from 01.01.2014 until now
Tyumen', Tyumen, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Roof boiler plants are the crucial components in development of heat generation within housing and utilities sector. They are given as engineering structures located on the roof of a construction project generating thermal energy for one or a limited number of consumers, interconnected on a legal basis or by process requirements. The main problem of roof boiler plant operation is the processes of vibrational energy transmission to the objects of thermal energy consumption. Subsequently it results in negative impact of noise and vibration on person inside the building. The reasons for these processes are: the processes of moving working bodies in mechanisms associated with the production of heat energy; the transfer of energy of vibrations through building structures; rigid connections of building structures; errors in the design of engineering measures. In terms of vibroacoustic protection, the following main methods of reducing impacts are identified: fighting structural noise; reducing the energy of vibrations from the roof boiler plants; reducing aeration noise; noise insulation of the technical floor under the roof boiler plants. One way to reduce the impact is to install a "floating floor" in the vibration source. This method is used when it is necessary to reduce vibration from engineering equipment on building structures. Disadvantage of the existing method for calculating “the floating floor” is that boiler plant equipment has various frequencies of natural and induced vibrations while being on the same averaged building floor structure. This does not allow mitigating the negative effect of vibration transfer to the full extent. The author presents results of further improvement of the method with the allocation of separate circuits of “the floating floor” when using roof boiler plants in civil buildings of cast-in-place construction.
Roof boiler plants, fluctuations, vibration, monolith-frame buildings
Введение. В статье представлен материал по исследованию методов снижения шума в гражданских зданиях, оборудованных крышными котельными установками.
В настоящее время обеспечение объектов капитального строительства устойчивым снабжением тепловой энергии [1] без уменьшения полезной площади здания в климатических условиях Российской Федерации [2] приводит к росту числа крышных котельных установок, как основного источника теплоснабжения.
Исследуемый объект – 19 этажное жилое здание, построенное по технологии монолитно-каркасного домостроения оборудованное крышной котельной. Отличительная черта монолитно-каркасного домостроения – создание ядра жесткости в виде лестнично-лифтового узла. Основная несущая способность каркаса обеспечивается совместной работой металлической арматуры (металл) и сделанных из бетона элементов. Используемые материалы хорошо воспринимают воздействие вибрации, которую с минимальными потерями передаются по всему ядру здания, а затем транслируют на другие строительные конструкции.
Вопросами борьбы с негативным воздействием от инженерного оборудования (шум и вибрация) занимаются крупные научные объединения НИИСФ РААСН, НИИ МЭИ, ТГАСУ, СНИУ имени Академика С.П. Королева, ОмГТУ, ТИУ и ученые В.П. Гусев [3], С.Н. Овсянников [4, 5], Б.А. Калашников [6], В.Г. Соколов [7], В.Б. Тупов [8], М.Н. Чекардовский [9] и другие [10].
Цель статьи – совершенствование существующих методов снижения показателей шума и вибрации на примере метода «плавающего пола» [11] для применения в автономных источниках теплоснабжения как на стадии проекта, так и в эксплуатационный период.
Цель исследования. получение модели работы «плавающего пола» при устройстве двух различных контуров в одном автономном источнике теплоснабжения (АИТ) – крышной котельной.
Задачи исследований:
- инструментальные измерения уровня и частоты собственных и вынужденных виброакустических колебаний (УЧСВВАК) узлов ККУ без «плавающего пола»;
- моделирование уровня и частоты собственных и вынужденных виброакустических колебаний (УЧСВВАК) узлов ККУ с применением «плавающего пола»
- моделирование процессов передачи виброакустического воздействия на здание;
- расчет «плавающего» пола для применения в крышной котельной;
- теоретическая оценка и прогнозирование состояния системы «ККУ - плавающий пол - здание».
