Повышенная жесткость пустотных плит при заданной поверхностной плотности обусловливает уменьшение граничной частоты конструкции и тем самым увеличение ее звукоизолирующей способности в области волнового совпадения и на более высоких частотах. Однако практические методы расчета [37, 38, 50] не позволяли учесть влияния на звукоизолирующую способность конструкции формы ее сечения.
Конструктивные параметры бетонных конструкций с круглыми пустотами уточняли по результатам экспериментов, проведенных на испытательном стенде ЦНИИЭП жилища и в жилых домах, построенных по проектам серий 4570/63 в Москве, 1-528КП, 1—528КП—40, 16-ЗА в Ленинграде и 4570-73/75 в пос. Ватутинки Московской обл. [1, 19, 42]. Одновременно изучали влияние на звукоизолирующую способность пустотных плит заполнения пустот сыпучими материалами (песком, керамзитом) . По данным лабораторных испытаний двойных стен из гипсобетонных плит с круглыми пустотами, выполненных К.Гезеле и Р.Иеле [63], заполнение пустот песком позволило улучшить звукоизоляцию стен на 4,7 дБ. Это нельзя объяснить только увеличением поверхностной плотности ограждения — улучшение в значительной мере объясняется повышенным коэффициентом потерь песка по сравнению с бетоном.
В доме серии 4570/63 в Москве применены межквартирные стены из железобетонных панелей толщиной 19 см с круглыми пустотами диаметром 12,5 см, расположенными вертикально с шагом 15 см между их осями. Приведенная толщина бетона панели 11 см, поверхностная плотность 275 кг/м2. У одной группы панелей пустоты были заполнены керамзитом плотностью 450 кг/м3, у другой — кварцевым песком - 1500 кг/м3. При этом поверхностная плотность стен увеличилась соответственно до 311 и 395 кг/м2.
В доме серии 4570—73/75 межквартирные стены имели аналогичную конструкцию, однако при сохранении тех же диаметра и шага пустот толщина панели была увеличена до 21 см. Приведенная толщина панели 13,5 см, поверхностная плотность 325 кг/м2. У части панелей пустоты были на заводе заполнены керамзитом плотностью 400 кг/м3. Поверхностная плотность стен из этих панелей составила 375 кг/м2. Панели выполнены из тяжелого бетона марки М300, модуль упругости которого Е=3,3·1010 Па (по данным испытаний).
На испытательном стенде ЦНИИЭП жилища и в домах серий 1—528КП и 1—528КП—40 испытаны несущие части перекрытий из железобетонных многопустотных настилов толщиной 22 см с приведенной толщиной бетона соответственно 12 и 10,3 см. Сечение пустот плит, уложенных в домах, при изготовлении изделий было увеличено в результате приварки швеллера к нижней части трубы пустотообразователя. Поверхностная плотность несущих элементов перекрытия равна соответственно 300 и 255 кг/м2. На испытательном стенде испытаны также плиты с заполненными песком пустотами.
Средние измеренные и рассчитанные индексы изоляции воздушного шума для элементов с круглыми незаполненными пустотами приведены в табл. 4. Расчетные индексы определены по методу, описанному в п.6 для сплошных плит толщиной, равной приведенной толщине бетона рассматриваемых пустотных плит. В таблице указаны также значения превышения измеренных индексов звукоизоляции над расчетными ΔIв.
Эксперимент подтвердил, что плиты с круглыми пустотами имеют повышенную звукоизолирующую способность по сравнению со сплошными плитами равной поверхностной плотности. Чтобы найти выражение для перехода от поверхностной плотности пустотного элемента к эквивалентной поверхностной плотности, сделаны три альтернативных предположения об условиях равенства звукоизолирующей способности плит пустотного и сплошного сечения: а) равенство граничных частот; б, в) равенство значений звукоизолирующей способности на частотах f>2f которые определяют по формулам соответственно (12) и (13). Каждое из этих предположений приводит к уравнению
где I — момент инерции сечения плиты с круглыми пустотами шириной b;
hпр — приведенная толщина сечения этой плиты;
п — показатель степени, который принимает следующие значения: при выводе по формуле (12) п=1/6, при выводе по формуле (13) п=1/10, при предположении о равенстве граничных частот п=1/2.
Выражение, стоящее в формуле (81) в скобках, есть отношение жесткостей пустотной и сплошной плит из одного материала с равной поверхностной плотностью — Вп/Вс.
При определении расчетного индекса Iв по формуле (16) увеличение индекса пустотной плиты, по сравнению с индексом сплошной, ΔIв (для поверхностных плотностей больше 200 кг/м2) равно
где q3 — эквивалентная поверхностная плотность пустотной плиты;
q — поверхностная плотность плиты.
