Akustické vlastnosti drevených stropných konštrukcií

13. 12. 2007

V príspevku je okrem typologických zásad a akustických požiadaviek na drevené stropné konštrukcie prezentovaná nová dostupná meracia metóda na vyhodnotenie krokovej nepriezvučnosti, ktorá zároveň prispela k vyvinutiu prototypu drevenej stropnej konštrukcie s vyššími fyzikálnymi a úžitkovými vlastnosťami.

Nová metóda je založená na modálovej analýze, umožňuje meranie a vyhodnocovanie krokovej nepriezvučnosti podláh s rôznymi rozmermi, odlišnými od referenčných vzoriek pre laboratórne otestovanie podľa normou stanovenej metodiky. Ďalej umožňuje presne lokalizovať priestorové kmitania s možnosťou izolovať konštrukciu iba lokálne v cielenom kmitočtovom pásme.

Obr. 1: Zvýšenie priestorovej ohybovej tuhosti ondrejskými krížami

2. Akustické vlastnosti drevených stropných konštrukcií

Je známe, že konvenčné drevené stropné konštrukcie majú nepriaznivé zvukovoizolačné vlastnosti. Účinným opatrením na zlepšenie akustických vlastností stropov je zvýšenie ohybovej tuhosti v hlavnom nosnom smere. To je možné docieliť zväčšením prierezu alebo momentu zotrvačnosti vysokými zloženými prierezmi (tvaru I) alebo lepeným spojom záklopu a stropníc (spolupôsobením rebier a plášťa).

Pri posudzovaní stropnej konštrukcie v celku ako kmitajúcej membrány má podstatný vplyv priestorová ohybová tuhosť. Tú možno pri trámových alebo fošňových konštrukciách stropov zvýšiť záklopom s vyššou tuhosťou alebo výstuhami medzi trámami – ondrejskými krížami (obr. 1) alebo vložkami.

Obr. 2: Vplyv spôsobu upevnenia podhľadu zo sádrokartónu na priemernú hladinu krokového hluku L’nw jednoduchej drevenej stropnej konštrukcie: a) priame zlepenie, klincovanie, alebo skrutkovanie L’nw = 85 dB, b) pomocou lát L’nw = 72 dB, c) pomocou pružných závesov L’nw = 65 dB.

Z pohľadu priestorového pôsobenia sú efektívne aj drevené stropy zo skriňových prierezov alebo plnostenných prierezov z klasických povál či lepeného lamelového dreva – podstatné je ale zabezpečenie spolupôsobenia jednotlivých prvkov. Zlepšenie zvukovo-izolačných vlastností sa dosahuje aj pomocou pružného upevnenia spodnej stropnej časti – napr. prostredníctvom vyľahčených tenkostenných plechových profilov (tzv. Federschienen), eventuálne pomocou drevených lát na pružných závesoch (obr. 2). Tým sa dosiahne zlepšenie krokovej nepriezvučnosti v porovnaní s priamym spojením približne o 8 až 10 dB. Najefektívnejším spôsobom zlepšenia krokovej nepriezvučnosti (okrem umiestnenia mäkkej nášľapnej vrstvy) je konštrukcia plávajúcej podlahy. Pri ťažkých plávajúcich podlahách akustickú izolačnú dosku ukladáme priamo na stropnú konštrukciu. Hrúbka izolácie má byť aspoň 50 mm. Izolačnú vrstvu je nutné ochrániť pred zatečením z betónovej zmesi PE fóliou. Roznášacia betónová doska o min. hrúbke 60 mm by mala byť vystužená betonárskou sieťou a dilatačne oddelená od obvodových stien izolačným pásikom o hrúbke cca 15 mm, ktorý je veľmi dôležitý kvôli prerušeniu akustického mostíka do steny.

Pri ľahkej plávajúcej podlahe izolačné dosky ukladáme priamo na stropnú konštrukciu z betónových panelov, alebo záklop trámového stropu. Hrúbka izolácie má byť 25–40 mm. Pri uložení na voľne pribité dosky sa doporučuje prekrytie fóliou. Na izolačnú vrstvu sa ukladá priamo roznášacia doska, ktorá sa ale nesmie deformovať vplyvom zaťaženia. Z tohoto dôvodu sa dosky kladú vo viacerých vrstvách, alebo sú spájané na pero a drážku. Roznášacia vrstva musí byť oddelená od obvodových stien okrajovým pásikom (obr. 3, 4).