Основная часть. Силы, действующие на здание, как на механическую систему, весьма разнообразны по роли, которую они играют в процессе передачи вибрации и шума [12,13,14] (колебательном процессе). Наиболее значимыми являются:
- Восстанавливающие силы. Основной тип восстанавливающих сил – сила упругости.
- Диссипативные силы. При колебаниях механических систем, кроме восстанавливающих сил, неизбежно развиваются силы трения. Они совершают необратимую работу, что приводит к рассеиванию механической энергии (диссипации). К этой категории относятся силы трения в опорах и сочленениях механической системы, силы сопротивления среды, в которой происходят колебания, силы внутреннего трения в материале элементов системы и силы, возникающие при нагружении амортизаторов.
Представленная на рис. 1 общая механическая система крышной котельной, состоят из элементов с разными характеристиками массы и величины колебаний. Элементы системы представлены на рис. 1.
Рис. 1. Механическая система колебаний, где 1 – котельная установка; 2 – горелочное устройство;
3 – насосная техника; 4 – расширительные баки; 5 – теплообменные аппараты; М – масса элемента
в механической системе, кг; N – продольная сила элемента в механической системе, Н;
с – коэффициент жесткости демпфирующего основания (пружины) котельной, Н/м или кг/с2;
b – коэффициент кинематической вязкости основания, м2/с; х - перемещение (колебания) основания
котельной, м; F – вектор колебания системы, с-1; где, co – приведенный коэффициент жесткости
системы при частоте pi
Согласно способу разложения масс [15] в некоторых точках системы сосредоточены разные массы mi. Тогда собственная частота такой системы 
:
(1)
Для усреднения собственных колебаний сложной механической системы необходимо ввести понятие приведенной массы m (кг):
(2)
Применение данного выражения позволяет нивелировать разные массы тел с различными показателями колебания в сложной механической системе.
Таким образом, при наличии тел разной массы и нахождение показателя общей приведенной массы в сложной системе, представленной на рис. 1 можно представить в виде:
Для распределенной массы:
(3)
Для сосредоточенной массы:
(4)
Разделив обе части полученного равенства на показатель приведенного коэффициента жесткости (co):
(5)
где 
– квадрат частоты приведенной системы. Полученное выражение будет приближено к формуле Донкерлея:
Для сосредоточенной массы:
(6)
Для распределенной массы:
(7)
где, c(х) – коэффициент жесткости системы, Н/м или кг/с2.
Исходя из описанной выше системы необходимо описать колебания контуров котельной. Для расчета нескольких контуров применим известные положения расчета «плавающего пола» по методике Профессора В.П. Гусева [3].
Конструктивная схема основания крышной котельной без «плавающего пола» представлена на рис. 2.
Рис. 2. Основание котельной
Для снижения вибропередачи от источников на строительные конструкции и друг друга выполнено устройство демпфирующего элемента для применения в системе «плавающего пола» (рис. 3).
Расположение демпфирующих элементов выполнено по периметру котельной и между контурами плавающего пола (рис. 4).
Рис. 3. Демпфирующий элемент в системе «плавающий пол»
Рис. 4. Система применения по периметру здания котельной системы «плавающий пол»
1 – блок циркуляционных насосов системы теплоснабжения и ГВС здания; 2,3 – теплообменные аппараты;
4 – котельные установки с горелочными устройствами и обвязкой
Существующие методы.
Оценка уровня работы «плавающего пола»:
,дБ (8)
где, Zн, Zп, н·с/м – сопротивления плиты перекрытия и покрытия пола на упругом основании; Rм, Хм, н·с/м – действительная и мнимая части сопротивления оборудования крышной котельной;
дБ – уровень виброгашения конструкции плавающего пола;
(9)
(10)
где, fв, Гц – частота наступления волновых явлений в упругом основании; f, Гц - частота распространения колебаний; m0, кг/м2 – поверхностная плотность упругого основания.
