СЕЙСМОСТОЙКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЗДАНИЯ
EARTHQUAKE-RESISTANT BUILDING STRUCTURE

Изобретение относится к промышленной акустике.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является акустическая конструкция по патенту РФ №2425197, кл. F01N 1/04, [прототип], содержащая каркас на перекрытии здания и стены со звукопоглощающей облицовкой.
Недостатком технического решения, принятого в качестве прототипа, является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения за счет сравнительно невысокого коэффициента вибродемпфирования межэтажного перекрытия.
Технический результат - повышение эффективности сейсмостойкости здания.
Это достигается тем, что в сейсмостойкой конструкции здания, содержащей каркас здания с фундаментом в цокольном этаже с системой виброизоляции, несущие стены с ограждениями в виде пола и потолка, которые облицованы звукопоглощающими конструкциями, оконные и дверные проемы, а также штучные звукопоглотители, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и установленные над шумным оборудованием, базовые несущие плиты перекрытия снабжены в местах их крепления к несущим стенам здания системой пространственной виброизоляции, состоящей из горизонтально расположенных виброизоляторов, воспринимающих вертикальные статические и динамические нагрузки, а также вертикально расположенных виброизоляторов, воспринимающих горизонтальные статические и динамические нагрузки, при этом пол в помещениях выполнен на упругом основании и содержит установочную плиту, выполненную из армированного вибродемпфирующим материалом бетона, которая устанавливается на базовой плите межэтажного перекрытия с полостями через слои вибродемпфирующего материала и гидроизоляционного материала с зазором относительно несущих стен производственного помещения, причем полости базовой плиты заполнены вибродемпфирующим материалом, например вспененным полимером.
На фиг. 1 изображен общий вид сейсмостойкой конструкции здания, на фиг. 2 - разрез междуэтажного перекрытия здания, на фиг. 3 - конструкция подвесного потолка, на фиг. 4 - схема виброизоляции цокольного этажа в основании здания, на фиг. 5 - общий вид виброизолятора, на фиг. 6 - разрез А-А виброизолятора, на фиг. 7 - схема штучного звукопоглотителя сферической формы.
Сейсмостойкая конструкция здания (фиг. 1) содержит каркас здания с фундаментом в цокольном этаже с системой виброизоляции (фиг. 4), оконные 9 и дверные 10 проемы и несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5, 6 (пол и потолок), которые облицованы звукопоглощающими конструкциями, а также штучные звукопоглотители 7 и 8, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и установленные над шумным оборудованием 11.
Конструкция пола на упругом основании (фиг. 2) содержит установочную плиту 12, выполненную из армированного вибродемпфирующим материалом бетона, которая устанавливается на базовой плите 15 межэтажного перекрытия с полостями 16 через слои вибродемпфирующего материала 14 и гидроизоляционного материала 13 с зазором 17 относительно несущих стен 1, 2, 3, 4 производственного помещения. Чтобы обеспечить эффективную виброизоляцию установочной плиты 12 по всем направлениям, слои вибродемпфирующего материала 14 и гидроизоляционного материала 13 выполнены с отбортовкой, плотно прилегающей к несущим конструкциям стен 1, 2, 3, 4 и базовой несущей плите 15 перекрытия.
Для повышения эффективности виброизоляции и сейсмостойкости здания базовые несущие плиты 15 перекрытия (на фиг. 2 показана плита 15 перекрытия только для одного этажа здания и с одной стороны несущих стен 1, 2, 3, 4) снабжены в местах их крепления к несущим стенам здания системой пространственной виброизоляции, состоящей из горизонтально расположенных виброизоляторов 27 и 29, воспринимающих вертикальные статические и динамические нагрузки, а также вертикально расположенных виброизоляторов 28, воспринимающих горизонтальные статические и динамические нагрузки. Схема виброизоляторов, выполненных из эластомера, представлена на фиг. 5, 6. Каждый из виброизоляторов 27, 28, 29 состоит из жестко связанных между собой резиновых плит: верхней 38 и нижней 37 (фиг. 5 и 6), в которых выполнены сквозные отверстия 39, расположенные по поверхности виброизолятора в шахматном порядке. По форме виброизоляторы выполнены квадратными или прямоугольными, а также их боковые грани могут быть выполнены в виде криволинейных поверхностей n-го порядка, обеспечивающие равночастотность системы виброизоляции в целом. Отверстия 39 имеют в сечении форму, обеспечивающую равночастотность виброизолятора.
