Stropy: Podstawy akustyki stropów

Hałas staje się w ostatnim czasie jednym z największych zagrożeń dla naturalnego środowiska człowieka. W ogromnym stopniu są na niego narażeni ludzie w budynkach mieszkalnych w dużych, ale także i w małych miastach. Około 60% ludzi skarży się dziś na hałas, twierdząc, że w sposób znaczący zakłóca ich życie. Nierzadko dochodzi do ciężkich uszczerbków na zdrowiu w efekcie długotrwałej ekspozycji na jego działanie.

Dawniej projektowanie i realizacja budynków mieszkalnych podporządkowane były głównie wskaźnikom gospodarczym, dziś na pierwszy plan wysuwa się konieczność poprawy jakości życia we współczesnych budynkach. Mówi się nawet o przywróceniu mieszkaniu jego funkcji regeneracyjnych i wypoczynkowych, jako o najważniejszym zadaniu dzisiejszego budownictwa. Izolacja akustyczna takich elementów budynku, jak podłogi, stropy i ściany, pozwala chronić ludzi przed niebezpiecznym wpływem hałasu zewnętrznego. 

1. Podstawowe pojęcia i określenia związane z właściwościami materiałów i ustrojów budowlanych

Z punktu widzenia przydatności do izolacji akustycznej pomieszczeń i tłumienia dźwięków uderzeniowych rozróżnia się podstawowe i pomocnicze materiały do budowy przegród i ustrojów izolacyjnych:

• Podstawowym nazywa się taki materiał, bądź wyrób, z którego samodzielnie może być wykonana przegroda (ustrój) o dobrych właściwościach akustycznych (np. beton, cegła).

• Pomocniczymi nazywa się takie materiały, bądź wyroby, które pojedynczo nie nadają się do wykonania przegród (ustrojów) o dobrych właściwościach akustycznych i zadanie to mogą spełniać dopiero w połączeniu z innymi materiałami, bądź wyrobami (np. akustyczny styropian podłogowy).

Zasadniczym zadaniem materiałów pomocniczych stosowanych w różnych ustrojach jest zwiększenie izolacyjności akustycznej przegród ściennych i stropowych wykonanych z podstawowych materiałów budowlanych.
Głównymi cechami decydującymi o właściwościach akustycznych pomocniczych materiałów izolacyjnych są: sztywność dynamiczna (moduł sprężystości), tłumienie wewnętrzne, porowatość, oporność przepływu powietrza.
Przy projektowaniu i realizacji ochrony przeciwhałasowej obiektu nie rozpatruje się właściwości izolacyjnych materiałów, lecz izolacyjność akustyczną przegród wykonanych z tych materiałów. Izolacyjność akustyczna przegrody charakteryzuje odporność na przenikanie przez nią energii fal dźwiękowych.

W zależności od źródła energii akustycznej przenikającej przez przegrodę wyróżnia się:

• izolacyjność od dźwięków powietrznych - przy pobudzaniu przegrody falą akustyczną rozprzestrzeniającą się w powietrzu,

• izolacyjność od dźwięków uderzeniowych - przy mechanicznym pobudzeniu przegrody (np. uderzenie).

W literaturze naukowo - technicznej izolacyjność od dźwięków uderzeniowych określana jest również jako tłumienie dźwięków uderzeniowych. Użytkowymi parametrami charakteryzującymi właściwości dźwiękoizolacyjne przegród są:

• dla dźwięków powietrznych jednoliczbowy wskaźnik ważony izolacyjności dla dźwięków powietrznych Rw oraz wskaźniki oceny izolacyjności akustycznej właściwej RA1 i RA2

• dla dźwięków uderzeniowych jednoliczbowy wskaźnik ważony izolacyjności od dźwięków uderzeniowych Ln,w

Wskaźniki te wyznaczone są w oparciu o wyniki pomiarów laboratoryjnych przeprowadzonych wg norm:

• PN EN 20140-3 - Akustyka. Pomiary izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej przegród budowlanych. Część 3. Pomiary laboratoryjne izolacyjności od dźwięków powietrznych.

• PN ISO 140-6 - Akustyka. Pomiary izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej przegród budowlanych. Część 6. Pomiary laboratoryjne izolacyjności od dźwięków uderzeniowych.

