Náhled do problematiky vzduchové neprůzvučnosti dřevostaveb
Článek představuje shrnutí základních informací relevantních pro navrhování konstrukcí dřevostaveb z hlediska vzduchové neprůzvučnosti. Důraz je kladen nejen na masivní a skeletové systémy dřevostaveb, ale i na specifika akustického chování dřevěných stropních konstrukcí s násypy.
Abstrakt
Text shrnuje důležité informace z oblasti navrhování konstrukcí dřevostaveb z hlediska vzduchové neprůzvučnosti, zaměřuje se na masivní systémy i skeletové systémy dřevostaveb a na zvláštnosti akustického chování dřevěných stropních konstrukcí s násypy. Jsou popsány obecné principy, které mohou sloužit jako užitečná vodítka pro architekty a projektanty při návrhu konstrukcí s dřevěnými prvky. Důraz je kladen především na rozdílné akustické chování dřevostaveb v porovnání se zděnými a betonovými konstrukcemi.
1 Úvod
Dřevostavby jsou skupinou ekologicky šetrných konstrukcí, která dosáhla vysokého podílu na stavebním trhu. Tradičně silné postavení mají dřevostavby ve Skandinávii, Kanadě a USA. Rodinné domy v podobě dřevostaveb převládají zejména v Norsku, Švédsku a Finsku, kde dosahují podílu na trhu cca 90 % [6].
Dřevěné konstrukce se z pohledu akustiky odlišují od zděné výstavby zejména nižší hmotností a často i vícenásobným charakterem konstrukcí. Obecně se udává, že čím vyšší je plošná hmotnost dělící konstrukce, tím vyšší neprůzvučnosti konstrukce dosahuje. Pokud se však podíváme na frekvenční průběh neprůzvučnosti jednoduché stěny, tak zjistíme, že toto pravidlo platí především v oblasti platnosti zákona hmotnosti, kde se neprůzvučnost zvyšuje o 6 dB na oktávu, tedy o 6 dB za každé zdvojnásobení plošné hmotnosti (která se rovná součinu objemové hmotnosti a tloušťky konstrukce).
V oblasti rezonance a vlnové koincidence jsou pro neprůzvučnost jednoduché stěny významné i další parametry jako dynamický modul pružnosti, ztrátový činitel, výška a délka konstrukce. V případě víceprvkových konstrukcí, mezi které se dřevostavby často řadí, neprůzvučnost podstatně ovlivňuje také víceprvková rezonance a útlum zvuku včetně možného stojatého vlnění ve vzduchové mezeře. Vliv víceprvkové rezonance na neprůzvučnost je přitom pomocí výpočtu obtížné predikovat.
2 Typy dřevěných konstrukcí
Při návrhu dřevěných konstrukcí máme na výběr mezi mnoha konstrukčními variantami a jejich kombinacemi. Z hlediska roznášení zatížení působí tyto konstrukce jako nosníky, desky a stěny, případně jako jejich kombinace.
Podrobnější členění dřevěných konstrukcí je pro snazší představu čtenáře uvedeno v Tab. 1 (stěnové konstrukce) a v Tab. 2 (stropní konstrukce). Bližší informace jsou pak uvedeny v kapitolách 3 a 4.
| Typ konstrukce | Schéma | Popis |
|---|---|---|
| s tuhým jádrem, srubového typu (masivní konstrukce) |
|
|
| s voštinou |
|
|
| s poddajným jádrem dvojité |
|
|
| s poddajným jádrem vícenásobné |
|
|
| Typ konstrukce | Další dělení |
|---|---|
| deskový |
|
| nosníkový |
|
| komůrkový |
|
3 Dřevostavby – masivní systémy
Masivní dřevěné konstrukce lze rozdělit na tradiční (srubové a roubené stavby) a novodobé (stavby z vrstveného masivu, stavby ze skládaných přířezů a stavby z dílcových prvků) [7]. Užívání masivních systémů dřevostaveb lze vysledovat do dávné minulosti, první srubové konstrukce na území Evropy se datují před nástupem doby bronzové (cca 3500 př. n. l.).
Masivní systémy můžeme z pohledu stavební akustiky chápat jako jednoduché konstrukce, buď jednovrstvé, nebo vícevrstvé. Pokud není masivní konstrukce kombinovaná s ohybově poddajnou konstrukcí (například se sádrokartonovou předstěnou), nejedná se o víceprvkovou konstrukci.