Obr. 3: Ľahká plávajúca podlaha na drevenom trámovom strope

Obr. 4: Ťažká plávajúca podlaha na drevenom trámovom strope

3. Nové metódy pri posudzovaní a‑vývoji stropných konštrukcií

Akustickou analýzou a systematickým prieskumom konštrukčných riešení vhodných pre zlepšenie zvukovoizolačných vlastností stropných konštrukcií sa v súčasnosti identifikujú akustické kľúčové elementy stropnej konštrukcie. Prostredníctvom najnovšej metódy modálovej analýzy a simuláciou pomocou metódy konečných prvkov sa overujú navrhnuté stropné elementy a ich vzájomné akustické premostenia. Disponovaním overených viackanálových elektronických analyzátorov (impulzné a Fourierové analyzátory), vhodným počítačovým vybavením pre modálovú analýzu a metódou konečných prvkov je možné charakterizovať formy kmitaní v stropných konštrukciách.

Teória o kmitaní dosiek a doskovitých systémov existuje už dlhší čas. Doposiaľ nebola definovaná vhodná overovacia metóda krokovej nepriezvučnosti na realizovaných systémoch. Akustické problémy drevených stropných konštrukcií vyplývajú z použitých materiálov, systémových akustických mostov a okrajových podmienok.

4. Vlastný vývoj dreveného stropu s‑vyššími akustickými vlastnosťami

Zaužívané drevené stropné konštrukcie majú buď nepostačujúce zvukovo izolačné vlastnosti alebo sú realizované vo viacvrstvovej skladbe často v kombinácii s inými druhmi materiálov (piesok, betón), čo vedie k ich vysokej finančnej náročnosti. Pri aktuálnom dopyte a mnohostrannosti použitia dreva a drevných kompozitných materiálov je stanovené kritérium vyvinúť nový druh stropnej konštrukcie čisto na báze dreva, s vyššími fyzikálnymi a úžitkovými vlastnosťami. Naším cieľom bolo vyvinúť takúto stropnú konštrukciu, ktorá by splňovala kritériá:

* priemerná hladina krokového hluku L’_nw≤ 60 dB (na základe normatívnych požiadaviek),

* jednoduchá realizácia,

* nízke výrobné náklady,

* jednoduchá recyklovateľnosť.

Obr. 5: Schematické zobrazenie navrhnutej stropnej konštrukcie a�vyrobená vzorka

Navrhnuté akustické riešenie spočíva v oddelení nášľapnej (hornej) časti konštrukcie od nosnej časti konštrukcie izolačným materiálom z drevených pilín, akustickým rozdelením oboch spomínaných častí a tým v prerušení priamych akustických mostov (obr. 5). Časť zvukovej energie, ktorá prechádza konštrukciou, je vnútorným trením pretransformovaná na teplo a časť je vyžarovaná do miestnosti príjemcu. S cieľom eliminovať montážnu náročnosť budú stropné elementy z väčšej časti vyhotovené vo výrobnej hale vrátane naplnenia drevenými pilinami.

Drevené piliny sú označované ako odpad drevoobrábacieho procesu. V tomto prípade je však odpad využívaný ako výhodný izolačný materiál. Pri akustických meraniach plní vlhkosť materiálu významnú úlohu. Drevené piliny budú impregnované boritanmi (kvôli požiarnej bezpečnosti) a následne vysušené na rovnovážnu vlhkosť prostredia 12–14 %.

Obr. 6: Laboratórne testovacie zariadenie v�inštitúte EMPA Dübendorf

Pre laboratórne meranie bolo v inštitúte EMPA Dübendorf (Švajčiarsko) vytvorené testovacie zariadenie (obr. 6) s osadzovacím rámom pre stropnú konštrukciu a s referenčnými meracími miestnosťami:

Obr. 7: Schéma laboratórneho zariadenia s�vyobrazeným generátorom krokového hluku a�snímačom zrýchlení

5. Meracia aparatúra a spôsob merania

Metodika merania pozostáva z troch komponentov (obr. 7). Prvá časť generuje krokový hluk a zaťažuje ním testovaný objekt. Druhou časťou je samotná meracia aparatúra a‑tretia časť vyhodnocuje namerané FRF údaje.