Для повышения эффективности звукоизоляции и звукопоглощения в цехах, находящихся под межэтажным перекрытием, полости 16 заполнены вибродемпфирующим материалом, например вспененным полимером, например полиэтиленом или полипропиленом, а стены 1, 2, 3, 4 облицованы звукопоглощающими конструкциями. В качестве звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций используются плиты из минеральной ваты на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральной ваты типа «URSA», или базальтовой ваты типа П-75, или стекловаты с облицовкой стекловойлоком, причем звукопоглощающий элемент по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом (на чертеже не показано), например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «Повиден».
В качестве звукопоглощающего материала может быть использован также жесткий пористый материал, например пеноалюминий или металлокерамика, или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин: 30÷45%. В качестве звукопоглощающего материала может быть использован материал в виде крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, или полиуретана, или пластиката, причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,3÷2,5 мм (не показано).
Потолок 5 выполнен акустическим подвесным и состоит из жесткого каркаса 18, выполненного по форме в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами сторон в плане a×b, отношение которых лежит в оптимальном интервале величин а:b=1:1…2:1, подвешиваемого к потолку производственного здания с помощью подвесок 21, закрепленных на штанге 19, жестко связанной посредством скоб 20 с каркасом 18. Крепление каркаса к потолку осуществляется с помощью дюбель-винтов (не показаны). К каркасу прикреплен перфорированный лист 24, на котором через слой акустического прозрачного материала 23 расположен слой звукопоглощающего материала 22, при этом в каркасе установлены светильники 26. При монтаже акустического потолка должны соблюдаться оптимальные соотношения размеров: d - от точки подвеса каркаса до любой из его сторон и с - толщины слоя звукопоглощающего материала, причем отношение этих размеров должно находиться в оптимальном интервале величин: c:d=0,1…0,5. Перфорированный лист 24 имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий 25 - 3÷7 мм, процент перфорации 10%÷15%, причем по форме отверстия могут быть выполнены в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного профиля (на чертеже показаны круглые отверстия). В случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности.
Система виброизоляции фундамента 30 с цокольным этажом 31 (фиг. 4) осуществляется путем установки поднимаемой части здания на виброизоляторы (фиг. 5, 6) с одновременной отрезкой его швами типа антисейсмических (не показано) от соседних зданий и окружающего грунта. Для защиты от вибраций вертикального направления виброизоляторы устанавливаются в ниши стен цокольного этажа 31 на участки ленточного фундамента 34. Каждый комплект системы виброизоляции состоит из металлической плиты, 4-х виброизолятоов (фиг. 5 и 6), 2-х листов наждачной бумаги для исключения возможности скольжения элементов фундамента и 2-х опорных железобетонных блоков (не показано).
Для защиты здания от вибраций горизонтального направления, распространяющихся по грунту, устраивается система виброизоляции по вертикальным граням наружных стен 33 цокольного этажа 31 на уровне фундамента 30 и перекрытия 15 (фиг. 2). С этой целью вокруг всего здания устраивается подпорная стенка, контрфорсы 32 которой соединяются с торцами несущих стен через виброизоляторы (фиг. 5 и 6), которые устанавливаются в нишах 36 контрфорсов 32. Конструкция виброизолированного здания имеет повышенную жесткость.
Цокольный этаж здания выполнен в виде пространственной рамной конструкции из монолитного железобетона с включенными в раму перекрытием и перегородками (не показано). Такая конструкция обеспечивает повышенную жесткость здания, компенсирующую ее снижение из-за опирания на виброизоляторы. С этой же целью усилены перемычки над дверными и иными проемами (не показано) так, чтобы жесткость перегородок не изменилась, а фундамент 30 выполнен в виде ленточной перекрестной конструкции высотой порядка 50 см, выступающей над фундаментной плитой-стяжкой.
Сейсмостойкая конструкция здания работает следующим образом.
Звуковая энергия от оборудования 11, находящегося в помещении, попадает на слои звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций, которыми облицованы несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5, 6 (пол 6 и потолок 5), а также штучные звукопоглотители 7 и 8, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и которые установлены над шумным оборудованием 11. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглотителя, представляющих собой модель резонаторов "Гельмгольца", где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора, о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор звукопоглотителя. Коэффициент перфорации перфорированной стенки принимается равным или более 0,25. Для предотвращения высыпания мягкого звукопоглотителя предусмотрена стеклоткань, например типа ЭЗ-100, расположенная между звукопоглотителем и перфорированной стенкой.
Подвешивание подвесного акустического потолка осуществляют на подвесках 21, которые крепятся к потолку с помощью дюбель-винтов, а другим концом закреплены на каркасе 18 через штангу 19 и скобы 20.
Звуковые волны, распространяясь в производственном помещении, взаимодействуют с заполненными звукопоглотителем полостями.
