Reklama

Neprůzvučnost konstrukcí dřevostaveb

19.8.2013

Ing. Vladimír Plaček, Ph.D., Technický a zkušební ústav stavební Praha, pobočka Ostrava, Ing. Pavel Rubáš, Ph.D., Technický a zkušební ústav stavební, pobočka Teplice

Recenzovaný

Nároky na akustické vlastnosti budov se mění s vývojem lidstva a jeho technických aktivit. Jde zejména o požadavky na potlačení nežádoucích účinků zvuku a v určitých případech též naopak, o požadavky na zajištění slyšitelnosti a srozumitelnosti zvuku. Článek seznamuje s měřením neprůzvučnosti R [dB] u stěn v laboratorních podmínkách bez vedlejších cest šíření zvuku.

Reklama

Úvod

Nároky na akustické vlastnosti budov se mění s vývojem lidstva a jeho technických aktivit. Jde zejména o požadavky na potlačení nežádoucích účinků zvuku a v určitých případech též naopak, o požadavky na zajištění slyšitelnosti a srozumitelnosti zvuku. Stále intenzivnější automobilová doprava s sebou všeobecně přináší i zvyšování hladiny hluku v životním prostředí, a tím i požadavky na neprůzvučnost obvodových plášťů budov. Uživatelé budovy vyžadují akustický komfort a přenos rušivého zvuku ze sousedních místností či bytů přestali považovat za obvyklý jev, který jim byl u masivní panelové výstavby vysvětlován jako neřešitelný. Rušivý zvuk vzniká kmitáním částic prostředí a šíří se vlněním, do něhož se prostředí uvede sdílením kmitavého pohybu. Uživatel budovy pociťuje mohutnost, výšku, délku trvání, informační obsah i nespecifické účinky působení zvuku po stránce fyziologické a psychické. Důležitou vlastností stavebních konstrukcí je neprůzvučnost, která se projevuje ztrátou akustického výkonu při přenosu vzduchem prostřednictvím konstrukce.

Zjišťování neprůzvučnosti stěn – laboratorní měření

Měření neprůzvučnosti R [dB] se u stěn provádí v laboratorních podmínkách bez vedlejších cest šíření zvuku. Zvuková izolace je měřena podle série norem ČSN EN ISO 10140, k vyhodnocení výsledků se používá norma ČSN EN ISO 717-1. Hlavním výsledkem akustické zkoušky, který se objektivně vztahuje k měřené konstrukci, je vážená laboratorní neprůzvučnost R_w. Zkoušená stěna je instalována ve zkušebním otvoru mezi vysílací a přijímací dozvukovou místností stanoveným technologickým postupem výrobce. Vzduchová neprůzvučnost na jednotlivých třetinových pásmech se určí ze vztahu:

kde je

L₁: – průměrná hladina akustického tlaku ve vysílací místnosti [dB]
L₂: – průměrná hladina akustického tlaku v přijímací místnosti [dB]
S: – plocha zkoušené dělicí konstrukce [m²], u oken standardně 1,82 m²
A: – ekvivalentní pohltivá plocha přijímací místnosti [m²]
Určí se ze změřené doby dozvuku podle vztahu:

V: – objem přijímací místnosti [m³]
T: – doba dozvuku přijímací místnosti [s]

Dále se určují faktory přizpůsobení spektru (C; C_tr), které lze podle typu spektra zdroje hluku v reálných podmínkách přičítat k hodnotě R_w. Hodnota C představuje faktor pro růžový šum vážený funkcí A, který zhruba odpovídá spektru hluku při činnostech v bytě nebo dopravnímu hluku na dálnicích.

Faktor C_tr se vztahuje k váženému spektru dopravního hluku v městech a obcích. Uvedené faktory (C; C_tr) se uvádějí současně s veličinou R_w a platí pro základní kmitočtový rozsah 100 až 3 150 Hz. Jako doplňkové byly dále určeny faktory přizpůsobení spektru pro rozšířený kmitočtový rozsah C_100–5000 a C_{tr, 100–5000}, které jsou vztaženy ke kmitočtovému rozsahu 100 až 5000 Hz. Podrobnější popis a způsob použití faktorů je uveden v ČSN EN ISO 717-1, přílohy A a B.

