Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.
Томск: ТГАСУ, 2001. — 436 с.
Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения Звукоизоляция помещений в гражданских зданиях в значительной степени определяется не только конструктивными параметрами собственно ограждающих конструкций, разделяющих помещения, но и условиями распространения звуковой вибрации по смежным конструкциям здания. Акустические и вибрационные (ударные) источники звука вызывают в конструктивном остове здания звуковую вибрацию в виде упругих волн: поперечных, продольных и изгибных. Сочетание ряда факторов, таких как, высокий модуль упругости и низкие диссипативные свойства материалов стен и перекрытий, жесткость их стыков, наличие в зданиях достаточно мощных источников шума и вибрации, приводит к нарушению условий акустического комфорта в помещениях, ближних и удаленных от источника. Решение проблемы звукоизоляции требует системного подхода, включающего в себя не только улучшение собственной звукоизолирующей способности ограждающих конструкций, но и оптимизацию объемнопланировочных и конструктивных решений здания в целом. Такой подход может быть основан на виброакустическом расчете здания или его фрагмента. Это позволяет при заданных акустических нагрузках вычислять собственно уровни шума в помещениях, а при необходимости, и уровни вибрации на конструкциях, т.е. непосредственно те параметры, которые отражают акустический режим в помещениях и регламентируются санитарными нормами. При разработке физической модели распространения звука и вибрации в здании следует основываться на теоретических положениях метода статистического энергетического анализа (СЭА), широко известного за рубежом. Применение СЭА позволяет находить решение задач строительной акустики в энергетической постановке путем составления уравнений баланса энергии волн в помещениях и конструкциях здания. Развитие метода СЭА путем разработки более полной модели энергетического обмена между волновыми полями в конструкциях и помещениях позволяет улучшить точность и расширить область применения метода. Следует решить и ряд частных задач вычисления собственных параметров колебаний конструкций и помещений и характеристик прохождения волн через их сопряжения. Развитие методологии виброакустического расчета гражданских зданий является актуальным направлением научных исследований в строительной акустике, поскольку позволяет решить ключевые задачи теории распространения звука и вибрации и создает основы системы автоматизированного проектирования звукоизоляции в гражданских зданиях, построенной на современных теоретических знаниях и компьютерных технологиях. Целью работы является: Развитие теории и методологии расчета изоляции шума и вибрации в гражданских зданиях на основе полной модели распространения энергии волн по строительным конструкциям и через их стыки, разработка теоретических основ автоматизированной системы проектирования звукоизоляции. В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи: - разработка физических принципов и математической модели энергетического обмена между полями волн всех основных типов в конструкциях и помещениях в произвольном фрагменте здания на основе метода статистического энергетического анализа; - исследование процессов распространения изгибных, продольных и сдвиговых волн в строительных конструкциях, определение области применения элементарной и общей теории волн и основных параметров волнового движения в конструкциях; - исследование собственных колебаний строительных конструкций и разработка методики расчета собственных частот, числа и плотности мод колебаний с учетом дискретности собственных функций колебаний и дисперсии волн; - исследование собственных колебаний прямоугольных помещений и разработка корректной методики расчета числа и плотности мод колебаний в помещениях. Разработка методики приближенного расчета параметров внутренних потерь в помещениях; - разработка расчетных схем характерных планировочных узлов зданий для реализации виброакустического расчета; - разработка методики и проведение измерений динамических характеристик звукоизоляционных материалов при действии малых и больших статических нагрузок, систематизация данных об упругодиссипативных характеристиках конструкционных материалов; - исследование напряженно-деформированного состояния упругодиссипативных прокладок, определение параметров жесткости и влияния внутренних потерь в материале прокладок на виброизоляцию; - исследование процесса прохождения звуковых волн через стыки стержневых конструкций с упругими прокладками, разработка методики расчета, включая принципы записи функций смещений, уравнений граничных условий, формирования и решения системы комплексных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов прохождения волн; - разработка методики расчета коэффициентов прохождения энергии из-гибных, продольных и сдвиговых волн через стыки строительных конструкций произвольной конфигурации с заполнением «жесткими» и звукоизоляционными материалами при наклонном и диффузном падении на линию стыка. Разработка универсальных расчетных схем стыков одинарных и сдвоенных панелей. - разработка алгоритмов и программ расчета коэффициентов прохождения волн через