Виброизоляция зданий

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. В таком случае 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 крайне некомфортным.

Критерии неблагоприятного внешнего воздействия устанавливаются санитарными нормами СН 1304:75 и ДСН 3.3.6.039:99, которые для случая вибраций регламентируют предельно-допустимые уровни колебаний ограждающих конструкций помещений жилых, административно-общественных зданий и рабочих мест. Несморя на то, что сами амплитуды колебаний в диапазоне частот 1,4 - 88 Гц ограничиваются  всего лишь несколькими микронами, это не мешает им оказывать негативное влияние на здоровье и самочувствие человека.

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". Применение данных эластомеров является концептуальным решением, так как их укладка производится при возведении здания, а срок службы составляет не менее 100 лет.    

Материалы Sylomer и Sylodyn дают возможность проектировщику создать множество вариантов конструкций виброизоляции. Возможна реализация полноплоскостной, ленточной или точечной конструкций изолирующей опоры. 

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, ммСобственная частота, Гц
25 13
37 11
50 9
75 8

Таблица 1. Типичные показатели собственной частоты для опор зданий из материала Sylomer.

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 Sylomer или 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.

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 в обязательном порядке учитываются резонансные частоты других компонентов конструкции, например, межэтажных перекрытий здания и стен. Только полноформатое проектирование с учетом всех нюансов ситуации, сопровождаемое выполнением натурных измерений до, в процессе и после выполнения работ может гарантировать заявленный вибро-акустический результат мероприятий.  

Ниже приведены результаты измерений, проведённых в здании с ленточными опорами в области фундамента из материала Sylomer.