Fizyka budowli

Wszelkie rozwiązania techniczne w budownictwie są powiązane z naukami przyrodniczymi: fizyką i chemią. Znajomość procesów fizycznych zachodzących w materiałach budowlanych lub w ich komponentach umożliwia racjonalne projektowanie obiektów budowlanych z uwzględnieniem oszczędności energii oraz ochronę tych obiektów przed czynnikami mającymi niekorzystny wpływ na samopoczucie i zdrowie użytkowników (np. drgania, hałas, nadmierne zawilgocenie). Znajomość zjawisk chemicznych ułatwia właściwy dobór materiałów budowlanych pod kątem ich wpływu na zdrowie człowieka.
W budynkach mieszkalnych i w budynkach użyteczności publicznej bardzo istotną rolę odgrywa konstrukcja przegród zewnętrznych. Struktura tych przegród i rodzaj zastosowanych w nich materiałów wpływają zasadniczo na rodzaj procesów fizykalnych, jakie zachodzą na styku dwóch różnych ośrodków, które te przegrody od siebie oddzielają. Każdy z tych ośrodków charakteryzuje się innymi właściwościami, a przegroda ma na celu zapewnić właściwe oddziaływanie wpływów zewnętrznych na wnętrze budynku, w taki sposób, aby we wnętrzu powstał mikroklimat najkorzystniejszy dla człowieka. Nieznajomość wymienionych tu procesów może spowodować, że w pomieszczeniach powstaną warunki gorsze dla użytkownika od występujących w danym momencie na zewnątrz.
Konstrukcja przegród zewnętrznych w budynkach, niezależnie od wymagań statycznych, powinna zapewnić również:
• ochronę przed ucieczką ciepła na zewnątrz pomieszczeń,
• ochronę przed hałasem,
• ochronę przed zawilgoceniem wnętrza.

II IZOLACJE CIEPLNE

Rodzaje izolacji termicznych
Izolacje termiczne są stosowane w budownictwie głównie w celu ocieplania budynków przeznaczonych dla przebywających w nich ludzi, ale nie jest to jedyne ich zastosowanie. Izolacje te mogą służyć np. do ochrony chłodni przed napływem ciepła z zewnątrz lub ochrony przewodów ciepłowniczych przed nadmiernymi stratami ciepła. O właściwym doborze odpowiedniego na izolację materiału powinny decydować następujące czynniki:
• zdolność materiału do przewodzenia ciepła lub jej brak,
• rodzaj i konsystencja wyrobu (materiały mogą być w formie sypkiej, mat, płyt itp.),
• łatwość obróbki i łatwość wbudowania w przegrodę,
• odporność na zawilgocenie, odporność na zagrzybienie,
• odporność na działanie temperatury (niskiej lub wysokiej),
• odporność na działanie ognia,
• odporność na działanie preparatów chemicznych, z którymi materiał się styka,
• trwałość (podana w latach).
Uwzględniając powyższe cechy materiałów można najogólniej przyjąć, że do ocieplania ścian, podłóg i stropów w budynkach najlepiej nadają się:
styropian, płyty z wełny mineralnej oraz pianka poliuretanowa (do wypełniania szczelin powietrznych i innych miejsc niedostępnych). Do izolacji chłodni przydatne są płyty i otuliny korkowe oraz styropianowe, wata szklana, wata bazaltowa lub maty i filce z wełny mineralnej. Podobnie do izolacji rurociągów i przewodów ciepłowniczych używa się wszelkiego rodzaju mat i wojłoków (np. z waty szklanej). Te same materiały można stosować do izolacji turbin, kotłów i zbiorników o powierzchniach cylindrycznych.

