Моделирование и экспериментальное исследование звукоизоляционной способности ограждающих конструкций из пустотелых бетонных камней

Пустотелые бетонные камни широко применяются в строительной отрасли для малоэтажных зданий и сооружений как производственных, так и жилых [1]. Такие строительные материалы используются в равной степени, как и традиционные железобетонные. Однако ограждающие конструкции из пустотелых бетонных камней требуют дополнительных мероприятий по звукоизоляции и утеплению помещений, что отражается на их проектировании и себестоимости изготовления.

Объектом исследования являются ограждающие конструкции из пустотелых бетонных камней, изоляционных материалов и бетонных смесей с органическими добавками и пластификаторами [2].

Предметом исследования являются информационные технологии моделирования Building Information Modeling (BIM), в том числе трехмерное графическое моделирование [3, 4].

Целью работы является повышение эффективности звукоизоляции при строительстве ограждающих конструкций из пустотелых бетонных камней на основе применения информационного BIM-моделирования и экспериментальных исследований. Для достижения поставленной цели в работе решаются задачи создания графических 3D-моделей BIM ограждающих конструкций с использованием типовых электронных библиотек в открытом доступе [5, 6], постановки лабораторного эксперимента по измерению уровня шума в помещении, анализа результатов замеров и их сравнения с российскими строительными нормами и правилами СП 333.1325800.2020 [7, 8].

Актуальность исследования состоит в аналитическом расчете параметров звукоизоляции пустотелых бетонных конструкций и экспериментальной проверке их соответствия по уровню защиты от шума действующим строительным стандартам.

Критериями эффективности принятия проектных решений являются снижение уровня шума в помещении и тепловых потерь от внешней среды за счет применения изоляционных материалов, уменьшение веса модульных пустотелых кон- струкций при сохранении их прочности и несущей способности, экономия себестоимости строительных работ и используемых стройматериалов, сокращение сроков возведения зданий и сооружений.

Практическая реализация работы выполнена на специализированной испытательной установке «Акустические реверберационные камеры» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого [9]. Внедрение результатов работы планируется в IT-подразделениях государственной корпорации ПИК Digital (Москва) [10], где ограждающие конструкции проектируются из пустотелых бетонных камней.

Методы

Информационные BIM-методы используют объектно-иерархические базы данных трехмерных графических моделей и стройматериалов с разнородными параметрами – геометрическими, физико-химическими, конструктивными, функциональности [11–14]. Информационные модели BIM хранятся в специализированных системах управления базами данных масштаба предприятий строительной отрасли и используются на протяжении всего жизненного цикла инвестиционных проектов [15–17].

На рис. 1 показана технология возведения наружной стены здания из пустотелых бетонных панелей, а на рис. 2 – их графическая 3D-модель, созданная BIM-методами в системе AutoDesk Revit [18] с учетом требований СП 333.1325800.2020 [8]. Однако ограждающие конструкции из пустотелого бетона не всегда соответствуют строительным нормам по критериям защиты от шума и тепловых потерь. Тогда необходимо дополнительно устанавливать защитную изоляцию (рис. 3). Для этого используют разные методы:

• 1)    обогащение состава бетонной смеси специальными химическими добавками и пластификаторами (на 2–3 %) [2];

• 2)    заполнение внутренних полостей пустотелых бетонных блоков монтажной пеной или сыпучим изоляционным материалом;

  

  Рис. 1. Технология возведения модульной конструкции наружной стены здания из пустотелого бетона

  
  
  

  Рис. 2. Графическая 3D-модель ограждающей модульной конструкции из пустотелого бетона по BIM-технологии в системе Revit [18]

  
  

Рис. 3. Типовая конструкция изоляции вертикального ограждения: 1 – несущая бетонная стена; 2 – тепло-и звукоизоляционный слой из выбранного материала;

3 – уплотнительная лента; 4 – направляющий профиль; 5 – стоечный профиль; 6 – влагозащитный слой; 7 – чистовая отделка помещения; 8 – герметик универсальный

• 3)    покрытие стен, пола и потолка помещений многослойной изоляцией для защиты от шума, влаги, огня, потери тепла и других факторов [19].

Комплекс мероприятий по звукоизоляции предполагает выбор и применение эффективных методов и материалов для защиты ограждающих конструкций (стены, перекрытия, перегородки, окна, двери) от внешних воздействий и снижение шума внутри помещения до уровня допустимых пределов в соответствии с правилами СП 23-1032003 и СП 51.13330.2011 [20, 21].

