Płyty warstwowe o wysokich wskaźnikach izolacyjności akustycznej – studium przypadku

Przedmiotem artykułu jest wskazanie wytycznych rozwiązań do poprawy własności akustycznych ścian warstwowych w zakresie niskich częstotliwości. Pozwoli to na ich wykorzystanie jako przegrody zewnętrzne w budynkach przemysłowych o znacznym natężeniu hałasu, charakteryzujących się znacznymi udziałami niskoczęstotliwościowych składowych hałasu. W artykule podano przykład takiego rozwiązania i opisano uzyskane rezultaty.

Sandwich panels with high acoustic insulation indexes – case study

The subject of the article is to indicate the guidelines for solutions to improve the acoustic properties of sandwich walls in the low frequency range. This will make it possible to use them as external partitions in industrial buildings with high noise levels, characterized by noises with major components of low frequencies. The article gives an example of such a solution and describes the results obtained.

***

Dużym niedociągnięciem typowych płyt warstwowych są niskie wartości współczynników izolacyjności akustycznej w dolnych pasmach częstotliwości. Dotyczy to zwłaszcza przegród akustycznych w budynkach wykorzystywanych dla celów przemysłowych, charakteryzujących się znacznymi udziałami składowych niskoczęstotliwościowych, w których z reguły stosuje się przegrody masywne.

W artykule przedstawiono kierunki rozwiązań pozwalające na ograniczenie tego niedociągnięcia.

Postawienie problemu

Podczas nadzoru akustycznego dużego obiektu przemysłowego, którego granice sąsiadowały bezpośrednio z terenami „Natura 2000”, ze względu na hałas o strukturze niskoczęstotliwościowej spotkałem się z potrzebą zastosowania ścian warstwowych. W trakcie opracowywania wytycznych technologii akustycznej dla tego obiektu wystąpiła konieczność zastosowania przegród zewnętrznych wysokiej izolacyjności akustycznej w paśmie niskich częstotliwości, wyrażona liczbowo, zgodnie z normą [1], wartością roboczą wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej właściwej R_A2R ≥ 52 dB, z wewnętrznym pochłanianiem dźwięku, nazywanych płytami akustycznymi. Prostym rozwiązaniem byłoby zastosowanie ściany masywnej, np. żelbetowej o grubości 200 mm, o masie powierzchniowej ok. 480 kg/m² [2, nr rozwiązania 1.2.1.9] oraz wartości wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej właściwej R_A2R ≈ 53 dBA i dodatkowego włożenia materiałami dźwiękochłonnymi.

Okazało się jednak, że wg wcześniejszego projektu przewidywano tu zastosowanie lekkich ścian warstwowych i wykonano już fundament pod ściany. Rozwiązanie fundamentu pozwalało na zastosowanie ścian o masie powierzchniowej nieprzekraczającej 100 kg/m². Dlatego też zrodziła się konieczność poszukiwania ściany spełniającej te warunki i jednocześnie gwarantującej uzyskanie wymaganego wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej.

Dostępne na rynku ściany warstwowe gwarantowały uzyskanie maksymalnej wartości wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej właściwej R_A2R ≈ 40 dB (jak przykładowo ściana składająca się z podwójnej płyty TRIMO FTV100 oraz płyty akustycznej FTV 80-ac, przedzielonych szczeliną powietrzną 50 mm o masie powierzchniowej ok. 40 kg/m² [3, 4]).
Poniżej przedstawiono podjęte kierunki rozwiązań, które pozwoliły na uzyskanie wymaganych parametrów akustycznych i masowych.

Wytyczne rozwiązań problemu

Poniższe wytyczne opracowano na bazie analizy teoretycznego przebiegu wskaźników izolacyjności akustycznych (bez uwzględnienia wpływu koincydencji) płyt warstwowych. Przedstawiony na RYS. 1 przebieg opracowano z wykorzystaniem informacji przedstawionych w opracowaniach [5, 6], z uzupełnieniem wynikającym z obserwacji przebiegów dla płyt warstwowych o zwiększonych masach powierzchniowych, gdzie obraz lokalizacji częstotliwości rezonansowej ƒ_r jest przesunięty w odniesieniu do częstotliwości ƒ_p wyznaczającej początek strefy B przyrostu wskaźnika izolacyjności akustycznej.