стыки строительных конструкций; - разработка общей методики расчета распространения звука и вибрации в фрагменте здания, включающей в себя определение параметров «полной» статистической энергетической модели, формирование матриц мощностей внешних источников звука и вибрации, коэффициентов энергетической связи подсистем и коэффициентов их внутренних потерь, решение систем уравнений и вычисление неизвестных параметров шума и вибрации во всех расчетных элементах; выполнение экспериментальной проверки метода виброакустического расчета здания в натурных условиях. Научная новизна работы заключается в следующем: предложена более полная модель распространения звука и вибрации в здании, которая, в развитие метода статистического энергетического анализа, рассматривает конструктивные элементы здания как совокупность подсистем, обладающих энергией изгибных, продольных и сдвиговых волн. Учтен обмен энергией волн как между подсистемами в смежных конструкциях, так и подсистемами в той же конструкции. Составлены общие уравнения энергетического баланса полей волн и предложена методика решения задач расчета распространения звука и вибрации во фрагменте здания с учетом волн основных типов; получены теоретические решения для коэффициентов прохождения изгибных, продольных и сдвиговых волн через стыки одинарных и сдвоенных панелей при наклонном и диффузном падении. Предложены универсальные расчетные схемы стыков строительных панелей, позволяющие выполнять расчет практически любых стыков, получены результаты расчета виброизоляции различных вариантов стыков панелей, в том числе, жестких, с прокладками, с анкерными соединениями и растворными мостиками; предложена методика и формулы расчета собственных частот, числа и плотности мод изгибных, продольных и сдвиговых колебаний строительных конструкций с учетом дискретности собственных функций колебаний конструкции и дисперсионных зависимостей, соответствующих общей теории волн в строительных конструкциях; разработана методика расчета плотности мод колебаний в прямоугольных помещениях небольшого объема, существенно корректирующая известные методики;
- разработана методика измерений динамического модуля упругости и коэффициента потерь звукоизоляционных материалов при статической нагрузке до 10 МПа и получены результаты исследования некоторых материалов прокладок; - теоретически и экспериментально исследовано влияние звукоизоляционных прокладок на виброизоляцию стыков конструкций и на звукоизоляцию помещений в зданиях. Показано, что применение прокладок в стыках является одним из эффективных конструктивных приемов, позволяющих существенно улучшить звукоизоляцию помещений.
Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения Звукоизоляция помещений в гражданских зданиях в значительной степени определяется не только конструктивными параметрами собственно ограждающих конструкций, разделяющих помещения, но и условиями распространения звуковой вибрации по смежным конструкциям здания. Акустические и вибрационные (ударные) источники звука вызывают в конструктивном остове здания звуковую вибрацию в виде упругих волн: поперечных, продольных и изгибных. Сочетание ряда факторов, таких как, высокий модуль упругости и низкие диссипативные свойства материалов стен и перекрытий, жесткость их стыков, наличие в зданиях достаточно мощных источников шума и вибрации, приводит к нарушению условий акустического комфорта в помещениях, ближних и удаленных от источника. Решение проблемы звукоизоляции требует системного подхода, включающего в себя не только улучшение собственной звукоизолирующей способности ограждающих конструкций, но и оптимизацию объемнопланировочных и конструктивных решений здания в целом. Такой подход может быть основан на виброакустическом расчете здания или его фрагмента. Это позволяет при заданных акустических нагрузках вычислять собственно уровни шума в помещениях, а при необходимости, и уровни вибрации на конструкциях, т.е. непосредственно те параметры, которые отражают акустический режим в помещениях и регламентируются санитарными нормами. При разработке физической модели распространения звука и вибрации в здании следует основываться на теоретических положениях метода статистического энергетического анализа (СЭА), широко известного за рубежом. Применение СЭА позволяет находить решение задач строительной акустики в энергетической постановке путем составления уравнений баланса энергии волн в помещениях и конструкциях здания. Развитие метода СЭА путем разработки более полной модели энергетического обмена между волновыми полями в конструкциях и помещениях позволяет улучшить точность и расширить область применения метода. Следует решить и ряд частных задач вычисления собственных параметров колебаний конструкций и помещений и характеристик прохождения волн через их сопряжения. Развитие методологии виброакустического расчета гражданских зданий является актуальным направлением научных исследований в строительной акустике, поскольку позволяет решить ключевые задачи теории распространения звука и вибрации и создает основы системы автоматизированного проектирования звукоизоляции в гражданских зданиях, построенной на современных теоретических знаниях и компьютерных технологиях. Целью