Перекрытия с раздельными и слоистыми полами на звукоизоляционной прослойке

Перекрытия с полами на звукоизоляционной прослойке (с так называемыми плавающими или раздельными полами) — традиционное и наиболее широко используемое в жилищном строительстве конструктивное решение. Вместе с тем применение новых облегченных конструкций несущих элементов перекрытия, в том числе из легких бетонов, индустриальных конструкций полов, новых видов материалов звукоизоляционных прослоек вызвало необходимость экспериментального уточнения конструктивных параметров таких перекрытий для обеспечения требуемой нормами изоляции воздушного и ударного шума в зданиях. С этой целью было испытано 38 вариантов перекрытий без пола и с полом на испытательном стенде и в зданиях [19]. При этом изменялись конструкция несущей части (табл. 14), пола (табл. 15), материал и характеристики звукоизоляционной прослойки, толщина промежутка между полом и несущей частью.

Анализ экспериментальных данных позволил определить зависимость изменения звукоизолирующей способности перекрытия ?R в результате устройства пола от звукоизолирующей способности несущей части перекрытия (от индекса I^в_н.ч). Частотные характеристики ?R, полученные в случае, когда несущая часть перекрытия выполнена из армоцементной складчатой панели с малым индексом изоляции от воздушного шума I^в_н.ч=32 дБ, имеют общий уклон на частотах до 1000—1600 Гц около 6 дБ/окт (рис. 37). Выше этих частот рост ?R сначала прекращается, а затем ?R начинает уменьшаться. Эти кривые сходны с кривыми, полученными при испытании двойных стен без жесткой связи между элементами (см. рис. 6). С увеличением индекса I^в_н.ч увеличение ?R прекращается на более низких частотах. При больших значениях ?R не имеет выраженной частотной зависимости. Частотные характеристики ?R в этих случаях могут быть с определенным приближением аппроксимированы горизонтальными прямыми. Рост I^в_н.ч вызывает снижение усредненного по частоте значения ?R. Отмеченный характер изменения частотных характеристик ?R при увеличении I^в_н.ч можно объяснить следующим.

Если предположить, что перекрытие не пропускает звука, то звукоизоляция разделенных им помещений будет определяться прохождением звука по стенам. Этому случаю соответствует наибольшая звукоизоляция помещения, которая может быть достигнута при заданной конструкции стен. Если все стены одинаковы, то наибольшая звукоизоляция может быть выражена как

где R^c — звукоизолирующая способность стены;
? — коэффициент передачи вибрации в сопряжении стен и перекрытия;
S^п и S^c — площади соответственно перекрытия и стен в изолируемом помещении.

Если на какой-либо частоте звукоизолирующая способность перекрытия R^п превышает R_мах, то фактическая (измеренная) звукоизолирующая способность на этой частоте R^п_ф будет равна или меньше R_мах. Снижение R^п_ф по сравнению с R_мах связано с влиянием звуковой энергии, проходящей через перекрытие, если разница между R^п и R_мах не больше 10 дБ. На рис. 38 показаны идеализированные частотные характеристики звукоизолирующей способности двух перекрытий R^п₁ и R^п₂ и их несущих частей R^н.ч₁ и R^н.ч₂. Условно принято, что при отсутствии косвенной передачи звука по стенам улучшение, достигаемое при устройстве пола, для обоих перекрытий одинаково: ?R₁=?R₂. При весьма низкой звукоизолирующей способности несущей части R^н.ч₁ во всем частотном диапазоне R^п₁мах, поэтому фактические значения R^п_ф1 и ?R_ф1, полученные при наличии косвенной передачи звука по стенам, равны значениям, измеренным при ее отсутствии (R^п₁ и ?R₁). При большой звукоизолирующей способности несущей части R^н.ч₂ передача звука по стенам приводит к снижению величин R^п_ф2 и ?R_ф2 по сравнению с R^п₂ и ?R₂ в первую очередь на высоких частотах. По мере сближения кривых R^н.ч и R_мах снижается частота, начиная с которой на ?R сказывается передача звука по стенам. Поскольку темп роста R_мах и R^н.ч с увеличением частоты примерно одинаков, частотная характеристика ?R в зоне влияния передачи звука по стенам имеет вид горизонтальной прямой. Таким образом, отмеченное изменение измеренных частотных характеристик ?R (см. рис. 37) при увеличении звукоизолирующей способности несущей части перекрытия объясняется в первую очередь влиянием косвенной передачи звука.