W strefie A ściana warstwowa zachowuje się jak płyta jednorodna o łącznej masie powierzchniowej całego układu, gdzie przebieg wartości wskaźników izolacyjności akustycznej można wyrazić uogólnionym wzorem na „prawo masy” [6]:

gdzie:

m₁₊₂ – suma mas powierzchniowych powłok zewnętrznych [kg/m²],
K_A1, K_A2 – współczynniki prostej aproksymacji rzeczywistego przebiegu dla analizowanego układu.

W strefie C ściana warstwowa zachowuje się jak przegroda idealnie podwójna. Wskaźniki izolacyjności akustycznej – wyrażone „prawem masy” dla każdej z tych przegród się sumują.

ƒ_r – częstotliwość rezonansowa dwuwarstwowego ustroju warstwowego (układu: masa–element sprężysty–masa) [6]:

• Dla mas przedzielonych warstwą powietrza:

• Dla mas przedzielonych wyłożeniem sprężystym:

d – grubość szczeliny powietrznej [m],
s’ – sztywność dynamiczna warstwy wyłożenia sprężystego [MN/m³],
m’₁, m’₂ – masy powierzchniowe warstw zewnętrznych ustroju warstwowego [kg/m²],
f_λn – częstotliwości rezonansowe fal stojących tworzących się w szczelinie powietrznej Hz [5, 6]:

c – prędkość rozprzestrzeniania się dźwięku w powietrzu [m/s],
R_A, R_B, R_C – wskaźniki izolacyjności akustycznej [dB] – odpowiednio w strefach A, B, C,
ƒ_p – częstotliwość początkowa strefy przyrostu wskaźnika izolacyjności akustycznej [Hz],
ƒ_k – częstotliwość końcowa strefy przyrostu wskaźnika izolacyjności akustycznej w Hz, przy której d = λ/4 [6],
λ – długość fali akustycznej [m], gdzie λ = cT = c/ƒ,
T – okres drgań fali akustycznej [s],
ƒ – częstotliwość drgań fali akustycznej [Hz].

Po podstawieniu powyższych zależności można wyznaczyć wzór na częstotliwość końcową strefy przyrostu wskaźnika izolacyjności akustycznej:

W strefie A ściana warstwowa zachowuje się jak płyta jednorodna o łącznej masie powierzchniowej całego układu, gdzie przebieg wartości wskaźników izolacyjności akustycznej można wyrazić uogólnionym wzorem na „prawo masy” [6]:

gdzie:

m₁₊₂ – suma mas powierzchniowych powłok składowych w kg/m²,
K_A1, K_A2 – współczynniki prostej aproksymacji rzeczywistego przebiegu dla analizowanego układu w strefie A, zakłada się, że K_A1  =  20 dB, co oznacza, że przyrost współczynników izolacyjności akustycznej wynosi 6 dB/oktawę.

W strefie B teoretyczny przyrost współczynników izolacyjności akustycznej wynosi 18 dB/oktawę. I kończy się na wartości R_k (jak poniżej).

W strefie C ściana wskaźniki izolacyjności akustycznej wyrażone „prawem masy” dla każdej z tych przegród sumują się w punkcie początkowym obszaru C, czyli przy częstotliwości:

gdzie:

R_k1 = K_C1 log(m₁ · ƒ_k) + K_C21, R_k2 = K_C1 log(m₂ · ƒ_k) + K_C22
m₁, m₂ – masy powierzchniowe powłok składowych [kg/m²],
K_C1, K_C22 – współczynniki prostej aproksymacji rzeczywistego przebiegu dla analizowanego układu w strefie C, zakłada się, że K_C1 = 20 dB, co oznacza, że przyrost współczynników izolacyjności akustycznej wynosi 6 dB/oktawę.