Obecnie w handlu dostępnych jest wiele wyrobów przeznaczonych do wykonywania izolacji termicznych. Wytwarza się je głównie na bazie wełny mineralnej, styropianu, włókna szklanego, pianki poliuretanowej. Produkowane są między innymi płyty, kasetony sufitowe, otuliny i kształtki ze styropianu płyty z polistyrenu do izolacji ścian piwnic, dachów i sufitów podwieszanych, płyty i maty z wełny mineralnej. Do izolacji instalacji grzewczych wysokoparametrowych stosuje się otuliny z pianki poliuretanowej (bardzo niskie wartości współczynnika przewodności cieplnej). Wszystkie te produkty charakteryzują się dużą dokładnością wykonania i estetycznym wyglądem. Niektóre materiały izolacyjne są produkowane w formie luźnych włókien celulozowych i mogą być na sucho wdmuchiwane sprężonym powietrzem do zamkniętych, niewielkich przestrzeni.
Zasady prawidłowego wykonywania izolacji termicznych
Z wyjątkiem tych rodzajów izolacji, które trzeba nakładać systemem na mokro — podstawą prawidłowego ułożenia warstw izolacyjnych jest wykonanie wszystkich prac w stanie suchym. Materiały izolacyjne powinny być chronione przed zawilgoceniem wodą deszczową lub zarobową (z zaprawy murarskiej), nie wolno również układać świeżej mieszanki betonowej na materiałach nieodpornych na zawilgocenie. Ponadto wszelkiego typu izolacje termiczne, jak również spoiwa do ich łączenia, nie powinny być narażone na działanie grzybów i pleśni oraz same też nie powinny wydzielać zapachów lub szkodliwych substancji. Płyty izolacyjne powinny mieć jednakową grubość (dokładnie obliczoną), a przerwy między nimi powinny być możliwie najwęższe. Płyty należy układać z przesunięciem w stosunku do siebie w kolejnych warstwach.
Układając izolację termiczną w stropodachach wentylowanych, należy chronić ją przed zawilgoceniem i zapewnić możliwość wyschnięcia po przypadkowym zawilgoceniu.
W warunkach zimowych prowadzenie robót jest możliwe tylko wtedy, jeżeli materiały izolacyjne układa się bez spoiwa lub też przy zastosowaniu spoiwa odpornego na niską temperaturę. Jeżeli natomiast materiał izolacyjny ma chronić ośrodek o bardzo wysokiej temperaturze — wtedy należy stosować wyłącznie materiały odporne na wysoką temperaturę — głównie pochodzenia mineralnego.
Metody likwidacji mostków termicznych
Dodatkowe ocieplenie samych mostków termicznych, bez ocieplania całej ściany, jest możliwe jedynie w tych przypadkach, w których koncepcja architektoniczna budynku zezwala na wzbogacenie elewacji o gzymsy lub pilastry (rys. 8-7 i 8-8). Przedstawione na tych rysunkach rozwiązania pozwalają wprawdzie na ocieplenie budynku wyłącznie w miejscach występowania mostków termicznych, ale za cenę zmiany wyglądu elewacji oraz stworzenia. możliwości dodatkowego zawilgocenia. Każdy dodatkowy poziomy występ muru zatrzymuje spływającą po ścianie wodę i pozwala na jej penetrację w głąb ściany. Jeżeli taki poziomy występ muru nie będzie idealnie zabezpieczony obróbkami blacharskimi, wówczas woda będzie wnikać do wnętrza ściany, powodując jej zawilgocenie, a tym samym pogarszając właściwości izolacyjne.



