В результате эксплуатационных воздействий многие параметры ограждений и характеристики составляющих их материалов изменяются во времени. Деформации и перемещения элементов под воздействием нагрузок, перепадов температуры и влажности, усадки бетонов и растворов, усушки и коробления древесины и т.д. являются причиной нарушения сплошности самих ограждений и их соединений, образования в них трещин, щелей. При длительно действующих нагрузках снижается изгибная жесткость железобетонных элементов. Слои из мягких сильно деформируемых материалов, находящиеся под нагрузкой, обжимаются, уменьшается их толщина и повышается плотность. Под действием нагрузок, тепла, влаги, освещения, химических и биологических агентов происходят старение пластмасс, резины и ряд других медленно протекающих процессов, которые изменяют свойства материалов и конструкций.
Наиболее интенсивно большинство из этих процессов протекает в первый период эксплуатации здания. Как правило, изменения носят затухающий характер и со временем свойства материалов и конструкций стабилизируются. Показатели этих свойств (после стабилизации) и определяют действительные эксплуатационные качества конструкций, в том числе их звукоизолирующую способность. В период стабильной работы материалов и конструкций также наблюдаются некоторые колебания их характеристик, связанные с изменением внешних условий. Но колебания эти происходят вокруг какого-то среднего значения, которое практически не меняется или меняется незначительно. Продолжительность периода стабильной работы конструкции зависит от ее долговечности, а также от долговечности составляющих ее элементов и материалов. По исчерпании сроков службы отдельных элементов возникают "отказы", т.е. происходит частичная или полная потеря эксплуатационных свойств конструкции.
Одним из наиболее чувствительных к внешним воздействиям элементов ограждений является звукоизоляционная прослойка. Эффективность звукоизоляционной прослойки определяется в первую очередь ее линейной жесткостью. Эффективность увеличивается с уменьшением линейной жесткости, т.е. с уменьшением Динамического модуля упругости материала и увеличением толщины прослойки. Для каждого вида материала существует прямая зависимость между его динамическим модулем упругости и плотностью. Поэтому в звукоизоляционных прослойках целесообразно применять: пористые материалы малой плотности — пористо-волокнистые материалы на основе минеральных, стеклянных, древесных и текстильных волокон; пористо-губчатые материалы на основе резины и синтетических полимерных материалов; сыпучие материалы, преимущественно неорганические. Пористо-волокнистые материалы изготовляют без связки или со связкой.
Динамический модуль упругости характеризует связь между напряжением и относительной деформацией в материале при воздействии на него периодически изменяющейся силы. При этом каждый цикл нагружения происходит очень быстро, а амплитуда изменения напряжения мала. Для твердых малопористых материалов модули упругости, определенные в динамическом и статическом режимах, практически равны. У материалов малой плотности с большой пористостью различия между этими двумя величинами значительны. Тем не менее для данного вида материала меньшему динамическому модулю упругости соответствует и меньший статический модуль упругости. Поэтому большинство материалов, используемых в звукоизоляционных прослойках, отличаются значительной деформативностью. Она определяется не только упругими деформациями, исчезающими при снятии нагрузки, но и пластическими деформациями, которые после снятия нагрузки сохраняются. Исследования деформативных характеристик звукоизоляционных материалов [11, 20, 58] выявили различный характер и причины пластических деформаций материалов разных структуры и происхождения.
Звукоизоляционные прослойки в жилых домах в основном устраивают в междуэтажных перекрытиях. Они подвергаются воздействию постоянных и переменных статических и динамических нагрузок. В этих условиях возможны следующие причины возникновения пластических деформаций в звукоизоляционных прослойках: более плотное размещение под воздействием нагрузок и вибраций волокон пористо-волокнистых и зерен сыпучих материалов; необратимые деформации, в том числе ползучесть, в материале волокон и в соединяющей их связке, в стенках пор пористо-губчатых материалов; разрушение связки и более плотное размещение освободившихся от связей волокон в пористо-волокнистых материалах; разрушение волокон, разрушение или потеря устойчивости стенок пор.