Pri modálovej analýze je presne stanovený bod zaťaženia,

Obr. 7: Schéma laboratórneho zariadenia s�vyobrazeným generátorom krokového hluku a�snímačom zrýchlení

v ktorom sa súčasne meria vstupujúca sila. Ako je schematicky znázornené na obr. 8, snímače zrýchlení sú upevnené v miestnosti príjemcu a snímač merajúci veľkosť vstupujúcej sily je meraný na strane vysielača. Pomocou modálovej analýzy a počítačového programu OROS je možné získať detailné informácie o formách kmitania podlahy a presne lokalizovať uzly a amplitúdy v rôznych frekvenčných pásmach.

Časový odstup jednotlivých meraní je daný veľkosťou skúmaného frekvenčného spektra a opakovateľnosťou odčítania nameraných hodnôt. Pomocou Fourierovej transformácie je časové spektrum prevedené na frekvenčné spektrum. Tak je možné pri každej frekvencii odčítať odpovedajúcu hodnotu vstupujúcej sily a hodnotu vystupujúceho zrýchlenia.

Obr. 8: Stredné hodnoty rýchlostných spektier

Namerané lokálne zrýchlenia sú pomocou softveru OROS automaticky prepočítané na rýchlosti (jedenkrát integrované spektrum zrýchlenia = rýchlostné spektrum). Matematicky napísané:

ν(f) . ω = a(f),

a(f)

ν(f) = –––––, ω = 2πf.

Na základe teórie modálovej analýzy bude definovaná nová FRF funkcia nasledovne:

X(ω)_Output

FRF_R = –––––––––– .

X(ω)_Input

Najvyššia meraná frekvencia f = 5 kHz delená násobnosťou odčítaní hodnôt v jednom meraní = 3200 (+1 odčítanie pre nulu) udáva frekvenčný krok odčítaní df. To znamená, že pri jednom meraní bola po každých df = 1,5625 Hz zapísaná hodnota rýchlostného spektra. Inak povedané, pri jednom meraní bolo zapísaných 3201 údajov. Všetky merania pri rovnakej skladbe konštrukcie boli opakovaná 100krát.

Rýchlostné spektrá boli najprv spriemerované pre každý kanál cez všetky merané frekvencie (obr. 8). Namerané údaje musia byť kvôli zamedzeniu neprehľadnosti energeticky sčítané do jednotlivých tretinooktávových pásiem. Energetické sčítanie v podstate predstavuje druhú mocninu rýchlosti nameranú v každom frekvenčnom kroku a potom ich následne sčítanie v prislúchajúcom tretinooktávovom pásme. V závere bude vykonaná druhá odmocnina z každej sumy.

Matematicky zapísané:

Σ[ν(f)]² = [ν]²,

1/3oktáv. pásmo

kde √[ν]² je hľadaný energetický súčet.

Teória kalibračnej krivky

Na drevenej stropnej konštrukcii, ktorej rozmery odpovedajú rozmerom laboratória na meranie krokovej nepriezvučnosti, boli realizované merania. Pritom bola meraná vyžarovaná hladina akustického tlaku, ktorá je pri meraniach krokovej nepriezvučnosti totožná s hladinou krokového hluku. Súčasne boli merané lokálne zrýchlenia na spodnej strane stropnej konštrukcie. Výsledkom bola závislosť rýchlostných spektier (energeticky sčítané pre každé tretinooktávové pásmo cez všetky kanály) a hladín normalizovaného krokového hluku L’_n od tretinooktávových frekvenčných pásiem. Pri meraní rýchlostných spektier sme vytvorili korelačnú závislosť zrýchlení a hladín normalizovaného krokového hluku L’_n pre jednotlivé frekvenčné pásma. Takto je možné každému zrýchleniu priradiť hodnotu hladiny normalizovaného krokového hluku L’_n v kmitočtovom pásme.

