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Wirkungsvoller Schallschutz bedeutet, im Freien erzeugte Geräusche gegenüber dem Gebäudeinnern abzuschirmen (Schallausbreitung im Freien), in grossen Räumen/Sälen ein geeignetes « akustisches » Klima aufzubauen (Raumakustik) und in Räumen entstehende Geräusche mit stark verminderter Lautstärke in Nebenräume eindringen zu lassen sowie Lärmemissionen von innen (z. B. Industrielärm, Diskotheken) nach aussen zu verhindern (Bauakustik). Um eine bestehende, zu laut empfundene Lärmbelastung einzudämmen, können grundsätzlich zwei physikalische Effekte der Wellenausbreitung ausgenützt werden:
- Lärmdämmung durch Reflexion (Schalldämmung)
- Lärmdämpfung durch Absorption (Schallabsorption)
Die Begriffe Schalldämmung und Schallabsorption sind klar voneinander zu trennen. Im ersten Fall wird die Schallenergie nicht in eine andere Energieform überführt, sondern durch Reflexion wird deren Ausbreitungsrichtung verändert. Bei der Dämpfung wird Schallenergie im Wesentlichen in Wärme umgewandelt (Dissipation). Eine Wand kann demnach z. B. gut schalldämmend sein, gleichzeitig aber eine geringe Schallabsorption besitzen (vgl. Abb. 7.30).
Um gezielt Abhilfemassnahmen gegen zu starke Lärmbelästigungen treffen zu können, ist es notwendig, bei jeder Störung zunächst zu klären, ob Körperschall- oder Luftschallanregung vorliegt, d. h., ob die Schallquelle eine Wand/Decke unmittelbar oder indirekt über einen Luftraum hinweg anregt. Die Körperschallanregung ist im Gegensatz zur Luftschallanregung meistens örtlich begrenzt. Es ergeben sich folgende vier Grundprinzipien für Schallschutz-Massnahmen im Bauwesen:
- Luftschalldämmung: Der Schall wird durch schwere und dichte Baustoffe und/oder mehrschalige Baukonstruktionen daran gehindert, sich von einem Raum in den anderen auszubreiten (→ Reflexion der Luftschallwellen).
- Luftschalldämpfung (Schallabsorption): Mit besonderen «Schallschluckmaterialien» oder «Mitschwingern» wird versucht, Schallenergie in Wärme zu überführen.
- Körperschalldämmung: Unterbrechung der Schallausbreitung in festen Körpern, z. B. durch Zwischenschalten von Luftschichten oder elastischen Baustoffen.
- Körperschalldämpfung: Minderung der Schallausbreitung und der Wiederabstrahlung, z. B. durch Sandfüllung (→ Umwandlung der Schallenergie in Wärme).
7.4.1 Raumakustik
Das akustische Klima eines Raumes wird entscheidend durch das Reflexions- bzw. Absorptionsverhalten seiner Begrenzungsflächen geprägt, denn im Gegensatz zur Schallausbreitung im Freien kommt es in geschlossenen Räumen zu Reflexionserscheinungen an den Raumbegrenzungen, die sich mit dem direkten Schall überlagern.
Das Schallfeld im Raum kann nur annäherungsweise betrachtet werden, z. B. analog zur Optik, mit den Verfahren der geometrischen Akustik. Eine noch stärkere Vereinfachung geht davon aus, dass das Schallfeld diffus ist. Dann sind nur noch das Raumvolumen und die Oberfläche mit deren Absorptionseigenschaften wesentlich.
Die gesamte äquivalente Schallabsorptionsfläche As, eq eines Raumes ist als Summe der Produkte (Flächen Aj · Absorptionsgrad αS j) definiert:
As, eq beschreibt somit das Schallschluckvermögen eines Raumes (inkl. Stühle, Vorhänge, Personen etc.) und kann als eine fiktive Ersatzfläche betrachtet werden, die vollständig absorbiert.
Bei der Schallausbreitung in geschlossenen Räumen lassen sich zwei Einflussbereiche unterscheiden: Direktschall und Diffusschall. Im ersten dominiert die Direktschallausbreitung, die sich durch zwei Gesetzmässigkeiten auszeichnet: Im sog. Nahfeld einer Quelle (r < 2λ) nimmt der Pegel mit mehr als 6 dB/Abstandsverdoppelung ab, im Freifeld (r > 2λ) beträgt die entsprechende Abnahme genau 6 dB. Das Freifeld geht in einer bestimmten Entfernung von der Quelle, dem sog. Hallradius, in das Diffusfeld bzw. Hallfeld über, in dem sich Direktschall und der von den Begrenzungsflächen reflektierte Schall überlagern.
Beim Einschalten einer Schallquelle steigt die Schallenergiedichte in einem Raum nicht proportional zur Erregung in der Quelle an, sondern es pegelt sich allmählich ein stationärer Zustand zwischen Schallausstrahlung und Schallabsorption ein (→ Anhall). Wird die Schallquelle ausgeschaltet, so verschwindet der Schallpegel nicht plötzlich; der Schall klingt vielmehr infolge der Laufzeit vielfacher Reflexionen allmählich ab (→ Nachhall).
Dieser Vorgang lässt sich physikalisch mit dem Laden/Entladen eines Kondensators oder dem Aufheizen/Auskühlen eines Wärmespeichers vergleichen. Zeichnet man nun den zeitlichen Verlauf des Schalldruckpegels eines abklingenden Geräusches auf, so zeigt sich eine abfallende Gerade, wenn die Absorption etwa gleichmässig im Raum verteilt ist.
