STRESZCZENIE
Elementy kompozytowe są coraz szerzej stosowane w różnych dziedzinach przemysłu, w ostatnim okresie można zaobserwować wzrost zainteresowania kompozytami także w budownictwie. Znane są przykłady kompozytowych konstrukcji inżynierskich, ale również przykłady zastosowania kompozytów w budownictwie ogólnym. Parametry wytrzymałościowe i możliwości technologiczne dają tu bardzo obiecującą perspektywę, jednak w przypadku budownictwa mieszkaniowego decydującą rolę mogą odgrywać właściwości akustyczne kompozytów. Zakład Akustyki ITB wspólnie z firmą Mostostal Warszawa przeprowadził serię badań laboratoryjnych izolacyjności akustycznej prototypowych paneli kompozytowych. W referacie przedstawiono wyniki tych badań.
Badania obejmowały trzy różne typy elementów, różne konfiguracje i układy konstrukcyjne.
Badano pełnowymiarowe modele przegród ściennych i stopowych; pojedyncze płyty, elementy stropowe z dodatkowymi warstwami podłogowymi i sufitem oraz układy podwójne.
Uzyskane wyniki wskazują możliwy zakres zastosowania paneli kompozytowych w budownictwie ogólnym oraz kierunkują dalsze prace badawcze uwzględniające uwarunkowania akustyczne.
Słowa kluczowe: akustyka, izolacyjność akustyczna, elementy kompozytowe 1. WPROWADZENIE
Elementy kompozytowe typu FRP (Fibre Reinforced Plastics/Polymers) od momentu ich pierwszego komercyjnego zastosowania w 1950 roku stają się coraz bardziej popularnym materiałem wykorzystywanym różnych gałęziach przemysłu. W porównaniu z innymi tradycyjnymi materiałami mają wiele zalet, do których należy duża wytrzymałość przy niewielkim ciężarze, odporność na korozję i na działanie czynników zewnętrznych, łatwość formowania i uzyskiwania różnorodnych kształtów, a także stosunkowo prosty sposób łączenia elementów itp. Dotychczas kompozyty polimerowe z powodzeniem były wykorzystywane w przemyśle samochodowym, lotnictwie czy przy produkcji maszyn.
Wzrost zainteresowania kompozytami w budownictwie jest spowodowany między innymi
1 J.Nurzynski@itb.pl
2 P.Poneta@mostostal.waw.pl
znacznym spadkiem ich ceny, co jest związane z pojawieniem się nowych możliwości technologicznych. Wcześniejsze próby wykorzystania kompozytów w budownictwie ograniczały się głównie do elementów konstrukcyjnych, powstały pierwsze mosty kompozytowe i kładki dla pieszych. Jednak znane są również zastosowania elementów kompozytowych w budownictwie mieszkaniowym [1]. Parametry wytrzymałościowe i możliwości technologiczne dają tu bardzo obiecującą perspektywę, ale w przypadku budownictwa mieszkaniowego decydującą rolę może odgrywać uzyskiwana przez nie izolacyjność akustyczna.
Rys 1. Wspólnotowe Centrum Badawcze EC (JRC–EC), Ispra. Badania prototypu kompozytowej płyty strop.
do stosowania na terenach sejsmicznych, projekt SAFEFLOOR FP5 2001–2004 (fot. Acciona Infraestructuras)
Zakład Akustyki ITB wspólnie z firmą Mostostal Warszawa przeprowadził serię badań akustycznych prototypowych elementów kompozytowych, opracowanych w ramach działań związanych z wdrażaniem nowych produktów i nowych technologii, z przeznaczeniem jako przegrody ścienne i stopowe [2,3], w referacie przedstawiono wyniki tych badań.
2. TECHNOLOGIA WYKONANIA ELEMENTÓW
Panele kompozytowe przygotowane do badań akustycznych zostały wykonane w sposób ręczny przy zastosowaniu tzw. preimpregnatów (prepregs). Metoda ta jest pracochłonna i nie pozwala na uzyskanie wysokiej powtarzalności wytwarzanych elementów, natomiast nie wymaga inwestycji związanych z uruchomieniem produkcji.
