CC BY
15
К вопросу применения акустических подвесных потолков с малой
высотой крепления
1 2 А.И. Герасимов , И.П. Салтыков
1 Независимый исследователь 2Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет
Аннотация: Конструкции подвесных потолков в гражданских зданиях позволяют улучшить звукоизоляцию воздушного и ударного шума. Для минимального уменьшения объёма помещения, чаще всего используются два вида подвесных акустических потолков: с креплением конструктивной оболочки потолка «вплотную» к плите перекрытия и с незначительной высотой подвеса. Рассмотрено влияние поверхностной плотности плиты на поправку к звукоизоляции, создаваемой подвесным потолком, для первого и второго вида. Приводится методика расчёта поправки к звукоизоляции для двух рассматриваемых видов: для минимальной высоты подвеса через акустический коэффициент излучения гибкой оболочки потолка; для незначительной высоты подвеса - с учётом передачи колебаний плиты пола к оболочке через воздушный слой и через металлические крепления, являющиеся акустическими мостиками. Оценивается влияние перфорации в гипсокартонных подвесных потолках на звукоизоляцию всей конструкции перекрытия в целом.
Ключевые слова: подвесной потолок, изоляция ударного шума, изоляция воздушного шума, акустическая мощность излучения, граничная частота, акустический мостик, акустический импеданс, уровень колебательной скорости, пористо-волокнистый материал, перфорированный гипсокартонный лист.
Введение
В настоящее время конструкции подвесных потолков активно используются в создании интерьерных решений гражданских и промышленных зданий. Они обладают простотой монтажа и технологичностью для придания помещениям требуемых эстетических качеств, позволяют скрыто прокладывать инженерные коммуникации, играют роль в создании благоприятного акустического режима [1, 2].
Согласно действующим нормативным документам, междуэтажное перекрытие должно обеспечивать требуемую звукоизоляцию от воздушного и ударного шума, для чего необходимо, в дополнение к плите перекрытия соответствующей толщины, проектировать составную структуру конструктивных слоёв пола [3, 4]. Как показывает практика реального
проектирования, требуемые индексы звукоизоляции ударного и воздушного шума, в первую очередь, эффективно обеспечиваются за счёт плавающего пола и существенной поверхностной плотности плиты перекрытия [5], тем не менее, использование звукоизоляционных материалов в подпотолочном пространстве также позволяет положительно повлиять на снижение негативного шумового воздействия из вышерасположенных помещений [6]. Представляется интересным рассмотреть: связь поверхностной плотности плиты перекрытия со звукоизоляцией, создаваемой подвесным потолком, методы расчёта звукоизоляции воздушного и ударного шума при применении подвесных потолков, а также оценить влияние перфорации поверхности подвесного потолка из гипсокартона на его звукоизоляционные характеристики.
1. Повышение изоляции ударного и воздушного шума междуэтажным перекрытием за счет устройства подвесного потолка
Во многих случаях, объемно-планировочные решения зданий из-за функциональных требований не позволяют существенно изменить их строительный объем.
В этом случае крепление подвесного потолка целесообразно осуществлять непосредственно к несущей конструкции без воздушного зазора, либо на расстоянии не более 200 мм от нее.