Die Nachhallzeit Ts (= f (f, V, As, eq)) ist diejenige Zeit in s, in welcher der Schallpegel nach Abschalten der Schallemission um 60 dB abklingt (≙ Reduktion der Schallintensität auf den 10–6 ten Teil!).
Der Zusammenhang zwischen der so definierten Nachhallzeit Ts, der gesamten äquivalenten Schallabsorptionsfläche As, eq und dem Raumvolumen wurde erstmals von Sabine experimentell erfasst:
Wird der zusätzliche Dämpfungseinfluss des Raumluftvolumens ebenfalls berücksichtigt (z. B. bei sehr grossen Sälen mit langen Schallwegen), so lässt sich obige Formel wie folgt erweitern:
Der Term 4 ∙ µ ∙ V steht für die Absorption der Luft. Die Luftdämpfung führt zu einer Verkürzung der Nachhallzeit, die vor allem bei höheren Frequenzen spürbar wird. Details siehe [7.25].
Durch Vergrösserung bzw. Verkleinerung der Schallabsorption im Raum lässt sich die Nachhallzeit auf eine der Nutzung angepasste Dauer einstellen.
Eine Veränderung der Nachhallzeit (Ts1 → Ts2) beeinflusst aber auch den mittleren Schallpegel im Raum (L1 → L2):
Eine in Bezug auf die Raumnutzung optimal abgestimmte Nachhallzeit ist eine wichtige raumakustische Voraussetzung für gute Sprachverständlichkeit bzw. angenehmes musikalisches Klangbild. In Räumen, in denen speziell eine gute Sprechakustik gefordert wird, ist in erster Linie die Frage der Verständlichkeit massgebend: Bei grosser Nachhallzeit hallen die einzelnen Silben zu lang und überdecken teilweise die folgenden; ist die Nachhallzeit zu kurz, so sinkt die Lautstärke stark, was die Verständlichkeit ebenfalls reduziert.
Die raumakustische Gestaltung beginnt bei Raumform und Raumvolumen. Optimale Raumvolumen lassen sich aus Tabelle 7.9 ablesen.
Die Raumform ist so zu gestalten, dass je nach Zweck die Schallreflexionen sinnvoll genutzt werden können sowie Echos und Flatterechos vermieden werden. Bei der Sprachnutzung sind Reflexionen so zu planen, dass sie früh nach dem Direktschall beim Empfänger eintreffen und auf diese Weise die Klarheit erhöhen. Bei der Musiknutzung sind frühe und späte Reflexionen in ein ausgewogenes Verhältnis zu setzten. Besonders wichtig sind frühe seitliche Reflexionen, welche bis 80 ms nach dem Direktschall eintreffen. Sie ermöglichen ein räumliches Empfinden der Musik. Unter Umständen ist die Primärstruktur des Raumes durch Schallreflektoren zu ergänzen. Vor allem bei Musikräumen sind strukturierte Raumoberflächen oder zusätzliche Diffusoren wichtig, welche den Schall streuen.
Mit der Wahl der Materialien der Raumoberflächen stellt sich schliesslich die Nachhallzeit ein. Bei Räumen für Musik ist in aller Regel keine zusätzliche Fläche mit Schallabsorbern notwendig. Das Publikum selber schluckt Schall, und mit der Wahl des richtigen Raumvolumens stellt sich praktisch von alleine die richtige Nachhallzeit ein. Allerdings müssen zur Planung solcher Räume viele weitere Überlegungen gemacht werden. Der Einsatz von physikalischen Modellen und/oder Computersimulationen ist heute üblich.
Bei Räumen für Sprache sind in der Regel Flächen mit Schallabsorbern notwendig. Dies gilt natürlich auch für Räume, in denen der Lärmpegel gering gehalten werden soll, wie z. B. Restaurant, Foyer etc. Eine Reihe von Absorberprinzipien ist in Abbildung 7.36 dargestellt.
Die Wirkung eines porösen Absorbers ist am effizientesten, wenn für eine bestimmte Wellenlänge das zugehörige Schnellemaximum in die Schicht hineinzuliegen kommt. Ideal ist eine Schichtdicke d von 1/4 der Wellenlänge λ. Neben porösen Absorbern wie Mineralwolle, Filz, Holzfaserstoffe, Bimsbeton etc. besitzen die auf dem « Masse-Feder-Schwingungssystem » beruhenden Resonanzabsorber in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz eine ausgeprägte Schallabsorption. Eine praktisch bedeutsame Form sind Platten mit Luftabstand vor einer Wand/Decke, z. B. Sperrholz-, Gipskartonplatten, wobei zur Erhöhung der Absorption Fasermatten im Hohlraum untergebracht werden. Eine grosse Schallschluckung tritt nur schmalbandig im Bereich der Resonanzfrequenzen auf. Oft lassen sich beide Absorptionseffekte kombinieren, indem diesem tieffrequenten Resonanzmaximum das breite, höherfrequente Absorptionsband eines porösen Schallabsorbers mit Wandabstand überlagert wird.
Um die akustischen Eigenschaften von schallabsorbierenden Produkten und entsprechende Anforderungen bei routinemässigen Anwendungen in üblichen Räumen wie Büros, Restaurants usw. einfacher handhaben zu können, werden die frequenzabhängigen Schallabsorptionsgrade αS( f ) mit Hilfe einer Bewertungskurve in eine Einzahlangabe (→ bewerteter Schallabsorptionsgrad αw) umgeformt. Detailinformationen hierzu sind in der DIN 18041 [7.39] enthalten.
