Anwendungen in der Baudynamik. Schwingungsmessungen und Anforderungen im Erschütterungsschutz

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1 Anwendungen in der Baudynamik Schwingungsmessungen und Anforderungen im Erschütterungsschutz Dipl.-Ing. Marc Oliver Rosenquist * baudyn GmbH, Mühlenkamp 43, D Hamburg * von der Handelskammer Hamburg öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Schwingungen und Erschütterungen im Bauwesen péáíé=n

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7 Testfahrzeug Vorderachs-Aufhängung des Testfahrzeugs: Blattfederung und hydraulischer Stoßdämpfer, Einzelbereifung Aufhängung der hinteren Doppelachse des Testfahrzeugs: Blattfederung, ohne Stoßdämpfer, Zwillingsbereifung péáíé=t

8 Dynamische Einwirkungen des Schwerlastverkehrs Ebenes Modell für einen Zweiachser Viertel-Fahrzeug-Modell (ungedämpft) M1: Aufbaumasse k1: Aufbaufeder (Aufbau-Aufhängung) M2: Achsmasse ("ungefederte" Masse) k2: Reifenfeder für M1» M2 und k2» k1 entkoppelte Eigenschwingungen péáíé=u

9 Dynamische Einwirkungen des Schwerlastverkehrs Aufbau-Eigenschwingungen f 01 = Hz Achs-Eigenschwingungen f 02 = 7 15 Hz péáíé=v

10 péáíé=nm

11 péáíé=nn

12 péáíé=no

13 péáíé=np

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16 téääéå~ìëäêéáíìåö=áã=üçãçöéåéå=_ççéåü~ääê~ìã= ~ìëöéüéåç=îçå=éáåéê=mìåâíèìéääé Quelle: Empfehlungen des Arbeitskreises Baugrunddynamik Berlin 2002, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.v. péáíé=ns

17 ^ìëäêéáíìåö=îçå=o~ããéêëåüωííéêìåöéå=îçã=o~ããçêí=áå=éáå=déä ìçéw òìë íòäáåü=oéëçå~åò~åêéöìåö=déä ìçééáöéåñêéèìéåò=~ìñ=_~ìöêìåç= ìåç=aéåâéåéáöéåñêéèìéåò péáíé=nt

18 péáíé=nu

19 Quelle: M. Heckl, H.A. Müller, Taschenbuch der Technischen Akustik Springer, Berlin 1994 péáíé=nv

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24 Anforderungen im Erschütterungsschutz In dem Entwurf für die VDI-Richtlinie 2038 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen, Untersuchungsmethoden und Beurteilungsverfahren der Baudynamik wird umfassend die grundsätzliche Fragestellung der Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen eingegangen und auf die unterschiedlichen, auch internationalen Richtlinien verwiesen. péáíé=oq

25 Anforderungen des Erschütterungsschutzes Einwirkung auf bauliche Anlagen Für die Beurteilung ist die DIN 4150 Erschütterungen im Bauwesen Teil 3 Einwirkung auf bauliche Anlagen (aktuelle Ausgabe Februar 1999) maßgeblich. Die Anhaltswerte der Erschütterungs-Leitlinie des Länderausschusses für Immissionsschutz (LAI) stimmen mit denen der DIN 4150 Teil 3 grundsätzlich über ein. In der DIN 4150 Teil 3 sind Anhaltswerte zur Beurteilung kurzzeitiger Erschütterungseinwirkungen in Abhängigkeit von der Gebäudeart und der Frequenz für Fundamentmesspunkte in drei Raumrichtungen und Messpunkte im obersten Vollgeschoss in den horizontalen Richtungen von Gebäuden angegeben. Für Dauererschütterungen werden Anhaltswerte für Messpunkte im obersten Vollgeschoss in den horizontalen Richtungen von Gebäuden genannt. Messpunkte für die Beurteilung gemäß DIN 4150 Teil 3 Darüber hinaus werden Anhaltswerte für Deckenschwingungen und Rohrleitungen für kurzzeitige und Dauerschwingungen angegeben. péáíé=or