В практике строительства широкое применение нашли три основных варианта конструкций подвесных потолков [7, 8], рис. 1-3. Каждый из этих трёх вариантов может быть использован с различными креплениями к плите перекрытия для получения требуемой высоты подпотолочного пространства. В рамках данной статьи, эти варианты предполагают исполнение с минимальным уменьшением высоты помещения для получения дополнительной звукоизоляции. Первый вариант, рис. 1, представляет собой 2-х уровневую систему с деревянным каркасом с заполнением внутреннего
Рис. 1. Вариант 1. Двухуровневая система с деревянным или металлическим каркасом для крепления подвесного потолка вплотную к плите перекрытия. Рисунок взят с сайта: plan.one/app/pmducts/d111de-unterdecke-holz-uk-gkЫ-einlagig-d111-ud-002
Рис. 2. Вариант 2. Двухуровневая система с металлическим каркасом для крепления подвесного потолка на гибких стальных подвесах с расстоянием между подвесным потолком и плитой до 200 мм. Рисунок взят с сайта: utepliteli-77.ru/products/podves-pryamoj-knauf-knauf
Рис. 3. Вариант 3. Одноуровневая система с металлическим каркасом для крепления подвесного потолка на гибких стальных подвесах с расстоянием между подвесным потолком и плитой до 200 мм. Рисунок взят с сайта: plan.one/app/products/d113de-unterdecke-metall-uk-niveaugleich-f90-vu-uvo-gkfi-2518-mm-zweilagig-d113-ud9-005?queryUuid=2403568596ea476597 737dfd1156a5e7
пространства минераловатной плитой толщиной 40 мм. Данный вариант предполагает минимальную высоту подвешивания поверхностного слоя (оболочки) потолка. Второй и третий варианты, рис. 2 и 3, в рамках данной статьи, имеют одноуровневый или двухуровневый металлический каркас с высотой подвешивания оболочки не более 200 мм, с использованием крепёжных прямых и, реже, гибких стержневых подвесов. Подвесы, в свою очередь, могут выполняться с виброгасителями или без.
На основе анализа результатов экспериментальных измерений звукоизоляции ударного и воздушного шума данных вариантов подвесных потолков, получены графики зависимости индекса приведенного уровня ударного шума Ьм>п и индекса изоляции воздушного шума от
поверхностной плотности несущей части перекрытия, рис. 4 и 5. Как видно из графика на рис. 4 (кривая 2), эффективность конструкции подвесного потолка с позиции изоляции ударного шума существенно зависит от поверхностной плотности базовой части перекрытия.
Улучшение индекса изоляции ударного шума за счет подвесного потолка ДЬ^ дБ, (превышение кривой 1 над кривой 2) с увеличением
поверхностной плотности несущей части перекрытия в диапазоне от m=135
2 2 кг/м до m=530 кг/м уменьшился с 11 до 2 дБ.
Анализ зависимости Д^ подвесного потолка в вариантах 2 и 3 от поверхностной плотности m несущей конструкции перекрытия (превышение кривой 1 над кривой 3) показал, что базовая часть не оказывает влияние на величину акустической эффективности подвесного потолка во всем диапазоне изменения m. Поправка в соответствии с графиком,
составляет 11 дБ.
Следует также отметить, что акустическая эффективность вариантов 1 -3 подвесного потолка оказалась в среднем несущественной: поправка ДЬШ составила от 2 до 11 дБ.
и., дБ 90
85
80
75
70
65
60
55
50
100 200 300 400 500 600 т, кг/м2
Рис. 4. - Влияние конструкции подвесного потолка на изоляцию ударного шума междуэтажным перекрытием при различной поверхностной плотности несущей плиты m, кг/м2: 1 - индекс приведённого уровень ударного шума под несущей конструкцией перекрытия при отсутствии подвесного потолка; 2 - то же, при устройстве подвесного потолка с минимальной подвесной высотой (вариант 1); 3 - то же, при устройстве подвесного потолка с высотой подвеса до 200 мм (варианты 2, 3).
Это объясняется тем, что потолки сравнительно легкие и расположены близко к несущей конструкции (высота подвеса для первого варианта, ^=0, для второго и третего - < 200 мм). Звукоизоляция из минеральной ваты образует тесную связь между каркасам подвесного потолка и перекрытием: подвесной потолок фактически следует за колебательным движением поверхности железобетонной плиты.
На рис. 5 представлены графики зависимости индекса изоляции воздушного шума междуэтажного перекрытия с подвесным потолком (варианты 1-3) от поверхностной плотности несущей плиты.
И
ДБ
65
35
30 -------Г
100 200 300 400 500 600 т. кг/м?
Рис. 5. - Кривые индекса изоляции воздушного шума междуэтажным перекрытием с подвесным потолком при различной поверхностной плотности несущей плиты: 1 - индекс изоляции воздушного шума несущей плиты; 2 - то же при устройстве подвесного потолка системы с минимальной высотой подвеса (вариант 1); 3 - то же при устройстве подвесного потолка по вариантам 2, 3 с высотой подвеса до 200 мм; 4 - то же для системы в варианте 3 при наличии гибких подвесов и виброгасителей.