7.4.2 Bauakustik
Luftschallübertragung
Prinzipiell ist zu unterscheiden, ob direkte Übertragung durch die Trennwand/Decke und/oder indirekte Übertragung über Nebenwege vorliegen. Sind P1 und P2 die Schalleistungen zu beiden Seiten eines Bauelementes, so wird das Verhältnis
als Schalldämmass R bezeichnet (vgl. auch Definition in Abb. 7.30). Mit Hilfe der Schallpegel L1 und L2 des Sende- bzw. Empfangsraumes lässt sich das Schalldämmmass wie folgt ausdrücken:
Um ein Trennelement vollständig beschreiben zu können, muss der frequenzabhängige Verlauf der Schalldämmkurve R = R( f ) experimentell bestimmt werden. Man unterscheidet:
- R( f ): im Labor gemessen, der Schall geht ausschliesslich durch das zu prüfende Wandelement (ohne Nebenwege!).
- R ‘( f ): « Bauschalldämmmass » unter Berücksichtigung zusätzlicher Schallübertragung an Flanken- und andern Nebenwegen.
Eine derartige, für die Praxis recht unhandliche Beschreibung der Luftschalldämmqualität eines Bauelementes (16 Messwerte bei Terzbandpegelmessungen) kann durch Bewertung der gemessenen Schalldämmkurve R( f ) bzw. R ‘( f ) mit einer standardisierten Bezugskurve N1( f ) auf eine charakteristische Zahl, das bewertete Schalldämmmass Rw bzw. das bewertete Bau-Schalldämmmass R’w reduziert werden.
Die Luftschalldämmung eines Trennelementes ist um so besser, je grösser der Index R’w .
Verschiedene Lärmarten haben eine unterschiedliche spektrale Zusammensetzung. Deshalb wird zum Bau-Schalldämmmass ein Spektrum-Anpassungswert angegeben.
- Innenlärm: C (Luftschall) und Ci (Trittschall)
- Aussenlärm: Ctr
Während alte Normen eher bauteilbezogene Kennwerte im Sinne der Materialprüfung definierten, werden heute in neueren Normenwerken « integrale » Anforderungen für die tatsächlich zu realisierende Luftschalldämmung unter Berücksichtigung der Schallschutzbedürfnisse der Bewohner und der Nutzung gestellt (siehe auch Abschnitt 7.4.3).
Einschalige Konstruktionen
Prinzipiell lässt sich der Verlauf der Schalldämmkurve R( f ) einer Einfachwand in vier charakteristische Abschnitte unterteilen:
I) Plattenschwingungen: sehr tiefe Frequenzen (meistens f < 100 Hz), Biegeeigenschwingungen der Wand (aufgefasst als freischwingende, freiliegende Platte).
II) Massegesetz: Eigenschwingungen der Wand folgen sehr rasch aufeinander: System einzelner Massen; die Masse pro Flächeneinheit (sog. Flächengewicht) spielt eine entscheidende Rolle → eine Verdoppelung des Flächengewichtes m’ verbessert die Schalldämmung um 6 dB (Berger ’sches Massegesetz); gleichzeitig nimmt in diesem Bereich das Schalldämmmass R( f ) bei Verdoppelung der Frequenz um 6 dB zu (6 dB/Oktave).
III) Koinzidenzeffekte: (Spuranpassungseffekt), Biegesteifigkeit spielt eine wichtige Rolle, eine Art «räumliche Resonanz», Einbruch wenig oberhalb der Grenzfrequenz fc (Koinzidenzfrequenz) durch Spuranpassung zwischen Biegewellen des Bauteils und auftreffender Schallwelle (vgl. Abschnitt 7.2.2).
IV) Massegesetz: Schalldämmung oberhalb der Grenzfrequenz (ab ca. ) nähert sich wieder dem Massegesetz.
Die Schalldämmung einschaliger Wände ist um so besser, je grösser deren Flächengewicht ist. Die Tiefe des Koinzidenzeinbruches ist um so kleiner, je höher die innere Dämpfung des Wandmaterials, und um so grösser, je flacher der Schalleinfall ist (γ gross). Der Einfluss dieses Einbruchs lässt sich verhindern, wenn durch geeignete Wahl des Baumaterials und/oder der Wanddicke dafür gesorgt werden kann, dass die Grenzfrequenz an den Rand des bauakustischen Frequenzbereiches verschoben wird (vgl. Abb. 7.40).
Aufgrund der Grenzfrequenz lassen sich Baustoffplatten wie folgt unterteilen (vgl. Abb. 7.41):
- biegesteife Schalen mit Grenzfrequenzen unterhalb von 50 Hz bis 100 Hz (z. B. dickes Mauerwerk oder Beton), Dämmwirkung wird durch die Wandsteifigkeit begünstigt.
- biegeweiche Schalen mit Grenzfrequenzen oberhalb 2500 Hz bis 3000 Hz (z. B. Bleche, Holzbauplatten, Glas), Dämmwirkung primär aufgrund Massegesetz.
Liegen die massgeblichen Frequenzen in einem Übergangsbereich zwischen einigen 100 Hz und 2000 Hz bis 3000 Hz, so ist mit einer Verschlechterung der Dämmwirkung gegenüber dem reinen Massegesetz zu rechnen. Untersuchungen von Cremer [7.10] und Gösele [7.23] haben gezeigt, dass das Schalldämmmass nicht nur vom Flächengewicht, sondern auch von der Koinzidenzfrequenz fc (als Folge der sog. Spuranpassung, vgl. Abschnitt 7.2.2) abhängt. Die Berücksichtigung dieses Resonanzeffektes führt dazu, dass der Verlauf des bewerteten Schalldämmmasses als Funktion der flächenbezogenen Masse im Bereich von ca. 5 bis 50 kg/m2 – je nach Baustoff – ein Plateau aufweist, indem die Schalldämmung nicht mehr oder nur schwach ansteigt.