В этой работе для оценки эффективности звукоизоляции ограждающих конструкций приняты указания СП 23-103-2003 [20] и методика расчета [22]. Объект экспериментального исследования состоит из двух смежных помещений – верхнего уровня (ПВУ) размерами 3,92 × 4,48 × 3,25 м и нижнего (ПНУ) 3,54 × 4,48 × 3,25 м. Внутренняя ограждающая перегородка выполнена из пустоте- лого бетона плотностью ρ = 2400 кг/м3 толщиной h = 220 мм с конструкцией звукоизоляции ТН-СТЕНА Акустик Стандарт (см. рис. 3) [23]. Испытуемый образец (ИО) с фрагментом 3,5 × 2,45 × 0,3 м делит лабораторию на две акустические камеры. В ПВУ установлены источники шумов (И1, И2) Mackie Thump15A системы SpectraLab в спектре частот f = 100–3150 Гц. Микрофоны анализаторов спектра «Алгоритм 03» (М1-М10) стоят в обеих камерах на разной высоте – 1,3; 1,5; 1,95 м – для сравнения показаний (рис. 4).

Для внутренних вертикальных ограждений основным параметром расчета звукоизоляции служит индекс изоляции воздушного шума Rw (дБ), для горизонтальных перекрытий – индекс звукоизоляции ударного шума Lnw (дБ), для наружных ограждающих конструкций – индекс снижения уровня шума внешней среды и транспорта RАтран (дБ).

Для оценки эффективности звукоизоляции ограждающей вертикальной перегородки достаточно оценки только воздушного шума R w по регламентированным формулам (6) и (8) в СП 23103-2003 [20]:

R w = 37∙lg( m п ) + 55∙lg( K ) – 43, дБ, (1) m п = ρ∙ h , кг/м², (2)

где m п – поверхностная плотность перегородки, кг/м²; ρ – плотность бетона, кг/м³; h – толщина стенки, м; K – коэффициент зависимости от плотности материала стенки по табл. 10 в СП 23-1032003 [20], в нашем случае K = 1.

Для соответствия строительным нормам звукоизоляции необходимо соблюдение следующих условий:

m п ≥ 200, R w_ факт ≥ R w_ норм , L nw_ факт ≥ L nw_ норм ,

где Rw_факт и Lnw_факт – фактические индексы звуко- изоляции соответственно воздушного и ударного шума по результатам экспериментальных измерений, дБ; Rw_норм и Lnw_норм – их нормативные значения по табл. 2 в СП 51.13330.2011 [21], в нашем случае

= 52 дБ.

R w_норм

Если индекс Rw_факт ≤ 32 дБ, он приравнивается к нормативу 52 дБ. Если Rw_факт > 32 дБ, он округляется до целого числа децибел в меньшую сторону.

При несоблюдении условий (3)–(6) следует учитывать следующие методы проектирования звукоизоляции и общие практические рекомендации:

• 1)    при использовании тяжелых материалов, таких как кирпич, бетон, возрастает нагрузка на перекрытия и несущие конструкции;

• 2)    для наружных стен перспективным материалом являются пустотелые бетонные блоки, которые при экономии себестоимости и небольшом весе сохраняют прочность и несущую способность;

• 3)    обогащение физико-химического состава бетонной смеси специальными органическими добавками и пластификаторами (на 2–3 %) улучшает качество звукоизоляции ограждающих конструкций;

• 4)    для внутренних перегородок эффективным методом является применение металлических и даже деревянных каркасов, которые обладают малым весом, быстротой и легкостью монтажа;

• 5)    в качестве звукоизоляционных материалов рекомендуется выбирать не тонкую рулонную минеральную вату, а каменные и базальтовые плиты и маты, которые кроме звукопоглощающих свойств имеют хорошую теплоизоляцию и огнестойкость – Rockwool, Isover, Ursa;

• 6)    внутренняя отделка помещений с одновременной звукоизоляцией целесообразна мягкими материалами – оргалит, гипсокартон, пластики;

  

  Рис. 4. Планировка помещения испытательной акустической лаборатории с внутренней ограждающей перегородкой из пустотелого бетона

  
  

• 7)    многослойная изоляция ограждающих конструкций [19] дает эффективную защиту помещений сразу от многих факторов - уровня шума, влаги, ветра, тепловых потерь и других внешних воздействий.

Результаты и обсуждения

Перед началом эксперимента выполнен проверочный аналитический расчет звукоизоляции внутренней перегородки помещения лаборатории по формулам (1)–(4), (6) со следующими исходными данными:

• -    тип здания: нежилые;

• -    тип ограждающей конструкции: стены;

• -    расположение в здании: внутренние перегородки между помещениями;

• -    материал ограждающей стены: пустотелый бетон:

• -    плотность материала стены: р = 2400 кг/м³;

• -    коэффициент K плотности материала по таблице 10 в СП 23-103-2003 [20], K = 1;

• -    толщина: h = 220 мм;

• -    система изоляции: ТН-СТЕНА Акустик

Стандарт [23];

• -    среднегеометрическое значение  частоты:

f = 500 Гц согласно сведениям в СП 23-103-2003 [20];

• -    нормативное значение поверхностной плотности стены по критерию (3): т п > 200 кг/м²;

• -    нормативное значение индекса изоляции воздушного шума по табл. 2 в СП 51.13330.2011 [21] и соответствующему критерию (6): R w > 52 дБ;

т п = 2400^0,22 = 528 > 200 кг/м²; (7)

R w = 374g(528) + 55-lg(1) - 43 ~ 58 > 52 дБ. (8)

По результатам проверки сделан вывод о соответствии расчетного индекса изоляции воздушного шума требованиям российских стандартов (528 > 200 кг/м2, 58 > 52 дБ) и о достоверности принятой методики.

