Akustika pregradnih zidova, vrata i prozora

Karakteristike pregradnih konstrukcija unutar građevinskih objekata dominantno su uslovljene osnovnim konstruktivnim zahtevima: zahtevima statike i seizmike. Osim ovih ključnih uslova, pri definisanju strukture pregrada trebalo bi ispoštovati i izvesne zahteve akustike iz domena zvučne izolacije.

Akustički zahtevi u odnosu na pregradne konstrukcije u građevinskim objektima obuhvataju:

• građevinske pregrade (zidove, međuspratne konstrukcije)
• vrata
• prozore

Osnovni akustički uslov odnosi se na minimalne vrednosti njihovih izolacionih svojstava koje se moraju ostvariti na pojedinim pozicijama u objektu. Ove vrednosti su kvantitativno utvrđene standardom JUS U.J6. 201. Šta sve podrazumevaju pokazatelji izolacionih svojstava pojedinih pregradnih konstrukcija i od čega zavise njihove vrednosti šire je navedeno u tekstu koji sledi.

Izolaciona moć građevinskih pregrada

Izolaciona moć građevinskih pregradnih konstrukcija (zidova, tavanica, vrata, prozora) pokazatelj je njihove sposobnosti da zadržavaju zvučnu energiju. To je veličina koja se izražava u decibelima, pri čemu vrednost označava veće zadržavanje energije, odnosno manji prolazak kroz pregrade. Realne pregrade u građevinskim objektima imaju izolacionu moć u opsegu od oko 20dB (slabija vrata) i do preko 60dB (veoma masivni zidovi). Vrednost izolacone moći pregrade zavisi od njenih fizičkih svojstava. Na to utiču težina, odnosno površinska masa i složenost unutrašnje strukture.

Zato su zahtevi za minimalnu izolacionu moć masivne pregrade na nekoj poziciji u objektu, utvrđeni standardom mogu prevesti na uslove izbora materijala od koga se izrađuje pregrada, njenu unutrašnju konstrukciju i ukupnu debljinu.

Osnovni zakon fizike koji važi u ovoj oblasti jeste tzv. zakon mase. Pojednostavljeno rečeno, izolaciona moć pregrade direktno je srazmerna njenoj površinskoj masi. Srazmernost je takve prirode da udvostručavanje mase povećava izolacionu moć za 6dB. To istovremeno znači da će pri konstantnoj debljini pregrade njena izolaciona moć biti veća, ako je materijal od koga je ona načinjena veće specifi čne težine. Ako se iz bilo kojih razloga za izradu neke pregrade predlaže primena materijala manje specifi čne težine, što je čest zahtev statičara, tražena izolaciona svojstva moraju se “platiti” povećanjem debljine.

Podaci iz akustičkih priručnika mogu slikovito ilustrovati “zakon mase”. Pregrada od lakog betona (gasbetona) treba da ima debljinu čak 22cm da bi približno ostvarila izolaciona moć koju imaju pregrade od samo 7cm običnog armiranog betona ili obostrano malterisan zid od pune opeke na kant.

Dobijanje na izolacionoj moći povećavanjem površinske mase pregrade do potrebne vrednosti ima svoja praktična ograničenja. Naime, izrada jednostrukih monolitnih pregrada velikih vrednosti izolacione moći dovodi do toga da one postaju suviše debele i teške.

Ipak, osim povećanja mase, postoji i drugi pristup u realizaciji pregradnih konstrukcija kojim se mogu zadovoljiti akustički zahtevi. On se zasniva na formiranju diskontinuiteta u njihovoj unutrašnjoj strukturi. To su tzv. višestruke pregrade. Neke vrste višestrukih konstrukcija nazivaju se “sendvič konstrukcije”.

Akustički pojam višestruke pregrade podrazumeva unutrašnju strukturu koja ima dva sloja ili više slojeva čvrstog materijala između kojih se ostavlja izvestan razmak.

Međuprostor između čvrstih slojeva je vazduh, koji eventualno može biti popunjen nekim poroznim apsorpcionim materijalom. Izolaciona svojstva takvih pregrada određuju čvrsti slojevi, njihova težina, njihovo međusobno rastojanje i način na koji su slojevi međusobno fizički povezani. Popuna međuprostora apsorpcionim materijalom samo je dodatak koji u izvesnoj meri doprinosi povećanju izolacione moći.

Zanimljivo je da u vezi s tim postoje izvesne zablude, pa se često smatra da je ta unutrašnja ispuna (npr. mineralna vuna) suština zvučne izolacije. Međutim, jasno je da zid podignut isključivo od tabli mineralne vune ne bi bio nikakva prepreka zvuku, što dokazuje da prisustvo mineralne vune ne čini suštinu izolacione moći pregrade.

