СЕЙСМОСТОЙКОЕ ЗДАНИЕ

Изобретение относится к промышленной акустике.

Известны малошумные конструкции для производственных зданий в виде акустических облицовок и штучных звукопоглотителей, полости которых заполнены звукопоглощающим материалом [1, 2, 3, 4, 5]. В настоящее время волокнистые звукопоглотители являются наиболее употребительными в строительной практике.

Недостатками известных конструкций звукопоглотителей являются их сравнительно невысокая эффективность на низких и средних частотах, а также они не отвечают возросшим требованиям, предъявляемым к дизайну помещений и сейсмической стойкости возводимых сооружений.

Известны малошумные сейсмостойкие производственные здания, содержащие каркас здания с основанием, несущие стены с ограждениями в виде пола и потолка, которые облицованы звукопоглощающими конструкциями, оконные и дверные проемы, а также штучные звукопоглотители, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и установленные над шумным оборудованием [6, 7, 8].

Их недостаток - сравнительно невысокая эффективность шумоглушения на высоких частотах из-за отсутствия в элементах конструкций схем, содержащих резонаторы Гельмгольца.

Известны малошумные сейсмостойкие производственные здания, содержащие базовые несущие плиты перекрытия, которые снабжены в местах их крепления к несущим стенам здания системой пространственной виброизоляции, состоящей из горизонтально расположенных виброизоляторов, воспринимающих вертикальные статические и динамические нагрузки, а также вертикально расположенных виброизоляторов, воспринимающих горизонтальные статические и динамические нагрузки [9, 10].

Недостатками известных конструкций зданий являются их сравнительно невысокая эффективность на низких и средних частотах, а также они не отвечают возросшим требованиям, предъявляемым к сейсмической стойкости возводимых сооружений.

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является малошумное сейсмостойкое производственное здание по патенту РФ №129125 [11] на полезную модель, основание каркаса здания которого выполнено с виброизоляцией железобетонной плиты, состоящей из связанных между собой железобетонных балок в основании здания, которая включает в себя, по крайней мере, четыре виброизолятора, устанавливаемых между металлической плитой и железобетонной балкой, расположенной в основании здания, выполненного заодно целое с, по крайней мере, восемью ленточными фундаментными блоками, являющимися своеобразными "ловушками", а каждая из металлических плит установлена на, по крайней мере, трех железобетонных столбах-упорах, а между каждыми ленточными фундаментными блоками и каждой из железобетонных балок устанавливаются песчаные подушки, а под виброизоляторами закреплены тензорезисторные датчики, контролирующие осадку виброизоляторов, при этом песчаные подушки установлены в металлических разъемных обоймах.

Недостатками этого сейсмостойкого производственного здания является сравнительно невысокая эффективность шумоподавления на низких и средних частотах, а также сравнительно невысокое демпфирование на резонансных частотах в системах виброизоляции и, как следствие, сравнительно невысокая сейсмостойкость.

Технический результат - повышение эффективности виброизоляции и шумоглушения на низких и средних частотах путем применения подвесного акустического потолка, а также увеличения демпфирования в плитах межэтажного перекрытия и основании каркаса здания с виброизоляцией железобетонной плиты.

Технический результат - повышение эффективности шумоглушения и сейсмостойкости здания.

Это достигается тем, что в сейсмостойком здании, содержащем каркас здания с основанием, несущие стены с ограждениями в виде пола и потолка, которые облицованы звукопоглощающими конструкциями, оконные и дверные проемы, а также штучные звукопоглотители, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и установленные над шумным оборудованием, базовые несущие плиты перекрытия снабжены в местах их крепления к несущим стенам здания системой пространственной виброизоляции, состоящей из горизонтально расположенных виброизоляторов, воспринимающих вертикальные статические и динамические нагрузки, а также вертикально расположенных виброизоляторов, воспринимающих горизонтальные статические и динамические нагрузки, при этом пол в помещениях выполнен на упругом основании и содержит установочную плиту, выполненную из армированного вибродемпфирующим материалом бетона, которая устанавливается на базовой плите межэтажного перекрытия с полостями через слои вибродемпфирующего материала и гидроизоляционного материала с зазором относительно несущих стен производственного помещения, причем полости базовой плиты заполнены вибродемпфирующим материалом, например вспененным полимером.