Praktycznie jednak, zamiast ocieplania samych mostków termicznych, wykonuje się zwykle ocieplenie całej przegrody. Jest to powszechny i najwłaściwszy sposób wykonywania dodatkowej izolacji termicznej. Istnieje wiele sposobów wykonywania tych dociepleń. I tak na przykład tradycyjną metodą wykonywania dodatkowego ocieplenia (docieplania) ścian zewnętrznych jest nakładanie izolacji termicznej (najczęściej stosowane są tu płyty styropianu) na stalowe pręty uprzednio zamocowane w ścianie, w ten sposób, aby na wystających z izolacji końcówkach prętów można było umocować siatkę stalową pod nowy tynk. Jest to tzw. metoda mokra ciężka. Została ona już prawie całkowicie zastąpiona metodami lekkimi. Izolacja ze styropianu (lub wełny mineralnej) jest przyklejana masą klejącą do podłoża, następnie do tej izolacji przykleja się siatkę z włókna szklanego, a na niej wykonuje się elewacyjną masę tynkarską, jest to metoda lekka mokra.
Istnieje obecnie szereg różnych metod wykonywania docieplenia budynków, proponowanych przez firmy, prześcigające się wzajemnie w reklamie. Wszystkie te metody charakteryzują się niewielkim ciężarem izolacji termicznej wraz z wyprawą elewacyjną oraz niezwykle estetycznym wyglądem. Można również docieplać budynki tzw. styroblokami (rys. 8-11), czyli cegiełkami ze styropianu z wykonaną na nich mineralno-polimerową masą tynkarską. Na ścianie w ten sposób ocieplonej widać wyraźnie podziały utworzone przez te płytki; ściana taka wygląda, jak wymurowana z białych cegiełek.
Inne firmy proponują wykonywanie na przyklejonym styropianie od razu całej wyprawy elewacyjnej. Każda z firm reklamujących swoje rozwiązania musi mieć aprobaty techniczne na stosowane przez siebie rozwiązania.
Wymagające dodatkowego ocieplenia stropodachy muszą być docieplane w zależności od rodzaju ich konstrukcji. W stropodachach o konstrukcji z przestrzenią wentylowaną, składających się ze stropu i oddzielnej konstrukcji dachu, dociepla się jedynie część stropową we wnętrzu przestrzeni powietrznej (rys. 8-12). Izolację termiczną układa się na stropie (jeśli można się dostać do przestrzeni między stropem, a dachem), bądź też wtryskuje się izolację w formie pianki do tej przestrzeni, jeśli jest ona niedostępna i ma niewielką wysokość.
Stropodachy o konstrukcji pełnej można docieplić jedynie od góry, po zdjęciu pokrycia dachowego. Jest to jednak operacja skomplikowana, wymaga właściwie przebudowy stropodachu i musi być wykonywana w odpowiednich warunkach atmosferycznych lub pod przekryciem.


III ZOLACJE AKUSTYCZNE
Rozchodzenie się dźwięku w przegrodach budowlanych
Nowe, lekkie konstrukcje budynków, powstające w wyniku poszukiwania i stosowania nowych materiałów konstrukcyjnych i izolacyjnych, charakteryzują się większą zdolnością przenoszenia dźwięków niż konstrukcje tradycyjne — masywne. Ponieważ jednocześnie mamy do czynienia ze wzrostem natężenia wszelkiego rodzaju hałasów, spowodowanych chociażby obecnością arterii drogowych czy kolejowych w pobliżu osiedli mieszkaniowych, a także ze wzrostem ilości hałasów spowodowanych sprzętem gospodarstwa domowego, czy radiowo-telewizyjnym, należy stosować takie konstrukcje i takie materiały, które mogą ograniczyć słyszalność tych hałasów. Dźwięki i hałasy — to w zasadzie pojęcia o zbliżonym znaczeniu, jednakże w języku potocznym, a także w wielu podręcznikach, termin „dźwięk" traktowany jest jako czynnik przyjazny dla człowieka i powstający niejako na jego życzenie (np. muzyka, śpiew, odgłosy z radia, czy telewizji). Słowo „hałas" z reguły jest przedstawiane w znaczeniu pejoratywnym: „hałas" — to coś niepożądanego, szkodliwego, mającego wpływ na złe samopoczucie oraz stanowiącego źródło nerwic i stresów. Ciekawą rzeczą jednak jest fakt, że ta sama muzyka, ale słyszana z mieszkania sąsiedniego przez ścianę, jest już hałasem, a nie dźwiękiem...
Pod względem fizycznym dźwięk tworzy się wskutek drgania mechanicznego cząstek materiału dowolnego ośrodka sprężystego. Drgania te rozchodzą się w tym ośrodku w postaci fal dźwiękowych. Istnienie tego ośrodka jest warunkiem koniecznym powstawania dźwięku, jako że dźwięki nie mogą powstawać w próżni.
Ciśnienie akustyczne to ciśnienie wywołane drganiami akustycznymi, będące różnicą między ciśnieniem istniejącym w środowisku w danej chwili a ciśnieniem istniejącym w środowisku, gdy nie ma w nim drgań akustycznych. Bel jest to poziom ciśnienia akustycznego występujący, gdy podwojony logarytm dziesiętny ilorazu tego ciśnienia do ciśnienia odniesienia wynoszącego 2 x 10 - 5 paskala jest równy l. W praktyce powszechnie stosuje się jednostkę nazwaną decybelem [dB], równą jednej dziesiątej bela. Ponadto, aby przybliżyć pomiar dokonany przyrządem pomiarowym do wrażenia, jakie dźwięk ten wywiera na błonę bębenkową ucha człowieka, wprowadza się w układ pomiarowy jeden z trzech rodzajów filtrów korekcyjnych o określonych charakterystykach, oznaczanych zwykle literami A, B lub C. Uwzględniając to, podaje się rodzaj zastosowanego podczas pomiaru korektora, np. dB(A), dB(B) lub dB(C).
W akustyce budowlanej jest rzeczą istotną jak reaguje fala dźwiękowa na obecność przegrody. Zależy to od jej konstrukcji i rodzaju materiałów, z których ta przegroda się składa. Fala dźwiękowa może więc być przez tę przegrodę pochłonięta, może być od tej przegrody odbita, a przeważnie jest częściowo pochłonięta oraz częściowo odbita. Kąt padania fali dźwiękowej i kąt jej odbicia są sobie równe, natomiast rodzaj materiału przegrody określa, jaka część fali zostanie pochłonięta przez przegrodę, a jaka od tej przegrody odbita (rys. 8-13).