Masivní systémy mají oproti skeletovým systémům dřevostaveb vyšší plošnou hmotnost. I přesto se však ve srovnání s jinými konstrukcemi na silikátové nebo cihelné bázi jedná o poměrně lehké konstrukce. Samotná masivní dřevěná konstrukce se chová jako jednoduchá konstrukce, jak již bylo popsáno výše.
Konstrukce z masivního dřeva jsou oproti tradičním konstrukcím více zatíženy problémem bočního přenosu zvuku (v závislosti na kvalitě návrhu a provedení 0 až 10 dB, dle [8]). Hodnota vážené laboratorní neprůzvučnosti se proto může od hodnoty vážené stavební neprůzvučnosti lišit více, než je obvyklé u silikátových a zděných konstrukcí.
Z akustického hlediska je rovněž důležité, jak jsou desky masivní konstrukce spojeny (lepením nebo hřebíkovými spoji). Hřebíkové spoje můžeme považovat za vhodnější, protože lepením se zvyšuje tuhost konstrukce, čímž se snižuje neprůzvučnost konstrukce. Srovnání neprůzvučnosti lepené masivní konstrukce a masivní konstrukce spojené hřebíkovým spojem je možné dohledat v publikaci [1].
Stejně jako u jakékoliv jiné masivní konstrukce lze zvýšení neprůzvučnosti dosáhnout zvýšením plošné hmotnosti. Jak již bylo řečeno, v oblasti platnosti zákona hmotnosti se neprůzvučnost zvyšuje o 6 dB na každé zdvojnásobení plošné hmotnosti – což není příliš efektivní. Vhodnější může být zdvojení masivní konstrukce a umístění porézního materiálu eliminujícího stojaté vlnění do vzniklé mezery.
4 Dřevostavby – skeletové systémy
Skeletové systémy dřevostaveb zahrnují celou řadu odlišných typů konstrukcí, které se obvykle skládají z dřevěných sloupků, prahů a trámů (nebo fošen), které jsou většinou opláštěny OSB deskami. K této konstrukci je možné připojit jak vnější, tak vnitřní předstěnu.
Jedná se proto o víceprvkové konstrukce, které oproti jednoduchým silikátovým stěnám mají výhodu útlumu v alespoň jedné vzduchové mezeře. Vzduchovou mezeru se z hlediska neprůzvučnosti doporučuje provádět maximálně do tloušťky 200 mm, protože při jejím dalším zvětšování již útlum významně nenarůstá. Mezeru, která vznikne mezi jednotlivými plášti, se vždy také doporučuje vyplnit materiálem pohlcujícím zvuk a to nejméně do poloviny tloušťky mezery. Díky tomuto opatření se efektivně eliminuje stojaté vlnění. U skeletových systémů může v některých případech docházet i ke čtyřnásobné rezonanci (mezi až čtyřmi dílčími deskovými konstrukcemi navzájem), která výrazně snižuje zvukově izolační schopnost konstrukce.
Významnými parametry materiálu pohlcujícího zvuk (nejčastěji minerální, skelná nebo kamenná vlákna), který použijeme k vyplnění vzduchové mezery, jsou objemová hmotnost a tloušťka tohoto materiálu. Byly zdokumentovány experimenty s deskami minerální vaty o různých objemových hmotnostech (viz [1]) a rozdíly v naměřené neprůzvučnosti zkoumaných konstrukcí byly patrné zejména v oblasti vysokých kmitočtů, kde se vyskytuje půlvlnná rezonance.
![Obr. 1: Neprůzvučnost stěny tloušťky 95 mm (s využitím [3] a [8]) (10 mm Bukolamid Duplex + 75 mm vzduchová mezera (kovový rošt) + 10 mm Bukolamid Duplex), var. a – nevyplněná vzduchová mezera, var. b – mezera vyplněna minerální plstí tl. 60 mm](/docu/clanky/0124/012459o15.png)
Obr. 1: Neprůzvučnost stěny tloušťky 95 mm (s využitím [3] a [8]) (10 mm Bukolamid Duplex + 75 mm vzduchová mezera (kovový rošt) + 10 mm Bukolamid Duplex)
var. a – nevyplněná vzduchová mezera,
var. b – mezera vyplněna minerální plstí tl. 60 mm
Pokud však materiál eliminující stojaté vlnění nebude použit vůbec, neprůzvučnost poklesne na všech kmitočtových pásmech. Na Obr. 1 je ukázán význam použití materiálu pohlcujícího zvuk ve vzduchové mezeře mezi dvěma plášti dřevěné stěny (vzduchová mezera 75 mm + kovový rošt oboustranně opláštěný deskami Bukolamid Duplex, tl. 10 mm).
