Виброизоляция зданий
Защита зданий от вибраций
В настоящее время новые здания и сооружения всё чаще строятся на участках, подвергающихся воздействию вибраций, в т.ч. на полосах землеотвода метрополитена или железных дорог. Данные источники вибрации могут быть причиной колебаний элементов конструкций здания, намного превышающих допустимые для человека уровни. В настоящее время регламентируемая СНиП 2.07.01-89 защитная зона железной дороги составляет 100 м, а защитная зона трамвайной линии, как показывают измерения, достигает 60 м от крайнего рельса. При этом именно данные участки, расположенные, как правило, в центре крупных городов, вызывают повышенный интерес у инвесторов, готовых вкладывать деньги в мероприятия по их виброизоляции.
Критерии неблагоприятного внешнего воздействия устанавливаются Государственными стандартами (ГОСТ 12.1.012-90) и Санитарными нормами (СН 2.2.4/2.1.8.566-96), которые для случая вибраций регламентируют предельно-допустимые уровни колебаний ограждающих конструкций помещений жилых, административно-общественных зданий и рабочих мест. При этом сами амплитуды колебаний ограничиваются в диапазоне частот 1,4 - 88 Гц всего лишь несколькими микронами, что, впрочем, не мешает им оказывать негативное влияние на здоровье и самочувствие человека.
Источники вибрации и их характеристики
Источниками повышенной вибрации в жилых и общественных зданиях являются промышленные установки и транспортные средства (метрополитен мелкого заложения, тяжелые грузовые автомобили, железнодорожные поезда, трамваи), создающие при работе большие динамические нагрузки, которые вызывают распространение вибрации в грунте и, затем, их распространение на конструкции зданий. Также данные вибрации часто являются причиной возникновения т.н. «вторичного» воздушного шума в помещениях. При этом допустимые уровни вибрации могут быть соблюдены, но вторичный воздушный шум делает проживание в таком здании некомфортным.
Для жилых и общественных зданий наиболее неблагоприятным внешним источником вибраций являются рельсовые транспортные магистрали: метрополитен, трамвайные линии и железные дороги. Исследования показывают, что колебания по мере удаления от источника возмущения затухают, однако скорость их затухания зависит от множества составных звеньев на пути распространения: типа укладки рельсов, толщины стен тоннеля, типа и фракции грунта, глубины и типа фундамента дома, конструкции возводимого здания.
В случаях, когда здания располагаются в непосредственной близости от рельсовой дороги, вибрации в них могут превышать предельно-допустимые значения, установленные Санитарными нормами, в 10 раз (на 20 дБ)! В спектральном составе вибрации преобладают октавные полосы со среднегеометрическими частотами 31,5 и 63 Гц.
Материалы для виброизоляции
Изоляция вибрации может быть реализована как в источнике помех, так и приёмнике. В принципе, более предпочтительным является снижение вибрации в источнике. Известен широкий ряд методик снижения воздействия железнодорожного транспорта и виброизоляции промышленных установок. Однако во многих случаях изоляция источника вибраций по самым различным причинам невозможна.
Тогда проектировщику остаётся единственная возможность – непосредственно изолировать от вибрации само проектируемое здание. В настоящее время одним из наиболее надежных и эффективных способов устройства виброизоляции зданий является установка их на упругие опоры из полиуретановых эластомеров – материалов Sylomer и Sylodyn австрийской фирмы Getzner.
Материалы Sylomer и Sylodyn дают возможность проектировщику создать множество вариантов конструкций виброизоляции. Возможна реализация полноплоскостной, ленточной или точечной конструкций изолирующей опоры. При применении материалов Sylomer и Sylodyn не существует жестких требований к тому, в каком месте здания (конструкции) должна находиться упругая прослойка. Упругое разделение реализуется там, где это наиболее благоприятно для проектирования.
Свойствами, необходимыми для реализации эффективной виброзащиты здания, материал обладает уже "сам по себе". Материалы Sylomer и Sylodyn характеризуются объемной сжимаемостью, т.е., даже покрытый оболочкой, материал не теряет своей упругости. Широкий ряд стандартных марок материала позволяет осуществить оптимальный выбор в зависимости от площади опоры и приложенной нагрузки.
Материал Sylomer представляет собой эквивалент пружины, конструктивно совмещенной с амортизатором. Его демпфирование составляет, в зависимости от типа от 7% до 11%. Динамическая жёсткость материалов Sylomer практически не зависит от амплитуды возбуждения колебаний. Даже при самых малых амплитудах нельзя ожидать увеличения жёсткости опор. Таким образом, эффективность действия опорной подушки обеспечивается для всех возможных в практике амплитуд возбуждения колебаний. Динамическая жёсткость лишь незначительно зависит от частоты возбуждения колебаний. Материал отличается благоприятным соотношением динамической и статической жесткостей. Так как маты Sylomer имеют смешанную ячеистую структуру, они могут поглощать некоторое количество воды. Воздействие влаги на статическую и динамическую жёсткость очень незначительно даже при полном погружении материала в воду. Какое-либо повреждение материала под действием воды практически невозможно. Частицы грязи также не могут попасть внутрь материала благодаря малости размеров пор на поверхности материала.