Возникновение деструктивных процессов в материале свидетельствует о наступлении его предела прочности, либо предела динамической стойкости, либо об исчерпании срока его службы из-за наступления предела химической стойкости, биостойкости и т.д. Другие причины пластических деформаций существуют в условиях нормальной эксплуатации, и их следует учитывать при определении толщины звукоизоляционной прослойки.
Первоначальное деформирование звукоизоляционной прослойки происходит в результате устройства пола на междуэтажном перекрытии. Средняя толщина звукоизоляционной прослойки перед началом эксплуатации составляет
где h — толщина материала прослойки в необжатом состоянии;
εк — относительное сжатие (кратковременное) материала за период строительства.
В процессе эксплуатации деформация звукоизоляционной прослойки продолжается до момента ее стабилизации. Затем в течение времени, равного сроку долговечности материала, звукоизоляционная прослойка будет иметь в среднем толщину
где εд — относительное сжатие материала (длительное) к моменту стабилизации пластических деформаций.
Звукоизоляционные прослойки применяют в виде сплошного слоя или в виде полосовых прокладок. Площадь полосовых прокладок принимают не менее 20% площади попа. Нормативная нагрузка на пол в жилых домах составляет 1500 Н/м2. При средней поверхностной плотности пола, равной 50 кг/м2, удельная нагрузка на звукоизоляционную прослойку при сплошном слое составляет 0,2 Н/см2, при полосовых прокладках — 1 Н/см2. Эти удельные нагрузки приняты при определении деформативных характеристик звукоизоляционных материалов [20].
Наблюдения за изменением толщины звукоизоляционной Прослойки в процессе строительства и эксплуатации зданий показали, что при подстановке в формулы (51) и (52) величин εк и εд, определенных по методике автора [20], можно с достаточной для практических целей точностью и надежностью найти этот конструктивный параметр.
Динамический модуль упругости пористых материалов возрастает с повышением удельной нагрузки на них, т.е. с увеличением обжатия и, следовательно, плотности материала. Поэтому в вводимых в расчет значениях динамического модуля упругости, определенных под соответствующей удельной нагрузкой, учтено возможное его увеличение в процессе эксплуатации [20].
Расчетные параметры материалов, выпускаемых промышленностью и используемых в звукоизоляционных прослойках междуэтажных перекрытий, приведены в табл. 1.
При использовании расчетных значений динамического модуля упругости и толщины звукоизоляционной прослойки, определенной по формуле (52), учитывается возможное снижение звукоизоляции при эксплуатации, связанное с повышением жесткости звукоизоляционной прослойки перекрытия.
Следует однако иметь в виду, что в формулу (52) вводят номинальную толщину материала. Фактическая же его толщина зависит от допусков при изготовлении. Кроме того, возможны местные изменения толщины (разнотолщинность по площади) материала. Необходимо ввести дополнительные требования к толщине материала, чтобы в результате длительного обжатия звукоизоляционном прослойки в самом тонком ее месте не возник непосредственный (жесткий) контакт между полом и несущей частью. Это особенно важно для сильно деформирующихся минераловатных материалов. Кроме того, должна быть ограничена и максимальная толщина минераловатных материалов, чтобы не допустить значительной неравномерной осадки и зыбкости пола.
Учитывая сказанное, толщина минераловатных материалов в случаях применения их в виде сплошного слоя под сборным основанием пола, под монолитной стяжкой и в виде полосовых прокладок должна находиться в следующих пределах, мм: для плит, изготовляемых по ГОСТ 9573—72, марки 125, соответственно 30—60, 40—60 и 35—60; марки 150 — 25—60; 35—60 и 30—60; для плит, изготовляемых по ТУ 21—24—52—73, марки ПП—80 соответственно 25—40; 30—40; 30, марки ПП—100 — 20—50, 25—50 и 25—40; для матов прошивных, изготовляемых по МРТУ 7—19—68, марки 100 — 30—60, 40—60 и 50—60; марки 150 — 25—60, 30—60 и 40—60.
Происходящее при эксплуатации уплотнение мягкой подосновы двухслойных покрытий пола снижает изоляцию ударного шума. К этому приводит также увеличение жесткости и твердости верхнего слоя из пластмассы или резины вследствие их старения.
