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Sonderdruck

Elastische Lagerung von Bauwerken im Grundwasser

Gebäude lassen sich durch eine elastische Lagerung von unerwünschten Schwingungseinwirkungen isolieren. Dabei stellen im Grundwasser gegründete Bauwerke eine besondere Herausforderung dar, da die Elastomere in diesen Fällen erhöhten Anforderungen ausgesetzt sind. Wie im nachfolgenden Bericht dargelegt wird, sind PolyurethanWerkstoffe zur elastischen Entkopplung von Bauwerken im Grundwasser geeignet. Die
Wirksamkeit wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert.

Einleitung
Bauwerke können vor unerwünschten Erschütterungen aus der Nachbarschaft durch eine elastische Lagerung
geschützt werden. Solche Erschütterungen können zum Beispiel durchnahe gelegene Verkehrsstraßen verursacht werden. Man spricht in diesem
Fall von einer elastischen Isolierungdes Empfängers (sogenannte Empfängerisolierung). Daneben ist es möglich, dass dynamische Anregungenvon einem Bauwerk selbst ausgehen,wenn dieses beispielsweise industriell
genutzt wird (z. B. Wasserkraftwerk,
Stanzwerk). Um die bestehende Bebauung im Nahfeld dieses Bauwerks
zu schützen, kann sich die elastische
Entkopplung des abstrahlenden Bauwerks als vorteilhaft erweisen (sogenannte Quellenisolierung). Die unerwünschten Schwingungen werden inbeiden Fällen durch eine elastische
Entkopplung gedämmt.
In diesem Bericht wird beschrieben, welche Parameter die Isolierung
beeinflussen und wie die Dämmwirkung der elastischen Bauwerksentkopplung gesteuert werden kann. Dabei werden hohe Anforderungen an
die Werkstoffe gestellt. Elastomere
auf Basis von Polyurethan (PUR) erfüllen diese Bedingungen und sinddaher für diesen anspruchsvollen Einsatzbereich gut geeignet. In diesem
Zusammenhang werden die schwingungsisolierenden Eigenschaften derentsprechenden Werkstoffe erläutert.

1

Beim Einsatz im Grundwasser ergeben sich darüber hinaus weitergehende Anforderungen und Besonderheiten. Exemplarisch werden zwei Projekte vorgestellt.

Prinzip der Schwingungsisolierung
Die schwingungsisolierende Wirkung
beruht auf dem Prinzip der Massenkraftkompensation. Dieses physikalische Prinzip lässt sich durch ein
Masse-Feder-System abbilden (Bild 1).
Die Masse m des Bauwerks ist vom
Untergrund elastisch entkoppelt. Die
Eigenfrequenz f0 leitet sich aus der
Masse m und der Steifigkeit c der elastischen Lagerung ab:

1
f0 =
2π

c
m

Bild 1. Masse-Feder-System

Die Masse stellt in diesem Zusammenhang keine variable Größe dar,da sie im Regelfall exogen vorgegeben ist. Eine tief abgestimmte Eigenfrequenz ist demnach nur durch eine
geringe Steifigkeit des Elastomers zu
erzielen. Eine geringe Elastomersteifigkeit lässt sich durch die entsprechende Materialauswahl vorgeben,
wobei die Werte nach unten begrenzt
sind; hierauf wird weiter unten im
Detail eingegangen. Darüber hinaus
kann die Steifigkeit der Gebäudelagerung durch die Abmessungen der verwendeten Elastomermatten definiert
werden. Bei vollflächiger Gebäudelagerung steht die Materialdicke als
einzige variable Größe zur Verfügung. Mit zunehmender Dicke d nehmen die Steifigkeit c und damit die
Eigenfrequenz f0 der Bauwerkslagerung ab:

c=

EA
,
d

wobei E der E-Modul, A die Fläche
und d die Dicke des Elastomers bezeichnen.
Für eine möglichst hohe Wirksamkeit der schwingungsisolierenden
Maßnahme sollte die Eigenfrequenz f0
deutlich unterhalb der relevanten Anregefrequenzen fi liegen. In diesem Zusammenhang ist allgemein bekannt,
dass die isolierende Wirkung – unab-

Bild 2. Vergrößerungsfunktion mit verstärkender und isolierender Wirkung© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Bauphysik 34 (2012), Heft 5, S. 238-241

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Elastische Lagerung von Bauwerken im Grundwasser

hängig von der Art der elastischen Lagerung – erst bei einem Frequenzverhältnis f/f0 von größer √2 auftritt. Bei
einem kleineren Verhältnis zwischen
Anrege- und Eigenfrequenz wird die
einwirkende Schwingung verstärkt.
Das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsamplitude weist dann Werte > 1
auf (Bild 2).