Следующим этапом является постановка двух серий лабораторных испытаний по исследованию звукоизоляционной способности ограждения из пустотелых бетонных камней в диапазоне частот f = 100-3150 Гц. Результаты экспериментов приведены на рис. 5.

Анализ результатов сравнения экспериментальных данных с нормами защиты от шума при звукоизоляции показывает их близкое совпадение вокруг среднегеометрического значения частоты f = 500 Гц и равномерное распределение на всем исследуемом диапазоне f = 100-3150 Гц. Испытания при частотах шума f < 500 Гц дают приемлемый результат по критерию (4). На частотах f > 500 Гц

б)

Рис. 5. Результаты 2 серий лабораторных испытаний звукоизоляции: а – без звукоизоляции; б – с изоляционным слоем. f – частота шума, Гц; R – эмпирическая кривая индекса изоляции, дБ; N – нормативная кривая допустимых значений индекса согласно [21]

наблюдается незначительное отклонение эмпирических данных от СП 51.13330.2011 [21], но их абсолютные значения R = 40–50 дБ близки к нормативу R w_ норм = 52 дБ (6), что допустимо.

Общее заключение по результатам экспериментального исследования можно сформулировать как удовлетворительное состояние ограждающей конструкции, эффективность ее звукоизоляции от воздушного шума и применяемых материалов в соответствии с табл. 2 в СП 51.13330.2011 [21]. Дополнительные мероприятия по защите от шума не требуются.

В Интернете в свободном доступе есть различные калькуляторы звукоизоляции, которые позволяют в интерактивном режиме определить необходимую толщину материала и другие параметры звукоизоляции для снижения шума до предельно допустимого уровня согласно нормам [21].

Например, в бесплатном Интернет-сервисе [23] в качестве исходных данных для расчета требуется задать тип здания, конструктивные параметры ограждения, материал, его плотность и др. Нормативные коэффициенты и допустимые отклонения уровня шума вводить не нужно, они подгружаются программой автоматически. Результаты расчета представляют собой фактические значения индексов звукоизоляции R w_ факт (дБ) и заключение об их сравнении с нормативами R w_ норм (дБ). Результаты аналитического расчета должны удовлетворять критериям (3)–(6).

А.И. Гиясов в статье [24] представил аналитический метод расчета шума при зеркальнорассеянном отражении звука, а в работах [25, 26] – аналитические модели внешних ограждений с изоляцией с учетом изменений температуры внешней среды. В исследовании [27] предложили звукоизоляцию пустотелых бетонных камней из отработанной резины, но это кажется сомнительным.

Тем не менее в статье [19] рекомендуется именно экспериментальная проверка звукоизоляционных, конструкционных, тепловых и других параметров ограждающих конструкций. Причина в том, что аналитические методы расчетов не всегда дают достоверные результаты.

Для задач графического 3D-моделирования и автоматизированного проектирования строительных конструкций известны альтернативные программные реализации объектно-иерархических моделей баз данных с разнородными параметрами [13, 14]. В работе [6] описана технология автоматического заполнения базы данных типовых стройматериалов.

Однако в сравнении с российскими разработками зарубежные аналоги обладают большей функциональностью моделирования, в частности внутренних инженерных коммуникаций, электрооборудования, вентиляции, отопления, газоснабжения, водопровода, канализации, и опережают отечественные продукты в развитии на 10– 15 лет [28]. Но они требуют больше системных ресурсов, высоких цен на западные лицензии и не интегрированы с российским законодательством. В работе [29] содержится сравнительный анализ ведущих отечественных и зарубежных систем BIM-моделирования на примере Renga (Аскон, Россия) и Revit (AutoDesk). Результаты статистического анализа показали, что западные продукты BIM-моделирования все еще преобладают на российском IT-рынке в 4 раза.

Выводы

В работе представлен сравнительный анализ отечественных и зарубежных продуктов трехмерного BIM-моделирования, их преимуществ и недостатков. Созданы графические 3D-модели на примере внутренних ограждающих конструкций в системе Revit. Показана перспективность использования стройматериалов из пустотелых бетонных камней при условии эффективного заполнения межблочных щелей и пористой структуры бетона.

Дано теоретическое обоснование принятой методики расчета звукоизоляции с учетом российских строительных стандартов. Выполнен проверочный аналитический расчет внутренней ограждающей перегородки из пустотелого бетона. Поставлен эксперимент по исследованию уровня шума в лабораторных условиях Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Доказано соответствие экспериментальных данных российским строительным нормативам.

Сформулированы практические рекомендации по улучшению звукоизоляции строительных конструкций из пустотелых бетонных камней. Результаты работы в виде информационных BIM-моделей ограждающих конструкций планируются к внедрению в новых проектах государственной строительной IT-корпорации ПИК Digital (Москва).