Acoustic performance of Timber Concrete Composite Floors

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1 Acoustic performance of Timber Concrete Composite Floors Matthias SCHMID, HSB Biel Wood Engineer FH/DEA Master Scientific Collaborator R+D

2 MOTIVATION 2

3 Multi-storey timber construction Floor systems in multi-storey timber constructions 10% 5% 36% 15% 34% Box section Boarded section Beams Timber-Concrete Glulam Multi-storey timber construction, 3 storeys Kerns CH 3

4 Bericht Nr.!"#$%&'%$() ) SH-Holz *+,-./0/1 Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ausschliesslich auf den Aspekt Schallschutz eingegangen. Die vorliegende Arbeit geht von den gängigsten Holzbausystemen mit deren spezifischen Bauteilen aus. Wo immer es möglich ist, genommen. Die $%&'%$() ) werden dafür statistische Erkenntnisse als Grundlage SH-Holz Systematisierung nimmt darum keinen Anspruch auf Vollständigkeit und lässt somit eine Ergänzung offen. Multi-storey timber construction!2(2!) 3+45/6/0)708)90,:;<=>705?@;/>/) Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ausschliesslich auf den Aspekt Schallschutz eingerliegende Arbeit geht von den gängigsten Holzbausystemen mit deren spezifischen BauteiDas Thema 'Systematisierung des Holzbaus aus bauakustischer Sicht' kann im vorliegenden Projekt als mer es möglich ist, werden dafür statistische Erkenntnisse als Grundlage genommen. Die Teil einer gesamtheitlichen Betrachtungsweise aus baupraktischer Sicht angeschaut werden. Nebst dem ng nimmt darum keinen Anspruch auf Vollständigkeit und lässt somit eine Ergänzung offen. Schallschutz Luftdichtigkeit und Wärmeschutz gleich auf. ) liegen Aspekte wie Brandschutz, Feuchteschutz, SH-Holz 6/0)708)90,:;<=>705?@;/>/) '4-08?<67,@) F/7<6,/?<67,@) G7H,8;<6,;5=/;,) &<6->>?<67,@) IJ4C/?<67,@) Building physics requirements nden Arbeit wird ausschliesslich auf den Aspekt Schallschutz eingestematisierung des Holzbaus aus bauakustischer Sicht' kann im vorliegenden Projekt als t von den gängigsten Holzbausystemen mit deren spezifischen Bauteimtheitlichen Betrachtungsweise aus baupraktischer Sicht angeschaut werden. Nebst dem erden dafür statistische Erkenntnisse als Grundlage genommen. Die SH-Holz gen Aspekte wie Brandschutz, Feuchteschutz, Luftdichtigkeit und Wärmeschutz gleich auf. en Anspruch auf Vollständigkeit und lässt somit eine Ergänzung offen. protection F/7<6,/?<67,@) Fire G7H,8;<6,;5=/;,) IJ4C/?<67,@) schliesslich auf den Aspekt Schallschutz einge5?@;/>/) Holzbausystemen mit deren spezifischen BauteiSH-Holz Holzbaus aus bauakustischer Sicht' kann im vorliegenden Projekt als he Erkenntnisse als Grundlage genommen. Die ungsweise aus baupraktischer Sicht angeschaut werden. Nebst dem ständigkeit und lässt somit eine Ergänzung offen. andschutz, Feuchteschutz, Luftdichtigkeit und Wärmeschutz gleich auf. Als Grundlagenarbeit ist darum eine Betrachtung typischer Holzbaussysteme und Bauteilkonstruktionen ekt Schallschutz einge- Dampness protection unerlässlich. Im weiteren &<6->>?<67,@) wird auch auf die Problematik der haustechnischer Installationen, Elementstösse 7,@) G7H,8;<6,;5=/;,) IJ4C/?<67,@) derenuns spezifischen BauteiAbschlüsse eingegangen. Es entsteht also ein umfangreicher Katalog, inwelchem zeitgemässe Konstischer Sicht' kann imdie vorliegenden als undlage genommen. struktionen umfassend aber nichtprojekt abschliessend auf den Schall und seine Einwirkungen beurteilt werden. raktischer Sicht angeschaut mit eine Ergänzung offen. werden. Nebst dem hutz, Luftdichtigkeit und Wärmeschutz gleich auf. A+>@.-7?B?,/C/) arbeit!2!) ist darum eine Betrachtung typischer Holzbaussysteme und Bauteilkonstruktionen Airtightness =/;,) &<6->>?<67,@) IJ4C/?<67,@) weiteren wird auch auf die Problematik der haustechnischer Installationen, Elementstösse Projekt als also ein umfangreicher Katalog, inwelchem zeitgemässe Kon!2!2() '>+<=.-7) evorliegenden eingegangen. Es entsteht haut werden. Nebst dem assend aber nicht abschliessend auf den Schall und seine Einwirkungen beurteilt werden. A+>@.-7?B?,/C)'>+<=.-7) DC)E/,-;>) d Wärmeschutz gleich auf. Betrachtung typischer Holzbaussysteme und Bauteilkonstruktionen Sound proofing auf die Problematik der haustechnischer Installationen, Elementstösse ntsteht also ein umfangreicher Katalog, inwelchem zeitgemässe Kon-7) bschliessend auf den Schall und seine Einwirkungen beurteilt IJ4C/?<67,@) C)'>+<=.-7) DC)E/,-;>) er Holzbaussysteme und Bauteilkonstruktionen Thermic protection er haustechnischer Installationen, Elementstösse ngreicher Katalog, inwelchem zeitgemässe KonSchall und seine Einwirkungen beurteilt werden. DC)E/,-;>) d Bauteilkonstruktionen Aussteifung durch Scheibenwirkung der allationen, Elementstösse Vollholzwand. chem zeitgemässe Konkungen beurteilt werden. E/,-;>) ch Scheibenwirkung der Motivation der Entwicklungtimber der Wandquerschnitte. Multi-storey construction, 5 storeys Zürich CH Entwicklung der Wandquerschnitte. Aims In-situ measurements Entwicklung der Wandquerschnitte. History Prognosis procedure Conclusion 4