Werkstoffe
Unter Berücksichtigung eines MasseFeder-Systems kann die Wirksamkeit
einer schwingungsisolierenden Maßnahme sehr gut prognostiziert werden. Dies ermöglicht eine im Hinblick auf die Technik und die Wirtschaftlichkeit optimal ausgearbeitete
Lösung.
Elastomere weisen in mechanischer Hinsicht Eigenschaften auf, diein idealisierter Form als eine Kombination aus Feder- und Dämpferelementen beschrieben werden können.
Ihr elastisches Verhalten ist zum einen auf die Materialeigenschaften desFestkörperanteils (sogenannte Hartphase) zurückzuführen. Daneben werden die elastischen Eigenschaften vonder Porenstruktur und durch die äußere Formgebung (Hohlräume, Formfaktor1) beeinflusst, Bild 3. Hochwertige Elastomere auf Basis von Polyurethan (PUR) mit definierten statischen
und dynamischen Eigenschaften ermöglichen je nach Werkstoff und Typdauerhafte statische Pressungen bis
zu 1,5 MN/m2. Darüber hinaus sindauch kurzzeitige Lastspitzen zulässig,
die ein Vielfaches davon betragen können.
Im Fundamentbereich werden
die Elastomermatten im Wesentlichen
durch das Eigengewicht des Bauwerks
statisch belastet. Darüber hinaus sinddie sogenannten quasi-ständigen Nutzlasten bei der Auslegung mit einzubeziehen.
Bei seitlich an den Wänden anzubringenden Matten ist grundsätzlich
zwischen dem Bau- und dem Endzustand zu unterscheiden. Je nach Bauverfahren können die Matten während der Bauphase durch den Frisch-1

Der Formfaktor ist das geometrische
Maß für die Form eines Elastomerlagers und als Quotient aus belasteter
Fläche zur Mantelfläche des Lagers
definiert.

Bild 3. Schematische Darstellungeines Elastomers mit Hartphase undPorenraum

betondruck beaufschlagt werden. Im
fertig gestellten Zustand folgt die Belastung im Wesentlichen aus dem Erdruhedruck.
Der Schutz vor unerwünschten
Schwingungen muss über den gesamten Lebenszyklus eines Bauwerks mit
möglichst gleichbleibender Qualität
aufrechterhalten werden. Bei der elastischen Lagerung von Gebäuden sinddaher hohe Anforderungen an die
physikalische und chemische Langlebigkeit der Werkstoffe zu stellen, da
die Elastomermatten nach Fertigstellung des Bauwerks in aller Regel
nicht mehr zugänglich sind. Die fürGebäudelagerungen als besonders relevant angesehenen Langzeiteigenschaften der im Folgenden verwendeten Sylomer® und Sylodyn® sind durch
Nachmessungen und anhand vonUntersuchungen bestätigt [1], [2].

Besonderheiten bei Gebäudelagerung
im Grundwasser und Ausführungsbeispiele
Wasser ist inkompressibel und damit
grundsätzlich für jede Art von elastischer Lagerung als nachteilig einzustufen. Sofern die Gründungskote
dauerhaft im Grundwasser liegt ist
davon auszugehen, dass ein Teil derPorenstruktur mit Wasser gesättigt
ist. Der Grad der Sättigung ist vonder Porenstruktur (gemischt- bzw. geschlossenzellig) sowie der Porengröße
und -verteilung abhängig. Die elastische Wirkung des Elastomers wird
bei derart gegründeten Bauwerken
durch die nicht wassergesättigten Poren und die Eigenschaften der Hartphase bestimmt. Für Bauwerkslagerungen im Grundwasser kommt der
Verwendung eines hochwertigen elastischen Werkstoffs mit ausgezeichneten Hartphase-Eigenschaften daher
eine besondere Bedeutung zu. Zusätzlich zu den oben beschriebenen physikalischen und chemischen Anforderungen ist eine hohe Hydrolysebeständigkeit erforderlich (Hydrolyse:
irreversible Aufspaltung einer chemi-