Rzeczywiste przebiegi różnią się od przedstawionego modelu teoretycznego zarówno ze względu na wpływ koincydencji, jak i odchylenia w poszczególnych strefach przy stosowaniu różnych materiałów konstrukcyjnych na warstwy zewnętrzne płyty warstwowej [6], jak również wpływ przepływu energii przez mostki akustyczne utworzone przez łączniki pomiędzy płytami zewnętrznymi ustroju warstwowego. Dlatego model teoretyczny może być wykorzystany jedynie do określenia wytycznych rozwiązań dla zwiększenia wartości wskaźników oceny izolacyjności akustycznej płyt warstwowych, a nie do obliczeń tych wartości.

W przypadku układów warstwowych wpływ koincydencji na obniżenie wartości izolacyjności akustycznej jest niewielki, ponieważ te osłabienia są blokowane przez kolejne zróżnicowane materiałowo i grubościowo warstwy w takim układzie.

Na podstawie analizy przedstawionego powyżej przebiegu teoretycznego (RYS. 1) można sformułować następujące wytyczne do poprawienia tej izolacyjności w paśmie niskich częstotliwości:

1. Zwiększyć masy powierzchniowe płyt zewnętrznych (przyrost wartości R w strefie A).
2. Zwiększyć grubość szczeliny powietrznej (przesunięcie strefy B w stronę niższych częstotliwości.
3. Powyższe wytyczne wpływają na obniżenie częstotliwości rezonansowej analizowanej płyty warstwowej. Wskazane jest obniżenie tej częstotliwości powyżej 50/2^(1/2) ≈ 35 Hz, co wyeliminuje wpływ rezonansu na obniżenie wartości wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej R_A2.

Proponowane rozwiązanie

Do zamierzonej adaptacji akustycznej zleceniodawca tematu narzucił wykorzystanie podwójnych paneli TRIMO [4] (RYS. 2).

Rozwiązanie to okazało się korzystne do wykonania zamierzonej adaptacji akustycznej. Pozwala na dociążenie masowe paneli oraz na swobodne ich rozsunięcie (zwiększenie szczeliny powietrznej), czyli na zwiększenie masy powierzchniowej paneli i obniżenie częstotliwości rezonansowej ściany.

Na RYS. 3–4 zilustrowano porównawczo uzyskane rezultaty pomiarów izolacyjności akustycznej samego panelu Trimoterm FTV 100 oraz rozwiązania dwuwarstwowej ściany według TRIMO (RYS. 2).

Poniżej przedstawiono koncepcję rozwiązania, które z teoretycznego punktu widzenia powinno zwiększyć izolacyjność dwuwarstwowej ściany warstwowej TRIMO – w odniesieniu do rozwiązań aktualnie stosowanych tak, aby zagwarantować uzyskanie wymaganej wartości roboczej wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej R_A2R ≥ 52 dBA.

Ogólną koncepcję technologii akustycznej rozwiązania przedstawiono szkicowo na RYS. 5. Jej istota polega na przesunięciu częstotliwości rezonansowej płyty warstwowej w obszar poniżej 50 Hz, przy możliwie zwiększeniu jej masy powierzchniowej i szczeliny powietrznej. Polega ona na wykorzystaniu typowych paneli akustycznych TRIMO, w nieco innej niż w dotychczasowych rozwiązaniach konfiguracji, wykorzystaniem jednej płyty Trimoterm FTV 100 dociążonej blachą stalową oraz dwóch połączonych z sobą paneli akustycznych Trimoterm FTV 80-ac oraz zwiększeniem wymiaru szczeliny powietrznej.