Подставляя значение q3/q из формулы (81) в формулу (82), имеем
Экспериментальная зависимость повышения индекса звукоизоляции пустотных плит по сравнению с индексом звукоизоляции сплошных равной поверхностной плотности ΔIв от отношения изгибных жесткостей этих плит Вп/Вс, показана на рис. 28. На рисунке нанесены также линии, построенные по формуле (83) при значениях п=1/2; 1/4; 1/6; 1/10. Наилучшая аппроксимация экспериментальной зависимости достигается при п=1/4. Поэтому для определения коэффициента к принято-выражение (22):
В табл. 5 показаны средние значения (измеренные и расчетные) индекса Iв пустотных плит с заполненными сыпучим материалалом пустотами. Расчетные значения Iв определены по графику (см. рис. 13) для значений эквивалентной поверхностной плотности, при определении которых использована формула (22). Входящая в нее приведенная толщина вычислена по формуле (59).
Из данных табл. 5 видно, что возросшее демпфирование конструкции, связанное с повышенным коэффициентом потерь сыпучего материала, привело к увеличению ее звукоизолирующей способности на 1,7—4,2 дБ. В расчете же рекомендуется учитывать улучшение индекса звукоизоляции, вызванное повышенным коэффициентом потерь сыпучего материала ΔIв=1,5 дБ. Это объясняется сравнительно небольшим объемом экспериментальных данных и отмеченным снижением звукоизолирующей способности межквартирных стен в доме серии 4570/63 после года эксплуатации.
Одно из конструктивных решений перекрытий с несущей частью из пустотных плит — перекрытие с полом из линолеума на мягкой подоснове. В этом случае необходимо, как правило, устройство выравнивающей стяжки для компенсации неровностей верхней поверхности плит и перепадов в стыках.
Звукоизолирующая способность железобетонных пустотных плит с цементной стяжкой исследована на испытательном стенде ЦНИИЭП жилища [42]. На многопустотные настилы толщиной 22 см были уложены цементные стяжки толщиной от 2,2 до В,3 см (табл. 6).
Выравнивающие стяжки небольшой толщины не увеличили звукоизолирующей способности ограждения.
При устройстве стяжки повышаются поверхностная плотность и жесткость конструкции. Однако увеличение жесткости в значительной мере зависит от сцепления стяжки с несущей частью пола и наличия или отсутствия в ней трещин, что обусловливает возможность совместной работы на изгиб стяжки и несущей части конструкции.
При поверхностной плотности перекрытия/большей 200 кг/м2, изменение индекса изоляции воздушного шума ΔIв в результате устройства стяжки можно вычислить по формуле
где I1 и I2 — моменты инерции сечения конструкции до и после устройства стяжки;
hпр1 и hпр2 — приведенные толщины сечения до и после устройства стяжки;
hст — толщина стяжки;
ρ1 и ρ2 — плотности материала плиты перекрытия и стяжки.
Момент инерции составного сечения может быть представлен в виде
где I1, Iст и I3 — моменты инерции соответственно несущей части перекрытия,стяжки и сечения в целом;
m — коэффициент, учитывающий совместную работу несущей части и стяжки, он может меняться от 0 до 1.
Изменение звукоизоляции плиты перекрытия ΔIв толщиной 22 см в результате устройства стяжки, подсчитанное по формуле (84), зависит от коэффициента m (рис. 29). При расчете плотности материала плиты и стяжки приняты одинаковыми. С изменением коэффициента m от 1 до 0 ΔIв уменьшается на 1—2,5 дБ в зависимости от толщины стяжки.
Влияние на звукоизоляцию конструкции перекрытия совместной работы несущей части и стяжки дополнительно проверено в эксперименте, когда в одном случае стяжка уложена с применением специальных мер по улучшению ее сцепления с бетоном, а в другом — между несущей плитой и стяжкой проложен слой кальки. Результаты двух серий таких испытаний приведены в табл. 7. В ней показаны также изменения изоляции воздушного и ударного шумов в результате прокладки кальки между несущей частью и стяжкой.
Проложенная между несущей плитой и стяжкой калька снизила изоляцию воздушного звука перекрытием на 2 дБ, что несколько превышает расчетную величину снижения ΔIв при изменении коэффициента m от 1 до 0 при толщине стяжки 5 см (см. рис. 29). О возможности самостоятельных колебаний стяжки, отделенной от несущей части перекрытия калькой, свидетельствует улучшение изоляции ударного шума. Взаимные перемещения стяжки и несущей плиты создают эффект "прослойки" между ними, однако с большой линейной жесткостью, с чем связано дополнительное снижение изоляции воздушного шума.