Как показал анализ графиков, на эффективность конструкции подвесного потолка, как и в случае устройства гибкой плиты «на относе» для улучшения звукоизоляции несущих конструкций стен, существенное влияние оказывает величина поверхностной плотности основной конструкции.
В случае использования конструкции варианта 1, с увеличением поверхностной плотности несущей части перекрытия со 150 кг/м до 600 кг/м , АЯ снижается с 8 до 3 дБ (превышение кривой 2 над кривой 1), а в случае вариантов 2, 3, при тех же условиях, с 11 до 5 дБ (превышение кривой 3 над кривой 1 ). Кривая 4 показывает, что виброгасители, дополнительно
применяемые в варианте 3, не оказывают существенного влияния на характер изменения изоляции.
2. Расчет изоляции ударного шума междуэтажным перекрытием с устройством подвесного потолка
Действие подвесного потолка состоит в том, что излучаемый перекрытием вниз ударный шум распространяется как воздушный шум, проходит через подвесной потолок, как через звукоизоляцию, и затем воспринимается в расположенном под ним помещении с уменьшенным уровнем. Снижение уровня звукового давления в результате устройства подвесного потолка происходит благодаря потери звуковой энергии: в воздушном пространстве, в порах звукопоглощающего материала в составе конструкции потолка [9]; в элементах всей системы крепления.
При излучении перекрытием вниз акустических волн, в замкнутом пространстве потолка образуется звуковое поле, которое формируется в виде суперпозиции прямых и отраженных колебаний воздуха, то есть в виде так называемых «стоячих» волн.
Низшая частота, при которой наступает процесс формирования стоячих волн в замкнутом воздушном объеме:
-Гц (1)
где - скорость звука в воздухе, м/с;
- толщина воздушного промежутка, м. Пористо-волокнистый материал из минеральной ваты или стекловолокна, помещенный в воздушное пространство подвесного потолка, снижает негативное влияние стоячих волн на звукоизоляцию конструкции междуэтажного перекрытия.
3. Расчет улучшения изоляции ударного шума междуэтажным перекрытием за счет устройства подвесного потолка вплотную к
несущей плите
Представляется интересным произвести расчет улучшения изоляции ударного шума междуэтажным перекрытием за счет устройства подвесного потолка вплотную к несущей плите.
Изоляция ударного шума конструкцией перекрытия с подвесным потолком определяется по формуле:
Ьп = ЬГ — Л Ь, дБ (2)
где - приведенный уровень ударного шума под плитой перекрытия,
дБ;
- снижение уровня звукового давления за счет подвесного потолка,
дБ.
Индекс приведенного уровня ударного шума под перекрытием равен:
Ь ГШ = ЬГШ — ЛЬw, дБ (3)
где - индекс изоляции ударного шума несущей части перекрытия,
дБ;
- индекс улучшения изоляции ударного шума за счет конструкции подвесного потолка, дБ.
В случае устройства подвесного потолка, уровень звукового давления под перекрытием, при воздействии ударного звука, будет косвенно характеризовать способность потолка изолировать воздушный шум. На рис. 6 показан график, характеризующий особенность физического процесса передачи ударного звука в конструкции перекрытия с подвесным потолком.
и
Рис. 6. - Кривые снижения уровня звукового давления под перекрытием с подвесным потолком (вариант 1) при различной поверхностной плотности несущей плиты: 1 - при воздействии ударного шума; 2 - при воздействии воздушного шума.
Как видно из графика, уровень снижения звукового давления за счет конструкции подвесного потолка при воздействии ударного звука на перекрытие, (кривая 1), практически не отличается от уровня снижения звукового давления (кривая 2) при воздействии воздушного (АЯ). Разница составляет не более 2 дБ, поэтому далее по тексту в расчетах звукоизоляции междуэтажных перекрытий с подвесными потолками можно принять: М = ЛЯ, а Л Ьш = Л Яш.