Sposób wyznaczania jednoliczbowych wskaźników izolacyjności akustycznej przegród jest podany w następujących normach:

• PN-EN ISO 717-1 - Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków powietrznych.

• PN-EN ISO 717-2 - Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków uderzeniowych.

Izolacyjność akustyczna od dźwięków uderzeniowych charakteryzuje własności akustyczne stropów w odniesieniu do przenikania przez nie energii akustycznej przy mechanicznym pobudzeniu do drgań, np. przez chodzenie, toczenie lub przesuwanie ciężkich przedmiotów. Izolacyjność akustyczna od dźwięków uderzeniowych odnosi się tylko i wyłącznie do konstrukcji stropowych.
Właściwości akustyczne ustrojów dźwiękoizolacyjnych montowanych na stropach, jakimi są np. podłogi pływające, lekkie konstrukcje podłogowe, określa ważony wskaźnik zmniejszenia poziomu uderzeniowego Lw. Wskaźnik ten charakteryzuje poprawę izolacyjności od dźwięków uderzeniowych stropu po zamontowaniu dodatkowej konstrukcji podłogowej. Wyznacza go się w warunkach laboratoryjnych na podstawie pomiaru znormalizowanego poziomu uderzeniowego Ln,w i określa on różnicę między ważonymi wskaźnikami znormalizowanego poziomu uderzeniowego stropu wzorcowego bez podłogi i z podłogą.

Sposób wyznaczania wskaźnika Lw podają następujące normy:

• PN EN ISO 140-8 - Pomiar izolacyjności akustycznej w budynku i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Pomiary laboratoryjne tłumienia dźwięków uderzeniowych przez podłogi na masywnym stropie wzorcowym.

• PN EN ISO 717-2 - Akustyka. Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków uderzeniowych.

Wymagania dla izolacyjności akustycznej przegród w budynkach są przedmiotem normy PN-B-02151-3:1999 - Akustyka budowlana. Ochrona przed hałasem w budynkach. Izolacyjność akustyczna przegród w budynkach oraz izolacyjność akustyczna elementów budowlanych. Wymagania. Wymagane według tej normy wartości wskaźników tłumienia dźwięków uderzeniowych podają tablice nr 1-3 (wskaźnik L'n,w odnosi się do warunków terenowych, z przenoszeniem bocznym).

Tablica 1. Wymagana izolacyjność akustyczna od dźwięków uderzeniowych dla stropów w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych.

1. Dla stropów w pomieszczeniach sanitarnych wskaźnik L'n,w dotyczy przenikania dźwięków uderzeniowych do pokoi mieszkań sąsiednich, tj. w kierunku poziomym i ukośnym.
2. Wymaganie dotyczy budynków o układzie korytarzowym; wskaźnik L'n,w dotyczy poziomu dźwięków uderzeniowych przenikających z ogólnego korytarza budynku do mieszkań w kierunku poziomym i ukośnym.
3. Wskaźnik dotyczy przenikania dźwięków uderzeniowych z podłogi pomieszczenia hałaśliwego do mieszkania (bez względu na usytuowanie w stosunku do mieszkania).
4. W przypadku usytuowania mieszkania nad pomieszczeniami hałaśliwymi wskaźnik dotyczy przenikania dźwięków uderzeniowych z danego mieszkania do mieszkań sąsiednich w kierunku poziomym i ukośnym.
5. Wymagania należy dobrać indywidualnie w granicach podanych w tablicy, w zależności od przewidywanych poziomów hałasów wynikających z wielkości obiektu i jego charakteru oraz godzin działania.
6. Jeżeli taki przypadek wystąpi to wymagania należy ustalić indywidualnie.
7. Wymaganie dotyczy stropów i biegów schodowych w mieszkaniach dwupoziomowych i odnosi się do przenikania dźwięków uderzeniowych do mieszkań przyległych; ze względu na rozprzestrzenianie się hałasu w obrębie mieszkania, maksymalna wartość wskaźnika L'_n,w < 63 dB (dotyczy stropów).

Tablica 2. Wymagana izolacyjność akustyczna od dźwięków uderzeniowych dla stropów w budynkach jednorodzinnych bliźniaczych i szeregowych określona ze względu na przenikanie hałasu do segmentów pośrednich.

1. Wskaźnik dotyczy poziomu dźwięków uderzeniowych przenikających do segmentów sąsiednich w kierunku poziomym i ukośnym; wymagania ze względu na rozprzestrzenianie się hałasów w obrębie tego samego mieszkania.