На фиг.1 изображен общий вид сейсмостойкого производственного здания, на фиг.2 - разрез межэтажного перекрытия здания, на фиг.3 - конструкция подвесного потолка, на фиг.4 - схема виброизоляции железобетонной плиты в основании здания, фиг.5 - общий вид виброизолятора, фиг.6 - разрез А-А виброизолятора, фиг.7 - общий вид сетчатого виброизолятора, фиг.8 - разрез А-А сетчатого виброизолятора, на фиг.9 изображен общий вид штучного звукопоглотителя, на фиг.10 - разрез звукопоглощающего винтового элемента штучного поглотителя.

Сейсмостойкое здание (фиг.1) содержит каркас здания с основанием (фиг.4), оконные 9 и дверные 10 проемы и несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5, 6 (пол и потолок), которые облицованы звукопоглощающими конструкциями, а также штучные звукопоглотители 7 и 8, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и установленные над шумным оборудованием 11.

Конструкция пола на упругом основании (фиг.2) содержит установочную плиту 12, выполненную из армированного вибродемпфирующим материалом бетона, которая устанавливается на базовой плите 15 межэтажного перекрытия с полостями 16 через слои вибродемпфирующего материала 14 и гидроизоляционного материала 13 с зазором 17 относительно несущих стен 1, 2, 3, 4 производственного здания. Чтобы обеспечить эффективную виброизоляцию установочной плиты 12 по всем направлениям, слои вибродемпфирующего материала 14 и гидроизоляционного материала 13 выполнены с отбортовкой, плотно прилегающей к несущим конструкциям стен 1, 2, 3, 4 и базовой несущей плите 15 перекрытия.

Для повышения эффективности виброизоляции и сейсмостойкости здания базовые несущие плиты 15 перекрытия (на фиг.2 показана плита 15 перекрытия только для одного этажа здания и с одной стороны несущих стен 1, 2, 3, 4) снабжены в местах их крепления к несущим стенам здания системой пространственной виброизоляции, состоящей из горизонтально расположенных виброизоляторов 26 и 28, воспринимающих вертикальные статические и динамические нагрузки, а также вертикально расположенных виброизоляторов 27, воспринимающих горизонтальные статические и динамические нагрузки. Схема виброизоляторов, выполненных из эластомера, представлена на фиг.5-6. Каждый из виброизоляторов 26, 27, 28 состоит из жестко связанных между собой резиновых плит: верхней 38 и нижней 39 (фиг.5 и 6), в которых выполнены сквозные отверстия 40, расположенные по поверхности виброизолятора в шахматном порядке. По форме виброизоляторы выполнены квадратными или прямоугольными, а также их боковые грани могут быть выполнены в виде криволинейных поверхностей n-го порядка, обеспечивающие равночастотность системы виброизоляции в целом. Отверстия 40 имеют в сечении форму, обеспечивающую равночастотность виброизолятора.

Для повышения эффективности звукоизоляции и звукопоглощения в цехах, находящихся под межэтажным перекрытием, полости 16 заполнены вибродемпфирующим материалом, например вспененным полимером, например полиэтиленом или полипропиленом, а стены 1, 2, 3, 4 облицованы звукопоглощающими конструкциями. В качестве звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций используются плиты из минеральной ваты на базальтовой основе типа «Rockwool», или минеральной ваты типа «URSA», или базальтовой ваты типа П-75, или стекловаты с облицовкой стекловойлоком, причем звукопоглощающий элемент по всей своей поверхности облицован акустически прозрачным материалом (на чертеже не показано), например стеклотканью типа Э3-100 или полимером типа «Повиден».