a1 - kąt padania fali
a2 - kąt odbicia fali
a3 - kąt między powierzchnią przegrody a kierunkiem fali
pochłoniętej




Rys. 8-13. Wpływ istnienia przegrody na odbicie, lub pochłonięcie fali dźwiękowej





Rodzaje izolacji akustycznych
Rodzaje materiałów, z których projektuje się zewnętrzne przegrody budowlane powinny być tak dobrane, aby zapewnić we wnętrzu budynku komfort akustyczny. Oznacza to dopuszczenie do powstania w tych pomieszczeniach dźwięków o jedynie takich natężeniach, które nie wywołują przykrych doznań u przebywających tam ludzi. Istnieje bowiem pewna granica natężenia hałasu, tj. 30—35 dB(A), powyżej której w takim pomieszczeniu nie można ani pracować, ani wypoczywać. W normie PN-87/B-0215] określono poziomy hałasów (A), które można dopuścić w poszczególnych rodzajach pomieszczeń, np.:
• w pokojach dla chorych w szpitalach — 30 dB w dzień, 25 dB w nocy,
• w sypialniach domów mieszkalnych — 35 dB w dzień, 25 dB w nocy,
• w klasach szkolnych i salach wykładowych — 35 dB
• w pomieszczeniach administracyjnych — 35 dB
Równocześnie zostały określone poziomy hałasów (natężenia dźwięku) na zewnątrz budynków, w zależności od miejsca ich usytuowania:
• ulice w cichych osiedlach — 50 dB,
• ulice dzielnicowe — 65 dB,
• ulice miejskie w śródmieściu — 75 dB,
• przelotowe arterie ruchu ciężkiego, sąsiedztwo wielkich zakładów przemysłowych — 80 dB.
W związku z tym określa się wymagania akustyczne dla przegród budowlanych. Jeśli np. dom mieszkalny lub szpital, znajduje się przy dużej i ruchliwej ulicy w śródmieściu, to zewnętrzna ściana takiego budynku powinna zapewnić pochłonięcie dźwięku o natężeniu około 50 dB, co wynika z różnicy poziomu hałasu na zewnątrz i wymaganego poziomu dźwięku w pomieszczeniu. Jeśli przegroda jest wykonana w formie masywnej (np. gruby mur ceglany) — to pochłonięcie tej porcji hałasu osiąga się łatwo, jeśli natomiast w przegrodzie tej znajdują się liczne otwory okienne lub drzwi balkonowe, wówczas te otwory obniżają znacznie zdolności izolacyjne ściany. Należy wtedy stosować specjalne konstrukcje okien i drzwi balkonowych, które zapewniają właściwą izolacyjność akustyczną. Są to przeważnie okna z podwójną lub potrójną szybą zespoloną, o ramach wykonanych z dobrego gatunkowo tworzywa sztucznego (PCW).
Wymagania dobrej izolacyjności akustycznej odnoszą się również do ścian wewnętrznych, ponieważ często źródła hałasu znajdują się w tym samym budynku, często bezpośrednio za ścianą. Pracująca pralka, czy odkurzacz powodują hałas rzędu 70 dB(A), krzyki bawiących się dzieci, odgłosy z radia, czy telewizora — około 80 dB(A). Dźwięki te powstające we własnym mieszkaniu z założenia nie powinny być uciążliwe, natomiast dochodzące z mieszkań sąsiednich lub z klatki schodowej — przeszkadzają i muszą być eliminowane. Dlatego też nieprzypadkowo projektuje się pomieszczenia kuchenne i WC przy ścianach klatek schodowych (rys. 8-14); oddzielają bowiem pokoje mieszkalne i sypialnie od tych klatek i powodują niezależnie od ścian dodatkowe tłumienie dźwięków.
Same przegrody budowlane, zarówno ściany, jak i stropy, powinny mieć konstrukcję umożliwiającą właściwe tłumienie hałasów. Stropy ciężkie, o konstrukcji masywnej, przeważnie wystarczają do ochrony pomieszczeń przed dźwiękami powietrznymi, natomiast mogą nie stanowić wystarczającej ochrony przed dźwiękami uderzeniowymi. Z tych względów układa się na stropach tzw. podłogi pływające o budowie rozdzielonej dobrym izolatorem akustycznym, które stanowią skuteczną ochronę przed tymi dźwiękami. Przykładowo mogą być tu zastosowane płyty wykonywane na bazie wełny mineralnej, które poprawiają izolacyjność akustyczną stropu o około 28 dB (!). Właściwości izolacyjne przegrody poziomej poprawia również zastosowanie specjalnej konstrukcji sufitów podwieszonych złożonej z płyty nośnej i izolacji dźwiękochłonnej, umocowanej w sposób sprężysty do konstrukcji stropu .
W konstrukcji ścian zewnętrznych pożądane jest użycie takiej izolacji termicznej, która charakteryzuje się równocześnie dobrym pochłanianiem hałasów, np. płyt ściennych fasadowych z wełny mineralnej. Proponowane są również tłumiące dźwięki konstrukcje ścianek działowych o niewielkiej grubości (rys. 8-17), natomiast o izolacyjności akustycznej ok. 50 dB(A).