Zweischalige Bauteile
Bei einschaligen Wänden lässt sich eine gute Schalldämmung nur mit einem hohen Flächengewicht erreichen. Entsprechend hohe Gewichte können vermieden werden, wenn Doppelwände anstelle von Einfachwänden eingebaut werden.
Der Verlauf der Schalldämmkurve R( f ) zweischaliger Wände zeigt vier charakteristische Bereiche (vgl. Abb. 7.43):
- I) Massegesetz: tiefe Frequenzen, Massegesetz wie für eine gleich schwere Einfachwand; Wandschalen schwingen miteinander im Takt → keine Verbesserung in diesem Bereich gegenüber Einfachwand.
- II) Doppelschalenresonanz: Masse-Feder-Masse- Schwingungssystem mit Resonanz (vgl. Abschnitt 7.2.2), Dämmung im Vergleich zu Einfachwand sogar schlechter, beide Wandschalen schwingen im « Gegentakt ».
- III) Mittlere Frequenzen: bedeutende Verbesserung gegenüber Einfachwand mit gleichem Flächengewicht, theoretischer Anstieg ca. 18 dB/Oktave.
- IV) Dickenresonanzen: Einbrüche durch Ausbildung stehender Wellen im Zwischenraum (Schalenabstand d = Vielfaches von λ/2).
Mit zweischaligen Bauelementen lassen sich somit bessere Schalldämmwerte erreichen als mit gleich schweren, einschaligen Wandkonstruktionen. Neben der flächenbezogenen Gesamtmasse beider Schalen wird die Luftschalldämmung entscheidend bestimmt durch:
- Biegefestigkeit der dünneren Schale
- Dämmmaterial zwischen den Schalen
- Schalenabstand
- Verbindungen zwischen den Schalen, Randbefestigungen
Um eine optimale Schalldämmung bei zweischaligen Bauelementen zu erreichen, sind deshalb einige Grundregeln zur konstruktiven Ausbildung gemäss Abbildung 7.44 zu beachten.
Rechnerische Abschätzung der Luftschalldämmung
Bei einschaligen Bauteilen (Beton, Mauerwerk, Gipsplatten, Glasscheiben) lässt sich das bewertete Schalldämmmass R‘w(1) aus dem Flächengewicht m’ nach der « Gösele »-Kurve (siehe Abb. 7.42) bestimmen. Bei dünnen Blechen folgt die Luftschalldämmung eher dem theoretischen Massegesetz, solange f < fc (Berger ’sches Gesetz für biegeweiche Platten, vgl. Abb. 7.42).
Das bewertete Bau-Schalldämmmass R‘w(2) zweischaliger Konstruktionen kann in erster Näherung ebenfalls relativ einfach unter Verwendung der Massenabhängigkeit der Luftschalldämmung abgeschätzt werden, solange die konstruktiven Richtlinien gemäss Abbildung 7.44 berücksichtigt bleiben:
Gegenüber einer einschaligen Wand gleichen Flächengewichtes verbessert der Strömungswiderstand der Trennschicht des zweischaligen Aufbaus die Dämmung im Allgemeinen um ca. 1 bis 1,5 dB je cm Schalenabstand; bei sauberer, konsequenter Trennung sogar um bis zu 2 dB/cm (gilt nur für nicht zu schwere Wandkonstruktionen).
Nebenwegübertragung [7.15, 7.25]
Am Bau wird der Schall nicht nur durch den eigentlichen Trennbauteil, sondern – je nach Bauteilanschluss – in einem u. U. nicht zu unterschätzenden Mass auch über flankierende Elemente wie Wände, Decken, Böden übertragen. Es zeigt sich in der Praxis, dass sehr oft gute Schalldämmeigenschaften eines Trennbauteils durch ungeeignete Konstruktion der flankierenden Elemente bzw. der Randanschlüsse zunichte gemacht werden.
Bis in die letzten Jahre wurde die Schalldämmung in Prüfständen gemessen, die Flankenübertragungen zuliessen (→ Messung mit den « bauüblichen Nebenwegen » R ‘( f ) bzw. R ‘w , genannt « Bauschalldämmmass »). Fortschritte in der Messtechnik und bessere Kenntnisse der Mechanismen der Schallübertragung im Flankenbereich ermöglichen heute einerseits quasi nebenwegfreie Messungen der Schallübertragung im Labor und andererseits Rechenmethoden zur quantitativen Abschätzung der Nebenwegeffekte. Analog den Wärmeverlusten der Gebäudehülle, die sich aus den Regelquerschnittverlusten und den zusätzlichen Verlusten infolge Anschlussstellen (Wärmebrücken!) zusammensetzen, sind heute erste Ansätze vorhanden, die es erlauben, die Schallübertragung in analoger Weise (« Regelquerschnitttransmission » und « Flankenübertragung ») zu erfassen.
Bei der Schallübertragung zwischen zwei aneinanderstossenden Räumen lassen sich vier Grundtypen von Übertragungswegen unterscheiden:
Vereinfachend wird angenommen, dass nur Wege mit einer einzigen Stossstelle berücksichtigt werden (d. h. Rückwand sowohl sende- als auch empfangsseits ausgeschaltet; Wege wie: flankierend auf die Seitenwand auftreffend und über den Boden abgestrahlt entfallen).
Somit sind folgende Wege zu berücksichtigen (total 13 Wege): Boden: Fd, Ff, Df; Wand rechts: Fd, Ff, Df; Decke: Fd, Ff, Df; Wand links: Fd, Ff, Df und Direktdurchgang Dd.