Obrázek 1 – Idealizovaný průběh neprůzvučnosti R [dB] jednoduché konstrukce v závislosti na kmitočtu f [Hz] a hodnotě ztrátového činitele η [-] charakterizujícího tlumení materiálu použitého na konstrukci

Neprůzvučnost jednoduchých dřevěných konstrukcí

Jednovrstvé dřevěné konstrukce jsou z hlediska akustiky takové stavební konstrukce, které kmitají jako celek. Skládají se z jednoho stavebního materiálu nebo z několika vrstev obdobných materiálů, které mají podobné akustické vlastnosti (např. lepené dřevěné desky).

U jednovrstvých dřevěných konstrukcí jednoznačně platí, že vzduchová neprůzvučnost roste s jejich plošnou hmotností a obecně roste s kmitočtem dopadající zvukové energie. V tzv. oblasti koincidence vzduchová neprůzvučnost klesá, přičemž důvodem je vzájemně rušivý účinek setrvačné hmoty a ohybové tuhosti konstrukce. U jednovrstvých dřevěných konstrukcí je účinek ohybové tuhosti nevýhodný, jelikož je jejich plošná hmotnost obvykle nižší než 100 kg/m² – což znamená polohu kritické frekvence v rozsahu 200 až 1 000 Hz. Jednoduchá homogenní stěna na bázi dřeva je závislá na kmitočtu dopadajícího zvuku. Kmitočtový průběh její neprůzvučnosti je typický tím, že v tzv. zvukoizolační oblasti (rozsah pásem 100 až 3 150 Hz) zahrnuje všechny oblasti frekvenčního průběhu neprůzvučnosti:

Oblast vlivu rezonance zvané vlastní nebo normální f₀, kde se na frekvenčním průběhu neprůzvučnosti projevuje vliv ztrátového činitele. Malé hodnotě ztrátového činitele odpovídají velké rozdíly mezi lokálními maximy a minimy neprůzvučnosti, a naopak. Ztrátový činitel dřeva napříč vláken je uváděn nízkou hodnotou 0,01. V této kmitočtové oblasti je neprůzvučnost konstrukce malá. Je proto vhodné návrhem rozměrů konstrukce polohu oblasti vlastní rezonance regulovat tak, aby f₀ < 100 Hz.
Oblast vlivu hmotnosti je kmitočtovou oblastí v intervalu přibližně od trojnásobku kmitočtu vlastní rezonance f₀ do jedné třetiny kritického kmitočtu vlnové koincidence f_cr. Je typická pro konstrukce s malou ohybovou tuhostí. Vazba mezi konstrukcí a prostředím je v této oblasti optimálně malá, rychlost a vlnová délka volných ohybových vln v konstrukci je menší než rychlost a vlnová délka budicích zvukových vln dopadajících ze vzduchu. Teoreticky ohybové vlnění v konstrukci nenastává a vzduchová neprůzvučnost nezávisí na materiálové skladbě konstrukce, ale závisí pouze na kmitočtu a na plošné hmotnosti konstrukce. Platí tzv. zákon hmotnosti, přičemž je zde hmotnost ideálně využita. Pro nahodilý dopad zvukových vln se při zdvojnásobení plošné hmotnosti zvětšuje vzduchová neprůzvučnost o 6 dB. Hmotnost jednoduché dřevěné konstrukce je optimálně využita, jestliže je tato oblast v co největší míře obsažena ve zvukoizolační oblasti. Důsledkem uvedené teorie je vyšší neprůzvučnost hmotnějších stěn.
Oblast vlivu vlnové koincidence se nachází nad kritickým kmitočtem vlnové koincidence f_cr. Je charakterizována poklesem vzduchové neprůzvučnosti v důsledku rostoucího vlivu ohybové tuhosti konstrukce. Míra poklesu závisí na materiálových parametrech konstrukce. Obecně platí, že s rostoucí tloušťkou stěny se vlnová koincidence f_cr posouvá do nižších kmitočtů. Průmět délky šikmo dopadající zvukové vlny je shodný s délkou ohybové vlny ve stěně. Stěna je rozkmitána s výchylkou rovnající se výchylce vzduchových částic dopadající zvukové vlny, stěna vyzařuje do chráněného prostoru zvukovou vlnu, jejíž intenzita je snížena pouze ztrátami způsobenými vnitřním tlumením stěny. U příček malých tlouštěk je efekt patrný u vysokých kmitočtů (nad 2 000 Hz).