Zasady właściwego projektowania akustycznego
Budynki i pomieszczenia specjalne, przeznaczone profesjonalnie do słuchania emitowanych dźwięków — opery, filharmonie, sale koncertowe, sale teatralne, kina i audytoria — muszą być tak wykonane, aby natężenie dźwięku miało możliwie równomierny rozkład w całym pomieszczeniu i aby dźwięk był wyrazisty, bez echa i rezonansu, za to z właściwym pogłosem, czyli pozornym wydłużeniem dźwięku, pożądanym zwłaszcza przy słuchaniu muzyki, czy śpiewu. Uwzględnić należy tu bardzo wiele czynników, takich jak wielkość widowni, wpływ kształtu sceny, wpływ tzw. fosy orkiestrowej (pomieszczenia znajdującego się między sceną, a widownią, poniżej sceny), wpływ balkonów itp. Szczególnie ważne jest uzyskanie równomiernego natężenia dźwięku we wszystkich miejscach widowni. Aby to uzyskać, należy unikać wykonywania we wnętrzach powierzchni wklęsłych, prowadzących dźwięki do jednego punktu, należy też unikać głębokich wnęk pod balkonami, do których dźwięki mogą w ogóle nie dochodzić. Ponadto należy unikać projektowania ścian jako powierzchni do siebie równoległych, ponieważ może to powodować powstanie echa pojedynczego lub wielokrotnego. Sufit powinien zapewnić równomierne odbicie fal dźwiękowych na całą powierzchnię podłogi widowni, zatem nie powinien pochłaniać dźwięków.
Sale koncertowe, przeznaczone do słuchania muzyki symfonicznej, powinno się projektować na około 1500 osób, sale przeznaczone do słuchania muzyki kameralnej — na około 400 osób. Zapewni to dobrą słyszalność ze wszystkich miejsc widowni. W sali operowej musi być zaprojektowana fosa dla orkiestry, przy czym górny jej otwór powinien zajmować około 2/3 podłogi fosy. Dźwięki ze sceny powinny być kierowane jedynie na widownię, natomiast te ściany, które mogłyby odbijać fale w kierunku sceny, powinny być okryte materiałami dźwiękochłonnymi.