Расчетное значение повышения изоляции ударного шума ΔIу, дБ, в результате укладки покрытий пола составляет для линолеума, изготовляемого по ГОСТ 18109—72, на иглопробивной неткановолокнистой подоснове из шерстяных или синтетических волокон — 17, на подоснове из лубяных волокон — 16, для рулонного однослойного покрытия на основе синтетических волокон, изготовляемого согласно ТУ 21—29—35—75 Минпромстройматериалов СССР (тип А), — 20, а для такого же двухслойного покрытия на вспененной поливинилхлоридной подоснове (тип Б) — 26.
Таким образом, изменения в процессе эксплуатации звукоизоляционных качеств перекрытий, связанные с изменением параметров звукоизоляционных прослоек, учитывают при определении расчетных значений повышения звукоизоляции при устройстве пола.
Другая важная причина изменений звукоизоляции в период эксплуатации здания — образование или раскрытие в ограждениях и их элементах сквозных трещин и щелей. Прохождение звука через небольшие отверстия, узкие щели — это сложный процесс, зависящий от большого числа факторов. Основные физические явления, определяющие интенсивность этого процесса: дифракция звуковых волн, их отражение на выходе из отверстия, резонанс объема воздуха, заключенного в отверстии, поглощение звука ограничивающими его поверхностями, трение и теплообмен между ними и воздухом в отверстии.
Сделан ряд попыток теоретически решить задачу о прохождении звуковых воли через малые отверстия в ограждениях Ф.Ингерелевом, Р.Нильсеном, М.Гомпертсом, И.Номура и др. [66, 71]. Они либо связаны со значительными упрощениями (т.е. учитывают не все действующие факторы), либо приводят к сложным аналитическим выражениям, которые трудно использовать в практических целях. Правильность теоретических результатов не всегда достаточно подтверждена экспериментом, поэтому о закономерностях прохождения звука через малые отверстия и щели приходится судить, основываясь как на теоретических представлениях, так и на результатах экспериментальных исследований [6, 10, 30, 33].
Дифракция звука вызывает концентрацию звуковой энергии у отверстия и создает возможность повышенной его передачи. Отражение звуковых волн на выходе из отверстия возникает в тех случаях, когда поперечный размер отверстия мал по сравнению с длиной звуковой волны, и снижает прохождение звука. Это явление особенно заметно при круглых отверстиях и значительно меньше при длинных щелях, поэтому через щель звук проходит интенсивнее, чем через круглое отверстие той же площади.
Частоты, на которых возможен резонанс в щели, определяют из выражения
где n — целое число;
c0 — скорость звука в воздухе, м/с;
h — толщина ограждения, м;
α — коррекция акустической длины на одном конце отверстия, м.
На резонансных частотах прохождение звука через отверстие или щель усиливается.
Поглощение звука стенками отверстия оказывает заметное влияние на прохождение звука при достаточно большой толщина ограждения. Поглощение увеличивается с повышением коэффициента звукопоглощения материала.
Теплообмен между стенками отверстия и воздухом в нем определяет характер процессов сжатия и разрежения воздуха, происходящих при прохождении звуковой волны. В случае достаточной продолжительности цикла сжатия (на низких частотах) выделяемое при этом тепло успевает поглотиться стенками отверстия и процесс сжатия имеет изотермический характер. При малой продолжительности цикла (на высоких частотах) теплообмен не успевает произойти и процесс сжатия имеет адиабатический характер. Характер процесса сжатия определяет сжимаемость воздуха при заданном давлении и тем самым влияет на прохождение звука через отверстие. Менее интенсивное прохождение звука наблюдается при адиабатическом сжатии. Трение между воздухом и стенками щели снижает интенсивность прохождения звука.
Резонансные частоты, при которых передача звука через щель наибольшая, расположены у конструкций жилых зданий в верхней части нормируемого диапазона, поэтому с увеличением частоты звукоизолирующая способность щели в целом уменьшается.
Интенсивность прохождения звука через отверстия и щели зависит также и от их расположения в ограждении. Наибольшая звукопроницаемость при прочих равных условиях у щелей и отверстий, расположенных в углу или на краю ограждения.
Если известны звукоизолирующая способность ограждения R и щели или отверстия R1, то снижение звукоизолирующей способности ограждения в результате прохождения звука через отверстие или щель определяют по формуле
где S1 и S — площади соответственно щели и всего ограждения.