schen Verbindung durch Reaktion
mit Wasser), da in der Folge Veränderungen der mechanischen Eigenschaften zu erwarten wären.
Wie oben bereits erwähnt, kanndie isolierende Wirkung eines MasseFeder-Systems sehr genau bestimmt
werden. Bei Gebäudelagerungen im
Grundwasser wird das schwingungsfähige System durch die mangelnde
Kompressibilität des Wassers grundsätzlich steifer, wobei der Einfluss desWassers bei Verwendung hochwertiger
Elastomere der Werkstoffe nur gering
ist. Versuche unter bauwerksüblichen
Randbedingungen haben gezeigt, dassbei einem Wasserdruck von 0,5 bar(5 m Wassersäule) mit einer Zunahme
der Eigenfrequenz um nur ca. 10 % zu
rechnen ist [3]. Dieser marginale Effektkann bereits im Vorfeld bei der Auslegung Berücksichtigung finden.
Elastische Lagerung des Kraftwerks
Keselstraße
Das erste Ausführungsbeispiel beschreibt das Kraftwerk Keselstraße in
Kempten, beim dem sich in direkter Nachbarschaft denkmalgeschützte
Bauwerke befinden. Diese Bauwerke
werden zu hochwertigen Wohngebäuden umgebaut und mittels elastischer
Lagerung vor Schwingungen der Wasserturbine geschützt. Das Kraftwerk
befindet sich westseitig der Iller undwird über diese mit Wasser gespeist.
Das Kraftwerk wurde ursprünglich
im Jahr 1958 erbaut und in den Jahren 2007 bis 2010 neu errichtet. Im
Zuge des Kraftwerkneubaus wurde
der Fundamentbereich freigelegt unddas Kraftwerk elastisch entkoppelt (sogenannte Quellenisolierung, Bild 4).
Im Zuge der Bauausführung
wurde eine dichte Baugrubenumschließung hergestellt. Die Arbeiten im Fundamentbereich des Kraftwerks konnten daher im Trockenen ausgeführt
werden. Neben der Grundfläche desMaschinenhauses waren auch die auf-

Bild 4. Isolierung des Kraftwerks
Keselstraße

Sonderdruck aus: Bauphysik 34 (2012), Heft 52

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Elastische Lagerung von Bauwerken im Grundwasser

Aus den gemessenen Schwinggeschwindigkeiten wurden mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) die
Frequenzspektren ermittelt. Durch Vergleich von zwei Messpunkten (z. B. im
Kraftwerk und am Anrainergebäude)lässt sich die Pegeldifferenz ermitteln
und überprüfen, ob das System frei
schwingen kann, also elastisch entkoppelt ist. Der Einfluss der elastischen Entkopplung ist am deutlichsten zu erkennen, wenn die beiden
Messpunkte MP03 und MP04 miteinander verglichen werden (Bild 7).
Der Messpunkt MP03 befindet sichauf der „schwingenden“ Seite des neu
errichteten Bauwerks, der Messpunkt
MP04 außerhalb des Bauwerks, also
auf der „ruhigen“ Seite. Die beiden
Punkte sind durch die elastische Lagerung voneinander getrennt.
Für die Beurteilung des geforderten Schallschutzes beim Kraftwerk Keselstraße sind die Messpunkte MP05
und MP06 im nächstgelegenen Anrainergebäude wesentlich. Die Messungen erfolgten im Erd- und Obergeschoss. Sie zeigen, dass die Anforderungen an den Körperschallschutz sowohl
tagsüber als auch nachts dauerhaft
eingehalten werden [4].

Bild 5. Verlegeplan, Kraftwerk Keselstraße

Bild 6. Messpunkte, Kraftwerk Keselstraße

gehenden Seitenwände bis zur Geländeoberkante hin zu entkoppeln. Insgesamt wurden ca. 2000 m2 elastische
Matten verbaut. Die Materialauswahl
für die verschiedenen Bereiche desKraftwerks erfolgte unter Berücksichtigung der statischen Belastung sowie
der dynamischen Anforderungen. Der
Einbauort der einzelnen Elastomermatten ist aus dem Verlegeplan (Bild 5)
ersichtlich.
Die anregenden Frequenzen sinddurch die Wasserkraftturbine vorgegeben. Die Wirksamkeit der elasti-

3

Sonderdruck aus: Bauphysik 34 (2012), Heft 5

schen Lagerung wurde unter Berücksichtigung der verwendeten Materialtypen, der Bauwerksgeometrie, dervorhandenen Belastung sowie derAnregefrequenzen prognostiziert undnach Fertigstellung des Kraftwerks
durch Messungen kontrolliert. Die
Schwingungsmessungen erfolgten mittels eines triaxialen Messsensors anmehreren Punkten im und am Kraftwerk sowie am benachbarten Gebäude(Bild 6). Darüber hinaus wurden die
Messungen bei unterschiedlichen Turbinenleistungen durchgeführt.