Rys. 2. Przygotowanie paneli kompozytowych do badań akustycznych
Metoda ręczna polega na wykorzystaniu wcześniej przygotowanych przesyconych żywicą epoksydową tkanin szklanych. W pierwszej kolejności następuje ułożenie preimpregnatów i pianki poliuretanowej oraz nadanie kształtu wytwarzanym elementom
(Rys. 2). Dalej następuje proces konsolidacji warstw panelu kompozytowego. W tym procesie została zastosowana technologia worka próżniowego (vacuum bagging), na nieutwardzonym laminacie ułożono powłokę worka i wprowadzono podciśnienie. W ostatnim etapie następuje wygrzewanie elementu, które trwa od 2 do 8 godzi zależnie od zastosowanej do przygotowania preimpregnatu żywicy i temperatury wygrzewania. W przypadku paneli przygotowanych do badań akustycznych elementy były wygrzewane w temperaturze 80oC przez 8 godzin w związku z zastosowaniem nisko reaktywnej żywicy epoksydowej.
Zaletą ręcznej technologii jest wspomniana już prostota oraz niskie początkowe nakłady, wadą jest duża pracochłonność oraz trudność w osiągnięciu powtarzalności parametrów wyrobu. Automatyzacja produkcji, przewidywana w kolejnych fazach rozwoju technologii, będzie oparta na metodzie infuzji (infusion resin) lub metodzie RTM (resin transfer moulding).
3. CHARAKTERYSTYKA BADANYCH WARIANTÓW KONSTRUKCYJNYCH Badane elementy, oznaczone roboczo symbolem MOW, były wykonane w postaci płyt warstwowych, których rdzeń stanowiła pianka poliuretanowa, a okładziny były wykonane z kompozytu epoksydowo-szklanego. Podstawowe parametry techniczne badanych elementów zestawiono w tablicy 1. Ponieważ były to prototypy, które nie pochodziły z seryjnej produkcji, ciężary i grubości płyt tego samego typu charakteryzowały się małą jednorodnością. Płyty MOW-2 i MOW-3 różniły się gęstością i sztywnością pianki poliuretanowej.
Tablica 1. Zestawienie parametrów technicznych badanych elementów MOW
Liczba
Pomiary izolacyjności akustycznej analizowanych rozwiązań przeprowadzono na stanowisku przeznaczonym do badania stropów. Próbki były montowane w poziomym otworze o powierzchni S = 10,4 m2. Każda próbka (lub jej warstwa) była złożona z trzech elementów tego samego typu połączonych na krawędziach masą trwale plastyczną. Badania obejmowały kilka wariantów konstrukcyjnych. W przypadku grubszej płyty MOW-1, traktowanej jako wstępny model płyty stropowej, wykonano pomiary izolacyjności akustycznej od dźwięków powietrznych i uderzeniowych czterech podstawowych układów tj.;
sam pojedynczy element MOW-1, element MOW-1 + lekki układ podłogowy, element MOW-1 + sufit podwieszony (150 mm wełna szklana + 12,5 mm płyta gipsowo kartonowa), element MOW-1 + lekki układ podłogowy + sufit podwieszony.
W przypadku przegród ściennych MOW-2 i MOW-3 badano izolacyjność akustyczną od dźwięków powietrznych czterech podstawowych układów konstrukcyjnych tj.; pojedynczy element MOW, układ podwójny z pustką powietrzną o grubości 30 mm, układ podwójny z wełną mineralną o grubości 30 mm, układ podwójny z wełną mineralną o grubości 100 mm.
W przypadku układów podwójnych, w których pomiędzy obydwiema warstwami płyt występował dystans 30 mm, na obwodzie były zamontowane drewniane ciągłe przekładki
dystansowe (listwy 30x30mm). Płyty MOW zostały po obu stronach przyklejone do przekładek taśmą butylową. W układach podwójnych z dystansem 100 mm nie montowano przekładek dystansowych, górna płyta MOW została swobodnie położona na warstwie wełny mineralnej, leżącej na dolnej płycie MOW. W każdym przypadku obie warstwy były uszczelnione na obwodzie do krawędzi stanowiska badawczego.
4. WYNIKI BADAŃ POJEDYNCZYCH ELEMENTÓW
Wartości jednoliczbowych wskaźników izolacyjności akustycznej uzyskane w wyniku badań laboratoryjnych pojedynczych płyt MOW, pomimo różnic konstrukcyjnych
występujących między badanymi elementami, są bardzo podobne (tab. 2). Badania wykazały, że parametry akustyczne pojedynczych przegród wykonanych z elementów kompozytowych są stosunkowo słabe.
