TEPELNÉ A AKUSTICKÉ VLASTNOSTI STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ

Katedra materiálového inženýrství a chemie ■■■■■

- šíření tepla materiály

- tepelně fyzikální veličiny (měrná tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, lineární délková teplotní roztažnost)

- tepelně technické veličiny (tepelná jímavost, součinitel teplotní vodivosti, tepelný odpor vrstvy materiálu, součinitel prostupu tepla)

parametry důležité především pro materiály konstrukcí, které oddělují prostředí s rozdílnými teplotními, vlhkostními a tlakovými parametry

- šíření zvuku, materiály pro pohlcující a neprůzvučné konstrukce, rozložení akustického výkonu

Obsah přednášky:

2

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Tepelné materiálové parametry dělíme na:

o tepelně fyzikální veličiny – měrná tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, lineární délková teplotní roztažnost

- definují přímo vlastnosti a chování materiálů z pohledu stavební fyziky

o tepelně technické veličiny – tepelná jímavost, součinitel teplotní vodivosti, tepelný odpor vrstvy materiálu, součinitel prostupu tepla

- popisují vlastnosti konstrukce v závislosti na jejím geometrickém uspořádání a použitých materiálech

o akumulační (tepelná kapacita)

o transportní (součinitel tepelné vodivosti, teplotní vodivosti)

o mechanické (teplotní roztažnost, objemové změny) 3

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Normy definující tepelné vlastnosti stavebních materiálů a požadavky na tepelně izolační funkci stavebních konstrukcí:

ČSN 73 0540-1 Tepelná ochrana budov. Část 1: Termíny, definice a veličiny pro navrhování a ověřování. (červen 2005), nahrazení normy z roku 1994.ČSN EN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky. (duben 2007) – nahrazení stávajících norem z let 1994, 2002, 2005. ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov. Část 3: Výpočtové hodnoty veličin pro navrhování a ověřování. (listopad 2005), nahrazení normy z roku 1994.ČSN 73 0540-3 Tepelná ochrana budov. Část 4: Výpočtové metody. (červen 2005), nahrazení normy z roku 1994.ČSN EN 12524 Stavební materiály a výrobky – Tepelné a vlhkostní vlastnosti – Tabulkové návrhové hodnoty (2001).

4

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

ČSN EN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov. Část 2: Funkční požadavky. (duben 2007)

- norma stanovuje požadavky na měrnou spotřebu energie pro vytápění a celkovou spotřebu energie v budově a to včetně spotřeby energie pro osvětlení vyjma technologického vybavení

5

Energetickýdruh budovy

Jednotka Spotřeba energie v doměPro vytápění Celková

Pasivní dům [kWh.m-2.h-1] 15 42

Nízkoenergetický dům

[kWh.m-2.h-1] 50 130

Běžná novostavba

[kWh.m-2.h-1] 115 170

Starý dům [kWh.m-2.h-1] 220 280

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Tepelně-technické normy zavádějí tři typy tepelně fyzikálních veličin:

o normové hodnoty – číselná hodnota veličiny stanovená normalizovaným postupem

o charakteristické hodnoty – číselná hodnota veličiny statisticky vyhodnocená z naměřených hodnot

o výpočtové hodnoty – stanovené výpočtem podle norem na základě normové nebo charakteristické hodnoty této veličiny (případně přímo tabulková hodnota dle normy) – zavedení bezpečnostních přirážek, koeficientů, hodnot určujících vlastnosti materiálu apod.

6

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

7

Šíření tepla materiály

• Přenos tepla - podle fyzikální podstaty dějů, jimiž jsou realizovány, se rozlišují tři druhy přenosu tepla:

• vedením (kondukcí) v látkách• prouděním (konvekcí) látek• zářením (radiací)

• Vedení - přenos tepla vedením probíhá ve spojitém látkovém prostředí- stavební částice látky si předávají kinetickou energii neuspořádaných tepelných pohybů, která se tím přenáší z míst vyšší teploty do míst o nižší teplotě látky- vedení tepla probíhá v látkách pevných, kapalných i plynných