26 péáíé=os

27 Unterteilung von erschütterungsempfindlichen Maschinen und Geräten α β γ δ Maschinen die selbst Schwingungen verursachen sehr geringe Erschütterungsempfindlichkeit z.b. Kolbenkompressoren gemäß DIN ISO Anregung z.b. durch die Maschine selbst oder andere, Baubetrieb Geräte, wie elektronische Geräte und Baugruppen geringe Erschütterungsempfindlichkeit z.b. Relais und Baugruppen in der Telekommunikation gemäß DIN EN Anregung z.b. durch benachbarte Maschinen / Anlagen, Baubetrieb Geräte und komplexe technische Anlagen erhöhte Erschütterungsempfindlichkeit z.b. Computeranlagen, aber auch präzise Fertigungsmaschinen individuelle Anfordeungen, z.t. ähnlich DIN EN Anregung z.b. durch Notstromaggregate, Pumpen, Baubetrieb Geräte in der Forschung und in hochtechnisierter Produktion besonders hohe Erschütterungsempfindlichkeit z.b. Rasterelektronenmikroskope individuelle Anforderungen sowie VC und NC Anregung z.b. Menschen, Wind, entfernter Verkehr, entfernte Produktion péáíé=ot

28 Beispiel für technische Anlagen: Erschütterungsempfindliche Geräte - Raster-Elektronen-Mikroskope (REM) - Transmissions-Elektronen-Mikroskope (TEM) - Kraftmikroskope (AFM) - Chipfertigung in der Halbleitertechnik - Nanotechnik Lithografiegeräte - empfindliche Laborgeräte wie Massen-Spektrometer - Überschreitung der Anforderungen bereits bei alltäglichen Gebäudeschwingungen - alltäglichen Wind oder - entfernten Straßen-/Schienenverkehr - keine allgemeingültigen Kriterien Halbleiter-Lithografiegerät des Herstellers ASML péáíé=ou

29 Verallgemeinerte Anforderungen besonders erschütterungsempfindlicher Geräte - Aus den technischen Anforderungen der Halbleiterindustrie wurden die Vibration-Criteria von Collin Gordon et al. entwickelt - Eine Weiterentwicklung für die Nano-Forschung und als Nano-Linien erfolgte von Heiland und Beyer péáíé=ov

30 Einwirkung auf Menschen in Gebäuden Menschen können außerordentlich kleine Schwingungsamplituden wahrnehmen. Ein Vergleich soll dies verdeutlichen. Bei 20 Hz entspricht die Fühlschwelle einer Amplitude der Schwinggeschwindigkeit von v = 0.2 mm/s. Im Falle einer harmonischen Schwingung mit 20 Hz liegt die Fühlschwelle also bei einer Wegamplitude 3.2 µm. Im Vergleich dazu beträgt der niedrigste Wert zur Vermeidung von Schäden an Gebäuden gemäß SN a bei 1.5 mm/s. Das entspricht bei einer Frequenz von 20 Hz einer Wegamplitude von 24 µm. Aus diesem Grund können bereits geringe Schwingungsamplituden störend wahrgenommen werden. In der Erschütterungs-Leitlinie wird dieser Umstand darauf zurückgeführt, dass Schwingungen in Gebäuden wesensfremd sind. Der Mensch als schwingungsfähiges System péáíé=pm

31 Erschütterungsquelle Übertragungsweg Empfänger Quelle: M. Heckl, H.A. Müller, Taschenbuch der Technischen Akustik Springer, Berlin 1994 péáíé=pn

32 Schienenverkehrserschütterungen Quelle: M. Heckl, H.A. Müller, Taschenbuch der Technischen Akustik Springer, Berlin 1994 péáíé=po