Konstrukce dřevěných skeletů se dají charakterizovat jako konstrukce sendvičové s relativně nízkou plošnou hmotností. Stejně jako u masivních konstrukcí, je i zde vážným problémem boční přenos zvuku. Důležitou podmínkou zajištění vysoké neprůzvučnosti je vysoká kvalita provedení.
Hodnocení neprůzvučnosti konstrukcí probíhá v ČR pomocí veličiny vážená stavební neprůzvučnost R'w [dB] pro zvukově-izolační pásmo zohledňující kmitočty od 100 Hz do 3150 Hz. Slabina skeletových dřevěných konstrukcí je ale právě v oblasti nízkých frekvencí, a to i frekvencí nižších než 100 Hz (především třetino-oktávová pásma 50 Hz, 63 Hz a 80 Hz).
Vhodnějším deskriptorem dle [4] mohou být faktory přizpůsobení spektru rozšířené právě o nízké frekvence C50-3150 [dB] a Ctr50-3150 [dB]. Dle zdroje [5] je veličina C50-3150 zavedena do hodnocení pouze ve dvou zemích Evropy. Jedná se o Švédsko, kde je toto hodnocení povinné a Norsko, kde je pouze doporučené.
5 Specifika pro stropní konstrukce s násypy
Násyp (písek, škvára, stavební suť, vápencová drť a podobně) ve skladbě podlahy je stavebním materiálem, který byl tradičně užíván v trámových a fošnových stropech. V některých konstrukčních systémech se s výhodou používá dodnes. Zatímco u trámových a fošnových stropů se používá ve skladbě podlahy, u komůrkových stropů ho lze použít ve dvou úrovních – kromě skladby podlahy i na spodní záklopné desce komůrkového panelu.
![Obr. 2: Průběh vložného útlumu vlivem násypu o plošné hmotnosti 90 kg/m² (U dolní index np,90) a o poloviční plošné hmotnosti U dolní index np,45 podle [8]](/docu/clanky/0124/012459o17.png)
Obr. 2: Průběh vložného útlumu vlivem násypu o plošné hmotnosti 90 kg/m2 (Unp,90) a o poloviční plošné hmotnosti Unp,45 podle [8]
Obecně platí, že čím vyšší je objemová hmotnost násypu, tím vyšší hodnoty vzduchové neprůzvučnosti je docíleno. Na Obr. 2 je znázorněn vložný výpočtový útlum vlivem násypu o různých plošných hmotnostech (90 a 45 kg/m2) ve skladbě podlahy. Analyzováním řádově dvaceti odpovídajících konstrukcí bylo zjištěno, že zlomy v útlumu nastávají při 4, 10 a 20násobku rezonančního kmitočtu (který je určen podle typu stropní konstrukce mezi nosným systémem stropu a tuhými vrstvami podlahy).
Výpočtová metoda sloužící ke stanovení neprůzvučnosti konstrukcí s násypy je uvedena v literatuře [8]. Tato metoda slouží k určení útlumu vlivem násypu při zohlednění plošné hmotnosti násypu a rezonančního kmitočtu v mezeře s násypem.
Násyp pomáhá zvýšit vzduchovou neprůzvučnost stropní konstrukce mnohdy více, než kdyby byla použita těžká plovoucí podlaha stejné hmotnosti (násyp využívá výhodné kombinace vysoké hmotnosti a malé tuhosti). Akustická energie se vlivem tření mezi zrny sypkého materiálu přeměňuje na jiné typy energie, především na tepelnou energii.
Na zvukovou izolaci dané stropní konstrukce však nemá vliv pouze plošná hmotnost násypu, ale také to, na jaký materiál násyp klademe (je nutné zabránit propadávání násypu skrze tuto vrstvu v důsledku sesychání dřeva nebo reologických změn, například položením separační vrstvy, lepenky a podobně). Váženou stavební neprůzvučnost stropní konstrukce také výrazně ovlivní řešení návaznosti na okolní stropní a stěnové konstrukce.
Vliv násypu lze ukázat na příkladu z literatury [2]. Jedná se o dřevěný trámový strop (trámy 140/200 mm s roztečí 700 mm a prkenný záklop tloušťky 28 mm) se dvěma variantami podlahového souvrství. První varianta podlahového souvrství zahrnuje silikátový materiál v kombinaci s pružnou vrstvou z minerálních vláken, zatímco druhá varianta zahrnuje nášlapné vrstvy z OSB desek v kombinaci s násypem a minerálními vlákny. Vážená stavební neprůzvučnost stropní konstrukce v závislosti na výše popsaných variantách skladby podlahy je uvedena v Tab. 3.