Ein einzelner Weg wird somit durch drei Grössen charakterisiert, die letzten Endes ein Verhältnis von quellen- zu empfangsseitiger Leistung ausdrücken:
An den Übergängen Luft – Bauteil sind dies Grössen von der Art Schalldämmmass R. Bei « internen » Übergängen, wo Bauteile zusammengekoppelt werden, handelt es sich um Stossstellendämmungen, die durch sog. « Stossstellen-Pegeldifferenzen K » beschrieben werden können. Die Dämmung an derartigen Unstetigkeitsstellen wird einerseits durch Verluste infolge Reflexion, Streuung und Absorption und andererseits durch das Masseverhältnis der aneinanderstossenden Bauteile bestimmt. Eine leichte Wand kann z. B. eine schwere praktisch nicht zu Schwingungen anregen, umgekehrt jedoch schon. Es sind +-, L– und T-förmige Stossstellen zu unterscheiden, wobei +- und T-förmige Anschlüsse gerade oder im Winkel durchlaufen werden können, was unterschiedliche Verluste zur Folge hat.
Grundkonzept zur Abschätzung von R’w
- Schalldämmmass Rw: Als Ausgangsbasis dient die nebenwegfreie Schalldämmung des Trennbauteils, berechnet als einschalige, biegesteife Wand gemäss:
- Schalldämmmass flankierender Bauteile RF bzw. Rf : Für die flankierenden Bauteile sind nach Möglichkeit entsprechende Messwerte zu benützen. Sind solche nicht greifbar, so wird die Näherung verwendet:
- Vorsatzschalen-Korrektur ΔR: Eine Vorsatzschale – sowohl beim Trennbauteil wie beim flankierenden Bauteil – kann das Rw verbessern oder verschlechtern, je nach der Resonanzfrequenz fr des Systems (vgl. Abschnitt 7.4.2, Luftschallübertragung, zweischalige Bauteile). Die Verbesserung von Rw eines einschaligen Bauteils durch Anbringen einer Vorsatzschale kann folgender Tabelle entnommen werden:
- Stossstellen-Pegeldifferenz K (« Verzweigungsdämmung »): Sie setzt sich aus zwei Anteilen zusammen:
- Flächenverhältniskorrektur C: Das Verhältnis der schallabstrahlenden Oberflächen im Empfangsraum ist wie folgt zu berücksichtigen:
Mit diesen Hilfsgrössen berechnet sich das Schalldämmmass entsprechend dem Typ des Übertragungsweges zu:
ist der Mittelwert der bewerteten Schalldämmmasse der am Übertragungsweg beteiligten Baukonstruktionen. Bei zweiseitig angebrachten Vorsatzkonstruktionen am Trennbauteil wird für die Vorsatzschale mit der schlechteren Vorsatzschalen-Korrektur ΔR nur noch der halbe Wert angenommen. Analoges gilt bei jedem Flankenübertragungsweg. Falls die Fläche des Trennbauteils auf der Sendeseite ungleich jener auf der Empfangsseite ist, soll der ungünstigere Fall im Ergebnis berücksichtigt werden.
Das gesamte (Bau-)Schalldämmmass R’w berechnet sich als « energetische » Summe der Leistungsanteile aller 13 Übertragungswege:
Luftschalldämmung bei Fenstern
Wegen des zunehmenden Verkehrslärms und der steigenden akustischen Behaglichkeitsansprüche kommt den Fenstern bei der Schalldämmung von Gebäuden gegen Aussenlärm eine zentrale Bedeutung zu. Aufgrund des im Vergleich zu massiven Aussenwänden geringen Flächengewichtes erfolgt die Übertragung von Aussenlärm zu einem grossen Teil über die Fenster. Die Schalldämmung von Fenstern wird weitgehend durch den Glasaufbau einerseits und die Rahmenkonstruktion andererseits bestimmt.
Einer möglichen Verbesserung der Schalldämmung durch Vergrösserung des Flächengewichtes der Gläser stehen als Folge stärkerer Glasdicken Negativeffekte wie grössere Biegesteifigkeit und tiefere Grenzfrequenzen gegenüber. Asymmetrische Doppelverglasungen ergeben aufgrund ihrer Resonanzfrequenz erst ab 12 mm Scheibenabstand bessere Schalldämmwerte als gleich schwere Einfachgläser.
Zu grosse Glasabstände sind aber auch unerwünscht, da ab ca. 20–25 mm Abstand die Temperatur- und die damit verbundenen Druckschwankungen des eingeschlossenen Gases zu übermässigen Belastungen des Glasrandverbundes führen können. Verbundgläser mit Giessharz- bzw. Folienzwischenlagen reduzieren die Biegesteifigkeit der Schalen und damit auch die Stärke entsprechender Koinzidenzeinbrüche (z. B. 3 mm Floatglas/1,2 mm Alkali-Silikat/3 mm Floatglas: Rw (C, Ctr) = 35 (–1; –4) dB; max. Abweichung 5 dB bei 400 Hz [7.26]). Der Ersatz von Luft im Zwischenraum durch ein Schwergas erhöht zwar die Schalldämmung, kann sich aber u. U. negativ auf die Wärmedämmung auswirken. Beim Fensterrahmen spielt neben Flächengewicht und Biegesteifigkeit die Dichtigkeit eine entscheidende Rolle.