На изложенной теоретической модели формирования звукоизолирующей способности перекрытия и анализе экспериментальных данных основана предложенная автором методика построения расчетной частотной характеристики изменения звукоизолирующей способности перекрытия ?R в результате устройства пола (рис. 39). Наименьшее значение ?R соответствует низшей собственной частоте пола f₀, подсчитываемой по формуле (27). Ординату точки 0 — ?R₀ определяют по формуле

где I^н.ч_в — индекс изоляции воздушного шума несущей частью перекрытия;
I^к_в — индекс изоляции воздушного шума при условии передачи звука только косвенным путем по стенам, который определяют по формуле (30);
?_в3 — величина, учитывающая звукоизоляционные качества пола:

[обозначения здесь те же, что в формуле (32)].

Наибольшее значение ?R соответствует области, в которой звукоизоляция помещений определяется прохождением звука по стенам. Его подсчитывают по формуле

В зависимости от разницы между ?R₄ и ?R₀ возможны два варианта построения расчетной частотной характеристики ?R.

Если ?R₄ — ?R₀ > 7 дБ, график строят в такой последовательности (рис. 39, а). Наносят точки 1 и 2 с координатами соответственно f₁=0,5f₀, ?R₁=?R₀+3 и f₂=2f₀, ?R₂=?R₀+4. Из точки 2 проводят прямую Г с уклоном 6 дБ/окт до пересечения с горизонтальной прямой, имеющей ординату ?R₃=?R₄—3. На пересечении находят точку 3 с абсциссой f₃. Абсцисса точки 4 — f₄=2f₃.

Если ?R — ?R₀ ? 7 дБ, точку 1 находят так же, а из точки 0 проводят прямую В с уклоном 4 дБ/окт до пересечения с горизонтальной прямой, имеющей ординату ?R₃=?R₄—3. На пересечении находят точку 3 (см. рис. 39, б). Дальнейшее построение аналогично предыдущему.

Частотную характеристику звукоизолирующей способности перекрытия с полом получают, суммируя частотные характеристики звукоизолирующей несущей части (см. п.7) и изменения звукоизолирующей способности в результате устройства пола.

На основе изложенной методики рассчитаны значения изменения индекса изоляции воздушного шума ?I_в в результате устройства пола для большого набора значений влияющих параметров: индексов I^к_в и I^н.ч_в, низшей собственной частоты f₀, величины ?_в3. В качестве примера на рис. 40 приведены значения ?I_в, рассчитанные при I^к_в=58, 62 и 66 дБ, I^н.ч_в=42, 46 и 50 дБ, f₀=50, 100, 200 и 400 Гц и ?_в3=0. В результате анализа совокупности расчетных значений ?I_в, зависимость этой величины от влияющих параметров аппроксимирована формулой (29)

Зависимость экспериментальных значений ?I_в, измеренных при 38 вариантах перекрытий, от индекса изоляции воздушного шума несущей частью I^н.ч_в (рис. 41) хорошо согласуется с описанной расчетно-теоретической зависимостью. На графике четко выражено уменьшение ?I_в с увеличением I^н.ч_в. Вместе с тем при заданной звукоизолирующей способности несущей части значение ?I_в в зависимости от вида раздельного пола меняется в довольно широких пределах (до 8 дБ). Это объясняется влиянием ряда параметров пола (его поверхностной плотности, линейной жесткости звукоизоляционной прослойки, толщины воздушного промежутка и др.).