Z Tab. 3 je patrné, že stropní konstrukce s násypem dosahuje o 3 dB vyšší vážené stavební neprůzvučnosti než konstrukce s klasickou plovoucí podlahou (roznášecí betonová deska tloušťky 50 mm). Ta by přitom měla podle zásady o vyšší plošné hmotnosti konstrukce dosáhnout vyšší vážené stavební neprůzvučnosti. Je proto zřejmé, že násyp významně zvyšuje váženou stavební neprůzvučnost.
| Skladba podlahy na prkenném záklopu | R´w [dB] | Schéma konstrukce |
|---|---|---|
| betonová deska tl. 50 mm minerální vlákna tl. 30 mm | 49 |  |
| OSB desky tl. 25 mm (polštáře uloženy na záklopu přes pružnou vrstvu tl. 10 mm) minerální vlákna tl. 20 mm násyp tl. 40 mm | 52 |  |
6 Závěr
Problematika vzduchové neprůzvučnosti dřevostaveb je velmi rozsáhlá. Článek si klade za cíl předložit přehled důležitých informací, které by mohly být k užitku projektantům, architektům a případně i potenciálním investorům.
Celá řada pasáží v tomto článku by si zasloužila dále rozvést. V této souvislosti lze zmínit například problematiku vzduchové neprůzvučnosti dřevostaveb v oblasti nízkých frekvencí a s tím související hodnocení pomocí faktorů přizpůsobení spektru rozšířených o třetino-oktávová pásma 50 Hz, 63 Hz a 80 Hz. Čtenáři lze v této souvislosti doporučit především zdroj [4].
Výzkum těchto konstrukcí má význam i s ohledem na fakt, že šíření zvuku konstrukcemi na bázi dřeva má odlišný charakter ve srovnání se silikátovými konstrukcemi. Cenné je zejména studium laboratorních testů, které nejsou zatíženy bočním přenosem zvuku. Lze očekávat, že právě laboratorní testy neprůzvučnosti dřevostaveb přinesou v budoucnu pokrok ve vývoji výpočtových metodik a dalších konstrukčních řešení.
7 Poděkování
Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT v Praze č. SGS13/108/OHK1/2T/11.
8 Literatura
- [1] Acoustics in wooden buildings – State of the art 2008. Stockholm: Technical Research Institute of Sweden, 2008. ISBN 978-91-85829-31-6.
- [2] BÍLEK, V. Dřevostavby. Navrhování vícepodlažních dřevěných budov. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03159-4.
- [3] Kolektiv: Zásady pro navrhování a posuzování konstrukcí a prostorů bytových a občanských staveb, Stavební tepelná technika a stavební akustika. Díl 2: Tabulky fyzikálních vlastností, katalogové listy konstrukcí – Publikace (35/81) VÚPS Praha, Ministerstvo stavebnictví ČSR Praha, 1981.
- [4] MUELLNER, H., HUMER, C., STANI, M. M. Lightweight Building Elements with Improved Sound Insulation, Considering the Low Frequency Range. In: 3rd Congress of the Alps Adria Acoustics Association, 27. 9.–28. 9. 2007, Graz.
- [5] RASMUSSEN, B. Sound insulation between dwellings – Classification schemes and building regulations in Europe. In: Proceedings Inter-noise 2004, 22. 8.–25. 8. 2004, Praha.
- [6] THELANDERSSON, S., AASHEIM, E., RANTA-MAUNUS, A. New timber construction in Nordic countries. In: 8th World Conference on Timber Engineering, 14. 6.–17. 6. 2004, Lahti.
- [7] VESELÝ, V. Masivní dřevostavby a požadavky na ně kladené. In: tzb-info.cz [online]. 16. 9. 2013 [cit. 9. 2. 2015]. Dostupné na: http://www.tzb-info.cz/10345-masivni-drevostavby-a-pozadavky-na-ne-kladene.
- [8] VYCHYTIL, J. Stanovení neprůzvučnosti konstrukcí ve zvláštních případech: Vývoj výpočtové metodiky sloužící k predikci zvukové izolace konstrukcí na bázi dřeva a konstrukcí s násypy. 2012. Praha. Disertační práce. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební.
The paper summarizes important information related to the field of design of wooden buildings from the point of view of the sound reduction index. The text is focused on wooden structures (both massive wood systems and wood frame systems) as well as on particularities of an acoustic behaviour of wooden floor structures with fillings. General principles are described which may serve as useful hints for architects and project engineers when designing structures with wooden elements. Emphasis is primarily put on the specific acoustic behaviour of wooden buildings in comparison with masonry and concrete structures.