Tablica 2. Zestawienie wartości wskaźników izolacyjności akustycznej pojedynczych elementów MOW
Rw RA1 RA1(50-3150) RA2
Element
dB
MOW-1 27 25 25 23
MOW-2 28 26 26 25
MOW-3 28 27 27 24
Rys. 3. Wyniki badań izolacyjności akustycznej pojedynczych elementów MOW
Wykresy izolacyjności akustycznej właściwej poszczególnych elementów w zakresie niskich i średnich częstotliwości mają bardzo podobny przebieg, zróżnicowanie występuje w rejonie częstotliwości koincydencji, której położenie zależy od grubości płyty i sztywności pianki rdzenia (rys. 3). Występuje wyraźna analogia do stosownych w budownictwie przemysłowym płyt warstwowych z okładzinami wykonanymi z blachy profilowanej, zarówno kształt wykresu izolacyjności akustycznej jak też wartości wskaźników jednoliczbowych wykazują duże podobieństwo.
5. WYNIKI BADAŃ UKŁADÓW STROPOWYCH
Wyniki badań elementów MOW-1 zastosowanych w różnych układach stropowych przedstawiono w tablicy nr 3. Pojedyncza płyta bez dodatkowych ustrojów izolacyjnych charakteryzuje się bardzo słabą izolacyjnością akustyczną (RA1 = 25 dB). Zastosowanie na
0 10 20 30 40 50
50 80 125 200 315 500 800 1250 2000 3150 5000
R[dB]
f[Hz]
Płyta MOW-1 Płyta MOW-2 Płyta MOW-3
tej płycie samego lekkiego układu podłogowego spowodowało istotny wzrost wartości wskaźnika izolacyjności akustycznej (RA1 = 43 dB), jednak uzyskana wartość nie daje możliwości wykorzystania tego rozwiązania w budownictwie mieszkaniowym. Podobną poprawę izolacyjności akustycznej uzyskano po zastosowaniu samego powieszonego sufitu wykonanego z płyt gipsowo-kartonowych 12,5 mm i wełny szklanej grubości 150 mm (RA1
= 48 dB). Natomiast obiecujący efekt daje jednoczesne zastosowanie obu tych elementów tj.
lekkiej podłogi i sufitu podwieszonego (RA1 = 58 dB). Wyniki uzyskane w zakresie dźwięków uderzeniowych również wskazują, że tylko taki układ daje perspektywę możliwości zastosowania rozpatrywanych elementów w budownictwie ogólnym (Ln,w =51 dB).
Tablica 3. Parametry akustyczne układów stropowych MOW-1
Rw RA1 RA1(50-3150) RA2 Ln,w(CI)
Rys. 4.Wyniki badań izolacyjności akustycznej elementów MOW-1
Charakterystyki izolacyjności akustycznej właściwej wyrażone w funkcji częstotliwości dla wszystkich badanych rozwiązań pokazano na rysunku 4. Uzyskane wyniki wskazują, że dalsze prace nad układem stropowym, w którym elementem nośnym są płyty kompozytowe natomiast rolę izolacji akustycznej przejmują warstwy wykończeniowe tj. lekka podłoga i sufit mogą dać obiecujący efekt. Prace te powinny być prowadzone równolegle z analizą technologiczną oraz oceną możliwości praktycznego zastosowania proponowanych rozwiązań, opracowaniem szczegółów konstrukcyjnych i połączeń. Istotne jest przeprowadzenie dokładniejszych badań w zakresie niskich częstotliwości oraz drgań.
W dalszej kolejności jest również konieczne wykonanie badań właściwości akustycznych elementów kompozytowych zamontowanych w budynku w konkretnym układzie konstrukcyjnym. Zachowanie tego typu lekkich przegród oraz ich właściwości akustyczne
0
50 80 125 200 315 500 800 1250 2000 3150 5000
R[dB]
w dużym stopniu zależą od rozwiązania samego układu stropowego, ale również rozwiązania szczegółów i połączeń z pozostałymi elementami konstrukcyjnymi budynku.
6. WYNIKI BADAŃ UKŁADÓW PODWÓJNYCH
Badania przegród podwójnych obejmowały układy złożone z dwóch warstw płyt MOW, pomiędzy którymi znajdowała się pustka powietrzna grubości 30 mm, a także układy z warstwą wełny szklanej o grubości 30 mm umieszczoną pomiędzy płytami oraz z warstwą wełny szklanej o grubości 100 mm. Taka sama seria badań została wykonana odrębnie na płytach MOW-2 i MOW-3. W układzie podwójnym z pustką powietrzną 30 mm wzrost izolacyjności akustycznej w porównaniu z pojedynczą płytą jest niewielki (tab. 4).
Stosowanie tego typu rozwiązania jest z akustycznego punktu widzenia mało efektywne.
W budownictwie mieszkaniowym układ podwójny z pustką powietrzną można ewentualnie brać pod uwagę jako przegrodę pomiędzy pomieszczeniami (pokojami) znajdującymi się w tym samym mieszkaniu.