Значения ?I_в, соответствующие одинаковым конструкциям пола, располагаются на графике вдоль прямых линий, которые пересекаются в узком фокусе. Экспериментальная зависимость ?I_в—?I^н.ч_в аппроксимирована уравнением семейства прямых, пересекающихся в одной точке:

Равенство (96) — частный случай формулы (29), получаемый при I^к_в=58 дБ. В нем ?_в — величина, зависящая от параметров пола. Экспериментальные значения полученные для одинаковых полов, устраиваемых на разных несущих элементах, близки. Важнейшим параметром, определяющим звукоизоляционный эффект, получаемый при устройстве пола, является низшая собственная частота пола f₀, которая подсчитывается по формуле (27). Она уменьшается при увеличении поверхностной плотности пола и снижении линейной жесткости звукоизоляционной прослойки. От того положения, которое занимает частота f₀ в нормируемом частотном диапазоне, зависит расположение области, где происходит повышение звукоизолирующей способности перекрытия в результате устройства пола. Однако изменение низшей собственной частоты пола не может объяснить всех изменений величины ?_в. При одинаковых значениях f₀ ?_в тем больше, чем больше относительное увеличение поверхностной плотности перекрытия, связанное с устройством пола, чем больше средняя толщина промежутка между полом и несущей частью h_c.п и чем выше потери звуковой энергии в звукоизоляционной прослойке. Первый из указанных параметров характеризуется отношением q_полн/q₁ (где q_полн — полная поверхностная плотность перекрытия; q₁ — поверхностная плотность несущей части).

Потери звуковой энергии в звукоизоляционной прослойке тем значительнее, чем больше ее поверхностная плотность и чем выше коэффициент потерь звукоизоляционного материала. Высокий коэффициент потерь пористоволокнистых (минераловатных, стекловолокнистых и т.п.) материалов не вызывает заметного увеличения демпфирования перекрытия из-за весьма малой поверхностной плотности прослойки из этих материалов. С другой стороны, звукоизоляционные прослойки из сыпучих материалов (песка, шлака, керамзита и т.д.) заметно увеличивают Демпфирование перекрытия, так как они имеют сравнительно высокий коэффициент потерь (??0,1) при большой поверхностной плотности.

Анализ экспериментальной зависимости величины ?_в, которая является мерилом звукоизоляционной эффективности пола, от Указанных четырех параметров позволил составить следующее выражение связи между ними:

где ?_в2 — величина, учитывающая потери звуковой энергии в материале звукоизоляционной прослойки [для сыпучих материалов (песка, шлака и т.д.) ?_в2=1,5, для остальных материалов = 0].

Среднеквадратичное отклонение вычисленных по формулам (96) и (97) значений ?I_в от экспериментальных равно 0,7 дБ.

Индексы изоляции ударного шума несущими частями испытанных перекрытий изменялись от 103 до 83 дБ. Это позволило выявить влияние I^н.ч_у на полученную в результате устройства заданного вида пола величину ?I_у. Другими параметрами, оказывающими влияние на ?I_у являются: низшая собственная частота пола f₀, определяемая по формуле (27), средняя толщина промежутка между полом и несущей частью перекрытия h_c.п, вид звукоизоляционной прослойки в зависимости от ее влияния на демпфирование перекрытия, материал покрытия и конструкции пола. Если три первых параметра I^н.ч_у, f₀ и h_c.п могут быть выражены числами, то числовое выражение двух других параметров затруднено. Поэтому звукоизоляционные прослойки подразделены на две группы. К первой отнесены прослойки из пористоволокнистых и пористогубчатых материалов (из-за малой поверхностной плотности их влияние на демпфирование перекрытия незначительно); ко второй — засыпки из сыпучих материалов (песка, шлака и т.д.), оказывающие заметное влияние на демпфирование перекрытия.