ибкая оболочка (плита потолка) совершает колебания при возбуждении ее силой. Эффективность гибкой оболочки зависит от излучаемой ею акустической мощности. Акустическая мощность характеризуется коэффициентом излучения гибкой оболочки [10]. Точечный коэффициент излучения (в случае точечного крепления направляющих подвесного потолка) определяется по формуле:
5Т = ±. (4)
т п3 грр¥ ( }
и
где С0 = 3 40 м/ с - скорость звука в воздухе;
Др - граничная частота гибкой оболочки, Гц;
F - площадь панели оболочки, м2.
Граничная частота гибкой оболочки определяется по формуле:
'Гц (5)
)гр 1,8 ■ СпК
где Сп - скорость продольной волны в материале гибкой оболочки, м/с;
□ - толщина оболочки, м.
В случае линейного крепления направляющих подвесного потолка, коэффициент излучения определяется по формуле:
(б)
где - длина оболочки, перпендикулярная линии акустического мостика, м.
Повышение изоляции ударного шума несущей плиты перекрытия за счет устройства подвесного потолка может определяться через поправку к звукоизоляции воздушного шума по формуле:
ЛЬ^ЛИ = — 1 01 + 5Г) дБ; (7)
где - собственная частота колебаний системы, ц;
f - текущая частота (100-3150 Г ц);
п - количество креплений, шт.
Частота собственных колебаний панели подвесного потолка определяется по формуле:
Д = ±- ,Гц (8)
где модуль упругости воздуха Е в = 14 ■ 1 0 4 Н/ м2 (Па);
- расстояние от плиты перекрытия до панели подвесного потолка (толщина воздушного зазора), м;
т 1 - поверхностная плотность панели потолка, кг/м2.
Частотная характеристика приведенного уровня ударного шума под несущей частью перекрытия вычисляется по формуле:
L°n =51 g(£)-3 51 g(£) + l 0 0 ,дБ (9)
где /0 - опорная частота, /0 = l Гц;
f - текущая частота, Гц;
□ - толщина конструкции, см;
h 0 - опорная величина, h 0 = l см.
Тогда индекс приведенного уровня ударного шума под перекрытием, L nw, может быть получен по построенному графику L n, согласно методики СП.
4. Расчет улучшения изоляции ударного шума перекрытием за счет устройства подвесного потолка на расстоянии h < 200 мм от несущей
конструкции.
Оболочка подвесного потолка крепится к несущей части перекрытия с помощью стоек подвесной системы. Между оболочкой и перекрытием находится слой воздуха. Звуковые колебания, созданные ударным воздействием, передаются от плиты пола к оболочке подвесного потолка двумя путями: через воздушный слой и через стойки (акустические мостики).
Введём следующие обозначения: - масса стойки (подвеса).
D = £п_ ■ 5м/h п _ - жёсткость мостика (5м - площадь поперечного сечения подвеса, - высота (длина) подвеса, - модуль упругости материала подвеса).
Z1 = 2 ,3 ■ Fj2 ■ /р 1 ■ £1 - импеданс панели оболочки (чаще всего, гипсокартонного листа (ГКЛ);
- импеданс плиты перекрытия;
и
и - соответственно площади потолка и перекрытия, ^ = Р2 (м ); Р 1 и р 2 - плотности материалов оболочки потолка и плиты перекрытия,
кг/м
Е± и Е2 - модули упругости материалов оболочки подвесного потолка и
2 _
плиты перекрытия Н/м (Па).
Согласно теории акустических мостиков [11], при условии М • О « 2 22„ что соответствует устройству стоек системы из податливых, упругих и легких материалов по сравнению с материалом оболочки и плиты перекрытия, звуковые мостики не снижают изоляцию ударного шума.
Снижение уровня колебательной скорости за счет устройства подвесного потолка может быть выражено:
Му = 10
V,
, дБ
(10)
где - колебательная скорость подвеса (звукового мостика) в месте контакта с плитой перекрытия;
- колебательная скорость панели оболочки подвесного потолка.
2-г1
У/г 2
V!
1 +
(11)
где - круговая частота, .
Подставляя выражение (11) в формулу (10), получим частотную характеристику снижение уровня колебательной скорости (уровня звукового давления) за счет устройства конструкции подвесного потолка для оценки его звукоизоляционных качеств:
2-г1
ЛЬ =
1 +
дБ
(12)
5. Оценка влияния перфорации гипсокартонных листов подвесного потолка на звукоизоляцию перекрытия
Как известно, звукопоглощающие конструкции подвесных потолков используются для борьбы с шумом в помещении с источником.
