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, фиг. 5 - общий вид виброизолятора, фиг. 6 - разрез А-А виброизолятора, фиг. 7 - схема звукопоглощающей облицовки стен здания.
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, обеспечивающих 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 Э3-100 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 (на чертеже 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 (на чертеже 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 (на чертеже 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 виброизоляторов (фиг. 5 и 6), 2-х листов наждачной бумаги для исключения возможности скольжения элементов фундамента и 2-х опорных железобетонных блоков (на чертеже 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 (на чертеже 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 (на чертеже 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 собою 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.
Звукопоглощающая конструкция для облицовки стен здания (фиг. 7) выполнена в виде гладкой, жесткой стенки 40 и перфорированной стенки 46, между которыми расположен многослойный звукопоглощающий элемент, выполненный в виде пяти слоев, два из которых, прилегающих к стенкам 40 и 46, являются звукопоглощающими слоями 41 и 45 из материалов разной плотности, а три центральных слоя 42, 43, 44 являются комбинированными, причем осевой слой 43 выполнен звукопоглощающим, а два симметрично расположенных и прилегающих к нему слоя 42 и 44 выполнены из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны. Перфорированная стенка 46 имеет следующие параметры перфорации: диаметр отверстий - 3÷7 мм, процент перфорации 10÷15%, причем по форме отверстия могут быть выполнены в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного профиля, при этом в случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности.
Каждая из стенок 40 и 46 может быть выполнена из конструкционных материалов с нанесенным на их поверхности с одной или двух сторон слоя мягкого вибродемпфирующего материала, например мастики ВД-17, или материала типа «Герлен-Д», при этом соотношение между толщинами материала и вибродемпфирующего покрытия лежит в оптимальном интервале величин: 1/(2,5…3,5).
Каждая из стенок 40 и 46 может быть выполнена из нержавеющей стали или оцинкованного листа толщиной 0,7 мм с полимерным защитно-декоративным покрытием типа «Пурал» толщиной 50 мкм или «Полиэстер» толщиной 25 мкм, или алюминиевого листа толщиной 1,0 мм и толщиной покрытия 25 мкм. Коэффициент перфорации перфорированных листов принимается равным или более 0,25.
Каждая из стенок 40 и 46 может быть выполнена из твердых декоративных вибродемпфирующих материалов, например пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем внутренняя поверхность перфорированной поверхности, обращенная в сторону звукопоглощающей конструкция, облицована акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «повиден», или неткаными материалами, например «лутрасилом».
3
3
В качестве материала звукоотражающих слоев 42 и 44 может быть применен материал на основе алюминесодержащих сплавов с последующим наполнением их гидридом титана или воздухом с плотностью в пределах 0,5…0,9 кг/м со следующими прочностными свойствами: прочность на сжатие в пределах 5…10 МПа, прочность на изгиб в пределах 10...20 МПа, например пеноалюминия, или применены звукоизоляционные плиты на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м.
В качестве звукопоглощающего материала слоев 41, 43 и 45 может быть применена минеральная вата на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральная вата типа «URSA», или базальтовая вата типа П-75, или стекловата с облицовкой стекловойлоком, или вспененного полимера, например полиэтилена или полипропилена. Причем звукопоглощающий материал по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом, например стеклотканью типа ЭЗ-100 или полимером типа «повиден», или поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т) или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом. Кроме того, в качестве звукопоглощающего материала слоев 41 и 43 может быть использован пористый шумопоглощающий материал, например пеноалюминий, или металлокерамика, или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин: 30÷45%, или металлопоролон, или материал в виде спрессованной крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, полиуретана, или пластиката типа «Агат», «Антивибрит», «Швим», причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин: 0,3…2,5 мм, а также могут быть использованы пористые минеральные штучные материалы, например пемза, вермикулит, каолин, шлаки с цементом или другим вяжущим, или синтетические волокна, при этом поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух, например, типа Acutex Т или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.
Для снижения или коррекции времени реверберации помещений в его отделке применяют звукопоглощающие материалы и конструкции (звукопоглотители).
Пористые звукопоглотители изготавливают в виде плит, которые крепятся к ограждающим поверхностям непосредственно или на относе, из легких и пористых минеральных штучных материалов - пемзы, вермикулита, каолина, шлаков и т.п. с цементом или другим вяжущим. Такие материалы достаточно прочны и могут быть использованы для снижения шума в коридорах, фойе, лестничных маршах общественных и промышленных зданий.
Сырьем для их производства служат древесные волокна, минеральная вата, стеклянная вата, синтетические волокна. Поверхность волокнистых звукопоглотителей обрабатывается специальными пористыми красками, пропускающими воздух (например, Acutex Т), или покрывается воздухопроницаемыми тканями или неткаными материалами, например Лутрасилом.
В настоящее время волокнистые звукопоглотители являются наиболее употребительными в строительной практике. Они не только оказались наиболее эффективными с акустической точки зрения в широком частотном диапазоне, но и отвечают возросшим требованиям, предъявляемым к дизайну помещений.
Звукопоглощающая конструкция работает следующим образом.
Звуковая энергия от оборудования, находящегося в помещении, или другого, излучающего интенсивный шум, объекта, пройдя через перфорированную стенку 46 попадает на слой 45 из мягкого звукопоглощающего материала, а затем встречает на своем пути соответственно слои 44, 43 и 42 из звукоотражающего материала сложного профиля, состоящего из равномерно распределенных пустотелых тетраэдров, позволяющих отражать падающие во всех направлениях звуковые волны, но часть звуковой энергии проходит через слои 42 и 44 из звукоотражающего материала, и взаимодействует с осевым слоем 4 из звукопоглощающего материала, где происходит окончательное рассеивание звуковой энергии.
Слои 41 и 45 из мягкого звукопоглощающего материала разной плотности могут быть выполнены, например, из базальтового или стеклянного волокна. В волокнистых поглотителях рассеяние энергии колебания воздуха и превращение ее в тепло происходит на нескольких физических уровнях. Во-первых, вследствие вязкости воздуха, а его очень много в межволоконном пространстве, колебание частиц воздуха внутри поглотителя приводит к трению. 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. Кроме того, происходит трение воздуха о волокна, поверхность которых также велика. В-третьих, волокна трутся друг о друга и, наконец, происходит рассеяние энергии из-за трения кристаллов самих волокон. Этим объясняется, что на средних и высоких частотах коэффициент звукопоглощения волокнистых материалов находится в пределах 0,4…1,0.
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 (на чертеже не показано) и тщательно расчищены от строительного мусора. Предусмотрена система их защиты (на чертеже 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 (на чертеже не показано). Места установки вентиляционного, электрического и т.п. оборудования в цокольном этаже выбраны из условия доступа к виброизоляторам (на чертеже 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.