33 Einwirkung auf Menschen in Gebäuden Zur Konkretisierung der Ziele im Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) ist vom Länderausschuss für Immissionsschutz (LAI) die Erschütterungs-Leitlinie beschlossen (Mai 2000) worden. Die Erschütterungs-Leitlinie umfasst die Vorgehensweise zur Messung, Beurteilung und Verminderung von Erschütterungsimmissionen. Inhaltlich stimmt die Erschütterungs-Leitlinie mit dem aktuellen Stand der Normen DIN 4150 Erschütterungen im Bauwesen und DIN Messung von Schwingungsimmissionen im wesentlichen überein. Die DIN 4150 wird nachfolgend näher betrachtet, da die Norm den aktuellen Stand der Technik darstellt und Ausgangspunkt für die Ausarbeitung der Erschütterungs-Leitlinie war. Darüber hinaus sind in der DIN 4150 zusätzlich Angaben zur Vorermittlung von Schwingungsgrößen und quellenspezifische Regelungen z.b. für Schienenverkehr zur Beurteilung enthalten. Schwingungsimmissionen sind hinsichtlich ihrer Einwirkungen auf Menschen und auf bauliche Anlagen bei temporären und regelmäßig wiederkehrenden Emissionen sowie bei Baumaßnahmen zu berücksichtigen. péáíé=pp

34 Beurteilungsverfahren DIN 4150 Teil 2: Maximalwert Das Beurteilungsverfahren geht in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis 80 Hz von dem Zeitverlauf der Schwinggeschwindigkeit aus. Bewertete Schwingstärke KB Fmax Beschreibung der subjektiven Wahrnehmung Es wird mittels Filterung und gleitendem Effektivwert ein Wert für die maximal auftretende Erschütterungseinwirkung, die maximale Bewertete Schwingstärke KB Fmax ermittelt. Einen Zusammenhang der Bewertete Schwingstärke KB Fmax und der menschlichen Wahrnehmung ist in nebenstehender Tabelle angegeben. In der DIN 4150 Teil 2 wird hierzu ausgeführt, dass bereits gerade spürbare Erschütterungen als störend empfunden und Erschütterungseinwirkungen um KB=0.3 beim ruhigen Aufenthalt in Wohnungen überwiegend als gut spürbar und entsprechend stark störend wahrgenommen werden. kle iner 0.1 nicht spürbar 0.1 bis 0.4 gerade spürbar 0.4 bis 1.6 gut spürbar 1.6 bis 6.3 stark spürbar 6.3 bis größer 100 sehr stark spürbar Zusammenhang von Schwingstärke und menschlicher Wahrnehmung péáíé=pq

35 Ermittlung der Anforderungen in Abhängigkeit der Schutzbedürftigkeit und in Anlehnung an die Einstufung des Einwirkungsortes péáíé=pr

36 Strukturinduzierter sekundärer Luftschall Quelle: M. Heckl, H.A. Müller, Taschenbuch der Technischen Akustik Springer, Berlin 1994 péáíé=ps

37 Einwirkungen aus sekundärem Luftschall Zur Berücksichtigung von Sekundäreffekten infolge von Schienenverkehr liegen in Deutschland derzeit keine normativen Anforderungen vor. Zur Beurteilung sekundären Luftschalls infolge von Schienenverkehrs kommen grundsätzlich folgende Regelwerke in Betracht: - TA-Lärm Abschnitt 6.2: Immissionsrichtwerte für Immissionsorte innerhalb von Gebäuden bei Körperschallübertragung - DIN 45680: Messung und Bewertung tieffrequenter Geräuschimmissionen in der Nachbarschaft, - Anhaltswerte nach VDI 2719: Innenschallpegel für von außen in Aufenthaltsräume eindringenden Schall, - Werte nach DIN 4109 für Schall aus haustechnischen Anlagen: Zulässige Schalldruckpegel (in fremden Wohnungen) in schutzbedürftigen Räumen, - Kennwerte für Schallschutzstufen (SSt) nach VDI 4100: In Einfamilienhäusern und in fremden Wohnungen bei Doppel-, Reihen- und Mehrfamilienhäusern: Haustechnische Anlagen. péáíé=pt