Материал Sylodyn представляет собой эквивалент пружины без амортизатора. За счет закрытых пор его ячеистой структуры данный материал допускается применять в условиях возможного присутствия грунтовых вод. Материалы Sylomer и Sylodyn не подвержены гидролизу, а также к воздействию обычно встречающихся на стройке химических соединений, разбавленных щелочей и масел.
Определяющим параметром для выбора подходящего типа материала Sylomer или Sylodyn является показатель их долговременной статической нагрузки. Нагрузка определяется площадью опоры и эффективным весом построенного здания. Путем варьирования площади опоры удельная нагрузка подбирается максимально близко к пределу долговременной статической нагрузки конкретной модели материала. Если изменение площади опоры невозможно (полноплоскостная конструкция опоры), давление можно оптимизировать комбинацией различных типов материала Sylomer или Sylodyn.
В качестве нагрузки принимают фактически ожидаемый вес здания, а также часть нагрузки от движения транспорта. Нагрузки, воздействующие лишь периодически, такие, как, например, нагрузки от ветра и снега, не учитываются. Фактически действующая нагрузка составляет, в зависимости от типа здания и его использования, как правило, от 60% до 80% нагрузок, принятых для статических расчётов. Кратковременные пиковые нагрузки, достигающие четырёхкратной величины статической долговременной нагрузки, могут без проблем восприниматься данными виброизолирующими материалами.
Характеристикой ожидаемой эффективности применяемых мер является собственная частота конструкции здания на упругих опорах. С увеличением толщины опоры она снижается, повышая тем самым эффективность виброизоляции. Наряду с толщиной опоры, собственная частота зависит также от динамически эффективной массы здания. Динамически эффективной является та часть массы здания, в которой возбуждаются колебания при возникновении вибраций. При этом, чем большая масса эффективна, тем ниже собственная частота. Для того, чтобы возбудить колебания в массе как можно большей величины, здание в области опор должно быть очень жёстким. Основой для определения собственной частоты является спектр частот возбуждения.
Часто на разные части здания воздействуют различные нагрузки. Для упругих опор применяются, в зависимости от нагрузки, разные типы материалов Sylomer или Sylodyn. Путём выбора типа опоры и варьирования площади опоры расчёт производится таким образом, чтобы нагрузка в каждом случае была близка к предельной величине долговременной нагрузки. Тогда при одинаковой толщине для всех опор получается единая упругая деформация и приблизительно одинаковая собственная частота.
| Толщина опоры, мм | Собственная частота, Гц |
|---|---|
| 25 | 13 |
| 37 | 11 |
| 50 | 9 |
| 75 | 8 |
Таблица 1. Типичные показатели собственной частоты для опор зданий из материала Sylomer.
Долговременная статическая нагрузка для упругих опор зданий из материала Sylomer может составлять от
10 кН/м2 до 1000 кН/м2. Кратковременные пиковые нагрузки, превышающие долговременную
статическую нагрузку до 4 раз, могут легко восприниматься данным материалом.
Конструкции виброизоляции зданий
Конструкция опоры на материалах Sylomer и Sylodyn может быть полноплоскостной, ленточной или точечной. Какой вид опор является для здания наиболее благоприятным, зависит от требуемой собственной частоты и особенностей конструкции. Примыкающие элементы конструкций, такие как стены или потолки, могут быть изготовлены как из монолитного бетона, так и из сборных блоков. При изготовлении из монолитного бетона площадь опоры обычно используется в качестве несъемной опалубки.Арматуру также можно монтировать непосредственно на матах. Для очень мягких типов материалов Sylomerили Sylodyn площадь опоры распорных элементов нужно увеличивать с помощью подкладок таким образом, чтобы арматура не вдавливалась в маты. Готовые блоки просто устанавливают на опору. Устройство перекрытий на упругих опорах обычно производится с помощью армированных плит. Для полной изоляции здания от воздействия вибраций необходимо всю поверхность стен, расположенных над упругой опорой и соприкасающуюся с грунтом, отделить упругими прокладками.
Полноплоскостная опора
Преимуществами полноплоскостной опоры являются простота строительного исполнения и минимальный риск образования акустических мостиков из-за ошибок при укладке матов. Разделение обычно устраивается между плитой пола и основанием или слоем бетонной подготовки. Для большей эффективности основание должно быть как можно более жёстким. Воздействующие на здание нагрузки, распределяясь на большей площади благодаря полноплоскостной опоре, передаются в основание. Специальные конструкции для перераспределения нагрузок на ленточные или точечные опоры не требуются. При реализации полноплоскостной опоры в значительной мере удаётся избежать структурных колебаний плиты пола.