Из формулы (54) видно, что ухудшение звукоизоляции тем значительнее, чем больше площадь щели или отверстия и разность звукоизолирующей способности ограждения и щели. Звукоизолирующая способность ограждения растет, а щели снижается с увеличением частоты, поэтому влияние щелей на низких частотах должно быть незначительным и резко возрастать на высоких частотах.
Рассмотренные закономерности дают только качественную картину влияния отверстий и щелей на звукоизоляцию. Более точно оценить их влияние можно на основании экспериментальных исследований конкретных конструктивных решений.
Появление сквозных щелей возможно в элементах ограждений еще до начала эксплуатации здания как результат несовершенных проектных решений или отклонений от проекта при производстве строительных работ. Однако в большинстве случаев образование и раскрытие сквозных щелей происходит во время эксплуатации здания в основном в стыках сборных конструкций и тех деталях ограждений, которые связаны с инженерным оборудованием (см. п.5).
Вероятность образования в стыке трещины или щели зависит в первую очередь от возможных взаимных перемещений стыкуемых элементов при эксплуатации здания. Такие перемещения периодически возникают между элементами наружных стен, подверженных температурным деформациям, и внутренними конструкциями здания; между ненесущими перегородками, установленными на перекрытии, и другими не связанными с прогибами этого перекрытия элементами здания; между перекрытиями и самостоятельно стоящими стенами, вентиляционными блоками. Другой важный фактор, от которого зависит вероятность появления сквозных щелей, — конструкция узла, где сопрягаются элементы: взаимное расположение стыкуемых и примыкающих элементов, заполнение зазоров в стыке и применяемые для этого материалы и т.д. Наиболее опасны стыки, расположенные в пределах помещения и не перекрытые другими конструкциями.
Значения изменения в процессе эксплуатации звукоизолирующей способности ΔR перекрытий получены в результате натурных измерений, которые выполнены до сдачи дома и в период его эксплуатации (данные автора). Несмотря на большие различия в конструкции несущей части перекрытия и пола, характер изменения звукоизоляции у всех перекрытий одинаков (рис. 12). Полученные частотные характеристики ΔR вполне согласуются с теоретическими представлениями о влиянии на звукоизолирующую способность ограждения прохождения звука через щели. Наиболее вероятно, что трещины появились или раскрылись: в доме из вибропрокатных панелей — в стыках перекрытий с ненесущими наружными стенами, в кирпичном Доме серии 1—52ВКП—40 и в экспериментальном доме с широким Шагом несущих стен — в расположенных в пределах помещения стыках между настилами перекрытий и в местах их свободного примыкания к наружным стенам, в крупнопанельном доме с тремя продольными несущими стенами серии 1ЛГ—507 — в узле, где стыкуются между собой ребра шатровых панелей и где к ним примыкают гипсобетонные перегородки. Снижение индекса изоляции воздушного шума л1в в рассмотренных случаях составило 2—3 дБ.
Обнаружено также снижение звукоизоляции помещений в среднем на 3 дБ в результате образования сквозных щелей в местах примыкания ненесущих перегородок к потолку (меры по герметизации этого стыка не были приняты).
Возможные изменения звукоизоляции в результате образования или раскрытия щелей в стыках зависят от взаимодействия рассматриваемого ограждения с другими конструкциями здания. При проектировании необходимы специальные конструктивные меры по обеспечению цельности сопряжений элементов, которые во время эксплуатации здания подвержены взаимным перемещениям. Если такие меры не предусмотрены, следует при расчете индексов изоляции воздушного шума учитывать их снижение в процессе эксплуатации здания, вводя поправки Δ1 на возможное ухудшение звукоизоляции, связанное с прохождением звука через щели в стыках. Принимают следующие значения этой поправки, дБ; в случае примыкания перегородок к потолку и несущим стенам — минус 3; в случае примыкания внутренних стен и перегородок к наружным стенам и примыкания междуэтажных перекрытий к наружным или внутренним стенам — минус 2; при наличии во внутренних ограждающих конструкциях стыков, расположенных в пределах помещения, — минус 1.