Elastische Lagerung des Panorama
Towers am Münchner Arnulfpark
Der Bauwerkskomplex am Arnulfpark in München befindet sich direkt
an der stark frequentierten S-BahnStammstrecke. Die Untergeschosse
weisen einen Abstand von rund 17 m
zur nächstgelegenen Bahntrasse auf.
Der Bauwerkskomplex besteht aus
mehreren Gewerbe- und Wohnbauten (Bild 8), wobei letztere mittels
elastischer Gebäudelagerung von Erschütterungen des Schienenverkehrs
isoliert werden (Empfängerisolierung). Mit der elastischen Entkopplung wird zudem der sekundär erzeugte Luftschall innerhalb der Wohnungen reduziert.
Aufgrund des nicht absenkbaren
Grundwasserspiegels in den quartären
Kiesen des Münchner Untergrunds
wurde eine dichte Baugrubenumschließung mit Spundwänden hergestellt
und das Grundwasser abgepumpt, sodass sämtliche Arbeiten im Trockenen ausgeführt werden konnten. Die
Spundwände wurden nach Abschluss
der Gründungsarbeiten entfernt, sodass die Elastomermatten über die gesamte Nutzungszeit des Bauwerks-

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Elastische Lagerung von Bauwerken im Grundwasser

Bild 7. Pegeldifferenz MP03 und MP04, dargestellt für die Z-Richtung (vertikal)

komplexes einem Wasserdruck bis ca.
45 kN/m2 ausgesetzt sein werden.
Die angestrebte Abstimmfrequenz
wurde mit 16 Hz vorgegeben. Die Materialdicken wurden dementsprechendausgewählt. Im Fundamentbereich der
Wohnhäuser kamen vollflächig Elastomermatten (Sylodyn®) zum Einsatz.
Darüber hinaus wurden auch die Kellerwände über die volle Höhe elas-tisch entkoppelt, um eine möglichst
gute schwingungstechnische Wirkung
zu erzielen.
Im
RohbauzustandwurdenSchwingungsmessungen sowohl in denelastisch gelagerten Wohnhäusern als
auch in den nicht entkoppelten Gewerbebauten durchgeführt. Durch Gegenüberstellung der Messungen an
den entkoppelten bzw. nicht entkop-

Bild 8. Bauwerkskomplex am Arnulfpark,
direkt an der S-BahnStammstrecke

pelten Baukörpern kann die Dämmwirkung der elastischen Lagerung direkt ermittelt werden (Bild 9).
Zum Zeitpunkt der Messungenbefanden sich die Elastomermatten
bereits im Grundwasser. Die angestrebte Abstimmfrequenz des Systems
wurde durch die Messungen bestätigt. Die isolierende Wirkung setzt bei
einer Frequenz von etwas über 20 Hz
ein, wobei die größte Dämmwirkung
im Bereich der Terzmittenfrequenz
von f = 63 Hz erzielt wird. Die Abnahme der Dämmwirkung ab einer
Frequenz von rund 100 Hz ist im Wesentlichen auf die endliche Steifigkeit
des Untergrunds zurückzuführen. Dieser Effekt wurde im Rahmen der
Prognose berücksichtigt, ist bei diesem
Projekt aber hinsichtlich der Wirksamkeit nur von untergeordneter Bedeutung. Die an die elastische Entkopplung gestellten Anforderungenwerden vollumfänglich erfüllt [5].
Literatur[1] Wettschureck, R. G., Heim, M., Tecklenburg, M.: Langzeit-Eigenschaften
der Unterschottermatten im Münchner
S-Bahntunnel nahe der Philharmonie
Am Gasteig. Verkehr + Technik 57(2004), Heft 1, S. 3–9.
[2] Müller, G.: Langzeiteigenschaften vonSylomer®- und Sylodyn®-Materialien.
Bericht Nr. M93 914/1, Müller-BBM,
München, 2011.
[3] Zindler, R., Tecklenburg, M.: Die elastische Lagerung eines Gebäudes indrückendem Grundwasser. Kriterienfür die Funktionalität, Ausführung,
Ergebnisse. 4. VDI-Fachtagung – Baudynamik 2012, VDI-Berichte 2160,
S. 475–484.
[4] Schmid, H.: Messtechnische Untersuchungen zu Erschütterungs- und sekundärer Luftschallsituation bei der Wasserkraftanlage Keselstraße der AÜW in
Kempten/Allgäu. Beurteilung der ISTSituation. Projekt Nr. AUS/2010_05,
2011.
[5] Högg, H., Liegl, R.: Erschütterungstechnische Untersuchung – Elastische
Gebäudelagerung beim BVH Arnulfpark in München. Bericht Nr. 8003164, Möhler + Partner, 2010.

AutorenBild 9. Dämmwirkung
der elastischen Gebäudelagerung

Dipl.-Ing. Dipl.-Kfm. Roger Höfle,Ing. Christian Loretz,
CMO, M.Eng. Hendrik Reichelt,
Dipl.-Ing. Rainer Zindler;
Getzner Werkstoffe GmbH, Bürs/Österreich

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