При устройстве цементных стяжек (hст=4 см) по многопустотным настилам толщиной 22 см в домах, построенных по проектам серий 1—528КП, 1—528КП—40 и 16—ЗА в Ленинграде, индекс изоляции воздушного шума увеличился соответственно на 2; 2,1 и 3,7 дБ. Часть отмеченного в домах увеличения звукоизолирующей способности перекрытия вызвана тем, что стяжка перекрывает щели в стыках между настилами и в местах пропуска стояков. Дополнительное улучшение звукоизоляции в натурных условиях наблюдается на частотах, близких к низшей резонансной частоте щели в ограждении толщиной 22 см — 800 Гц и на более высоких частотах (рис. 30).
Экспериментальное уточнение конструктивных параметров однородных бетонных ограждений с круглыми пустотами доказало предсказываемые теорией преимущества таких конструкций перед сплошными, связанные с их повышенной жесткостью. Это позволяет при определенном уровне индустриальной базы домостроения снизить материалоемкость внутренних ограждающих конструкций жилых зданий при соблюдении требуемой звукоизоляции.
Сравнение измеренных и рассчитанных индексов Iв ограждений из железобетонных плит с круглыми пустотами показало, что использование результатов экспериментального исследования значительно повысило точность расчета звукоизолирующей способности ограждений из пустотных элементов (рис. 31). Средние и среднеквадратичные отклонения расчетных индексов звукоизоляции при расчете методом [37, 50] с использованием поверхностной плотности ограждений составляют соответственно 3,9 и 4,2 дБ. При расчете по методике, изложенной в п.6, эти значения соответственно равны 1 и 1,3 дБ.
Необходимо подчеркнуть, что расчет Iв0 по указанной методике применим только к тем пустотным элементам, которые являются акустически однородными во всем нормируемом диапазоне частот (см. п.2). Увеличение размеров пустот приводит к самостоятельным колебаниям образуемых ими тонких стенок.
Влияние больших пустот на звукоизолирующую способность ограждения выявлено при испытании несущих элементов перекрытий из настилов с овальными пустотами в доме серии 1-528КП в Ленинграде и пустотной панели с дискретными связями между наружными слоями, разработанной В.Н.Шаишмелаш-или, на испытательном стенде.
Железобетонные плиты перекрытия высотой 22 см имеют овальные пустоты шириной 42,5 см. Приведенная толщина плит 9,2 см, поверхностная плотность 230 кг/м2. Толщина стенок пустот около 3 см.
Вторая исследованная конструкция — железобетонная панель размером 6х3,2х0,26 м, состоящая из двух плит толщиной по 3 см, соединенных 20 железобетонными стойками-шпонками сечением 20х20 см, расположенными с шагом 1,5 м вдоль длинных сторон и 0,85 и 1,2 м — вдоль коротких сторон панели. Таким образом, две плиты оказываются разделенными воздушной прослойкой. Контурные ребра верхней и нижней плит разделены прокладкой из мягкой древесноволокнистой плиты. Приведенная толщина панели 8,4 см, поверхностная плотность 210 кг/м2.
Сравнение результатов испытаний описанных конструкций и железобетонных плит толщиной 22 см с круглыми пустотами показало их различную звукоизолирующую способность (рис. 32). Звукоизолирующая способность плиты с овальными пустотами резко уменьшается в области граничной частоты стенок пустот толщиной 3 см (fс.пгр=630 Гц). Для панели с дискретными связями эта частота оказала решающее влияние на формирование звукоизолирующей способности ограждения во всем нормируемом диапазоне. Индексы звукоизоляции Iв сравниваемых конструкций с поверхностными плотностями 255, 230 и 210 кг/м2 составляют соответственно 50,45 и 41 дБ. Для акустически однородных конструкций снижение поверхностной плотности от 255 до 230 и 210 кг/м2 должно привести к уменьшению индекса Iв на 1 и 2 дБ. В рассматриваемом случае это уменьшение составило соответственно 5 и 9 дБ.
Отрицательное влияние больших пустот на звукоизоляцию в значительной мере устраняется при заполнении их сыпучим материалом (песком, керамзитом и т.п.). Испытанная на стенде ЦНИИЭП жилища керамзитобетонная панель толщиной 20 см имела овальные пустоты, заполненные песком: пакеты из полиамидной пленки с песком укладывали при бетонировании панели. В процессе бетонирования пакеты приняли в поперечном сечении овальную форму с шириной 20 и высотой 10 см. Толщина горизонтальных стенок пустот в среднем около 5 см, вертикальных — 4 см. Объемная масса керамзитобетона 1650 кг/м3, поверхностная плотность панели 314 кг/м2, приведенная толщина бетона 13,3 см. Измеренный индекс звукоизоляции Iв=51 дБ совпадает с расчетным, определенным по методу, описанному в п.6.