Obr. 9: Smerná krivka na stanovenie priemernej hladiny krokového hluku L’nw

Stanovenie priemernej hladiny krokového hluku L’_nw

Podľa teórie kalibračnej krivky a podľa normy ISO 717 / časť 2 bola stanovená hladina krokového hluku L’_n pre každý kanál cez všetky kmitočtové pásma a bola vytvorená meraná krivka. Na získanie hodnoty priemernej hladiny krokového hluku je potrebné posúvať smernú krivku (obr. 9) v krokoch o 1 dB smerom k meranej krivke toľkokrát, kým sa stredná hodnota nepriaznivých odchýliek vo všetkých meraných kmitočtoch čo najviac blíži, ale neprekročuje hodnotu 32,0 dB. Pri vyhodnocovaní sa započítavajú len nepriaznivé odchýlky. Hodnota smernej krivky posunutej uvedenou metódou a odčítaním na kmitočte 500 Hz uvádza hodnotu priemernej hladiny krokového hluku L’_nw. Táto hodnota bola stanovená pre všetky kanály a následne urobený aritmetický priemer cez všetkých meraných 13 kanálov, ktorý uvádza smerodajnú hodnotu priemernej hladiny krokového hluku L’_nw testovanej stropnej konštrukcie.

Na druhej strane bola pre každé kmitočtové pásmo cez všetky kanály aritmetickým priemerom stanovená hladina krokového hluku L’_n. Z týchto hodnôt sa opätovne definuje meraná krivka a posúvaním smerovej krivky stanoví priemerná hladina krokového hluku L’_nw.

Obr. 10: Geometrická schéma základných kmitov stropnej konštrukcie pri frekvencii 15,6 Hz

Obr. 11: Geometrická schéma vyšších kmitov drevenej stropnej konštrukcie pri frekvencii 26 Hz

Výsledky získané meraním pomocou modálovej analýzy nám poskytujú obraz o priestorovom kmitaní konštrukcie pri rôznych kmitočtoch a tým presnú identifikáciu vlastnej frekvencie kmitania. Pri modálovej analýze sú presne zobrazené lokálne zrýchlenia. Na obrázkoch 10 a 11 sú schematicky znázornené typické formy kmitaní. Na základe modálovej analýzy pri frekvencii 15,6 Hz meraná drevená stropná konštrukcia kmitá s vlnovou dĺžkou λ = 12 m. To odpovedá vlastným kmitom. Pri frekvencii 26 Hz podlaha kmitá s vlnovou dĺžkou λ = 6 m.

Obr. 12: Grafické znázornenie výsledných hodnôt priemernej hladiny krokového hluku L’nw pre rôzne konštrukčné skladby dreveného stropu

6. Výsledky testovania pre rôzne skladby podláh

Postupne boli otestované rôzne skladby v dvoch variantoch stropnej konštrukcie: v základnej skladbe a s doplňujúcou inštalačnou vrstvou, ďalej pri použití rôznych druhov podláh. Výsledné hodnoty priemernej hladiny krokového hluku L’_nw sú znázornené na obr. 12.

foto archiv autorů

Doc. Ing. Jozef Štefko, Ph.D., (*1962) absolvoval Stavební fakultu SVŠT v Bratislavě, obor pozemní stavby. V letech 1987–1994 byl asistentem na katedře konstrukcí pozemních staveb Stavební fakulty SVŠT v Bratislavě a od roku 1994 učí na Dřevařské fakultě Technické univerzity ve Zvolenu. Je vedoucím Oddělení Dřevěných stavebních konstrukcí. V roce 1996 obhájil vědeckou hodnost kandidáta věd a v roce 1998 získal pedagogickou hodnost docenta. Na Dřevařské fakultě garantuje studijní program Konstrukce dřevěných staveb a nábytku a koordinuje výzkumnou činnost v oblasti dřevěných stavebních konstrukcí.

Ing. Ľuboš Krajči, Ph.D., (*1977) absolvoval Dřevařskou fakultu Technické univerzity ve Zvolenu, kde byl v roce 2000 přijat na interní doktorandské studium. Po roce studia byl vyslán na dlouhodobý studijní pobyt na institutu ETH v Zürichu, kde se zapojil do výzkumního programu. V roce 2004 obhájil doktorandskou práci. Od roku 2004 žije a pracuje ve Švýcarsku, zabývá se stavební fyzikou a navrhováním dřevěných staveb.