Tablica 3. Wymagana izolacyjność akustyczna od dźwięków uderzeniowych dla stropów w budynkach zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej.

1. W przypadku stropów w pomieszczeniach sanitarnych danego pokoju hotelowego, wskaźnik Ln,w dotyczy przenikania dźwięków uderzeniowych do pokoi sąsiednich w kierunku poziomym i ukośnym.
2. Jeżeli wystąpi taki przypadek to wymagania należy ustalić indywidualnie.
3. Jeżeli pomieszczenie jest oddzielone od korytarza ogólnego korytarzem wewnętrznym, wymagania dotyczące izolacyjności akustycznej układu łącznie z wewnętrznym korytarzem.
4. Mniejsze wartości wskaźnika dotyczą przypadku usytuowania sali telewizyjnej lub pomieszczenia klubowego nad pokojem hotelowym.
5. Mniejsza wartość wskaźnika dotyczy przypadku usytuowania ogólnodostępnego pokoju dla rekreacji (sala telewizyjna) nad pokojem hotelowym.
6. Wskaźnik dotyczy przenikania dźwięków uderzeniowych z podłogi pomieszczenia hałaśliwego do pomieszczenia chronionego pod względem akustycznym (bez względu na jego usytuowanie w stosunku do pomieszczenia hałaśliwego).
7. Dotyczy przypadku, gdy pomieszczenie bardziej chronione znajduje się nad pomieszczeniem mniej chronionym lub hałaśliwym.
8. Dotyczy przypadku, gdy pomieszczenie bardziej chronione znajduje się pod pomieszczeniem mniej chronionym.

 2. Właściwości akustyczne stropów

Na własności akustyczne stropu wpływają następujące czynniki:

• konstrukcja części nośnej stropu i jej masa,
• układ dodatkowych warstw izolacyjnych na stropie lub pod nim.

Większość stropów stosowanych w budownictwie nie tłumi w wystarczającym stopniu dźwięków uderzeniowych i dlatego stosuje się na nich dodatkowe ustroje. Najbardziej niekorzystne, ze względu na tłumienie dźwięków uderzeniowych, są stropy pustakowe, które wykazują szczególnie małą odporność na przenikanie dźwięków uderzeniowych w paśmie dużych częstotliwości.
Stropy płytowe i kanałowe, zwłaszcza o większej masie i grubości, tłumią w większym stopniu dźwięki uderzeniowe.
Ze względu na mały współczynnik tłumienia wewnętrznego podstawowych materiałów budowlanych, stosowanych w konstrukcjach stropowych, odporność stropów na przenikanie dźwięków uderzeniowych jest niedostateczna w stosunku do wymagań normowych (bez względu na ich masę i konstrukcję).
Wskaźnik izolacyjności akustycznej od dźwięków uderzeniowych dla najczęściej stosowanych w budownictwie mieszkaniowym i ogólnym stropów ze względu na ich właściwości akustyczne podaje tablica nr 4.
Stropy należące do jednej grupy charakteryzują się zbliżonymi właściwościami akustycznymi. Rodzaj ustrojów izolacyjnych podłogowych stosowanych na stropach o poszczególnych własnościach akustycznych, uzależniony jest od aktualnych wymagań normowych.

Tablica 4. Wskaźnik izolacyjności akustycznej od dźwięków uderzeniowych dla wybranych stropów.

Stropy, w odróżnieniu od ścian, powinny zgodnie z normą PN-B-02151-3:1999 charakteryzować się izolacyjnością nie tylko od dźwięków powietrznych, ale posiadać również odpowiednią odporność na przenikanie dźwięków uderzeniowych. Zespół cech fizycznych, od których zależy pochłanianie, tłumienie, przenikanie energii fali dźwiękowej przez materiał, bądź ustrój, nazywa się właściwościami akustycznymi.
W zależności od rozwiązania konstrukcyjnego ustroju, parametry fizyczne zastosowanego materiału mogą wywierać dominujący wpływ na jego właściwości akustyczne. Dlatego też właściwości akustyczne materiału powinny być zawsze rozważone w stosunku do konkretnego rozwiązania konstrukcyjnego.
Do głównych cech fizycznych decydujących o właściwościach akustycznych materiału budowlanego należą: ciężar objętościowy, sprężystość, sztywność dynamiczna warstwy materiału, porowatość, oporność przepływu powietrza, tłumienie wewnętrzne w materiale.