Все конструкции пола разделены на три группы. Первую представляют деревянные полы, собираемые из отдельных элементов, сравнительно слабо связанных между собой, и имеющих значительную податливость при ударе. Ко второй отнесены полы из линолеума, релина, плитки ПХВ и др., устраиваемые по древесностружечным плитам, монолитным неармированным стяжкам или мелкоразмерным сборным бетонным плитам. В неармированных стяжках, как правило, образуются усадочные трещины, которые разделяют стяжку на слабо связанные между собой части. Полы третьей группы — это полы из тех же материалов, устраиваемые по армированным крупноразмерным бетонным основаниям. Такие полы имеют наибольшую изгибную жесткость при других равных условиях по сравнению с полами первых двух групп.

Полученная на основании испытаний 38 вариантов перекрытий зависимость изменения индекса изоляции ударного шума ?I_у от пяти указанных параметров аппроксимирована выражением (42):

где величины ?_у2 и ?_у3 учитывают влияние материала и конструкции пола, материала звукоизоляционной прослойки.

Среднеквадратичное отклонение вычисленных по этой формуле значений Д|у от экспериментальных равно 1,1 дБ.

Выражения для определения изменения индексов звукоизоляции в результате устройства пола ?I_в и ?I_у проверены путем сравнения их расчетных значений с измеренными в натурных условиях. Использованы результаты измерений звукоизоляции в жилых домах 56 вариантов (412 образцов) междуэтажных перекрытий [19]. Испытанные перекрытия состояли из несущих частей в виде панелей сплошного сечения толщиной 10, 11, 12 см из тяжелого бетона; толщиной 10 см из керамзитобетона плотностью 1300—1500 кг/м³, шатровых панелей из тяжелого бетона с толщиной плиты 5 и 6 см, многопустотных настилов толщиной 22 см из тяжелого бетона, ребристых плит ребрами вверх высотой 9 и 20 см также из тяжелого бетона. Полы выполнены из шпунтованных досок по лагам, из штучного паркета по доскам и лагам, из древесностружечных плит по лагам, из штучного паркета, линолеума, релина, поливинилхлоридной плитки, уложенных по монолитным стяжкам из цементного раствора, керамзитобетона, пемзобетона, по сборным панелям основания пола из керамзитобетона, гипсоцементного бетона, по древесностружечным плитам. Для звукоизоляционных прослоек использованы минераловатные, стекловолокнистые плиты и маты, мягкие древесноволокнистые, а также пенополистирольные, фибролитовые плиты, засыпки из кварцевого песка и металлургического шлака. Поверхностная плотность перекрытий от 160 до 414 кг/м². Индексы изоляции воздушного шума I_в составили от 45 до 57 дБ, приведенного уровня ударного шума I_у — от 76 до 54 дБ.

Результаты натурных измерений подтверждают значительное влияние на звукоизолирующую способность перекрытий конструктивных параметров пола. Так, у перекрытий с несущими железобетонными панелями толщиной 10 см, которые испытаны в домах одинаковой конструктивно-планировочной структуры с примерно одинаковыми толщинами стен, индексы изоляции воздушного шума изменялись от 47 до 55 дБ в зависимости от конструкции раздельного пола и материала звукоизоляционной прослойки. Диапазон изменения в зависимости от конструкции пола составил 6 дБ при несущих панелях толщиной 10 см из керамзитобетона, 5 дБ при несущих панелях толщиной 12 см из тяжелого бетона и при несущей части из многопустотных железобетонных настилов. Такое изменение звукоизоляции нельзя объяснить изменением интенсивности косвенной передачи звука, так как влияющие на нее параметры практически не менялись.

Расчетный индекс изоляции воздушного шума определен по формуле

где I^н.ч_в — подсчитан по формулам (15), (16) и (19);
?I_в — по формуле (29). Расчетные индексы I_в отличаются от фактических в среднем на 0,7 дБ.

Расчетный индекс I_у вычислен как

где I^н.ч_у — подсчитан по формуле (38);
?I_у — по формуле (42). Расчетные индексы I_у отличаются от фактических в среднем на 1 дБ.