Prema tome “tajna” izolacione moći pregradnih konstrukcija je u dovoljnoj masi i, po potrebi, u diskontinuitetu slojeva adekvatne mase. Sve ostalo su sitnice koje mogu da povećaju ili malo da smanje izolacionu moć određenu masivnim slojevima. Nažalost, oba faktora, masa i diskontinuitet, znače i neumitno povećanje debljine pregrade. U projektantskom poslu stvar je u optimizaciji raspodele težina pojedinačnih slojeva i njihovih međusobnih razmaka da bi se postavljeni akustički ciljevi postigli sa minimalnom mogućom ukupnom debljinom pregrade.
 
Zbog toga, opet nažalost, u oblasti zvučne izolacije nema jednostavnih, “čarobnih” rešenja. Nema premaza za zidove, folije koje bi se lepile, “specijalnih” ploča koje treba samo postaviti na površinu zida da se izolaciona moć zida rapidno poveća. I tu postoje mnoge zablude. Često se po stanovima mogu videti tanke ploče od plute nalepljene na površinu zida sa idejom da se time reši problem nekakve buke koja dopire iz susedstva. Isto obrazloženje prati nalepljene table stiropora. Takvi dodaci niti povećavaju masu zida niti formiraju diskontinuitet masa u pregradi. Svojom beznačajnom masom, direktno dodatom materijalu osnovne pregrade, takve intervencije predstavljaju nepotrebno razbacivanje novca bez primetnih akustičkih efekata.

Nesporan je samo enterijerski učinak pošto takva “akustička” obrada ima samo funkciju završne obrade zida.

Vrata

Pojednostavljenje, dozvoljeno sa aspekta akustike, defi niše vrata kao pregradnu konstrukciju koja se otvara i koja se kao poseban deo, ugrađuje u za to pripremljene otvore. Upravo te dve činjenice (otvaranje i ugradnja) presudno određuju realan aksutički kvalitet svakih vrata u građevinskim objektima. Na slici 1 su prikazana tri glavna puta prolaza kroz vrata ugrađena u neku građevinsku pregradu.

Slika 1.
Ilustracija putanja kojima zvučna energija prolazi kroz vrata. Osim kroz krilo (1), zvuk prolazi kroz fuge između krila i okvira (2) i kroz fuge između okvira i zida (3)

Osim kroz materijal krila, zvuk prolazi kroz fuge između krila i okvira i kroz fuge između okvira i zida. Međusobni relativni odnos doprinosa ova tri paralelna puta ukupnoj izolacionoj moći vrata zavisi od nekoliko faktora. Akustički kvalitet vrata u celini obično određuje najslabiji od njih.

To znači da u nekim okolnostima materijal od koga je napravljeno krilo vrata može biti bez značaja, a da njihovu izolacionu moć diktiraju detalji izrade i ugradnje, recimo velika fuga između okvira i zida ili kada ne postoji prag.

Izolaciona moć krila vrata određena je njegovom unutrašnjom strukturom. Za krilo vrata, kada se posmatra kao nezavisna pregrada, važe svi principi kao i za zidove. Izolaciona moć se postiže masom, znači debljinom, i eventualno diskontinuitetom u unutrašnjosti krila.

Zbog toga se, kao i kod svake druge pregrade, akustički kvalitetna vrata mogu dobiti samo sa krilom dovoljno velike površinske mase. Na izuzetno kritičnim mestima, a to su pre svega radio i TV studiji, pozorište, koncertne i bioskopske sale i slični objekti, krilo jednostrukih vrata standardnih dimenzija može biti teško i do 100kg (“specijalna” klasa prema JUS U.J6. 201).

S akustičkog aspekta, pojava fuge znači otvaranje putanje za prolazak zvuka mimo krila. U literaturi se mogu naći veoma ilustrativni rezultati merenja uticaja fuga oko krila vrata na njihovu izolacionu moć. Podaci pokazuju da fuga širine 1mm smanjuje ukupnu izolacionu moć vrata za oko 5dB u odnosu na vrednost koja bi se dobila da je fuga potpuno zaptivena. Fuge veće od 2mm već potpuno degradiraju akustički kvalitet vrata i tada postaje gotovo nebitno od kog je materijala izrađeno krila.