В качестве звукопоглощающего материала может быть использован также жесткий пористый материал, например пеноалюминий или металлокерамика, или камень-ракушечник со степенью пористости, находящейся в диапазоне оптимальных величин 30÷45%. В качестве звукопоглощающего материала может быть использован материал в виде крошки из твердых вибродемпфирующих материалов, например эластомера, или полиуретана, или пластиката, причем размер фракций крошки лежит в оптимальном интервале величин 0,3÷2,5 мм (на чертеже не показано).

Подвесной акустический потолок (фиг.3) состоит из жесткого каркаса 19, выполненного по форме в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами сторон в плане В×С, отношение которых лежит в оптимальном интервале величин В:С=1:1…2:1, подвешиваемого к потолку производственного здания с помощью подвесок 21, имеющих скобы 22 для прокладки проводов электропитания к светильникам 24, установленным в каркасе 19. Крепление каркаса к потолку осуществляется с помощью дюбель-винтов 23. К каркасу прикреплен перфорированный лист 20, на котором через слой акустического прозрачного материала 25 расположен слой звукопоглощающего материала 18. При монтаже акустического потолка должны соблюдаться оптимальные соотношения размеров: D - от точки подвеса каркаса до любой из его сторон и E - толщины слоя звукопоглощающего материала, причем отношение этих размеров должно находиться в оптимальном интервале величин E:D=0,1…0,5. Перфорированный лист 20 имеет следующие параметры перфорации: диаметр перфорации 3…7 мм, процент перфорации 10…15%, причем по форме перфорация может быть выполнена в виде отверстий круглого, треугольного, квадратного, прямоугольного или ромбовидного сечения (на чертеже показаны квадратные отверстия). В случае некруглых отверстий в качестве условного диаметра следует считать максимальный диаметр вписываемой в многоугольник окружности.

На фиг.4 представлена схема виброизоляции железобетонной плиты, состоящей из связанных между собой железобетонных балок 29 в основании здания, которая является вариантом виброзащиты без домкратов и включает в себя, по крайней мере, четыре резиновых виброизолятора 33 (фиг.5 и 6), устанавливаемых между металлической плитой 34 и железобетонной балкой 29, расположенной в основании 30 здания, выполненного заодно целое с, по крайней мере, восемью ленточными фундаментными блоками 31 и 32, являющимися своеобразными "ловушками", а каждая из металлических плит 34 установлена на, по крайней мере, трех железобетонных столбах-упорах 35. Между каждыми ленточными фундаментными блоками 31 и 32 и каждой из железобетонных балок 29 устанавливаются песчаные подушки 37, а под резиновыми виброизоляторами 33 закреплены тензорезисторные датчики 36, контролирующие осадку виброизоляторов 33. Песчаные подушки 37 установлены в металлических разъемных обоймах.

В процессе возведения сейсмостойкого здания опалубка железобетонной монолитной стены опирается на песчаные подушки 37, заключенные в разборную металлическую обойму. После отвердения бетона и снятия опалубки между выступами "ловушками" 31 и 32 устанавливается виброизолятор 33 в сборе. После того как бетон в балке 29 наберет достаточную прочность, металлическая обойма размыкается и песок из "подушки" извлекается, а балка 29 опирается на виброизолятор 33. В дальнейшем, по мере воздвижения здания, виброизолятор 33 сжимается. Демонтаж и замена виброизолятора 33 производятся с помощью домкратов (на чертеже не показано).

При монтаже системы виброзащиты здания указанным способом необходимо соблюдать следующие положения:

- виброизоляторы 33 должны быть смонтированы уже в начальной стадии строительства, в связи с чем они должны быть заранее изготовлены и испытаны;

- должна быть обеспечена сохранность виброизоляторов 33 и тензорезисторных датчиков 36 от воздействия неблагоприятных природных факторов в период строительства;

- высота песчаной подушки 37 назначается по расчету, исходя из осадки виброизоляторов 33 под нагрузкой и с течением времени;

- для регулировки зазора между железобетонной балкой 29 и "ловушкой" на последней устанавливаются, по крайней мере, две съемные металлические плиты толщиной по 1 см.