Оценка соответствия перекрытий нормативным требованиям по расчетным и фактическим индексам изоляции воздушного шума и приведенного уровня ударного шума совпала в 54 случаях из 56. Имея в виду большое разнообразие испытанных вариантов перекрытий, полученное совпадение можно признать удовлетворительным для практического расчета, который позволяет при проектировании зданий учитывать влияние конструктивных параметров перекрытия и характеристик применяемых материалов на изоляцию воздушного и ударного шума.

Рассмотренные методы расчета индексов изоляции воздушного и ударного шумов можно использовать и для перекрытий со слоистыми полами, в которых покрытия — штучный паркет, линолеум и т.д. уложены непосредственно на материал звукоизоляционной прослойки. Однако при этом трудно определить низшую собственную частоту конструкций, так как линейная жесткость звукоизоляционной прослойки в этом случае зависит от деформативности материалов в контактах между покрытием пола, слоями звукоизоляционной прослойки, несущей частью перекрытия. Подсчет по формуле (28) дает завышенную жесткость прослойки и приводит к результатам,сильно отличающимся от экспериментальных.

На испытательном стенде и в жилых домах измеряли изменения индексов изоляции воздушного шума и приведенного уровня ударного шума в результате устройства различных слоистых полов, Так как все конструктивные параметры испытанных перекрытий известны, расчет по методике, описанной в п.6, позволил найти линейную жесткость звукоизоляционной прослойки S по экспериментальным значениям ?I_в и ?I_у. Два значения S, подсчитанные для данного варианта пола по измеренным величинам ?I_в и ?I_у, как правило, близко совпадают, что подтверждает правильность полученных результатов.

Слоистые полы испытывали на панелях сплошного сечения толщиной 8 и 10 см из керамзитобетона, на многопустотных железобетонных настилах толщиной 22 см с цементной стяжкой толщиной 2,6 и 8,3 см на испытательном стенде; на железобетонных панелях толщиной 12 см в домах серии 1Р—303 в Красногорске, серий 1ЛГ—502 и 1ЛГ—602 в Ленинграде и толщиной 14 см в доме серии П4/22 в Москве. При подсчетах за поверхностную плотность пола принимали поверхностную плотность покрытия и первого подстилающего слоя.

Ниже приведены значения линейной динамической жесткости S звукоизоляционных прослоек слоистых полов, полученные описанным способом:

Жесткие связи создавали гипсоцементным раствором между стенами, несущей частью перекрытия и панелью пола по ее контуру или между полом и несущей частью перекрытия по полю помещения. Жесткие связи способствуют приближению звукоизолирующей способности перекрытия к аналогичному показателю его несущей части (рис. 42, а). Наиболее опасны жесткие связи между полом и несущей частью перекрытия, расположенные по полю помещения (рис. 42, б) . В этом случае колебания передаются по жестким связям в тех зонах плит, где амплитуда вибраций наибольшая. При расположении жестких связей по контуру пола наиболее чувствительными к их влиянию местами оказываются углы, а наименее чувствительными — середины сторон пола (рис. 42, б).

Еще в большей степени жесткие связи снижают изоляцию ударного шума (рис. 43). При этом также звукоизоляция перекрытия с раздельным полом приближается к звукоизоляции несущей части, а связи, расположенные в пределах площади пола, в большей степени ухудшают звукоизоляцию, чем связи, расположенные по его контуру. Следует отметить, что снижение звукоизоляции, вызванное жесткими связями, зависит от того, насколько она была улучшена устройством пола. Чем выше степень этого улучшения, тем большее снижение звукоизоляции могут вызвать жесткие связи. Поэтому наиболее чувствительны к ним перекрытия с легкими несущими элементами, устройство раздельного пола по которым дает наибольшее увеличение изоляции воздушного шума, а также перекрытия с полами на эффективных звукоизоляционных прослойках, значительно улучшающими изоляцию ударного шума.