Подвесные потолки в составе междуэтажного перекрытия обладают двумя акустическими свойствами: способностью поглощать и изолировать звук.
Как показывает практика, звукопоглощающие конструкции подвесных потолков и стен шумных помещений способны обеспечить снижение уровня звукового давления от 3 до 8 дБ. Это значение существенным образом зависит от акустических характеристик помещения и применяемых звукопоглощающих материалов, особенно от их коэффициента звукопоглощения, а. Поэтому большой практический интерес представляет способность перекрытия с подвесным потолком из гладких и с перфорацией листов гипсокартона (ГКЛ), со слоем пористо-волокнистого материала, изолировать воздушный звук.
Изоляция воздушного шума многослойным перекрытием для случая применения гладких ГКЛ и с перфорацией 15 % представлены на рис. 7.
и
Я. ДБ
90
80
70
60
50
40
30
20
2 / 1
/ / / / / / / / 3
/ / / / --У .л .
Ж « ппга ■ 203 ми пгмта ■ 130 мм
- ГКЛ -12 мм »
(«п; шшшУ I1,'',' Л",,''!".'',",' шшшушу
100
200
400
800
1600
3150 I Гц
Рис. 7. - Частотная характеристика изоляции воздушного звука междуэтажным перекрытием: 1 - с гладким гипсокартонным листом; 2 - с перфорированным гипсокартонным листом (с коэффициентом перфорации X — 0 , 1 5 , с Я ш = 5 6 дБ); 3 - оценочная нормативная кривая согласно СП.
Как видно из графиков, наличие перфорации приводит к повышению изоляции: на низких частотах (/<320 Гц) до 5 дБ и средних (/<800 Гц) - до 14 дБ. Индекс изоляции воздушного шума перекрытия с подвесным потолком за счет перфорации ГКЛ оболочки увеличился всего на 3 дБ (Я ш — 5 3 дБ -гладкая плита ГКЛ, Я ш — 5 6 дБ - с перфорацией).
Выводы
Представленный выше материал позволяет сделать следующие выводы:
1. Анализ зависимости поправки к звукоизоляции воздушного и ударного шума подвесного потолка от поверхностной плотности плиты перекрытия показал следующее:
- поверхностная плотность плиты перекрытия оказывает существенное влияние на поправку к приведённому индексу ударного шума только при устройстве подвесного потолка вплотную к плите перекрытия;
- поверхностная плотность плиты перекрытия влияет на поправку к индексу воздушного шума для подвесных потолков как с креплением вплотную к плите перекрытия, так и с креплением на расстоянии до 200 мм.
2. Поправки к звукоизоляции воздушного и ударного шума за счёт применяемого подвесного потолка примерно равны, что упрощает их практическое вычисление.
3. Описана методика расчёта изоляции ударного шума междуэтажным перекрытием с устройством подвесного потолка вплотную к несущей плите и аналогичная методика для подвесного потолка с высотой подвеса до 200 мм.
4. Дана оценка влияния перфорации ГКЛ подвесного потолка на звукоизоляцию воздушного шума перекрытия. Перфорация приводит к увеличению звукоизоляции на низких частотах до 5, а на средних до 14 дБ, однако, индекс звукоизоляции воздушного шума меняется при этом очень незначительно.
Рассмотренные в статье принципы расчёта и оценки влияния конструкции подвесного потолка на индексы воздушного и приведённого уровня ударного шума нуждаются в дальнейшем уточнении и изучении из-за многообразия конструктивных решений и особенностей статической работы элементов каркаса современных подвесных потолков.
Литература
1. Цукерников И.Е., Шубин И.Л., Невенчанная Т.О. Измерение и оценка звукоизоляции строительных изделий. // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2020. №6 (1030). С. 19-21.
2. Пороженко М.А. Изоляция ударного шума ограждающими конструкциями здания // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2018. №6 (1006). С. 34-35.
