PROTIHLUKOVÁ STĚNA Z DŘEVOCEMENTOVÝCH ABSORBČNÍCH DESEK Rudolf Hela, Oldřich Fiala, Jiří Zach V příspěvku je popsán systém protihlukových stěn za využití odpadu z těžby a zpracování dřeva. Pro pohltivou vrstvu byla vyvinuta speciální štěpkocementová hmota, přičemž tvar protihlukové stěny byl navržen tak, aby výsledná protihluková stěna disponovala pokud možno co nejvyšší třídou zvukové pohltivosti.. Oblast použití Jedná se o protihlukové stěny, které mohou být využívány v silničním i železničním stavitelství v okolí dopravních i železničních koridorů. Vývojové práce lze rozdělit do dvou oblastí: - vývoj a testování vlastností dřevocementového materiálu, který tvoří zvukopohltivou část akustického panelu. - vývoj a testování nosné železobetonové části akustického panelu, která zaručuje stabilitu panelu jako celku a jeho vysokou vzduchovou neprůzvučnost. 2. Koncepce navrhování protihlukových stěn Od druhé poloviny dvacátého století se začala rapidně zvyšovat hladina hluku ve venkovním prostředí a v současné době již často přesahuje na některých místech nejvyšší povolené hodnoty L Aeq, max, které jsou stanoveny nařízením vlády č. 502/2000 Sb. nebo konkrétně platnými hygienickými předpisy. Proto začaly být v okolí hlavních zdrojů hluku, jimiž jsou dopravní koridory a velké průmyslové objekty, budovány tzv. protihlukové stěny. Chráněný objekt Zdroj hluku Akustický stín Zaslabení zvukového signálu protihlukovou stěnou
Obr. : Princip fungování protihlukových stěn Hlavním úkolem těchto stěn je snížení intenzity zvukových vln šířících se od místa zdroje hluku. A to jednak v oblasti: ) Absorpce zvuku Akustické panely vykazují vysokou zvukovou pohltivost. Určení zvukové pohltivosti těchto stavebních výrobků je deklarováno dle ČSN EN 793-. Pro hodnocení zvukové pohltivosti protihlukových stěn byla zavedena jednočíselná hodnota DL α [db], kde jsou jednotliví činitelé zvukové pohltivosti váženi normalizovaným spektrem silničního hluku: DL α = 0 log 8 α 0 Si i= 8 i= 0 0, Li 0, Li Podle hodnoty DL α jsou protihlukové stěny rozčleněny do pěti kategorií dle následující tabulky: Tab. : Kategorie zvukové pohltivosti u protihlukových stěn Kategorie A0 DL α [db] neurčeno A < 4 A2 4 7 A3 8 A4 > 2) Vzduchové neprůzvučnosti Jedná se o schopnost protihlukových stěn snížit hladinu akustického tlaku zvukových vln procházejících přes tyto stěny. Zkoušení těchto výrobků je popsáno v ČSN EN 793-2, kde je deklarovaná jednočíselná hodnota DL R [db] pro hodnocení vzduchové neprůzvučnosti, která je dána jednotlivými činiteli vzduchové neprůzvučnosti váženými normalizovaným spektrem hluku silničního provozu: DL R = 0 log 8 i= 0 0, Li 8 i= 0 0 0 Li 0, Ri 2
Podle hodnoty DL R jsou protihlukové stěny rozčleněny do čtyřech kategorií dle následující tabulky: Tab. 2: Kategorie zvukové pohltivosti u protihlukových stěn Kategorie DL R [db] B0 neurčeno B < 5 B2 5 24 B3 > 24 Tab. 3: Normalizované spektrum hluku silničního provozu f i [Hz] L i [db] 00-20 25-20 60-8 200-6 250-5 35-4 400-3 500-2 630-800 -9 000-8 250-9 600-0 2000-2500 -3 350-5 4000-6 5000-8 3
Graf : Graf normalizovaného hlukového spektra hluku silničního provozu Li [db] 0-5 -0-5 -20-25 00 60 250 400 630 000 600 2500 4000 f [Hz] 4. Výsledky řešení U zvukopohltivých protihlukových stěn (jednoduchých monolitických) tvoří vnější vrstvu materiál s vysokým činitelem zvukové pohltivosti. Hodnota zvukové pohltivosti u stavebních materiálů závisí především na jejich pórovitosti, protože v pórech materiálu dochází k pohlcování akustické energie, a to následujícími způsoby: ) násobnými odrazy zvukového paprsku a pórech materiálu, 2) třením vzduchu přenášejícího akustickou energii o stěny pórů, 3) přeměnou akustické energie na expanzní práci periodicky stlačovaného vzduchu v pórech. Při návrhu zvukopohltivého materiálu je tedy hlavní požadavek kladen na to, by měl daný materiál pokud možno co největší možné množství