Ленточная опора
Применение ленточной опоры рекомендуется при линейной передаче нагрузки. Упругая прослойка может располагаться как в области фундамента, так и непосредственно под защищаемым перекрытием, т.е. на уровне первого или второго этажей здания. В последнем случае существует возможность экономии на количестве применяемого виброизолирующего материала. Так как цокольный и подземные этажи в таком варианте не защищаются от вибрации, применения материала по периметру поверхности подземной части фундамента здания не требуется.
Точечная опора
Применение упругого разделения точечного вида обосновано в конструкциях на свайном основании или при опирании на отдельные стойки/колонны. Приложенная нагрузка является определяющей при выборе типа применяемого упругого материала. Оптимальное сжатие выбранного типа материала Sylomer или Sylodyn достигается изменением площади опоры с помощью свайных наголовников. Для точечной опоры, как правило, применяются самые плотные марки виброизолирующих материалов. Точно так же, как и в случаях полноплоскостной и ленточной опор, основание, а также примыкающие элементы конструкций должны быть очень жёсткими.
Требование к основанию / приклеивание материала
Маты из материалов Sylomer и Sylodyn отличаются гибкостью и хорошо подгоняются к основанию при укладке. Жесткость применяемого материала возрастает с ростом объемной массы (плотности) и определяется приложенной нагрузкой.
Поверхность, на которую укладывают маты, должна быть ровной, без углублений и выступов с острыми краями. Бетонные поверхности нужно грубо затереть или выровнять. Допустимая чистота поверхности (размер неровностей) определяется толщиной материала опоры. Для опор толщиной до 25 мм допустимы неровности величиной 3 мм, для опор большей толщины неровности поверхности не должны превышать 5 мм. Опоры толщиной менее 8 мм требуют более высокого качества обработки поверхности.
Материалы Sylomer или Sylodyn обычно просто укладываются на поверхность без дополнительной фиксации, однако могут быть легко приклеены. На стройках обычно применяются двухкомпонентные полиуретановые клеи или клеи на битумной основе. Поверхности, на которые наклеиваются маты, должны быть чистыми и сухими.
Укладка
Опоры из материалов Sylomer и Sylodyn поставляются на стройку в виде матов или в виде готовых отдельных опор. Подгонка на месте легко производится с помощью стандартного инструмента.
Если опоры полноплоскостные, маты сначала распределяют на основании согласно плану раскладки и раскатывают. Необходимо дать матам отлежаться в раскатанном состоянии до тех пор, пока материал не расправится и не приспособится к окружающим условиям. Затем маты можно окончательно укладывать на нужное место и подгонять путем обрезки. Стыковые соединения необходимо закрывать клеящей лентой. В многослойных опорах маты необходимо укладывать со смещением. Чтобы маты не сдвигались, рекомендуется зафиксировать их положение путём точечного приклеивания.
Упругие ленточные и точечные опоры поставляются на стройплощадку пронумерованными в соответствии с планом укладки, раскладываются в указанных местах и, при необходимости, приклеиваются. Для уменьшения опасности образования акустических мостиков во время устройства фундаментной плиты поверхности, закрываемые упругими опорами не полностью, закрываются волокнистым звукоизоляционным материалом (например, плитами Шумостоп-К2) толщиной, равной толщине виброизолирующих опор.
Укладку бетона можно производить непосредственно на маты, при необходимости изолировав вертикальные поверхности опалубки. При этом необходимо избегать проникновения бетона в щели соединений, что приводит к образованию акустических мостиков. При использовании мягких типов материала Sylomer с большим количеством открытых пор необходимо полностью закрывать поверхность материала защитной полиэтиленовой пленкой.
Эффективность виброизоляции
Для эффективной виброизоляции собственная частота конструкции на упругих опорах должна быть точно рассчитана. Расчет эффективности предложенного решения по сравнению с неизолированной конструкцией должен быть проведен заранее на основе технических данных по каждому из видов виброизолирующих материалов. При расчете также необходимо учитывать резонансные частоты других компонентов конструкции, например, межэтажных перекрытий здания и стен.
Ниже приведены результаты измерений, проведённых в здании с ленточными опорами в области фундамента из материала Sylomer.
Долговечность материалов
Длительная прочность при статической нагрузке материалов Sylomer и Sylodyn была подробно исследована и описана как фирмой Getzner, так и независимыми испытательными центрами. Увеличение жёсткости эластичной опоры при правильном расчёте применения не установлено. Дополнительное сжатие под воздействием длительной статической нагрузки (ползучесть) точно известно и специфицировано для каждого типа материала Sylomer и Sylodyn.
Точные показатели, в зависимости от нагрузки, указаны в технических характеристиках на продукт. Существенных изменений свойств материала не смогли обнаружить в выполненных объектах даже через 30 лет эксплуатации.
Поскольку опоры из материалов Sylomer или Sylodyn обладают очень хорошими свойствами длительной прочности и не нуждаются в техническом обслуживании, после монтажа к ним не нужен доступ. Дорогостоящие конструкции для технического обслуживания или последующей замены опор не требуются.