Звукоизолирующая способность перекрытий с полами на прослойках из эффективных материалов, в первую очередь минераловатных, зависит от толщины прослойки, которую она сохраняет в период эксплуатации. В доме серии 1—464А в пос. Ильинском (Московская обл.) проведено наблюдение за изменениями толщины звукоизоляционной прослойки и звукоизоляционных качеств перекрытия. По несущим железобетонным панелям толщиной 10 см уложены полосовые прокладки из минераловатных плит на синтетическом связующем марки ПП—80 и керамзитобетонные панели основания пола толщиной 4 см. Покрытие пола — поливинилхлоридная плитка. Толщина прокладок измерена до и после монтажа панели основания пола, а затем — в моменты измерений звукоизоляции. После укладки покрытия пола толщину прокладок определяли, измеряя уровень поверхности пола относительно неподвижного репера в стене с помощью водяного уровнемера. При этом учитывали прогиб несущей части перекрытия, который определяли, измеряя уровень поверхности потолка относительно репера.

Звукоизоляцию перекрытия измеряли до заселения, сразу после заселения дома и через один год его эксплуатации. Средняя толщина прокладок в необжатом состоянии — 4,9 см. К моменту измерения в незаселенном доме она составляла 3,5 см, сразу после заселения — 2,9 см и через год эксплуатации — 2,2 см. Относительное сжатие материала до заселения дома и через год эксплуатации было равно соответственно 0,29 и 0,55. Для плит Марки ПП-80 расчетное относительное сжатие при кратковременной и длительной нагрузке составляет: ?_к=0,35 и ?_д=0,65 (см. табл. 1). Меньшее значение измеренных в доме деформаций объясняется несколько меньшей фактической удельной нагрузкой на прокладки.

Средние индексы изоляции воздушного шума и приведенного уровня ударного шума, измеренные до заселения дома, равны: I_в=53 и I_у=65,7 дБ. После заселения дома они снизились соответственно на 1 и 2,3 дБ, что хорошо согласуется с расчетными данными снижения звукоизоляции, вызванного уменьшением толщины звукоизоляционной прослойки. При измерениях через год эксплуатации отмечена стабилизация звукоизоляционных качеств перекрытия. Происшедшее за год уменьшение толщины звукоизоляционной прослойки не вызвало заметных изменений звукоизоляции.

Надежным свидетельством изменения качества звукоизоляционной прослойки является изменение в процессе эксплуатации индекса приведенного уровня ударного шума в случае, когда покрытие пола выполнено из материала, не подверженного заметному старению, например из дерева. На изоляцию ударного шума, в противоположность изоляции воздушного шума, мало влияют сквозные щели, которые могут образоваться или раскрыться в процессе эксплуатации. В качестве примера в табл. 16 приведены индексы звукоизоляции, измеренные до заселения и в процессе эксплуатации в домах серий 1ЛГ—606 и 1ЛГ—507 в Ленинграде, где были устроены полы из паркета по дощатому основанию на лагах и различным звукоизоляционным прослойкам на шатровых панелях перекрытия.

Неизменность изоляции ударного шума свидетельствует о сохранности свойств звукоизоляционной прослойки. Наблюдаемые изменения изоляции воздушного шума объясняются раскрытием сквозных щелей. На это же указывает характер измерения звукоизолирующей способности перекрытий — ухудшение произошло на высоких частотах (см. рис.12).

Наблюдение за сохранностью звукоизоляционных качеств Перекрытий приобретает особое значение в случае применения в звукоизоляционной прослойке нового, ранее не использовавшегося для этой цели материала. Результаты восьмилетних наблюдений за звукоизоляцией в жилом доме серии 1Р—303 в Красногорске, где устроены полы из паркета по цементной стяжке толщиной 4 см, пергамину и звукоизоляционной прослойке толщиной 1,8 см из пенополистирола плотностью 20 кг/м³ на несущих железобетонных панелях толщиной 12 см, приведены в табл. 17.

Изоляция воздушного шума фактически не менялась, а изоляция ударного шума стабилизировалась после двух лет эксплуатации. Полученные результаты дают основание для широкого применения пенополистирола в звукоизоляционных прослойках перекрытий в виде сплошного слоя.