Каждый из виброизоляторов 33 (фиг.5 и 6) состоит из жестко связанных между собой резиновых плит: верхней 38 и нижней 39, в которых выполнены сквозные отверстия 40, расположенные по поверхности виброизолятора в шахматном порядке. По форме виброизоляторы 33 выполнены квадратными или прямоугольными, а также их боковые грани могут быть выполнены в виде криволинейных поверхностей n-го порядка, обеспечивающие равночастотность системы виброизоляции в целом. Отверстия 40 имеют в сечении форму, обеспечивающую равночастотность виброизолятора 33.

Для повышения эффективности виброизоляции и сейсмостойкости здания базовые несущие плиты 15 перекрытия (на фиг.2 показана плита 15 перекрытия только для одного этажа здания и с одной стороны несущих стен 1, 2, 3, 4) снабжены в местах их крепления к несущим стенам здания системой пространственной виброизоляции, состоящей из горизонтально расположенных виброизоляторов 26 и 28, воспринимающих вертикальные статические и динамические нагрузки, а также вертикально расположенных виброизоляторов 27, воспринимающих горизонтальные статические и динамические нагрузки. Схема виброизоляторов, выполненных из эластомера, представлена на фиг.5-6. Каждый из виброизоляторов 26, 27, 28 состоит из жестко связанных между собой резиновых плит: верхней 38 и нижней 39 (фиг.5 и 6), в которых выполнены сквозные отверстия 40, расположенные по поверхности виброизолятора в шахматном порядке. По форме виброизоляторы выполнены квадратными или прямоугольными, а также их боковые грани могут быть выполнены в виде криволинейных поверхностей n-го порядка, обеспечивающие равночастотность системы виброизоляции в целом. Отверстия 40 имеют в сечении форму, обеспечивающую равночастотность виброизолятора.

Возможен вариант использования виброизолятора шайбового сетчатого (фиг.7 и 8), который состоит из основания 41, упругого сетчатого элемента 47 и шайб 45, 46, взаимодействующих со втулками 43, 44. Он содержит основание 41 в виде пластины с крепежными отверстиями 42, сетчатый упругий элемент 47, нижней частью опирающийся на основание 41 и фиксируемый нижней шайбой 46, жестко соединенной с основанием 41, а верхней частью фиксируемый верхней нажимной шайбой 45, жестко соединенной с центрально расположенной втулкой 44, охватываемой соосно расположенной втулкой 43, жестко соединенной с основанием 41.

Плотность сетчатой структуры упругого сетчатого элемента (фиг.8) находится в оптимальном интервале величин 1,2…2,0 г/см³, причем материал проволоки упругих сетчатых элементов - сталь марки ЭИ-708, а диаметр ее находится в оптимальном интервале величин 0,09…0,15 мм. Плотность сетчатой структуры внешних слоев упругого сетчатого элемента в 1,5 раза больше плотности сетчатой структуры внутренних слоев упругого сетчатого элемента. Упругий сетчатый элемент 47 может быть выполнен комбинированным из сетчатого каркаса, залитого эластомером, например полиуретаном.

Внутри центрально расположенных и осесимметричных втулок 43, 44, закрепленных соответственно на верхней 45 нажимной шайбе и нижней 46 шайбе виброизолятора, жестко соединенной с основанием таким образом, что нижняя втулка 43 охватывает верхнюю втулку 44, дополнительно расположен демпфирующий элемент в виде винтовой цилиндрической пружины 48, витки которой покрыты слоем полиуретана.