3. Podłogi pływające

• Podłoga - element wykończenia budynku ułożony na podłożu, składający się z jednej lub więcej warstw, z których górna jest odpowiednio przystosowana do wymagań użytkowych (komunikacja piesza i kołowa, przesuwanie, ustawianie, magazynowanie itp.),

• Podłoga pływająca - jest to konstrukcja, która w swej podstawie jest ruchoma i nie wykazuje w żadnym przypadku kontaktu z przyległymi elementami budowlanymi (np. ścianami),

• Posadzka - zewnętrzna warstwa użytkowa podłogi wraz z odpowiednimi klejami lub zaprawami wiążącymi oraz warstwami wygładzającymi podkład (w przypadku posadzek wymagających specjalnego wygładzenia podkładu),

• Podkład - warstwa podłogi, która przejmuje obciążenia działające na posadzkę i przekazuje je na warstwy izolacji termicznej lub akustycznej (np. jastrych),

• Warstwa rozdzielająca - warstwa ochraniająca materiał izolacji termicznej lub akustycznej przed zawilgoceniem w czasie wykonywania podkładu na mokro (np. folie PE).

W obiektach mieszkalnych i użyteczności publicznej zapewnienie dostatecznej izolacyjności akustycznej stropów, dającej odpowiedni komfort użytkowania powinno być realizowane na etapie budowy. Niezmierne ważne jest, aby projekt zawierał szczegóły ochrony stropów przed dźwiękami. Najlepszym rozwiązaniem chroniącym przed hałasem uderzeniowym jest wykonanie podłogi pływającej.

Akustyczny styropian podłogowy, dzięki specjalnej obróbce plastycznej, charakteryzuje się dużą elastycznością, dającą korzystne właściwości tłumienia dźwięków uderzeniowych. Dzięki niskiej cenie i dużej skuteczności jest on już od dawna najchętniej stosowanym na świecie materiałem do akustycznego izolowania stropów w budynkach. Przykład rozwiązania podłogi pływającej z wykorzystaniem akustycznego styropianu podłogowego przedstawia rysunek 1.

Zabezpieczenia dźwiękowe na stropach międzypiętrowych ze względu na ich właściwości akustyczne dzieli się na trzy podstawowe grupy:

1. Podłogi pływające "PP" - powodujące wzrost izolacyjności stropu od dźwięków powietrznych i uderzeniowych.
2. Lekkie konstrukcje podłogowe "PL" - powodujące przede wszystkim wzrost izolacyjności stropu od dźwięków uderzeniowych.
3. Wykładziny podłogowe "PW" - powodujące wzrost izolacyjności stropu od dźwięków uderzeniowych.

Zakres stosowania podłóg ze względu na wymagania akustyczne zależy od:

• przeznaczenia budynku
• rodzaju stropu, na którym ma być zastosowana podłoga
• wielkości przewidzianego w budynku przenoszenia bocznego zależnego od konstrukcji i układu ścian działowych i ściany zewnętrznej w pomieszczeniu
• parametrów akustycznych podłóg według tablicy nr 5 lub 6.

Do 1999 r., określając przydatność danego układu podłogowego, opierano się na Katalogu Rozwiązań Podłóg dla Budownictwa Mieszkaniowego i Ogólnego [8], w którym wprowadzono podział podłóg pływających (PP) na 3 klasy akustyczne, w zależności od wartości ważonego wskaźnika DLw. Katalog ten był dostosowany do wymagań normy PN-87/B-02551/03.

Rysunek 1. Podłoga pływająca z zastosowaniem płyt z akustycznego styropianu podłogowego

Klasy akustyczne podłóg pływających i przypisane im wartości ważonych wskaźników zmniejszenia poziomu uderzeniowego DLw, według powyższego Katalogu, zestawiono w tablicy 5.

Tablica 5. Klasyfikacja akustyczna podłóg pływających według Katalogu Rozwiązań Podłóg dla Budownictwa Mieszkaniowego i Ogólnego.