pórů (podmínkou je otevřená pórovitost) a dále na to, aby distribuce pórů odpovídala požadavku na pohltivost materiálu v jistých frekvenčních oblastech. Z tohoto pohledu se jeví použití dřevobetonu (štěpkocementového materiálu) jako ideální oproti klasickému hutnému kamenivu, protože disponuje poměrně velkým množstvím jemných pórů i velkých pórů. Navíc částice štěpky mají poměrně nepravidelný tvar, čímž se dosahuje u štěpkocementových materiálů vysoké otevřené pórovitosti a vysokého aktivního povrchu. Pro výrobu pohltivé vrstvy z dřevocementu byla navržena aověřena vhodná receptura. Následně byly vyrobeny zkušební vzorky pro ověření požadovaných vlastností. Ze zkušební záměsi byla připravena zkušební tělesa rozměrů 50x50x50 mm na zkoušku 4
mechanických vlastností, zkoušku stanovení odolnosti vůči chemickým rozmrazovacím látkám a pro stanovení objemové hmotnosti. Dále byly připraveny vzorky tvaru desky tloušťky 40 mm, ze kterých byly vyřezány zkušební tělesa pro stanovení činitele zvukové pohltivosti (viz. níže). Obr. 2: Fotografie povrchu dřevoštěpkového zkušebního vzorku pro stanovení činitele zvukové pohltivosti Stanovení fyzikálních a mechanických vlastností bylo provedeno vždy na sadě zkušebních vzorků rozměrů 50 x 50 x 50 mm. V případě zkoušky odolnosti dřevobetonu vůči účinku chemických rozmrazovacích látek byl zvolen zkušební postup dle metody A ČSN EN 73 326, přičemž výsledkem měření je odpad z povrchu zkušebního vzorku po 00 zmrazovacích cyklech. Výsledky jednotlivých měření jsou uvedeny v tabulce níže: Tab. 4: Přehled fyzikálně mechanických vlastností dřevobetonu Vzorek č. v R CHRL [kg.m -3 ] [MPa] [g.m -2 ] 632,4 2,8 38, 2 624,5 3, 330,8 3 68,4 3,2 323,5 4 626, 2,9 280,2 5 63,8 3,3 360,7 6 628,3 2,8 309,2 průměr 626,9 3,0 320,4 Stanovení činitele zvukové pohltivosti bylo laboratorně provedeno dle normy ČSN ISO 0534-: 999 Akustika - Určování činitele zvukové pohltivosti a akustické impedance v impedančních trubicích. Metoda spočívá ve vytvoření stojatého vlnění v trubici, na jejímž konci je vzorek. Z naměřeného maxima p max [Pa] a minima akustického tlaku p min [Pa] stojaté vlny se vypočítá činitel zvukové pohltivosti α [-]. Vzhledem k tomu, že je při vyhodnocení měření použit poměr akustických tlaků, jedná se tedy o relativní hodnotu, je možné použít 5
libovolné měřené veličiny, která je přímo úměrná hodnotě akustického tlaku. Při měření na akustickém interferometru je snímáno napění na měřícím mikrofonu. s = p p max min s α = s + 2 = 4s ( s + ) 2 Ke stanovení činitele zvukové pohltivosti se byl použit akustický interferometr známý pod názvem Kuntova trubice. 9 4 8 l 0 Δl l 5 3 7 6 2 d d2 0 d l 3 0 5 0 l Obr.3: Kuntova trubice: - generátor; 2 - analyzátor; 3 - trubice; 4 držák vzorku; 5 - sonda; 6 - mikrofon; 7 - reproduktor; 8 vzorek; 9 píst (dno) držáku; 0 vzduchový polštář. Interferometr se sestává z reproduktoru, odnímatelné kovové trubice s držákem vzorku a akustické sondy. Na kmitočet 00 2000 Hz byla použita trubice o vnitřním průměru d = 5 mm a délce od 000 mm a na kmitočet od 2000 do 5000 Hz trubice o vnitřním průměru d = 33 mm a délce 280 mm. Z toho vyplývá, že pro stanovení činitele zvukové pohltivosti byly připraveny dvě sady válcových vzorků o průměrech 5 a 33 mm a o tloušťce 40 mm. Vzorky byly připraveny ze zkušebních desek vrtáním. Tab. 5: Přehled výsledků ze stanovení zvukové pohltivosti u vzorku dřevobetonu d = 40 mm f [Hz] U min [mv] U max [mv] s [-] α [-] 00,5 4,2 2,80 0,78 25 3,7 2,97 0,75 60 4 9 4,75 0,57 200 0,6 4 6,67 0,45 250,8 0,4 5,78 0,50 35 0,5 3 6,00 0,49 400 0,9 4,2 4,67 0,58 6