Maksimalnu vrednost izolacione moći vrata određuje, prvenstveno materijal od koga je napravljeno krilo. Interesantno je da se ta maksimalna, odnosno teorijska vrednost može ostvariti samo ako je krilo ulepljeno u okvir, jer se time eliminiše svaka moguća fuga. Rezultat merenja izolacione moći vrata sa istim krilom ali sa funkcijom ostvarenja, uz potpuno zaptivenu fugu po ivici, pokazuje da je njena vrednost za oko 3dB manja od one koja se može izmeriti sa krilom zalepljenim u okviru.

Poseban aspekt kod vrata jeste njihovo otvaranje. Na pregradama između prostorija svaka pa i najmanja pukotina znatno utiče na smanjenje vrednosti izolacione moći. Po prirodi stvari mnogo je mesta na kojima se oko vrata može pojaviti fuga kroz koju će zvučna energija naći sebi put. Podrazumeva se velika verovatnoća pojavljivanja fuga između krila i okvira. Kvantitativna i frekvencijska zavisnost akustičkog uticaja fuga zavisi od veličine tako nastalih otvora.

Veličinu fuga koje ostaju oko krila kada su vrata u zatvorenom položaju određuje preciznost izrade i mehanička stabilnost primenjenih materijala i kvalitet mehanizama za vršenje krila (šarke), kvalitet i funkcionalnost mehanizma za zatvaranje, a važan je i uticaj materijala primenjenih za zaptivanje (zaptivne trake). Visok nivo preciznosti izrade može se postići samo čeličnim konstrukcijama. Zbog toga su ram i okvir krila i vrata velike izolacione moći uvek izrađeni od čeličnih profila.

Za zaptivanje se najčešće koriste šuplji gumeni profili. Na konstrukciji ugrađenih vrata mogu se pojaviti i drugi otvori koji mogu olakšati prolazak zvuka. U praksi je to najčešće nedostatak praga. Ako na vratima ne postoji prag i ako između površine poda i donje ivice krila postoji poveći razmak, materijal krila vrata gotovo da nema uticaja na izolacionu moć.

Ukupan rezultat određuje isključivo površina otvora između poda i krila. Vrata koja zadovoljavaju strože akustičke zahteve moraju imati prag ili poseban mehanizam kojim se ovaj otvor popunjava kada su vrata u zatvorenom položaju (razne metlice i slične konstrukcije koje izlaze sa donje strane krila). Treba napomenuti da i brava, odnosno ključaonica, takođe predstavlja manji ili veći otvor. Zato vrata sa visokim vrednostima izolacione moći ne smeju imati običnu bravu, koja, što je uobičajeno i prolazi čitavom debljinom krila.

Veoma je specifi čan problem fuge koja se javlja između okvira vrata i ivice građevinskog elementa. Iako se ona vizuelno zatvara, tačnije maskira ukrasnim lajsnama, zvuk uvek prolazi i tim putem. Zato se pri ugradnji vrata velike izolacione moći mora voditi računa o dva bitna zahteva:

• dovoljnoj preciznosti u realizaciji zadatih dimenzija građevinskog otvora, da bi se sprečila pojava široke fuge na toj poziciji, i
• načinu popunjavanja prostora fuge odgovarajućim masivnim zaptivnim materijalom

Iako to zvuči paradoksalno, složenost problema dobijanja izolacione moći vrata na izvestan način je pojednostavila posao arhitekte kao projektanta objekta. Zbog opisane specifi čnosti vrata, sasvim je nepotrebno u projektima iz akustičkih razloga razrađivati detalje njihove konstrukcije jer oni sami nisu nikakva garancija akustičkog kvaliteta u  izvedenom stanju.

Preciznost izrade pojedinih kritičnih delova, način ugradnje i izbor materijala za izradu bitnih detalja, sve to dominantno određuje izolacionu moć vrata na objektu, a ne može se do kraja specifi cirati u projektu. Da bi se taj projektantski problem pojednostavio, uvedena je akustička podela vrata na klase. Ta podela je opisana u standardu JUS U.J6. 201.

Specificiranje traženih akustičkih klasa vrata jedini je mogući pristup pri projektovanju. Stvarna garancija kvaliteta vrata može biti samo laboratorijski atest koji podnosi isporučilac ili, alternativno, njihova provera nakon ugradnje merenjem na licu mesta u objektu. Oba načina provere kvaliteta u domenu su međusobnih relacija isporučioca vrata i investitora, odnosno njihovih ugovornih odnosa. Osim za definisanje akustičke klase vrata, projektant ostaje odgovoran za sve neakustičke osobine: dimenzije, završnu obradu itd.