Zusammengesetzte Wandflächen
Ist eine Wand aus zwei Teilflächen S1 und S2 mit den entsprechenden Schalldämmwerten Rw,1 (C; Ctr)1 bzw. Rw,2 (C; Ctr)2 zusammengesetzt und ist Rw,1 ≥ Rw,2, so berechnet sich das totale Schalldämmass Rw,res der gesamten Wandfläche zu:
Allgemein lässt sich die resultierende Schalldämmung Rw,res bzw. R’w,res eines Mehrkomponentensystems wie folgt errechnen:
Tritt-/Körperschallübertragung
Körperschall ist an sich nicht hörbar, wird jedoch hörbar, wenn er durch Abstrahlung an Oberflächen in Luftschall verwandelt wird, z. B. beim Trittschall. Die Weiterleitung des Schalles ist also möglichst zu verhindern, zumal sich der Schall in festen Körpern nur mit geringen Verlusten fortpflanzt (vgl. Tab. 7.4). Der wichtigste Weg für die Trittschallübertragung ist in jedem Fall der direkte Weg durch die Trenndecke, andere Wege können aber je nach Decken- und Wandkonstruktion ebenfalls von Bedeutung sein. Speziell Diagonalübertragungen können gleiche Grössenordnungen aufweisen wie Vertikalübertragungen.
Um die trittschalldämmenden Eigenschaften von Decken nach einem einheitlichen Prinzip kennzeichnen zu können, musste man sich zunächst auf eine genau definierte Trittschallquelle einigen. Diese Anregung der Decke erfolgt über ein normalisiertes Hammerwerk. Im Empfangsraum wird der mittlere Schallpegel gemessen. Damit die Messungen, die in Empfangsräumen mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften durchgeführt werden, miteinander verglichen werden können, wird in Normverhältnisse umgerechnet. Der Normtrittschallpegel Ln ist wie folgt definiert:
Ähnlich wie bei der Luftschallisolation besteht auch hier das Bedürfnis, die Güte der Trittschallisolation einer Decke mittels einer einzigen Zahl auszudrücken. Die gemessene, frequenzabhängige Normtrittschallpegelkurve Ln( f ) wird mit einer « Sollkurve » bewertet (→ bewerteter Normtrittschallpegel L’n,w).
für den Frequenzbereich 100–2500 HzdB
Im Gegensatz zum bewerteten Bau-Schalldämmmass R’w ist die Trittschallisolation um so besser, je kleiner der bewertete Norm-Trittschallpegel L’n,w-Wert ist. Dieser Wert ist kein Dämmwert («Schallpegeldifferenz»), sondern ein Mass für das resultierende Störgeräusch bei Anregung durch ein Normhammerwerk.
Mit weichen Gehbelägen und schwimmenden Unterlagsböden lassen sich gute Trittschallisolationen erzielen (vgl. Abb. 7.59).
Das Trittschallverbesserungsmass ΔLw ist ein Einzahlkennwert, der die Verbesserung des Trittschallschutzes an einer massiven Normdecke aufgrund einer Deckenauflage beschreibt (vgl. Abb. 7.60).
Besonders wichtig erscheint es, auf die Verschlechterung der Trittschalldämmung hinzuweisen, die bei Vorhandensein von Körperschallbrücken zwischen Massivdecke und Zementüberzug entsteht. Solche Schallbrücken, die vor allem an Wandanschlüssen und bei Deckendurchführungen von Sanitärleitungen festzustellen sind, können die Wirkung eines schwimmenden Unterlagsbodens völlig zunichte machen (vgl. Abb. 7.61).
Rechnerische Abschätzung der Trittschalldämmung bei Deckenaufbauten mit Stahlbetonrohdecken
Die Trittschalldämmung einer Decke lässt sich einfach, wenn auch nicht allzu genau, abschätzen [7.2]. Der bewertete Normtrittschallpegel Ln,w sinkt bei einschaligen (homogenen) Decken um ca. 10 dB bei Verdoppelung der Plattendicke. Für eine einschalige Stahlbeton-Rohdecke gilt:
-
schwimmende Unterlagsböden (oben) und
-
gehweiche Bodenbeläge (unten)
und Trittschallverbesserungsmass ΔLw eines Bodenbelages
Für die Trittschalldämmung der fertigen Decke mit schwimmendem Unterlagsboden und/oder Gehbelag gilt:
Ein frei schwimmender Unterlagsboden schwingt nach dem Feder-Masse-Prinzip mit einer Resonanzfrequenz von:
Oberhalb einer Frequenz nimmt die Trittschalldämmung zu (vgl. dazu Abschnitt 7.2.2, Resonanzeffekte → Zweimassenresonanz).
Für eine erste grobe Beurteilung der indirekten Trittschallübertragungen kann die Ausbreitungsdämpfung durch die in Abbildung 7.63 aufgeführten Korrekturwerte berücksichtigt werden.
Analog der Erfassung der Nebenwege bei der Luftschallübertragung wird in der Norm zur Berechnung der Trittschalldämmung zwischen Räumen [7.31] versucht, die Einflüsse von Flankenübertragungen quantitativ zu erfassen.
Bei Holzbalkendecken lässt sich das Trittschalldämmvermögen quantitativ nur schwerlich voraussagen [7.28]. Die Voraussetzungen zur Verbesserung von Luft- und/oder Trittschalldämmung durch eine Überkonstruktion sind infolge der geringen Masse und Steifigkeit im Vergleich zur Massivdecke ungünstiger. Zudem ist die statische Belastbarkeit der Decke durch eine entsprechende Deckenauflage eingeschränkt. Trittschallverbesserungsmasse, die an Massivdecken ermittelt wurden, lassen sich nicht auf Holzbalkendecken übertragen.