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Proudění- přenos tepla prouděním látky je vázán taktéž na spojité látkové prostředí

- probíhá pouze v tekutinách, tj. v kapalinách a plynech

- samovolné proudění je vyvoláno tím, že se ohříváním v důsledku roztažnosti zmenšuje hustota látek

- pokud vznikne mezi místem ohřevu a místem ochlazení v tekutině teplotní rozdíl, ohřívaná část tekutiny stoupá při vytlačování ochlazené těžší části

- v kapalinách a zvláště v plynech přenos tepla prouděním převažuje nad přenosem tepla vedením

8

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Záření - přenos tepla zářením nevyžaduje látkové prostředí

- teplo se přenáší elektromagnetickým zářením

- energetická výměna mezi plochami o různé teplotě

- pokud je přenos tepla zprostředkován převážně infračerveným zářením (vlnová délka 760 nm – 1 mm), nazývá se tento přenos sálání

9

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

10

Stavební materiály – převážně porézní nebo mezerovité- kromě kondukce se uplatňuje při přenosu tepla také konvekce a záření- zejména u větších pórů je nutné brát v úvahu také proudění plynů či par- na protilehlých stranách pórů dochází také k šíření tepla sáláním

způsob šíření tepla v materiálu je závislý na následujících vlastnostech:o pórovitosti (velikosti pórů) a objemové hmotnostio struktuřeo teplotěo typu materiálu (kov, nekov)o vlhkostiKa

tedr

a m

ater

iálo

vého

inže

nýrs

tví a

che

mie

■■■

■■

11

Vliv tepla na materiály

Vlivem tepelné energie přidané do materiálu dochází ke změně jeho teploty, která je doprovázena změnami rozměrů materiálu (objemu - pórovitosti), změnou pevnosti, tvrdosti, tažnosti, látkového složení atd.tepelnou závislost obecně vykazují veškeré materiálové parametry- délkové (objemové) změny vyvolané v materiálu vlivem změny teploty mohou vést (v závislosti na pevnostních charakteristikách materiálu) ke vzniku trhlin, na to jsou citlivá především souvrství materiálů o různé tepelné roztažnosti- tepelná energie může v materiálu vyvolat i další významné změny vedoucí až k narušení celistvosti (např. rozpad po vysušení – sádra, degradace betonu na bázi PC, apod.)

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

12

Měrná tepelná vodivost – součinitel tepelné vodivosti [Wm-1K-1]

- vyjadřuje schopnost materiálu vést teplo- udává tepelný výkon, který projde plochou homogenního

materiálu o velikosti 1 m2 do vzdálenosti 1m při teplotním rozdílu 1K

Transport tepla lze popsat například Fourierovým vztahem

[Wm-2]

- součinitel teplené vodivosti se dosazuje do tepelně technických výpočtů vlastností stavebních konstrukcí (výpočet součinitele prostupu tepla, tepelný odpor konstrukce)

gradTq

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

13

Podle součinitele tepelné vodivosti můžeme stavební materiály rozdělit na:

o vysoce tepelně izolační materiály 0,03 – 0,10 Wm-1K-1(objemová hmotnost do 500 kgm-3)

o materiály s dobrými tepelně izolačními vlastnostmi 0,10 – 0,30 Wm-1K-1 (objemová hmotnost do 800 kgm-3)

o materiály se středními tepelně izolačními vlastnostmi0,30 – 0,60 Wm-1K-1 (objemová hmotnost do 1600 kgm-3)

o materiály s běžnými tepelně izolačními vlastnostmi 0,60 – 1,25 Wm-1K-1 (objemová hmotnost do 2400 kgm-3)

o hutné anorganické materiály1,25 – 3,5 Wm-1K-1 (objemová hmotnost > 2400 kgm-3)

o ostatní hutné ortotropní materiály > 3,5 Wm-1K-1

o kovy s velikostí tepelné vodivosti > 50 Wm-1K-1

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

14Závislost součinitele tepelné vodivosti na objemové hmotnosti

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

15

Závislost součinitele tepelné vodivosti na objemové hmotnosti1 – lehký beton z experlitu, 2 – pórobeton, 3 – plynosilikát, 4 – lehký beton z keramzitu, 5 - cihelný střep