работы является: Развитие теории и методологии расчета изоляции шума и вибрации в гражданских зданиях на основе полной модели распространения энергии волн по строительным конструкциям и через их стыки, разработка теоретических основ автоматизированной системы проектирования звукоизоляции. В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи: - разработка физических принципов и математической модели энергетического обмена между полями волн всех основных типов в конструкциях и помещениях в произвольном фрагменте здания на основе метода статистического энергетического анализа; - исследование процессов распространения изгибных, продольных и сдвиговых волн в строительных конструкциях, определение области применения элементарной и общей теории волн и основных параметров волнового движения в конструкциях; - исследование собственных колебаний строительных конструкций и разработка методики расчета собственных частот, числа и плотности мод колебаний с учетом дискретности собственных функций колебаний и дисперсии волн; - исследование собственных колебаний прямоугольных помещений и разработка корректной методики расчета числа и плотности мод колебаний в помещениях. Разработка методики приближенного расчета параметров внутренних потерь в помещениях; - разработка расчетных схем характерных планировочных узлов зданий для реализации виброакустического расчета; - разработка методики и проведение измерений динамических характеристик звукоизоляционных материалов при действии малых и больших статических нагрузок, систематизация данных об упругодиссипативных характеристиках конструкционных материалов; - исследование напряженно-деформированного состояния упругодиссипативных прокладок, определение параметров жесткости и влияния внутренних потерь в материале прокладок на виброизоляцию; - исследование процесса прохождения звуковых волн через стыки стержневых конструкций с упругими прокладками, разработка методики расчета, включая принципы записи функций смещений, уравнений граничных условий, формирования и решения системы комплексных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов прохождения волн; - разработка методики расчета коэффициентов прохождения энергии из-гибных, продольных и сдвиговых волн через стыки строительных конструкций произвольной конфигурации с заполнением «жесткими» и звукоизоляционными материалами при наклонном и диффузном падении на линию стыка. Разработка универсальных расчетных схем стыков одинарных и сдвоенных панелей. - разработка алгоритмов и программ расчета коэффициентов прохождения волн через стыки строительных конструкций; - разработка общей методики расчета распространения звука и вибрации в фрагменте здания, включающей в себя определение параметров «полной» статистической энергетической модели, формирование матриц мощностей внешних источников звука и вибрации, коэффициентов энергетической связи подсистем и коэффициентов их внутренних потерь, решение систем уравнений и вычисление неизвестных параметров шума и вибрации во всех расчетных элементах; выполнение экспериментальной проверки метода виброакустического расчета здания в натурных условиях. Научная новизна работы заключается в следующем: предложена более полная модель распространения звука и вибрации в здании, которая, в развитие метода статистического энергетического анализа, рассматривает конструктивные элементы здания как совокупность подсистем, обладающих энергией изгибных, продольных и сдвиговых волн. Учтен обмен энергией волн как между подсистемами в смежных конструкциях, так и подсистемами в той же конструкции. Составлены общие уравнения энергетического баланса полей волн и предложена методика решения задач расчета распространения звука и вибрации во фрагменте здания с учетом волн основных типов; получены теоретические решения для коэффициентов прохождения изгибных, продольных и сдвиговых волн через стыки одинарных и сдвоенных панелей при наклонном и диффузном падении. Предложены универсальные расчетные схемы стыков строительных панелей, позволяющие выполнять расчет практически любых стыков, получены результаты расчета виброизоляции различных вариантов стыков панелей, в том числе, жестких, с прокладками, с анкерными соединениями и растворными мостиками; предложена методика и формулы расчета собственных частот, числа и плотности мод изгибных, продольных и сдвиговых колебаний строительных конструкций с учетом дискретности собственных функций колебаний конструкции и дисперсионных зависимостей, соответствующих общей теории волн в строительных конструкциях; разработана методика расчета плотности мод колебаний в прямоугольных помещениях небольшого объема, существенно корректирующая известные методики;
- разработана методика измерений динамического модуля упругости и коэффициента потерь звукоизоляционных материалов при статической нагрузке до 10 МПа и получены результаты исследования некоторых материалов прокладок; - теоретически и экспериментально исследовано влияние звукоизоляционных прокладок на виброизоляцию стыков конструкций и на звукоизоляцию помещений в зданиях. Показано, что применение прокладок в стыках является одним из эффективных конструктивных приемов, позволяющих существенно улучшить звукоизоляцию помещений.