7.4.3 Schallschutz im Wohnungsbau
Guter Schallschutz im Hochbau ist einerseits ein wohnhygienisches Erfordernis, andererseits ein modernes Komfortkriterium. Der Schallschutz im Wohnungsbau will die Bewohner sowohl vor störendem Aussenlärm schützen wie auch Lärmstörungen durch hausinterne Nachbarschaftsgeräusche verhindern. Daher sind objektive, aussagekräftige Gütekriterien, die den vom Bewohner erlebten Schallschutz erfassen, unabdingbar. Es lassen sich damit im Planungsstadium die bauakustischen Ziele formulieren und ihre Erfüllung am fertigen Objekt überprüfen. Die Vielzahl verschiedener nationaler Normen auf diesem Gebiet ist allerdings ein Indiz dafür, dass z. T. recht unterschiedliche Betrachtungsweisen bestehen.
Objektive Erfassung des Schallschutzes: Zwei verschiedene Ziele [7.13]
Die zahlenmässige Erfassung des baulichen Schallschutzes lässt sich unter zwei Blickwinkeln betrachten. Der Bewohner interessiert sich hauptsächlich für das von ihm nicht weiter beeinflussbare Gesamtresultat, das seine akustische Wohnqualität umschreibt: Wie gross ist im Raum B der Störpegel, wenn im Raum A Geräusche erzeugt werden? Der Architekt dagegen muss die akustischen Materialeigenschaften kennen, um unter Optimierung der räumlichen Anordnung einen Schallschutz bestimmter Güte zu erhalten. Bei der ersten Fragestellung hängt die Antwort wohl von der Materialwahl und der Ausführung ab, zugleich aber von der Grösse der Trennfläche zwischen A und B, von der relativen Lage der Räume zueinander sowie von Ausstattung und Volumen des Empfangsraumes. Das Ergebnis gilt somit für den Einzelfall. Im zweiten Fall dagegen zielt man allgemein auf eine Charakterisierung eines Baumaterials, einer Konstruktionsart oder eines Bauteils, unabhängig von der individuellen Geometrie. Diese unterschiedlichen Zielsetzungen verlangen offenbar verschiedene Beurteilungsgrössen.
Ausgangspunkt der messtechnischen Erfassung ist in jedem Fall der stationäre Schallpegel L2 im Empfangsraum, zeitlich und räumlich gemittelt und in Abhängigkeit der Frequenz, heute vorzugsweise in Frequenzbändern von 1/3-Oktavbreite, erfasst. Bei einer bestimmten Energieübertragung durch Trennflächen und Nebenwege hängt der stationäre Pegel noch von der Schallabsorption im Empfangsraum ab, die sich durch die äquivalente Absorptionsfläche As, eq ausdrücken lässt. Diesen Einfluss trachtet man durch Normierung auf eine feste, international genormte Absorptionsfläche A0 zu beseitigen. Mit A0 = 10 m2 entspricht dies einigermassen den Verhältnissen in Wohnräumen. Dieser Bezug auf eine vorgegebene Absorptionsfläche wird in der Bauakustik aus historischen Gründen als « Normierung » schlechthin bezeichnet, was zu begrifflichen Schwierigkeiten führt, sobald weitere Normierungsmöglichkeiten ausgeschöpft werden. Die Absorptionsfläche As, eq muss bestimmt werden, in der Regel mit Hilfe der Sabine ’schen Formel auf dem Umweg über die Messung der Nachhallzeit Ts. Gerade in bewohnten Räumen ist jedoch die Voraussetzung eines diffusen Schallfeldes oft nicht erfüllt und die Sabine-Formel nicht streng gültig (siehe dazu Abschnitt 7.4.1). Realistischer ist deshalb eine Normierung auf eine Nachhallzeit T0 die aufgrund der Erfahrung gleich 0,5 s gesetzt wird, da sehr viele möblierte Wohnräume eine Nachhallzeit dieser Grössenordnung aufweisen. Eine auf diese Weise normierte Pegelgrösse wird formelmässig mit dem Subskript «nT» gekennzeichnet, in der DIN-Normung als «nachhallzeitreduzierter» Pegel bezeichnet und in der englischen Fassung der ISO-Norm 140 (1978) «standardized level» genannt. Dass es sich bei der « Standardisierung » lediglich um eine weitere spezielle Normierung – auf T0 – handelt, geht aus dem Subskript «nT» deutlich hervor.
Es versteht sich, dass die Zielgrösse unabhängig von der Stärke des Schalls an der Quelle sein soll. Man erreicht dies beim Luftschall durch gleichzeitige Messung des Pegels im Senderaum (L1) und Berechnen der Differenz D = L1 – L2 , beim Trittschall durch Verwenden eines normierten Hammerwerks, das den Körperschall anregt. Die Standard-Schallpegeldifferenz DnT und der Standard-Trittschallpegel LnT sind somit die frequenzabhängigen Grössen zur Charakterisierung des Schallschutzes zwischen zwei spezifischen Räumen in einem bestimmten Gebäude. Sie enthalten bewusst die Grösse der Trennfläche und den Einfluss der Nebenwegübertragung als Merkmale der individuellen Situation, während die Ausstattung infolge des Bezugs auf T0 (→ Standardisierung) keine Rolle mehr spielt.