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

16Závislost součinitele tepelné vodivosti Liaporu na sypné hmotnosti

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

17

- na součinitel tepelné vodivosti má výrazný vliv vlhkost materiálu (s nárůstem vlhkosti dochází k poklesu tepelně izolačních vlastností) způsobeno součinitelem tepelné vodivosti vody (cca 0,58 Wm-1K-1), která je cca 25x > než tepelná vodivost vzduchu (cca 0,025 Wm-1K-1) a také tím, že dochází k šíření tepla prouděním

- v případě, kdy dojde k zmrznutí vody, dochází k dalšímu nárůstu součinitele tepelné vodivosti

- ( = 2,3 Wm-1K-1 při -10°C)

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

18

- podstatný nárůst součinitele tepelné vodivosti vlivem nárůstu vlhkosti má významné důsledky při praktickém provádění tepelných izolací – nasákavé a navlhavé materiály je nutné v průběhu skladování, montáže i po zabudování do konstrukce dostatečně chránit proti pronikání vlhkosti

- při návrhu tepelně izolačních systému a konstrukčních detailů je tedy nutné počítat se součinitelem tepelné vodivosti, který odpovídá praktické vlhkosti materiálu (ne dokonale vysušenému materiálu)!!!

- v ČSN 73 0540-1 je vyjádřena změna velikosti součinitele tepelné vodivosti v závislosti na změně vlhkosti pomocí vlhkostního součinitele materiálu (případně konstrukce)

Zu [-] (dříve Zw)

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

19

Vlhkostní součinitele materiálu Zu [-]

- a2 součinitel regresní lineární závislosti součinitele teplotní vodivosti na hmotnostní vlhkosti (směrnice závislosti)

- k charakteristická hodnota součinitele tepelné vodivosti

2u

k

aZ

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

20Závislost součinitele tepelné vodivosti na obsahu vlhkosti

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

21

Závislost součinitele tepelné vodivosti na obsahu vlhkosti desekEPS - S - každým objemovým % obsahu vlhkosti roste tepelnávodivost o 3 - 4 % (měřeno na zkušebních tělesech o objemovéhmotnosti 16 kg/m3).Ka

tedr

a m

ater

iálo

vého

inže

nýrs

tví a

che

mie

■■■

■■

22

- pro zvýšení tepelně izolačních vlastností materiálu je výhodnější větší množství malých pórů oproti pórům velkým, ve kterých probíhá radiace

- anisotropní materiály mají v jednotlivých směrech různé hodnoty součinitele teplené vodivosti (minerální vlny, lamináty s výztuží ze skleněných vláken, dřevo)

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

23

Vliv teploty na transport tepla

- u porézních materiálů dochází se zvyšováním teploty k intenzivnějšímu sálání v pórech

nárůst součinitele tepelné vodivosti

- pro informativní stanovení závislosti mezi teplotou a součinitelem tepelné vodivosti je možno použít vztah:

0 0,0025t t

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

24

Závislost součinitele tepelné vodivosti na teplotě EPS desky(měřeno na zkušebních tělesech o objemové hmotnosti 20 kg/m3).

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Měření součinitele tepelné vodivosti• metody přímé• metody nepřímé

Základem všech metod je znalost rozložení teploty (teplotního pole) v měřeném vzorku materiálu.

Podle toho, jakým způsobem se ve vzorku vytváří teplotní pole rozdělujeme metody na stacionární – měření probíhá za stálého tepelného výkonu a nestacionární – tepelný výkon se během měření mění.

Stacionární metody jsou exaktnější, jednodušší, spolehlivější a snáze kontrolované. Na druhé straně je dosažení ustáleného teplotního stavu časově náročné a to i při měření relativně malých vzorků – zdlouhavé, při měření vlhkých vzorků může dojít k redistribuci vlhkosti a tím ke změně tepelné vodivosti zkoušeného vzorku.