Zbog činjenice da je izolaciona moć vrata uvek znatno manja od izolacione moći okolnog zida, na svakoj pregradi će vrata biti kritičan element koji neumitno umanjuje izolaciona svojstva pregrade u celini. Samim tim, prilikom projektovanja treba proceniti koja je to minimalna izolaciona moć vrata na pojedinim pozicijama koja neće degradirati zvučnu zaštitu. Na posebno kritičnim pozicijama u objektu adekvatnom organizacijom prostora i komunikacionih pravaca treba izbegavati vrata.

Prozori

Prozori predstavljaju pregradne konstrukcije koje s akustičkog aspekta spadaju u potpuno istu kategoriju kao i vrata. To je takođe element pregrade koji se otvara, pa otuda i sve njegove specifi čnosti. Među njima u akustičkom smislu ipak postoji jedna značajna razlika.

Materijal za izradu krila vrata može se birati proizvoljno pa i na osnovu nekih akustičkih zahteva ako je to potrebno. U posebnim slučajevima krila vrata se prave od debelog čeličnog lima. Pri izradi prozora ne postoji sloboda izbora u načinu izrade njihovih krila. To uvek mora biti staklo.

Zato je akustički kvalitet prozora dominantno određen izolacionim svojstvima staklenog okna, jednog ili više, i svim problemima zaptivanja koji su već opisani. Izolaciona svojstva jednog staklenog okna zavise isključivo od njegove mase, a to znači od debljine. Zbog toga se na prozore od kojih se traži veća vrednost izolacione moći moraju postavljati debela stakla. U posebno kritičnim okolnostima koriste se stakla debljine i do 10–12mm.

Kada jednostruka stakla ne mogu da obezbede dovoljnu izolacionu moć, a to je pravilo na gotovo svim pozicijama u građevinskim objektima, pribegava se dvostrukim, u nekim okolnostima čak i višestrukim oknima.

Kod prozora sa dvostrukim oknom, što je svakako najraspostranjeniji oblik, izolaciona moć pri usvojenoj debljini stakala zavisi od njihovog međusobnog rastojanja. Što je rastojanje između unutrašnjeg i spoljašnjeg stakla veće, veća je i izolaciona moć. Ukratko, deblja stakla i veća rastojanja među njima donose veću izolacionu moć.

Sve što je objašnjeno o zaptivanju kao faktoru koji utiče na izolacionu moć vrata pojavljuje se kao problem i kod prozora. Fuge između krila prozora i okvira, kao i između okvira i građevinskog otvora, put su stalnog prolaska zvučne energije. Ovde u potpunosti važi slika data kao ilustracija za puteve prolaska zvučne energije. Treba samo pretpostaviti da se u slici na mestu krila nalazi stakleno okno u odgovarajućem ramu.

Poželjno je navesti neke konkretne primere koji pokazuju značaj debljine stakla i njihovog međusobnog rastojanja. Jedna karakteristična konstrukcija, uobičajeno nazvana “studijski prozor” pojavljuje se u muzičkim, radio i TV studijima i služi za vizuelnu komunikaciju između studija i tehničke režije.

Prema podacima iz literature, jedna takav prozor sa dva okna debljine 10mm i 12mm koji su na međusobnom rastojanju 40–50 cm ima izolacionu moć blisku vrednosti za betonski zid debljine 15cm. Kod ovakvih rozora primenjuju se i posebne mere pri izradi okvira i njegovoj ugradnji u građevinski otvor kako bi se eliminisali svi mogući parazitski putevi prolaska zvuka. Interesantne su akustičke osobine sendviča od dva stakla na relativno malom međusobnom rastojanju (termoizolaciona stakla).

Detalji konstrukcije mogu biti različiti, ali rasprostranjen primer je okno od dva stakla debljine 3–4mm, sa međuprostorom 10–12mm. Ovakvo okno se često koristi, pri čemu je jedno od obrazloženja primene da ima dobra akustička svojstva.

Ako se ne ulazi u njegove termoizolacione karakteristike, u akustičkoj literaturi može se naći rezultat merenja koji pokazuje da ovakvo dvostruko okno sa staklima debljine od po 3mm, ako je rastojanje među staklima manje od 13mm, ima malo manju izolacionu moć od jednostrukog stakla debljine 5,5mm.

Pogoršanje  u odnosu na jednostruko okno posledica je rezonantnih pojava koje se javljaju u vazdušnom prostoru između dva međusobno bliska stakla. Ukratko, ovakvo dvostruko okno akustički je neznatno slabije od jednostrukog okna iste ukupne mase stakla.

Naravno, ovi podaci ne dovode u sumnju termičke kvalitete, već samo ukazuju da termička poboljšanja ne daju uvek i akustička poboljšanja. Štaviše, ovaj primer pokazuje da se, u najboljoj nameni, njima mogu pogoršati akustičke osobine prozora.