Швы, отделяющие подпорную стенку от здания и здание от соседних зданий, устроены по типу антисейсмических швов (не показано) и тщательно расчищены от строительного мусора. Предусмотрена система их защиты (не показано) от засорения во время эксплуатации здания для исключения путей проникновения вибраций в здание.
Все магистрали, трубопроводы и т.п. коммуникации, проходящие через фундамент в здание или установленное на нем оборудование, устроены с компенсаторами либо отрезаны от фундамента скользящими швами (не показано). Места установки вентиляционного, электрического и т.п. оборудования в цокольном этаже выбраны из условия доступа к виброизоляторам (не показано), их монтажа и демонтажа.
Взаимодействие звуковых волн с активными полостями, заполненными негорючим звукопоглотителем, приводит к шумоглушению в высокочастотном диапазоне, причем за счет наличия полостей увеличивается поверхность звукопоглощения и, как следствие, повышается коэффициент звукопоглощения.
3
При установке виброактивного оборудования на плиту 12, происходит двухкаскадная виброзащита, за счет вибродемпфирующих вкраплений в саму массу плиты 12, а также за счет слоя вибродемпфирующего материала 14, в качестве которого могут быть использованы: иглопробивные маты типа «Вибросил» на базе кремнеземного или алюмоборосиликатного волокна, материал из твердых вибродемпфирующих материалов, например, пластиката, из звукоизоляционных плит на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м. Сферический звукопоглотитель (фиг. 7) содержит звукопоглотители активного и реактивного типов, размещенные на жестком каркасе. Каркас выполнен из двух частей, при этом нижняя, реактивная, часть 46 выполнена в виде конструкции сферической формы с внутренней конгруэнтной сферической резонансной полостью 47, образованной жесткой сплошной сферической оболочкой 45, эквидистантной внешней перфорированной сферической оболочке 43, соединенной с верхней, активной, частью 40, которая выполнена в виде жесткой перфорированной цилиндрической обечайки 41 с перфорированной крышкой и сплошным основанием, причем полость цилиндрической обечайки заполнена звукопоглощающим материалом, а соединение верхней 40 и нижней 46 частей звукопоглотителя выполнено посредством упругодемпфирующего элемента 44, позволяющего демпфировать высокочастотные колебания, при этом к перфорированной крышке перфорированной цилиндрической обечайки шарнирно закреплен элемент, при помощи которого каркас крепится к требуемому объекту, например потолку производственного помещения.
Сферическая резонансная полость 47 реактивной части 46 каркаса жестко соединена по крайней мере одной втулкой 48 с осевым отверстием, выполняющим функцию горловины резонатора Гельмгольца, с внешней перфорированной сферической оболочкой 43, а пространство между ними заполнено звукопоглотителем. Вокруг перфорированной цилиндрической обечайки 41 расположен по крайней мере один винтовой звукопоглощающий элемент 42, выполненный по форме в виде цилиндрической винтовой пружины, охватывающей обечайку 41.
Винтовой звукопоглощающий элемент 42 может быть выполнен в виде полого винтового звукопоглощающего элемента, образованного внешней и внутренней винтовыми поверхностями, образующими полость, при этом пространство, образованное внешней и внутренней винтовыми поверхностями, заполнено звукопоглощающим материалом с плотностью меньшей, чем у винтового звукопоглощающего элемента.
Сферический звукопоглотитель работает следующим образом.
Звуковые волны, распространяясь в здании, взаимодействуют со звукопоглощающим материалом, расположенным в полости, образованной жесткой сплошной сферической оболочкой 45, эквидистантной внешней перфорированной сферической оболочке 43, соединенной с верхней, активной, частью 40, а также в перфорированной цилиндрической обечайке 41 и винтовом звукопоглощающим элементе 42 верхней 40 части, подавляющим шумы на низких, средних и высоких частотах соответственно.
Соединение верхней 40 и нижней 46 частей каркаса посредством упругодемпфирующего элемента 44 позволяет демпфировать высокочастотные колебания, которые могут излучаться жестким каркасом, что позволяет его использовать для снижения шума на транспортных объектах. Звукопоглощение на средних и высоких частотах происходит за счет акустического эффекта, построенного по принципу резонатора Гельмгольца, образованного воздушной сферической полостью 47 и горловиной резонатора 48, диаметр которой для гашения шума в заданной полосе частот, подбирают в требуемом звуковом диапазоне частот, как правило так: большие объемы для подавления шума в низкочастотном диапазоне, а малые - в области средних и высоких частот. Взаимодействие звуковых волн с винтовым звукопоглощающим элементом 42 приводит к шумоглушению в высокочастотном диапазоне, а выполнение звукопоглотителя из негорючих материалов делает конструкцию пожаробезопасной.