публикаций в серии статей, посвящённых многоэтажным зданиям. 

Напишите нам
Подписаться на рассылку
Сообщить об ошибке