25

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Metody měření součinitele tepelné vodivosti lze také rozdělit podle dalších aspektů:

o podle tvaru zdroje – bodové, liniové (kruhové, přímkové), plošné, objemové a kombinované

o podle tvaru měřeného vzorku – vzorky nedefinovaného tvaru, definovaného geometrického tvaru (koule, destička, válec)

o podle časové průběhu tepelného příkonu zdroje

26

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Přístroje pro měření součinitele tepelné vodivosti

- přístroj Shotherm Showa Denko – měření v nestacionárním stavu- princip měření je založen na metodě horkého drátu –- měření teplotního nárůstu v definované vzdálenosti od lineárního zdroje tepelné energie, který působí konstantním výkonem na jednotku délky- drátem, umístěným v ose vzorku, se dodává konstantní tepelný tok- s časem dochází k exponenciálnímu nárůstu teploty

- topný drát je umístěn mezi dvě vrstvy zkoumaného materiálu (Shotherm – jedna část vzorku nahrazena materiálem nepropustným pro teplo o známém )

27

2 1

2 1

ln( )4 ( )q t t

T T

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

28

- měření trvá řádově v desítkách sekund, což umožňuje měření vlhkých vzorků

Přístroj ISOMET 104 (Applied Precision)- přístroj je založen na nestacionárním způsobu měření- do analyzovaného vzorku jsou vysílány tepelné impulsy a následně je měřena časová závislost teplotní odezvy materiálu- teplota je vzorkována a jako funkce času přímo vyhodnocena jako funkce času pomocí polynomiální regrese

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

29

Stacionární metody - Gaurded hot plate - Metoda Poensgenova, Poensgen-Eriksonova metoda, Bockova metoda- měření je založeno na průchodu ustáleného toku tepla z měřící topné desky zkoušeným vzorkem k chlazené desce přístroje

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

• Metody nepřímé- založeny na měření jiné fyzikální veličiny, z níž pak lze tepelnou vodivost odvodit (dynamická metoda určení teplotní vodivosti – difuzivity a)

Rovnice vedení tepla:

ca

)(xT

xtTc

)( t

(inverzní analýza experimentálně stanovených teplotníchprofilů – obdobné s řešením inverzní úlohy transportuvlhkosti)

30

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Tepelná kapacita c- měrná – vztažena na kg látky [J kg-1 K-1]- objemová – vztažena na m3 látky [J m-3 K-1]

- udává množství tepla, které je nutné dodat 1 kg (m3) materiálu aby se ohřál o 1K

- index x značí druh termodynamické změny stavu, při níž je tělesu přiváděno teplo (konstantní tlak, objem), nemění-li se při dodávání tepla látce její objem, dodané teplo pouze zvyšuje vnitřní energii látky a její teplota roste, může-li se při ohřívání objem látky zvyšovat, koná látka při rozpínání práci a tuto práci je nutné krýt dalším dodáním tepla- u pevných a kapalných látek malá tepelná rozpínavost a proto nerozlišujeme cp, cv.

xx dT

dQm

c

1

31

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

- je také vysoce závislá na vlhkosti a teplotě- s nárůstem vlhkosti roste také měrná tepelná kapacita- aditivní veličina závislost měrné tepelné kapacity na vlhkosti lze vyjádřit jednoduchým směšovacím vztahem

- kde c je měrná tepelná kapacita vlhkého materiálu- cw měrná tepelná kapacita vody (cca 4182 J/kgK při 20°C)- hmotnostní obsah vlhkosti [kg/kg]- c0 měrná tepelná kapacita suchého materiálu

- závislost měrné tepelné kapacity na teplotě není možné popsat žádným obecně platným vztahem, neboť je zcela individuální pro každý druh materiálu

)1/()( 0 uuccc w

32

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

33

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

34

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

35

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

36

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Měření měrné tepelné kapacity

• kalorimetrická měření – nádoba opatřena teploměrným zařízením• princip měření je založen na zákonu zachování tepla- v uzavřené tepelně izolované soustavě se tepla přijatá studenějšími tělesy rovnají teplům odňatým teplejším tělesům za předpokladu, že tělesa nemění svá skupenství, nepůsobí na sebe chemicky a nevykonávají při tomto procesu žádnou vnější mechanickou práci- výměna tepel mezi tělesy trvá tak dlouho, dokud v soustavě nedojde k vyrovnání teplot všech těles