Штучный звукопоглотитель состоит из жесткого перфорированного каркаса (фиг.9 и 10), состоящего из нижней части 49 конической формы с крышкой 50 и верхней части 52 цилиндрической формы с верхним основанием 54 и нижним основанием 53, которое крепится к крышке 50 нижней части перфорированного каркаса посредством вибродемпфирующей прокладки 56, позволяющей демпфировать высокочастотные колебания, передающиеся от объекта (на чертеже не показано). Прокладка 56 может быть выполнена из вибродемпфирующего материала, например пластиката типа «Агат» или мастики ВД-17.

К верхнему основанию 54 верхней части цилиндрического перфорированного каркаса шарнирно закреплен элемент 58, при помощи которого каркас крепится к требуемому объекту, например потолку производственного помещения, несущей конструкции производственного оборудования, причем полости нижней части 49 и верхней части 52 перфорированного каркаса заполнены соответственно звукопоглощающими материалами 51 и 55 различной плотности, подавляющими шумы соответственно в различных полосах частот, например на низких и средних частотах соответственно.

Вокруг верхней части 52 цилиндрической формы перфорированного каркаса расположен по крайней мере один винтовой звукопоглощающий элемент 57 штучного поглотителя, выполненный в виде цилиндрической винтовой пружины из плотного негорючего звукопоглощающего материала, например винипора, или тонкого стекловолокна, обернутого акустически прозрачным материалом, например стеклотканью.

Винтовой звукопоглощающий элемент 57 штучного поглотителя (фиг.10) может быть выполнен в виде полого винтового звукопоглощающего элемента, образованного внешней 59 и внутренней 60 винтовыми поверхностями, образующими полость 62, при этом пространство, образованное внешней 59 и внутренней 60 винтовыми поверхностями, например, круглого сечения, заполнено звукопоглощающим материалом 61.

Сейсмостойкое производственное здание работает следующим образом.

Звуковая энергия от оборудования 11, находящегося в помещении, попадает на слои звукопоглощающего материала звукопоглощающих конструкций, которыми облицованы несущие стены 1, 2, 3, 4 с ограждениями 5, 6 (пол 6 и потолок 5), а также штучные звукопоглотители 7 и 8, содержащие каркас, в котором расположен звукопоглощающий материал, и установленные над шумным оборудованием 11. Переход звуковой энергии в тепловую (диссипация, рассеивание энергии) происходит в порах звукопоглотителя, представляющих собою модель резонаторов "Гельмгольца", где потери энергии происходят за счет трения колеблющейся с частотой возбуждения массы воздуха, находящегося в горловине резонатора, о стенки самой горловины, имеющей вид разветвленной сети пор звукопоглотителя. Коэффициент перфорации перфорированной стенки принимается равным или более 0,25. Для предотвращения высыпания мягкого звукопоглотителя предусмотрена стеклоткань, например, типа Э3-100, расположенная между звукопоглотителем и перфорированной стенкой.

Звуковые волны, распространяясь в производственном помещении, взаимодействуют с заполненными звукопоглотителем полостями.

Взаимодействие звуковых волн с активными полостями, заполненными негорючим звукопоглотителем, приводит к шумоглушению в высокочастотном диапазоне, причем за счет наличия полостей увеличивается поверхность звукопоглощения и, как следствие, повышается коэффициент звукопоглощения.

При установке виброактивного оборудования на плиту 12 происходит двухкаскадная виброзащита за счет вибродемпфирующих вкраплений в саму массу плиты 12, а также за счет слоя вибродемпфирующего материала 14, в качестве которого могут быть использованы иглопробивные маты типа «Вибросил» на базе кремнеземного или алюмоборосиликатного волокна, материал из твердых вибродемпфирующих материалов, например пластиката, из звукоизоляционных плит на базе стеклянного штапельного волокна типа «Шумостоп» с плотностью материала, равной 60÷80 кг/м³.

Подвесной акустический потолок работает следующим образом.