500 0,45,8 4,00 0,64 630 0,24,2 5,00 0,56 800 0,2 0,68 3,40 0,70 000, 3,7 3,36 0,7 250 0,32 3,3 0,73 600 0,28 0,8 2,89 0,76 2000 0,27 0,88 3,26 0,72 2500 0,25 0,8 3,24 0,72 350 0,07 0,8 2,57 0,8 4000 0, 0,23 2,30 0,84 5000 0,7,5 2,4 0,87 Graf 2: Průběh činitele zvukové pohltivosti vzorku dřevobetonu tloušťky d = 40 mm v závislosti na frekvenci α [-],0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, 0,0 0 500 000 500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 f [Hz] Na základě obecných znalostí z oblasti stavební a urbanistické akustiky byl proveden obecný návrh akustického panelu pro konstrukci pohltivých protihlukových stěn, který je zachycen na následujícím schématu. Obr. 4: Schéma protihlukové stěny s pohltivou vrstvou na bázi dřevobetonu (a podkladní železobetonová deska, b nosná pohltivá část, b 2 difúzní pohltivá část) 7
Předpokladem je, že akustický panel bude tvořen ze dvou vrstev: ) Pohltivá vrstva Tato vrstva bude tvořena ze dvou částí ze zvukopohltivého dřevobetonu. Základní část o předpokládané tloušťce b 60 mm bude tvořit souvislou pohltivou vrstvu panelu a svrchní profilovaná (ve tvaru ozubů nebo vlnovky viz níže) vrstva o tloušťce b 2 80 mm bude tvořit vnější pohltivou vrstvu panelu. Profilování je výhodné pro zvětšení povrchu panelu (tedy zvýšení plošné pohltivosti) a dále profilovaná povrchová vrstva působí jako difuzor na dopadající akustické vlnění. Některé níže uvedené profily povrchu, které byly navrženy, působí také jako samostatné dutinové rezonátory a zvyšují zvukovou pohltivost panelu na specifické frekvenci, která je dána jejich objemem a tvarem. 2) Nosná vrstva Základní nosná vrstva panelu bude tvořena hutnou železobetonovou vrstvou se zvýšenou objemovou hmotností v > 2300 kg.m -3 pro zvýšení neprůzvučnosti akustického panelu. Předpokládaná tloušťka nosné vrstvy se bude pohybovat v rozmezí a <20 ; 50> mm (viz níže). Jednotlivé vrstvy jsou vzájemně napojeny na pero a drážku. Pohltivá část panelu je volně zasunuta do části nosné, čímž je umožněna její snadná demontáž a výměna v případě degradace jejich vlastností vlivem účinku povětrnostních vlivů, případně mechanickém poškození. Připravený panel se následně vkládá do nosných ocelových nebo železobetonových sloupků nejčastěji tvaru H, vetknutých do základových patek. Obr. 5 Pohled na smontovanou stěnu 8
5. Technologie výroby dřevocementových absorbčník desek Základní surovinou pro výrobu dřevocementových desek je mineralizovaná smrková štěpka, cement a voda. V mísícím centru se připraví čerstvá směs, která se v ocelové formě vibrolisuje do požadovaného tvaru. Po nabytí transportní pevnosti cca 2-3 dny se desky přemístní z výrobní plochy na meziskládku, kde dozrávají do pevností které umožní jejich přesnou kalibraci řezem. Hotové absorb.desky se ukládají na skladovou plochu, kde zrají min. 2 dní. Transportují se na euro-paletách po 80-ti kusech v ochranném vaku ze smrštovací folie. Dřevovláknité desky pro výrobu protihlukových stěn splňují požadavky normy ČSN EN 4388 a ČSN EN 794-. Obr. 6 Tvar a rozměry pohltivé desky z dřevobetonu Obr.7 Pohled na výrobní formu a čerstvě vyrobené desky 9
6. Technologie výroby protihlukových stěn z dřevocementových absorbčních desek Absorbční desky se ukládají na dno formy pro výrobu protihlukových panelů ve vodorovné poloze (dolů pohledovou stranou). Na distanční podložky je uložena výztuž (svařovaná sít) a transportní kotvy. Následuje zalití betonovou směsí v dané síle vrstvy, která zavibrováním do drážek v absorbční desce vytvoří pevný spoj. Po vyzrání nosné části panelu (betonu), je panel použitelný k manipulaci ve svislé poloze. Povrch absorbčních desek může být ošetřen nástřikem hydrofobuzujícím nátěrem nebo různými barevnými odstíny. Hotové protihlukové panely se zasouvají do předem osazených železobetonových nebo ocelových sloupků tvaru H. Mezi terénem a protihlukovým panelem s absorbčním povrchem se osadí železobetonový soklový díl. Technická specifikace takto vytvořených stěn (jednostranný obklad) Zvuková pohltivost dle EN 793- Vzduchová neprůzvučnost - A3 - B3 Obr. 8 Příklady osazení protihlukových stěn: ocel/železobeton Příspěvek vznikl za podpory výzkumného centra CIDEAS projekt č. M 684077000 0