Dla uzyskania możliwie minimalnej grubości całej ściany zaproponowano dociążenie za pomocą płyty z blachy stalowej o gr. 2 mm. Możliwe jest jej zastąpienie płytami włóknisto-gipsowymi bądź włóknisto-cementowymi o grubości 2×10 = 20 mm. Wtedy nie ma potrzeby pokrywania tych płyt pokryciem antywibracyjnym, ale będzie to kosztem zwiększenia wymiaru zewnętrznego ściany warstwowej. Możliwe jest również zastąpienie blachy płaskiej trapezową o masie powierzchniowej ok. 16 kg/m², co poprawi znacznie sztywność całej płyty. Dla ograniczenia przenoszenia drgań przez mostki akustyczne zaproponowano zastosowanie przekładek elastycznych (poz. 6 na RYS. 5).

Wyniki

W laboratorium akustycznym ITB wykonano badania próbki technicznej tego rozwiązania [7], w której w miejsce poz. 4–6 z RYS. 5 zastosowano: blachę trapezową T55 o gr. 1,5 mm, przekładkę z twardej wełny mineralnej o gr. 20 mm i gęstości 180 kg/m³ oraz szczelinę powietrzną 290 mm (ze względu na wymagania wynikające z wykonania próbki do badań). Uzyskane rezultaty przedstawiono na RYS. 6.

Ocena

Teoretyczne wartości rezonansowe ƒ_r analizowanych układów warstwowych oraz ich podstawowych fal stojących wynoszą odpowiednio:

• Dla panelu TRIMO FTV 100:

Wysoka wartość częstotliwości rezonansowej układu warstwowego decyduje o tym, że przebieg wskaźników izolacyjności akustycznej jest zbliżony do typowego dla strefy A (RYS. 1), przy czym wskaźnik K_A2 jest nieco większy od teoretycznego. Wartość tego wskaźnika przyjęto w pozostałych rozwiązaniach w odniesieniu do panelu FTV 100. Dla tego rozwiązania uwidoczniony jest silny wpływ obniżenia przebiegu w obszarze podstawowej częstotliwości rezonansowej fali stojącej ƒ_λ1.

• Dla rozwiązania dwuwarstwowej ściany TRIMO:

Lokalizacje częstotliwości rezonansowych naniesione na RYS. 4 pokrywają się z ilustracją przebiegu wskaźników izolacyjności akustycznej. Zwraca uwagę niska wartość wskaźnika K_B1, w odniesieniu do przebiegu teoretycznego oraz bardzo obniżony przebieg w obszarze C.

• Dla ściany warstwowej TRIMO o zwiększonej izolacyjności akustycznej:

Przebieg wskaźników izolacyjności akustycznej dobrze odzwierciedla przebieg teoretyczny, przy czym w strefie A wartości są ok. 10 dB wyższe (korzystne dla podniesienia wskaźnika oceny R_A2), w strefie B wskaźnik K_B1 jest też nieco wyższy (co ma korzystny wpływ na podniesienie wskaźnika R_w), a jedynie w strefie C wartości są nieco zaniżone.

Porównanie analizowanych przebiegów potwierdza przyrost izolacyjności akustycznej w strefie A wraz ze wzrostem mas powierzchniowych porównywanych ścian warstwowych. Przyrosty te dla rozwiązania jak na RYS. 5 są większe, niż wynikałoby to z teoretycznego przebiegu „prawa masy”. Również przyrosty wartości wskaźników izolacyjności akustycznej w strefie B (teoretycznie 18 dB/oktawę) zwiększają się nieznacznie wraz ze wzrostem mas powierzchniowych porównywanych ścian warstwowych (w analizowanych przykładach przyrost do 22 dB/oktawę). Uzyskane rezultaty potwierdzają poprawność zaproponowanego rozwiązania ściany warstwowej.

Z danych powyżej wartość robocza wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej właściwej wynosi: R_A2R = 66 – 11 – 2 = 53 dB ≥ 52 dB i tym samym spełnione zostały wymagania z postawionego w niniejszym opracowaniu problemu (dominacja hałasu w obiekcie występowała nieco powyżej 100 Hz).