Tablica 4. Zestawienie wyników badań izolacyjności akustycznej układów podwójnych
Rw(C; Ctr), dB OPIS KONSTRUKCJI PRZEGRODY
MOW-2 MOW-3
Pojedyncza płyta MOW 28(-2;-3) 28(-1;-4)
Układ podwójny z pustką powietrzną 30 mm 31(-1;-5) 33(-2;-6) Układ podwójny z wełną szklaną 30 mm 40(-7;-16) 39(-6;-13) Układ podwójny z wełną szklaną 100 mm 49(-7;-15) 48(-6;-14)
Układy podwójne, w których zastosowano w przestrzeni pomiędzy płytami warstwę wełny mineralnej, charakteryzują się wyższymi wartościami wskaźnika Rw wynoszącymi w badanych przypadkach 39 - 49 dB. Jednak wzrost wartości wskaźnika RA1 w stosunku do pojedynczej płyty i układu z pustką powietrzną, jest znacznie mniejszy ze względu na duże ujemne wartości wskaźnika C (RA1 = 33 – 42 dB).
Rys. 5. Wyniki badań izolacyjności akustycznej układów podwójnych MOW-2
Charakterystyki widmowe izolacyjności akustycznej badanych rozwiązań MOW-2 i MOW-3 mają bardzo podobny przebieg (rys. 5). W przypadku płyt MOW-2 częstotliwość
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
50 80 125 200 315 500 800 1250 2000 3150 5000
R[dB]
f[Hz]
Płyta MOW-2
Układ podwójny 2xMOW-2, pustka 30 mm Układ podwójny 2xMOW-2, wełna 30 mm Układ podwójny 2xMOW-2, wełna 100mm
koincydencji powtarza się dla każdego układu w paśmie 2500. Natomiast w układach wykonanych z elementów MOW-3 częstotliwość koincydencji ulega przesunięciu w kierunku pasm wysokich (4000 Hz) ze względu na większą sztywność rdzenia. W przypadku układu podwójnego z wełną mineralną 30 mm występuje wyraźne obniżenie izolacyjności akustycznej w paśmie 100 Hz, które wpływa niekorzystnie na wartość wskaźnika RA2. W tym paśmie izolacyjność akustyczna przegrody podwójnej jest niższa od izolacyjności pojedynczej płyty. Taki efekt wzmocnienia rezonansu występuje również w przypadku innego rodzaju przegród o symetrycznej konstrukcji podwójnej np. podwójne oszklenie stosowane w oknach czy ściana szkieletowa z płyt gipsowo kartonowych mocowanych symetrycznie po obu stronach szkieletu [4]. Jednak zwykle efekt ten jest bardziej wyraźny w układach z pustką powietrzną, natomiast wypełnienie przestrzeni materiałem dźwiękochłonnym z reguły powoduje jego złagodzenie, w rozpatrywanym przypadku sytuacja jest odwrotna. Taką samą tendencję zaobserwowano w wynikach badania elementów MOW-3.
Niskie wartości wskaźnika RA2 świadczą o słabych właściwościach akustycznych rozpatrywanych rozwiązań w zakresie niskich częstotliwości. Wartość wskaźnika RA2
uzyskana przez ścianę podwójną z wełną szklaną 30 mm jest niższa od wartości uzyskiwanej przez układ z pustką powietrzną, a w jednym przypadku jest niższa nawet od wartości uzyskanej przez pojedynczą płytę (MOW-2). Takie właściwości bardzo ograniczają możliwość zastosowania omawianych układów jako przegrody oddzielające pomieszczenia techniczne, urządzenia i instalacje stanowiące źródło hałasu zwłaszcza, jeżeli w widmie dominują niskie częstotliwości. Biorąc pod uwagę uzyskane wyniki, układy z wełną mineralną mogą być brane pod uwagę jako przegrody w obrębie jednego mieszkania.
W budynkach użyteczności publicznej wymagania może spełnić tylko ściana podwójna z wełną mineralną o grubości 100 mm. Natomiast żaden z rozpatrywanych układów podwójnych w obecnej postaci nie ma szans na spełnienie wymagań akustycznych obowiązujących dla ściany między-mieszkaniowej w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych.
7. PODSUMOWANIE
Badania właściwości akustycznych elementów kompozytowych nie były wcześniej prowadzone, lub rezultaty takich badań nie zostały rozpowszechnione. Uzyskane wyniki pozwalają na ocenę możliwości zastosowania tego typu materiałów w budownictwie, oraz wskazanie ewentualnego zakresu tego zastosowania.