3. Полевщиков А.С. Звукоизоляция междуэтажных перекрытий в жилых зданиях // Жилищное строительство. 2015. №7. С. 55-57.
4. Bouttout A. and Amara M. Sound Insulation between Buildings: The Impact Noise Transmission through Different Floor Configurations // International Journal of Architectural, Civil and Construction Sciences, 2016. Vol 10, No 1.
5. Gerasimov A.I. and Saltykov I.P. Semi-graphical method for plotting a frequency characteristic of impact noise level's reducing // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 918 (2020) 012122 IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/918/1/012122
6. Ozcelik Ozgur, Misir Ibrahim S. and Saridogan Serhan Performance evaluation of suspended ceiling systems using shake table test // Structural Engineering and Mechanics. 2016, 58. 121-142. DOI:10.12989/sem.2016.58.1.121.
7. Семенов К.О., Киянец А.В. Особенности работы каркасов подвесных потолков // «КНАУФ в мировом строительном комплексе. VIII Международная научно-практическая конференция «КНАУФ в мировом строительном комплексе». Челябинск, 03-04 декабря 2015 года. Сборник докладов. 2015. С. 95-99.
8. Никитин Е.В., Марченко А.Е., Погорелов С.Н. Звукопоглощающие панели КНАУФ // «Одиннадцатая международная научно-практическая конференция «КНАУФ в мировом строительном комплексе». Сборник
докладов. Посвящается 75 - летнему юбилею Южно-Уральского государственного университета и 25 - летию компании КНАУФ в России. Южно- Уральский государственный университет (Национальный исследовательский университет), г.Челябинск. 2018. С. 40-45.
9. Г ерасимов А.И., Светлорусова А.М. Изменение динамического модуля упругости звукоизоляционной прокладки из минераловатных материалов в конструкции плавающего пола во времени // Инженерный вестник Дона. 2019. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2019/5780.
10. Заборов В.И. Теория звукоизоляции ограждающих конструкций. Москва: Изд. лит. по строит., 1969. 186 с.
11. Боголепов И.И. Увеличение звукоизоляции двустенных конструкций за счёт применения звукоизолирующих мостиков // Инженерно-строительный журнал. 2009. №2. С. 46-53.
References
1. Zukernikov I.E., Shubin I.L. and Nevenchannaya T.O. BST: B'ulleten' stroitelnoy tekhniki. 2020. №6 (1030). pp. 19-21.
2. Porozhenko M.A. BST: B'ulleten' stroitelnoy tekhniki. 2018. №6 (1006). pp. 34-35.
3. Polevshchikov A.S. Zhilishchnoye stroitel'stvo. 2015. №7. pp. 55-57.
4. Bouttout A. and Amara M. International Journal of Architectural, Civil and Construction Sciences, 2016. Vol 10, No 1.
5. Gerasimov A.I. and Saltykov I.P. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 918. 2020. 012122 IOP Publishing. doi:10.1088/1757-899X/918/1/012122
6. Ozcelik Ozgur, Misir Ibrahim S. and Saridogan Serhan J. Structural Engineering and Mechanics. 2016. 58. pp. 121-142. DOI:10.12989/sem.2016.58.1.121.
7. Semenov K.O., Kiyanets A.V. "KNAUF v mirovom stroitel'nom complekse. VIII Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya "KNAUF v mirovom stroitel'nom complekse. Chelyabinsk, 2015, pp. 95-99.
8. Nikitin E.V., Martchenko A.E., Pogorelov S.N. "Odinadtsataya mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya "KNAUF v mirovom stroitel'nom complekse. Posvjashchayets'a 75-letnemu yubeleyu Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta i 25-letiyu kompanii KNAUF v Rossii". Chelyabinsk, 2018, pp. 40-45.
9. Gerasimov A.I., Svetlorusova A.M. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2019/5780.
10. Zaborov V.I. Teoriya zvukoizol'atsyi ograzhdayushchikh konstruktsiy [The theory of sound insulation of enclosing structures]. Moskva: Construction Literature Publishing, 1969. 186 p.
11. Bogolepov I.I. Inzhenerno-stroitel'niy zhurnal. 2009. №2. pp. 46-53.