Für die Kennzeichnung der Materialeigenschaften will man sich jedoch auch von den geometrischen Gegebenheiten der Situation befreien. Dazu benützt man einen Luftschall-Prüfstand, dessen Konstruktion eine vernachlässigbare Flankenübertragung garantiert, und reduziert in einem zusätzlichen Normierungsschritt die Messwerte von der realen Trennfläche S auf eine Normtrennfläche (S0 = 10 m2). Die Anforderungen an den Prüfstand sind so gestaltet, dass das Schallfeld im Empfangsraum in guter Näherung diffus ist: die Normierung geschieht hier somit richtigerweise auf konstante Absorptionsfläche, und nicht auf Nachhallzeit. Zusammengefasst lassen sich beide Normierungsschritte durch die Beziehung
ausdrücken, wobei als Nebenbedingung A0/S0 = 1 angenommen wird. Den derart flächenbezogenen Pegel nennt man, den Nomenklaturregeln folgend, das « Schalldämmmass » R. Beim Trittschall entfällt dieser zweite Normierungsschritt. Es gilt:
Zu einer zusammenfassenden Einzahl-Angabe – sowohl für Luftschall wie auch für Trittschall – gelangt man schliesslich mit einem Rechenverfahren, das als « Frequenzbewertung » bezeichnet wird und im Endeffekt auf eine geeignet gewichtete Summe aller Anteile aus den 16 Terzbändern hinausläuft (vgl. Abb. 7.38 und 7.58, Abschnitt 7.4.2). Die Einzelheiten sind in ISO 717 [7.16] spezifiziert und in die meisten nationalen Normen eingebaut. Die resultierenden einfachen Zahlen werden « bewertete » Grössen genannt und durch den zusätzlichen Subskript w (engl. « weighted ») gekennzeichnet.
Die tatsächlich zu realisierende Luftschalldämmung wird in der SIA-Norm 181 [7.29] anhand der Grösse DnT,w beurteilt. Sie wird in Anlehnung an ISO 717 als bewertete Standard-Schallpegeldifferenz bezeichnet. Zur Kennzeichnung der entsprechenden Eigenschaften von Bauteilen dient das bewertete Schalldämmmass Rw. Für Räume mit einem Volumen V > 200 m3 müssen die Werte durch eine Volumenkorrektur CV gemäss SIA-Norm 181 [7.29] angepasst werden (Werte von CV siehe Anhang 9.22).
Beim Trittschall wird der bewertete Standard-Trittschallpegel LnT,w zur Beurteilung der Trittschallübertragung im Bau verwendet. Die entsprechende Bauteilkenngrösse wird als bewerteter Normtrittschallpegel Ln,w bezeichnet.
Berücksichtigung charakteristischer Störgeräusche: Spektrumanpassungswerte [7.14, 7.40]
Bei der Beurteilung von Trennbauteilen durch Einzahlkennwerte (Rw bzw. Ln,w) werden durch Vergleich mit Bewertungskurven grundsätzlich die frequenzabhängige Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs sowie der durch physikalische Eigenschaften der Baustoffe/Bauteile bedingte Verlauf der Schalldämmung berücksichtigt. Spezifische Lärmeinwirkungen wie Strassen- und Fluglärm, Trampelgeräusche usw. mit ihren charakteristischen Frequenzgängen bleiben unberücksichtigt.
Die ISO- und CEN-Normen tragen diesem Umstand Rechnung durch
- eine Empfehlung zur Erweiterung des bauakustischen Messbereiches auf Frequenzen von 50 bis 5’000 Hz (Luftschall) bzw. 50 bis 3’150 Hz (Trittschall) und durch
- die Einführung von sog. Spektrumanpassungswerten
Die Einzahlkennwerte zur Beschreibung der Schalldämmqualität von Bauteilen werden somit in einer erweiterten Form wie folgt angegeben:
- Rw(C, Ctr) in dB bzw.
- Ln,w(Ci) in dB.
Im Bereich Luftschall [7.32] beschreibt der Anpassungswert C ausgehend von einer Lärmeinwirkung mit einem Spektrum gleichmässiger Frequenzverteilung (A-bewertetes rosa Rauschen) die Eignung des Trennbauteils bei Störungen mit ausgeglichenen Spektren wie z. B. Wohnlärm, Eisenbahnlärm (mittlere/hohe Geschwindigkeit), Autobahnlärm (v > 80 km · h–1). Die Grösse Ctr versucht auf der Basis eines Störspektrums mit grösseren Tieftonanteilen (A-bewerteter städtischer Strassenverkehrslärm) eher Störungen wie u. a. Strassenverkehr mit hohem Lastwagenanteil, Schienenverkehr geringer Geschwindigkeit, Flug- oder Discolärm zu erfassen. Die Zahlenwerte für C und Ctr sind negativ im Bereich von etwa 0 bis –10 dB.
Im Bereich Trittschall [7.33] korrigiert der Anpassungswert Ci den bewerteten Trittschallpegel speziell im Hinblick auf tieffrequente Störungen, wie sie z. B. bei Holzbalken- und Betonrohdecken auftreten können. Die Korrekturgrösse ist so definiert, dass für Massivdecken mit genügender Trittschalldämmung (Gehbeläge und/oder schwimmender Unterlagsboden) ein Wert von etwa 0 dB resultiert. Holzbalkendecken zeigen leicht positive Werte, wogegen Betondecken mit ungenügender/fehlender Trittschalldämmung negative Werte von bis zu –15 dB ergeben.
Die resultierende Schalldämmung eines Trennbauteils bzw. zwischen verschiedenen Nutzungszonen ergibt sich jeweils als Summe aus Einzahlkennwert bzw. Einzahlanforderung und entsprechendem Spektrumanpassungswert. Mit den so « erweiterten » Kennwerten lässt sich dem effektiven, subjektiven Hörempfinden verbessert Rechnung tragen, ohne die bestehenden, standardisierten Labormess- und Bewertungsverfahren zur Bestimmung von Einzahlkennwerten abändern zu müssen.