38 Einwirkungen aus sekundärem Luftschall Im Rahmen von Umweltverträglichkeitsuntersuchungen werden für die Beurteilung des sekundären Luftschalls aus unterirdischem Schienenverkehr des ÖPNV üblicherweise die Anforderungen aus der TA Lärm Abschnitt 6.2: Immissionsrichtwerte für Immissionsorte innerhalb von Gebäuden bei Körperschallübertragung zu Grunde gelegt. In der TA-Lärm wird ein auf die Beurteilungszeit bezogener Immissionsrichtwert (Beurteilungspegel) und ein einzuhaltender maximaler Luftschallpegel (Maximalpegel) angegeben. Es handelt sich um TA- Lärm Abschnitt 6.2: Immissionsrichtwerte für Immissionsorte innerhalb von Gebäuden bei Körperschallübertragung L r =35 db(a) tags und L r =25 db(a) nachts, unter Berücksichtigung von Geräuschspitzen von maximal zusätzlich 10 db ergeben sich Maximalpegel von L Fmax =45 db(a) tags und L Fmax =35 db(a) nachts. Bei Einhaltung der Immissionsrichtwerte ist davon auszugehen, dass erhebliche Belästigungen vermieden werden. Darüber hinaus sollten zur Ermittlung der anzustrebenden Anforderungen sollten andere häufig höhere - akustischen Anforderungen, etwa an haustechnische Anlagen, berücksichtigt werden. péáíé=pu

39 Bedeutung der Anforderungen zum Erschütterungsschutz und sekundärem Luftschall Die Anforderungen der DIN 4150 Erschütterungen im Bauwesen, der Erschütterungs- Leitlinie und der TA-Lärm sind Stand der Technik und wurden in der Vergangenheit in Gerichtsentscheidungen als maßgebliche Beurteilungsgrundlage akzeptiert. In einigen Bundesländern ist die Erschütterungs-Leitlinie als Verordnung eingeführt, z.b. Schleswig-Holstein, in anderen zur Anwendung empfohlen, z.b. in Hamburg. Im Rahmen von Genehmigungen wird in einigen Bundesländern, z.b. Schleswig-Holstein und Berlin, ein Nachweis des Erschütterungsschutzes und des sekundären Luftschalls etwa bei Wohngebäuden neben Betrieben oder an Bahnlinien, gefordert. Da die Anforderungen keine Technische Baubestimmung sind, werden diese im Rahmen einer Baugenehmigung nicht zwingend berücksichtigt. péáíé=pv

40 Erfordernis einer baudynamischen Beratung und Planung gemäß VDI 2038 Eine baudynamische Untersuchung zur Gewährleistung der Gebrauchstauglichkeit wird erforderlich bei: besonderen dynamischen Belastungen und/oder nutzungsbedingten erhöhten Anforderungen an den Schutz vor Schwingungen und sekundärem Luftschall und/oder schwingungsanfälligen Konstruktionen péáíé=qm

41 Fremde dynamische Belastungen am Standort gemäß VDI 2038 Eine baudynamische Untersuchung kann auch bei nicht schwingungsanfälligen Konstruktionen und ohne besondere Anforderungen erforderlich werden, wenn am Standort des Bauvorhabens besondere dynamische Belastungen vorliegen, insbesondere: Schienengebundene Verkehrswege im Abstand < 100 m Gewerbe mit erschütterungsintensiven Geräten im Abstand < 500 m (z.b. Sägegatter, Pressen, Papierfabriken, Schiffswerften) Steinbrüche mit Gewinnungssprengungen, Bergbau im Abstand < 2000 m Sprengungen bei Baumaßnahmen im Abstand < 500 m über einen für die Gebrauchstauglichkeit relevanten Zeitraum, Bautätigkeit mit Erschütterungsbelastungen sowie Abbrucharbeiten in der Nachbarschaft im Abstand < 100 m mit für die Gebrauchstauglichkeit relevanter Dauer. Die angegebenen Abstände sind ungefähre Größen, bei der in der Regel bei konventioneller Bauweise mit Standardnutzungen im Hochbau von keiner Beeinträchtigung ausgegangen werden muss. Bei ungünstigen Randbedingungen, insbesondere ungünstigem Baugrund, können auch Quellen in größeren Entfernungen relevant werden. péáíé=qn

42 Vorgehensweisen bei der baudynamischen Planung gemäß VDI 2038 péáíé=qo