W obu przypadkach wskaźnik Lw odnosi się do rozwiązania podłogi z twardą nawierzchnią. Obecnie, uwzględniając nową normę PN-B-02151-3:1999, wprowadzającą obniżenie do celów projektowych wskaźników otrzymanych w laboratorium, przyjmuje się klasyfikację akustyczną pływających podłóg dla budownictwa mieszkaniowego i użyteczności publicznej zestawioną w tablicy 6.

Tablica 6. Klasyfikacja akustyczna podłóg pływających według normy PN-B-02151-3:1999.

Pojęcia charakteryzujące podstawowe elementy konstrukcyjne przegród i ustrojów budowlanych:

4. Sposób obliczania izolacyjności akustycznej stropu

Podstawowym parametrem charakteryzującym materiały tłumiące do izolacji akustycznej jest sztywność dynamiczna, której jednostką jest N/cm³ lub MN/m³.
Można stwierdzić, że im mniejsza sztywność dynamiczna materiału sprężystego zastosowanego w podłodze pływającej, tym uzyskuje się wyższy poziom tłumienia dźwięków uderzeniowych. Sztywność dynamiczna produkowanego w Polsce akustycznego styropianu podłogowego waha się od 12 do 18 MN/m³. Pozwala to osiągnąć w podłogach pływających wskaźnik ^Lw od 23 do 32 dB, pod warunkiem obciążenia warstwy tłumiącej masą min. 100 kg/m², np. 4. centymetrowym jastrychem cementowym.

Uproszczony sposób oceny izolacyjności akustycznej stropu:

Znając równoważony wskaźnik znormalizowanego poziomu uderzeniowego stropu oraz wskaźnik ważony zmniejszenia poziomu uderzeniowego przez podłogę pływającą można przewidywać wartość poziomu uderzeniowego stropu z podłogą:

L_w = L_n,O,w - ^Lw

gdzie:
L_w - wskaźnik ważony stropu z podłogą,
L_n,O,w - wskaźnik ważony znormalizowanego poziomu uderzeniowego dla stropu bez podłogi,
_^Lw - wskaźnik ważony zmniejszenia poziomu uderzeniowego dla podłogi. Uzyskany wynik powinien być co najmniej o 3 dB niższy niż wartość maksymalna podana w tablicach nr 1, 2, 3, ze względu na przenoszenie boczne. Dokładny sposób określania wartości przenoszenia bocznego jest zawarty w normie [3].

Obok uproszczonych procedur obliczeniowych istnieją również programy komputerowe, które po wprowadzeniu danych o budowie i właściwościach fizycznych poszczególnych warstw, obliczają akustyczne charakterystyki izolacyjne stropów.
Dokładne wartości parametrów akustycznych wszystkich typów akustycznego styropianu podłogowego powinny być podawane przez producenta materiału. Wartość wskaźnika DLw, sztywność dynamiczną oraz klasę podłogi pływającej z zastosowanymi płytami akustycznego styropianu podłogowego można odczytać z Aprobat Technicznych oraz z zaleceń podawanych przez producentów.

Podstawowe normy i dokumenty

• Norma PN-B-20130:2001 - Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Płyty styropianowe (PS-E).
• Norma PN-B-02025:1999 - Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia.
• Norma PN-B-02151-3:1999 - Ochrona przed hałasem w budynkach. Izolacyjność akustyczna przegród w budynkach oraz izolacyjność akustyczna elementów budowlanych.
• PN-EN ISO 717-1 - Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków powietrznych.
• PN-EN ISO 717-2 - Ocena izolacyjności akustycznej w budynkach i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Izolacyjność od dźwięków uderzeniowych.
• PN-EN ISO 140-8 - Pomiar izolacyjności akustycznej w budynku i izolacyjności akustycznej elementów budowlanych. Pomiary laboratoryjne tłumienia dźwięków uderzeniowych przez podłogi na masywnym stropie wzorcowym.
• PN-ISO-9052-1:1994 - Określenie sztywności dynamicznej. Materiały stosowane w pływających podłogach w budynkach mieszkalnych.
• Katalog Rozwiązań Podłóg dla Budownictwa Mieszkaniowego i Ogólnego, Warszawa 1992.
• Akustyka budowlana - Sadowski Jerzy, Poznań 1976.
• ABC izolacji ze styropianu - Stowarzyszenie Producentów Styropianu, Kraków 1999.
• Rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (tekst jednolity Dz.U. z 04.02.1999 r., nr 15, poz. 140).