Kalorimetrická rovnice

TmcQ x

n

iii

n

iiii cmttcm

11

37

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Měření měrné tepelné kapacity – adiabatický kalorimetr I/II

– mají stěny dokonale tepelně izolovány od okolí– dodávané teplo způsobí vzrůst teploty uvnitř kalorimetru –směšovací kolorimetr

TTTT

Mvcmc kvv

2

1

mv … hmotnost kapaliny v kalorimetru

cv … měrná tepelná kapacita kapaliny v kalorimetru

vk … vodní hodnota kalorimetru

T … konečná teplota lázně kalorimetru

T1 … počáteční hodnota lázně kalorimetru

T2 … teplota vzorku před vhozením do kalorimetru

c … měrná tepelná kapacita vzorku

M … hmotnost vzorku 38

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Měření měrné tepelné kapacity – adiabatický kalorimetr II/II

Mk … hmotnost suchého kalorimetru (kg)

M1 … hmotnost kalorimetru naplněného vodou asi do ½ (kg)

T1 … teplota v kalorimetru na počátku měření (°C)

T2 … teplota ohřáté vody (°C)

M2 … hmotnost kalorimetru s veškerou vodou (kg)

T … teplota kalorimetru po ustálení (°C)

4,1688 … měrná tepelná kapacita vody (J /kg K)

39

)(

()(1688,4

2

)1112 TT

TTMMMMv kk

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Teplotní délková a objemová roztažnost

• mezi nejdůležitější tepelné vlastnosti stavebních materiálů patří kromě tepelné kapacity a tepelné vodivosti také teplotní délková a objemová roztažnost• vlastnosti, které v mnohých případech rozhodují o použití materiálů• !!!! vlivem teploty může docházet také ke smršťování – vznik smykových (případně tahových) trhlin např. ve zdivu

součinitel délkové teplotní roztažnosti [K-1]- vyjadřuje reakci materiálu na změnu teploty (změna rozměrů ve všech směrech)- protože u stavebních materiálů zabudovaných v konstrukcích převažuje většinou jeden rozměr, posuzujeme je většinou podle změny délky l

40

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

• u většiny tradičních materiálů se součinitel lineární délkové roztažnosti pohybuje v rozsahu 6 – 16 x 10-6 K-1

• např. u betonů a oceli se uvažuje hodnota stejná 10 - 12 x 10-6 K-1

• pozor na spolupůsobení materiálů zabudovaných v konstrukci !!! vnitřní pnutí, deformace !!!

součinitel objemové teplotní roztažnosti [K-1]- pro pevné látky s isotropní strukturou lze vzhledem k malé hodnotě volit vztah

dTldl 0

3 0

1 dVV dT

41

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Tepelně-technické vlastnosti materiálů

• počítají se na základě známých (změřených) hodnot tepelně-fyzikálních veličin

• tepelná jímavost

• součinitel teplotní vodivosti

• tepelný odpor vrstvy materiálu

• součinitel prostupu tepla

42

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Tepelná jímavost materiálů b [W2sm-4K-2]

• vyjadřuje schopnost materiálu přijímat nebo uvolňovat teplo

• čím větší je tepelná jímavost materiálu, tím materiál méně přijímá, ale i uvolňuje teplo

• nízká hodnota tepelné jímavosti pak znamená, že materiál rychle přijme teplo, ale také ho rychle uvolní

součinitel tepelné vodivostic měrná tepelná kapacitav objemová hmotnost

Vb c

43

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Součinitel teplotní vodivosti a [m2s-1]

• popisuje schopnost materiálu o definované vlhkosti vyrovnávat rozdílné teploty při neustáleném vedení tepla (důležité např. při přerušovaném vytápění)

• platí, že čím vyšší je velikost součinitele teplotní vodivosti, tím rychleji probíhá vyrovnání teplot

součinitel tepelné vodivostic měrná tepelná kapacitav objemová hmotnost

V

ac

44

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Tepelný odpor vrstvy materiálu R [m2KW-1]

• dříve návrhová hodnota dle norem ČSN• vyjadřuje tepelně izolační vlastnosti materiálu o konkrétní tloušťce• čím je vyšší, tím více materiál (konstrukce) izoluje

součinitel tepelné vodivostid tloušťka materiálu

dR

45

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Součinitel prostupu tepla U [W/m2K]

• parametr popisující vlastnosti konstrukce• dle ČSN 73 0540-2 je to tepelně technická veličina charakterizující tepelně izolační vlastnosti konstrukce

1UR

46

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Vztah mezi součinitelem prostupu tepla a tepelným odporem.