Również dla przypadku rozpatrywania rozwiązania hałasu wewnątrz budynku przy dominującej emisji w pasmach poniżej 100 Hz wartość robocza wskaźnika oceny izolacyjności akustycznej właściwej R_{A2R 50–5000} = 66 – 15 – 2 = 49 dB jest porównywalna z wartościami przy zastosowaniu ściany żelbetowej o gr. 180 mm, gdzie R_{A2R 50–5000} ≈ 57 – 5 – 2 = 50 dB.

Należy podkreślić, że przyjęte rozwiązania ściany warstwowej są ok. 5-krotnie lżejsze od ściany żelbetowej, co stanowi istotną zaletę. Również w tym aspekcie zostały spełnione wymagania z postawionego w niniejszym opracowaniu problemu (masa powierzchniowa badanej ściany warstwowej m ≈ 85 kg/m² < 100 kg/m²). Niedogodnością jest konieczność wykonania ścian o dużych grubościach, chociaż w przypadku stosowania na ścianach zewnętrznych nie stanowi to aż tak dużego problemu.

Podsumowanie

W opracowaniu przedstawiono wytyczne do rozwiązania ściany warstwowej charakteryzującej się dobrymi parametrami dźwiękoizolacyjnymi w paśmie niskich częstotliwości, porównywalnymi z osiąganymi w ścianach masywnych, przy dużo mniejszej masie powierzchniowej i tylko ok. dwukrotnie grubszej od typowych rozwiązań lekkich ścian warstwowych. Ich zastosowanie pozwala na wykonanie dużo słabszych fundamentów pod budynki. Rozwiązanie to zapewnia również dobre własności dźwiękochłonne wewnątrz budynku (wyznaczony pomiarowo ważony współczynnik pochłaniania dźwięku panelu akustycznego α_w = 0,85 [7]).

Skuteczność wykorzystania powyższego rozwiązania zilustrowano przykładem wykonania takiej ściany oraz wynikami badań laboratoryjnych.

Literatura

1. PN-EN ISO 717-1:2021-06, „Akustyka. Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków powietrznych”.
2. B. Szudrowicz, I. Żuchowicz-Wodzikowska, P. Tomczyk, „Własności dźwiękoizolacyjne przegród budowlanych i ich elementów”, Instrukcja ITB nr 369/2002, Warszawa 2002.
3. „Izolacyjność akustyczna właściwa wg PN-EN 20140-3:1999. System akustyczny paneli warstwowych TRIMO – próbka złożona z dwóch warstw paneli akustycznych ściennych oddzielonych od siebie szczeliną powietrzną, montowanych do konstrukcji stalowej z profili zimnogiętych”, Instytut Techniki Budowlanej – Zespół Laboratoriów Badawczych – Laboratorium Akustyczne, Karta badania laboratoryjnego nr LA/01485/10.
4. Trimoterm. Dokumentacja nr 66 „Izolacyjność akustyczna i pochłanianie dźwięku elementów Trimo. Zastosowania ogólne (PL)”, Wersja 1.1, styczeń 2017 r.
5. W. Schirmer, „Lärmbekämpfung”, Verlag Tribüne, Berlin 1974.
6. B. Szudrowicz, „Podstawy kształtowania izolacyjności akustycznej pomieszczeń w budynkach mieszkalnych”, Prace naukowe ITB, rok XLVII, Warszawa 1992.
7. „System akustyczny na bazie płyt warstwowych TRIMO”, Raport z badań nr LA – 02075/20/2010, Instytut Techniki Budowlanej – Zespół Laboratoriów Badawczych akredytowany przez Polskie Centrum Akredytacji – certyfikat akredytacji Nr AB 023 – Laboratorium Akustyczne.
8. PN-EN ISO 12354-1:2017-10, „Akustyka budowlana. Określenie własności akustycznych budynków na podstawie własności elementów. Cz. 1: Izolacyjność od dźwięków powietrznych między pomieszczeniami”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!