Наиболее важной характеристикой «плавающего пола», является частота собственных колебаний, Гц:
, (11)
где, Ед, МПа – динамический модуль упругости основания «плавающего пола»; d, м – толщина упругого основания в обжатом состоянии; mп, кг/м2 – поверхностная плотность плиты пола.
Изменение уровня вибрации до и после устройства плавающего пола представлены на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Уровни вибрации до устройства плавающего пола
Рис. 5. Уровни вибрации после устройства плавающего пола
1 – вибрация на конструкциях котельной; 2 – на основании котельной; 3 – на кровле
Анализ графиков 4 и 5 показывает снижение уровня вибрации в котельной до и после устройства плавающего пола на 10 %. Помимо контроля за показателями шума в котельной дополнительно проведены измерения уровня шума в техническом этаже, жилых помещениях под котельной и дополнительно зафиксированы фоновые показатели шума 19-этажного жилого здания. Результат измерений до появления «плавающего пола» представлены на рис. 6.
Рис. 6. Уровень шума в помещениях 19-этажного жилого здания
После анализа полученных данных был предложен метод «плавающего пола» для виброакустической защиты здания от воздействия котельной. Результат после появления плавающего пола представлен на рис. 7.
Рис. 7. Уровень шума в помещениях 19 этажного жилого здания после устройства «плавающего пола»
Согласно данным рисунками мы видим превышение уровня звука в диапазоне 125–500 Гц [16]. Данные частоты соответствуют громкости процесса горения в котельных установках.
Оценка уровня «работы» контура №1 «плавающего пола»:
,дБ (12)
Оценка уровня «работы» контура №2 «плавающего пола»:
(13)
где, Zн, Zп, н·с/м – сопротивления плиты перекрытия и покрытия пола на упругом основании; Rм, Хм, н·с/м – действительная и мнимая части сопротивления оборудования крышной котельной; дБ – уровень виброгашения (работы) конструкции плавающего пола;
(14)
(15)
где, fв, Гц – частота наступления волновых явлений в упругом основании; f, Гц - частота распространения колебаний; m0, кг/м2 – поверхностная плотность упругого основания.
Наиболее важной характеристикой «плавающего пола», является частота собственных колебаний, Гц:
, (16)
где Ед, МПа – динамический модуль упругости основания «плавающего пола»; d, м – толщина упругого основания в обжатом состоянии; mп, кг/м2 – поверхностная плотность плиты пола.
Передачу энергии между демпферами контурами «плавающего пола» опишем по известной методике [17] через потерю мощности при передаче энергии вибрации между энергетическими системами:
(17)
где ηbi, рад/с – коэффициент внутренних потерь в подсистеме при распространении изгибных волн; ω – круговая частота; Wib, Дж - средняя энергия колебания в элементе.
Тогда, энергетическая взаимосвязь систем:
(18)
Внутренние потери энергии при реверберации в помещениях можно представить, как зависимости объема помещения и звукопоглощения:
(19)
где f, Гц – среднегеометрическая полоса частоты; Тк, c – время реверберации в помещении;
Ак, дБ – эквивалентное звукопоглощение материалов в помещении; VK, м3 – объем помещения.
Результаты:
- Внедрение нескольких контуров «плавающего пола» снижает уровень вибрации на 10 %;
- Анализ графика (рисунок 7) демонстрирует снижение уровня шума на 12 %;
- Анализ применения нескольких контуров плавающего пола в крышной котельной позволяет локально снизить вибрацию от работающего оборудования.
Выводы:
- Система «плавающего пола» необходима для обеспечения виброакустической защиты жилых зданий с инженерным оборудованием крышных котельных.
- Разложение механической системы, состоящей из тел разной массы позволяет достоверно оценить «вклад» каждой системы в виброакустический уровень здания.