Neprůzvučnost dvojitých dřevěných konstrukcí

Obrázek 2 – Rozdíl mezi jednoduchou (1) a dvojitou, resp. dvouprvkovou konstrukcí (2)

Dvojité resp. dvouprvkové konstrukce jsou konstrukce sestavené ze dvou jednoduchých konstrukcí, vzájemně oddělených průběžnou separační vrstvou z materiálu o zanedbatelné hmotnosti (vzduch či minerální vlákna). Dřevěná dvojitá konstrukce je z pohledu stavební akustiky lehkou dělicí příčkou, jež se skládá ze dvou ohybově pružných vrstev montovaných na vloženou nosnou konstrukci. V kmitočtové charakteristice dvojité konstrukce se kromě vlivu kmitočtových oblastí specifických pro jednoduché konstrukce (viz předchozí text) uplatňují navíc vlivy kmitočtových oblastí specifických pro konstrukce dvojité:

Vliv rezonance typu hmotnost–poddajnost–hmotnost, kde neprůzvučnost degraduje na hodnotu srovnatelnou s jednoduchou konstrukcí. Je vhodné regulovat polohu rezonančního kmitočtu kombinacemi plošných hmotností obou jednoduchých prvků s tloušťkou separační vrstvy tak, aby f_r < 100 Hz. Rezonanční kmitočet klesá s rostoucí plošnou hmotností obou jednoduchých prvků a s rostoucí tloušťkou separační vrstvy.
Vliv separace dílčích jednoduchých prvků následuje za oblastí vlivu rezonance. Maxima zvýšení neprůzvučnosti (ve srovnání s hodnotou odpovídající dvěma jednoduchým prvkům v nulové vzdálenosti od sebe) je dosaženo přibližně na čtyřnásobku rezonančního kmitočtu. Hodnota tohoto maxima roste v přímé závislosti na tloušťce separační vrstvy.
Oblast stojatého vlnění (půlvlnné rezonance) v separační vrstvě se projevuje snižováním neprůzvučnosti dvojité konstrukce ve srovnání s hodnotou odpovídající vlivu vzájemného oddělení dílčích jednoduchých prvků. Stojaté vlnění vzniká skládáním přímé zvukové vlny (přenesené do separační vrstvy) se zvukovou vlnou odraženou na vnitřním povrchu dílčích jednoduchých prvků. Kmitočet prvního minima neprůzvučnosti v této oblasti závisí na rychlosti podélných zvukových vln v materiálu separační vrstvy a tloušťce separační vrstvy. Oblast vlivu stojatého vlnění se částečně překrývá s oblastí vlivu separace. S rostoucí tloušťkou separační vrstvy d [m] oblast vlivu stojatého vlnění zvýšenou měrou proniká do zvukoizolačnho kmitočtového pásma. Negativní vliv oblasti stojatého vlnění ve vzduchové separační vrstvě se účinně reguluje vyložením mezery porézním pohlcovačem, jehož tloušťka h ≥ 0,5 d.

Národní požadavky na vzduchovou neprůzvučnost stěn

Ve fázi návrhu a v projektové přípravě lze při posuzování též použít změřené nebo vypočtené laboratorní hodnoty neprůzvučnosti stavebních konstrukcí R_w na bázi dřeva a provést přibližný přepočet na stavební váženou neprůzvučnost R’_w podle vztahu:

R’_w = R_w − k₁

kde je

k₁: – korekce, závislá na vedlejších cestách šíření zvuku:
k₁ = 4 až 8 dB doporučené hodnoty pro lehké dělicí konstrukce ve skeletových, ocelových nebo dřevěných stavbách (deskové dílce, sádrokartonové konstrukce, dřevěné stěny apod.). Pozn.: pro složitější konstrukce nebo dispozice místností se doporučuje stanovit korekci individuálně. Přesnější odhad vlivu vedlejších cest lze získat výpočtem, např. podle ČSN EN 12354-1.

Požadavky vztahující se k rodinným domům, jež jsou typickými reprezentanty dřevostaveb, jsou uvedeny v tabulkách 1 a 2. Ve smyslu předchozích výroků tedy platí, že rozdíl mezi laboratorní a stavební hodnotou je nejméně 4 dB. Musíme počítat s tím, že vážená vzduchová neprůzvučnost změřená na stavbě resp. v budově je v porovnání s váženou vzduchovou neprůzvučností změřenou na stejné dřevěné stěně v laboratoři nejméně o 4 dB nižší. Tato skutečnost má pro návrh zásadní význam. Je-li normový požadavek na příčku uvnitř jednoho bytu, např. mezi ložnicí a pracovnou, vyjádřen kritériem vážené stavební neprůzvučnosti R’_w ≥ 42 dB, musí být hodnota laboratorní vážené neprůzvučnosti nejméně 46 dB, avšak při konzervativním přístupu se doporučuje 50 dB.