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Akustické vlastnosti materiálů

• pro potlačení odrazu zvukových vln se navrhují konstrukce pohlcující• pro potlačení přenosu zvukových vln se navrhují konstrukce zvukově izolační• měřítkem vhodnosti stavebních materiálů pro tyto konstrukce je jich vlnový odpor Z [N s m-3]

c rychlost šíření podélných vln v materiálu objemová hmotnost materiálu

Z c

49

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

- vlnový odpor popisuje tzv. akustickou tvrdost materiálu, podle které materiály dělíme na:• akusticky měkké materiály – hodnoty vlnového odporu blízké odporu vzduchu (Z0)• akusticky tvrdé materiály – Z >> Z0

50

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Schéma rozložení akustického výkonu zvukové vlny po dopadu na stavební konstrukci.

51

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Materiály pro pohlcující konstrukce

• schopnost materiálu (konstrukce) pohltit část akustického výkonu dopadající zvukové vlny je definována činitelem zvukové pohltivosti v kmitočtovém pásmu• definován jako podíl akustického výkonu konstrukcí pohlceného k akustickému výkonu na konstrukci dopadajícího

• zvuková pohltivost A [m2] - schopnost absorbéru (pohlcovače) pohlcovat část akustického výkonu zvukové vlny, která na něj dopadá

s činitel zvukové pohltivosti pohlcovače v kmitočtovém pásmuS plošný obsah volného povrchu pohlcovače [m2]

sA S

52

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■ =Wa/Wi

Šíření zvuku stavebními konstrukcemi:

a) šíření zvuku vzduchemb) šířením zvuku kmitáním (vibrace)c) šíření zvuku jinými cestami (otvory a netěsnosti v

konstrukcích)53

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Materiály pro neprůzvučné konstrukce

- neprůzvučnými konstrukcemi jsou konstrukce stěn a stropů, které akusticky oddělují různé prostory – zprostředkovávají přenos zvukových vln ze vzduchu s určitou ztrátou akustického výkonu

Rozeznáváme neprůzvučnost:

o vzduchovou, o které mluvíme v případě, kdy sledujeme šíření akustické energie ze vzduchu přes stěnu (konstrukci) opět do vzduchu za stěnou o kročejovou, kdy se jedná o vyzařování akustické energie stěnou, která byla uvedena do ohybového vlnění vlivem impulsů (kroků). Tento jev se objevuje především ve stavebnictví .

54

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Norma ČSN 73 0532/2000 stanovuje požadavky pro vzduchovou a kročejovou neprůzvučnost jejichž splnění je splněním závazných požadavků zákona č.50/1976 Sb., Stavebního zákona ve znění jeho pozdějších úprav, § 47, odst. 1 a vyhlášky č. 137/1998 Sb., o obecných technických požadavcích na výstavbu, § 32, odst.3.

Význanou akustickou charakteristikou konstrukcí je jejich plošná hmotnost m´ [kgm-2], která definuje neprůzvučnost konstrukcí, a dle které můžeme stavební konstrukce rozdělit naohybově poddajné, polotuhé a tuhé

o ohybově poddajné konstrukce – m´ ≤ mc´o polotuhé mc´ ≤ m´≤ ms´o konstrukce tuhé ms´ ≤ m´

mc´, ms´ - charakteristické hodnoty plošné hmotnosti, liší se pro různé typy materiálů