Układy stropowe wykonane z płyt kompozytowych z podłogą i podwieszonym sufitem mogą osiągać stosunkowo dobrą izolacyjność akustyczną. Wyniki badań laboratoryjnych można uznać za obiecujące. Korzystną cechą badanych płyt przy takim zastosowaniu jest ich duża nośność przy bardzo małym ciężarze. Uzasadnione są dalsze prace nad układem stropowym, w którym elementem nośnym będą płyty kompozytowe, natomiast rolę izolacji akustycznej przejmą warstwy wykończeniowe tj. podłoga i sufit.
Izolacyjność akustyczna pojedynczej płyty kompozytowej MOW jest stosunkowo niska.
Wartości jednoliczbowych wskaźników oceny są porównywalne z wartościami uzyskiwanymi przez pojedynczą płytę gipsowo-kartonową. Występuje wyraźna analogia do płyt warstwowych typu sandwich z okładzinami wykonanymi z blachy profilowanej.
W układzie podwójnym, z zachowaniem pustki powietrznej 30 mm pomiędzy płytami, wzrost izolacyjności akustycznej w porównaniu z pojedynczą płytą jest niewielki. Stosowanie tego typu układu podwójnego jest, z akustycznego punktu widzenia, mało efektywne. Układy podwójne, w których w przestrzeni pomiędzy płytami znajduje się warstwa wełny mineralnej,
charakteryzują się znacznie wyższymi wartościami wskaźnika Rw. Jednak w przypadku wskaźników RA1 i RA2 zastosowanie wełny mineralnej nie daje już tak korzystnego efektu.
Taka tendencja ogranicza możliwość zastosowania omawianych układów jako przegrody oddzielające pomieszczenia techniczne, urządzenia i instalacje stanowiące źródło hałasu zwłaszcza, jeżeli w widmie tego hałasu dominują niskie częstotliwości.
Wartości wskaźników izolacyjności akustycznej uzyskane przez badane układy ścienne z elementów kompozytowych MOW są niższe od wymaganych dla ściany między-mieszkaniowej. W odniesieniu do wymagań obowiązujących w Polsce układ podwójny z pustką powietrzną można rozpatrywać jako przegrodę pomiędzy pokojami znajdującymi się w tym samym mieszkaniu. Układy z wełną mineralną mogą być stosowane jako przegrody w obrębie jednego mieszkania oraz dla niektórych przypadków w budynkach użyteczności publicznej. Generalnie badane płyty kompozytowe zastosowane jako elementy ścienne mają raczej słabe właściwości akustyczne w porównaniu z istniejącymi i stosowanymi w budownictwie lekkimi ścianami o innej konstrukcji. Bez istotnych zmian konstrukcyjnych nie należy się spodziewać znaczącej poprawy tych właściwości.
PIŚMIENNICTWO
[1] InnoVidaPanels, Composite Structural Insulated Panels (CSIPs). Quality manual, standards for construction of house. http://www.innovida.com/innovidapanels.asp [2] Praca ITB NA-55/2009 (2.5.1.13) ManuBuild, Otwarty system budownictwa,
zagadnienia akustyczne. Sprawozdanie 2009.
[3] J. Nurzyński Experimental study on the sound insulation of composite panels intended for use in a building. Internoise 2010. 39th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering. Noise and Sustainability. Proceeding, Lisbon, Portugal, 13-16 June, 2010 s.1-7. Lisboa: Sociedade Portuguesa de Acustica, 2010.
[4] Nurzyński J. Lightweight plasterboard walls, empirical support of the sound insulation prediction methods. Forum Acusticum Sewilla 2002, 16-20 September. –Madrid:
Sociedad Espanola de Acustica, 2002.
SOUND INSULATION OF COMPOSITE PANELS BASED ON THE LABORATORY TEST RESULTS
Summary
The use of composite materials for various products and structures continuously increases. Recently efforts have been intensified to apply them also for various building elements. Good technical performance, durability, high structural strength combined with light weight, good resistance to corrosion etc. give promising perspective for civil engineering applications. However, the acoustic performance and sound insulation are probably a critical point, particularly in the case of possible use in residential building. The paper presents results of a sound insulation laboratory test carried out for composite panel prototypes intended for use in a building. Elements of three different structural types were investigated. The elements were installed in different arrangement and configurations as a wall or floor partition. Bare elements and elements with additional floor insulating layers were investigated. Also double wall structures with a cavity and with an absorbing material filled cavity were tested.
Eliza SZCZEPAŃSKA1 Dariusz HEIM2
Politechnika Łódzka