Při návrhu neprůzvučnosti dřevěných příček a obvodových stěn nelze spoléhat na teoretické výpočty, neboť Wattersova metoda, jež je součástí běžně dostupného softwaru, funguje spolehlivě pro predikci betonových stěn či stěn z plných cihel. Moderní materiály typu sendvičových dřevěných panelů nelze bez předchozího ověření v laboratoři přepočítávat na jiné tloušťky či skladby. Neprůzvučnost jednoduchých dělicích konstrukcí na bázi dřeva je ovlivňována vlnovou koincidencí a vlastní rezonancí, zatímco u konstrukcí dvojitých se v jejím průběhu objevují další specifické vlivy. Vliv okrajových a dalších podmínek není zanedbatelný – objemová hmotnost dřeva, tloušťky spár, kvalita spárování, povrchové vrstvy, rozměry komponent a kvalita realizace hrají významnou roli.

Tabulka 1 – Vybrané požadavky na zvukovou izolaci mezi místnostmi v budovách
Chráněný prostor (místnost příjmu zvuku)
	Hlučný prostor (místnost zdroje hluku)	Požadavky na zvukovou izolaci [dB]
	Hlučný prostor (místnost zdroje hluku)	Stropy `R’`_w	Stěny `R’`_w
A. Rodinné domy – nejméně jedna obytná místnost bytu
1	Všechny ostatní obytné místnosti téhož bytu	47	42
B. Terasové nebo řadové rodinné domy – obytné místnosti bytu
8	Všechny obytné místnosti v sousedním domě	57	57

Tabulka 2 – Vybrané požadavky na zvukovou izolaci obvodových plášťů budov
Požadovaná zvuková izolace obvodového pláště `R’`_w [dB]
A. Obytné místnosti rodinných a bytových domů	Ekvivalentní hladina akustického tlaku v denní době 06:00–22:00 ve vzdálenosti 2 m před fasádou objektu `L`_Aeq,2m [dB]
	≤ 50 dB	> 50 dB ≤ 55 dB	> 55 dB ≤ 60 dB	> 60 dB ≤ 65 dB	> 65 dB ≤ 70 dB	> 65 dB ≤ 70 dB
	30	30	30	33	38	43
	Ekvivalentní hladina akustického tlaku v noční době 22:00–6:00 ve vzdálenosti 2 m před fasádou objektu `L`_Aeq,2m [dB]
	≤ 40 dB	> 40 dB ≤ 45 dB	> 45 dB ≤ 50 dB	> 50 dB ≤ 55 dB	> 55 dB ≤ 60 dB	> 60 dB ≤ 65 dB
	30	30	30	33	38	43

Závěr

Uvádění laboratorní neprůzvučnosti komponent, resp. dělicích konstrukcí dřevostaveb není povinné, tyto výrobky označené CE mají zaručen volný pohyb po EU a je možné je bez dalších obchodních překážek prodávat na jednotném trhu. Stejná situace však neplatí při navrhování staveb a zabudování výrobků do staveb. Zde již nejsou předpisy, obvykle místní stavební zákony a stavební řády, harmonizovány. V každém členském státě mohou být řádově odlišné úrovně požadavků na neprůzvučnost u zabudované konstrukce. V našich podmínkách slouží pro správný návrh ČSN 73 0532:2010 Akustika – Ochrana proti hluku v budovách a souvisící akustické vlastnosti stavebních výrobků – Požadavky. V národní normě nalezne projektant dřevostavby konkrétní kritérium – minimální požadavek na stavební vzduchovou neprůzvučnost vnitřních a obvodových stěn. Ve spolupráci s investorem vybírá na trhu dřevěné konstrukce s malými omezeními, které mají své opodstatnění s ohledem na akustický komfort.

Literatura

[1] ČECHURA, J. Stavební fyzika 1: Akustika stavebních konstrukcí. Praha: Nakladatelství ČVUT, 1999. ISBN 80-01-01593-9.
[2] BERÁNEK, L. Snižování hluku. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1965.

English Synopsis

Sound insulation of wooden house constructions

The article deals with sound insulation of wooden house constructions, including the national requirements for sound insulation of walls. There is also a brief description of the laboratory measurement of the sound insulation of wall constructions and information about the sound insulation of single and double wood-based structures.