55

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

objemová hmotnost materiálu [kg m-3]c rychlost šíření podélných vln v materiálu [ms-1]kc [ms-1], ks - materiálové konstanty závislé na hodnotě ztrátového činitele (viz. normy) - akustický ztrátový činitel je vyjadřován jako míra schopnosti materiálu pohlcovat šířící se zvuk a měnit energii zvukem vytvořených vibrací na energii tepelnou

• v látkách pevného skupenství rychlost šíření podílných vln úzce souvisí s tuhostí těchto látek, neboť platí

kde E (Pa) je dynamický modul pružnosti

´c cm k c

´ ´s s cm k m

1/ 2( / )c E 56

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

pro konstrukce ohybově poddajné platí:

Vážená neprůzvučnost Rwc [dB] pro plošnou hmotnost mc´, vážená neprůzvučnost Rws pro plošnou hmotnost ms´

20 log ´ 10wc cR m

10ws wcR R

20 log ´ 10wR m pro konstrukce ohybově polotuhé platí:

10 ´loglog ´w wc s c

mR Rk m

pro konstrukce ohybově tuhé platí:´20 log 20ws

mRk

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Neprůzvučnost jednoduchých konstrukcí tedy závisí na následujících parametrech stavebních materiálů:

o objemová hmotnost materiálů (s jejím nárůstem se zvyšuje také neprůzvučnost)o rychlost šíření podélných zvukových vln c (resp. na dynamickém modulu pružnosti materiálu v tahu za ohybu E [Pa]) – s poklesem neprůzvučnost vstoupá o na ztrátovém činiteli , s jehož nárůstem se zvyšuje neprůzvučnost konstrukce

o neprůzvučnost jednoduchých konstrukcí závisí na jediném konstrukčním parametru – tloušťce konstrukce h

59

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Stavební a prostorová akustika

Doba dozvuku učeben, tělocvičen, sálu, studií atd. bývá pokládána za převládající ukazatel jejich akustických vlastností.

Měření doby dozvuku jsou důležitá v oblasti snižování hluku v sálech, a také pro posuzování sálů pro řeč a hudbu.

Čas dozvuku

- doba, během níž intenzita zvuku klesá o 60 dB - krátký čas

dozvuku umožňuje nejjasnější a nejvýraznější příjem zvuků,

vysokou zřetelnost řeči a snížení hladiny rušivého hluku

- dlouhý čas dozvuku,typický pro místnosti, v nichž se nachází

mnoho tvrdých povrchů, snižuje zřetelnost řeči a posiluje

intenzitu hluku v interiéru 60

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Přípustné hodnoty doby dozvuku ve školních učebnách, tělocvičnách, ve společenských místnostech pro předškolní děti, v halách a chodbách školních a zdravotnických zařízení stanovuje nařízení vlády č. 502/2000 Sb.o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací.

Optimální čas dozvuku se pohybuje v mezích od 0,3 secnapř.: v kinech vybavených moderním ozvučovacím systémem, do cca 7 sek. např.: ve velkém kostele.

ČSN ISO 3382 Akustika - měření doby dozvuku místností a sálů s uvedením jiných akustických parametrůČSN EN ISO 140 - 5 Akustika - Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách- Část 5: Měření vzduchové neprůzvučnosti obvodových plášťů a jejich částí na budováchČSN EN ISO 717 - 1 Akustika - Hodnocení zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část1: Vzduchová neprůzvučnost 61

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■

Prostorová akustika se zabývá způsoby jak dosáhnout co nejkvalitnějšího poslechu produkovaného zvuku v určitém prostoru. V uzavřených prostorech, které nejsou pravoúhlé a jejichž rozměry jsou větší než vlnová délka zvuku, jsou procesy šíření zvuku velmi složité.

Prostorová akustika je rozdělena do tří částí:

Vlnová teorie - zabývající se difuzitou (rozptylem) zvuku Geometrická akustika – zabývá se geometrickým řešením prostoru, zajišťuje všechna potřebná místa zvukem o dostatečné a srovnatelné intenzitě, používá speciální odrazové plochy pro řízené zvukové vlny. Statistická akustika - jejím základním kritériem je doba dozvuku.

62

Kat

edra

mat

eriá

lové

ho in

žený

rstv

í a c

hem

ie ■■■

■■