Подвешивание подвесного акустического потолка осуществляют на подвесках 21, которые крепятся к потолку с помощью дюбель-винтов 23, а другим концом закреплены на каркасе 19. Звуковые волны, распространяясь в производственном помещении, взаимодействуют с заполненными звукопоглотителем полостями.

Взаимодействие звуковых волн с активными полостями, заполненными негорючим звукопоглотителем, приводит к шумоглушению в высокочастотном диапазоне, причем за счет наличия полостей увеличивается поверхность звукопоглощения и, как следствие, повышается коэффициент звукопоглощения.

Штучный звукопоглотитель работает следующим образом.

Звуковые волны, распространяясь на промышленном или транспортном объектах, взаимодействуют со звукопоглощающим материалом 51 и 55 различной плотности, подавляющим шумы соответственно в различных полосах частот, например на низких и средних частотах соответственно.

Звукопоглощение на средних и высоких частотах происходит за счет акустического эффекта, построенного по принципу резонаторов Гельмгольца, образованных воздушными полостями перфорированного каркаса. Различные объемы резонансных полостей: нижней части 49 конической формы и верхней части 52 цилиндрической формы, служат для подавления звуковых колебаний в требуемом звуковом диапазоне частот, как правило большие объемы для подавления шума в низкочастотном диапазоне, а малые - в области средних и высоких частот. Взаимодействие звуковых волн с винтовым звукопоглощающим элементом 57 приводит к шумоглушению в высокочастотном диапазоне, а выполнение звукопоглотителя из негорючих материалов делает конструкцию пожаробезопасной.

Источники библиографии, цитируемые при патентном поиске

1. Кочетов О.С., Сажин Б.С. Снижение шума и вибраций в производстве: теория, расчет, технические решения. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. - 319 с. (рис.П.III.10, стр.263).

2. Кочетов О.С. Текстильная виброакустика. Учебное пособие для вузов. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, группа «Совьяж Бево» 2003. - 191 с. (рис.П.2, стр.176).

3. Кочетов О.С. Лабораторный практикум по производственной санитарии. Учебное пособие для вузов. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, группа «Совьяж Бево» 2004. - 168 с. (рис.6.6, стр.120).

4. Кочетов О.С. Звукопоглощающие конструкции для снижения шума на рабочих местах производственных помещений. Журнал «Безопасность труда в промышленности», №11, 2010, стр.46-50 (рис.1; стр.48 и рис.2; стр.48).

5. Кочетов О.С. Звукопоглощающая конструкция цеха // Патент на изобретение №2414565. Опубликовано 20.03.2011. Бюллетень изобретений №8.

6. Кочетов О.С. Способ акустической защиты оператора // Патент на изобретение №2431022. Опубликовано 10.10.2011. Бюллетень изобретений №28.

7. Кочетов О.С., Стареева М.О. Производственное помещение с низким уровнем шума // Патент на изобретение №2425931. Опубликовано 10.08.2011. Бюллетень изобретений №22.

8. Дурнев Р.А., Кочетов О.С., Иванова О.Ю. Сейсмостойкое здание // Патент на полезную модель №120447. Опубликовано 20.09.2012. Бюллетень изобретений №26.

9. Дурнев Р.А., Кочетов О.С., Иванова О.Ю., Авгуцевичс А.Х. Сейсмостойкое сооружение // Патент на полезную модель №123433. Опубликовано 27.12.2012. Бюллетень изобретений №36.

10. Дурнев Р.А., Кочетов О.С., Иванова О.Ю., Авгуцевичс А.Х. Сейсмостойкая кирпичная стеновая панель // Патент на полезную модель №118331. Опубликовано 20.07.2012. Бюллетень изобретений №20.

11. Дурнев Р.А., Иванова О.Ю., Кочетов О.С. Малошумное сейсмостойкое производственное здание // Патент на полезную модель №129125. Опубликовано 20.06.2013. Бюллетень изобретений №17.