1. Energy strategy of Russia for the period until 2030. Morning. By order of the Government of the Russian Federation [Energeticheskaya strategii Rossii na period do 2030 g. Utr. rasporyazheniem Pravitel'stva RF ot 13.11.2009 g] dated November 13, 2009 No. 1715-r / Institute for Energy Strategy. [Electronic resource]. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (accessed: 04/20/2019)
2. On the situation with heat supply in the Russian Federation: report [O situacii s teplosnabzheniem v RF: otchet]. Energy Development Fund. 2016 Moscow. URL: http://www.energosovet.ru/stat880.html (04/15/2018)
3. Gusev V.P. From the experience of dealing with noise of equipment of engineering systems [Iz opyta bor'by s shumom oborudovaniya inzhenernyh sistem]. ABOK. 2012. No. 3. Pp. 64-76 (rus)
4. Lelyuga O.V., Ovsyannikov S.N., Shubin I.L. Research of sound insulation of internal fencing constructions taking into account structural sound transfer [Issledovanie zvukoizolyacii vnutrennih ograzhdayushchih konstrukcij s uchetom strukturnoj zvukoperedachi]. Bulletin of Construction Equipment. Moscow: BST. 2018. No7 (1007). P. 39-43 (rus)
5. Ovsyannikov S. N., Lymareva E. A. Research of the distribution of structural noise on models of buildings fragments [Issledovanie rasprostraneniya strukturnogo shuma na modelyah fragmentov zdaniya]. Investments, construction, and real estate as a material basis for modernization and innovative development of the economy: coll. materials of the V All-Russian scientific-practical conference. 2015. Pp. 340-348 .(rus)
6. Kalashnikov B.A., Rasskazova N.N. Influence of the object's mass on frequency characteristics while maintaining the constability of its position [Vliyanie massy ob"ekta na chastotnye harakteristiki pri podderzhanii postoyanstva ego polozheniya]. Omsk Scientific Herald. 2011. No. 2 (100). P. 134. (rus)
7. Sokolov V.G., Dmitriev A.V. Free oscillations of straight thin walled underground pipelines [Svobodnye kolebaniya podzemnyh pryamolinejnyh uchastkov tonkostennyh uchastkov gazoprovodov]. Bulletin of civil engineers. 2019. No.2 (73) Pp. 29-34. (rus)
8. Tupov V.B. Decrease in noise from objects of large and small energy [Snizhenie shuma ot ob"ektov bol'shoj i maloj energetiki]. Doklady V Vseros. Scientific practical conf. SPb .: Iceing, 2015. P. 55-64. (rus)
9. Chekardovskiy M.N., Ilyukhin K.N., Chekardovskiy S.M. Monitoring and diagnostic methods [Metody kontrolya i diagnostiki]. Megapascal. 2009. No. 3. P. 18 (rus)
10. Bottega W.J., Engineering Vibrations (Taylor & Francis Group, 2015)
11. Code of Practice «51.13330.2011 Noise protection. The updated version of SNiP 23-03-2003 (with Amendment No. 1)» dated 05/20/2011. M: Ministry of Construction of Russia, 2017.
12. Fernando B., Trombetta Z.P.H., Noise Control Engineering Journal. 2015. Vol. 63. No.1
13. Ermann M., Wiley J., Architectural Acoustics (John Wiley & Sons Inc, 2017)
14. Brown, Alan Lex, INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, InterNoise. 2016. Vol. 16. Pp 550-556
15. Panovko Y.G. Fundamentals of the applied theory of elastic vibrations [Osnovy prikladnoj teorii uprugih kolebanij]. M: Mechanical engineering, 1967. (rus)
16. Plotnikov A., Zhilina T. 4th international young researchers conference on youth, science, solutions: ideas and prospects, YSSIP. 2017. 17. 01010
17. Ovchinnikov S.N. Distribution of structural sound in civil buildings [Rasprostranenie strukturnogo zvuka v grazhdanskih zdaniyah]: dis. ... Dr. tech. Sciences: 05.23.01. Tomsk, 2001. (rus