5 SIA Standard 181 Noise control Edition 1988 Edition 200X Schweizer Norm Norme suisse Norma svizzera Bauwesen EINGETRAGENE NORM DER SCHWEIZERISCHEN NORMEN-VEREINIGUNG SNV NORME ENREGISTRÉE DE L ASSOCIATION SUISSE DE NORMALISATION SIA 181: 200! Bauwesen Entwurf EINGETRAGENE NORM DER SCHWEIZERISCHEN NORMEN-VEREINIGUNG SNV NORME ENREGISTR4E DE L'ASSOCIATION SUISSE DE NORMALISATION Ersetzt Norm SIA 181, Ausgabe 1988 Protection contre le bruit dans le bltiment La protezione dal rumore nelle costruzioni edilizie Ersetzt Norm SIA 181 (Ausgabe 1976), Empfehlung SIA 181/3 (Ausgabe 1982), Norm SIA 181/11 (Ausgabe 1979) Schallschutz im Hochbau Schallschutz im Hochbau Entwurf zur Vernehmlassung Stand Requirements Sie finden den vollständigen Vernehmlassungsentwurf auf unserer Homepage: [ praxis [ normen [ vernehmlassungen Wir bitten Sie, den Entwurf zu prüfen und allfällige Stellungnahmen nach den Ziffern der Norm geordnet einzureichen an: aeberli]sia.ch Verwenden Sie zu diesem Zweck bitte das elektronische Formular, das Sie ebenfalls auf unserer Homepage finden. Stellungnahmen in anderer Form können wir leider nicht berücksichtigen. Die Vernehmlassungsfrist läuft ab am 20. Januar Requirements Dieser Entwurf hat keine Gültigkeit und darf nicht angewendet werden. 4/1989 Herausgeber: Schweizerischer lngenieur- und Architekten-Verein Postfach,8039 Zürich Telefon 01/ , Fax 01/ Normen- und Drucksachenverkauf Telefon 01/ Copyright 1988 by SIA Zürich Herausgeber Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein Postfach, CH-8039 Zürich CopVright! 200! bv SIA Zurich Preisgruppe: VV 5

6 AIMS 6

7 the system is individual applicable the system fulfils request to the fire protection Example of a realised timber concrete composite floor of a multi-storey timber construction. Static and qualitative parameters the composition of the floor the sound insulation is particularly influenced by f planning Knowledge and the site about work. In TCCF order to offer a better understanding the field me s carried out in this work are analyzed and supporting documents for the practition lied. 2. TIMBER CONCRETE COMPOSITE FLOORS CF the static combination of two different materials has to be considered. The tar t use the good static acoustic properties performance? of each material. - finish - subfloor, screed - impact sound insulation - concrete - timber structure - ceilingpanel TCCF Example of a realised timber concrete composite floor of a multi-storey timber construction. 7 posite action of the system is obtained by different connecting devices: screws, re

8 Aims In-situ measurements of TCCFs current constructions in multi-storey timber constructions Prognosis procedure to the design a simple prognosis procedure Determination of the influences if possible... 8

9 IN-SITU MEASUREMENTS 9

10 Measurement range Object_City Floor_N System Timber/Concrete Year Storeys Span A_Eschenbach shells 10/12cm m B_Kriens 4 2-shells 10-12/10-8cm m C_Willisau 5 2-shells 10-12/10-8cm m D_Alberschwende 6 2-shells 8-16/14-6cm m E_Malleray 7 2-shells 12/8cm m F_Wattenwil 8 2-shells 10/8cm m Within this research systems used for multistorey timber constructions in Switzerland were examined. Domestic constructions of two storeys and more are considered as multi storey buildings. Altogether six types of TCCF were investigated, for eight floors air-borne sound and impact sound level were measured. 10

11 Measuring methods Acoustic field measurements Air-borne sound according to DIN EN ISO Impact sound according to DIN EN ISO R' w = L1 L log(s A) L ' nw = Li + 10 log(a A 0 ) 11

12 Measuring results Air-borne sound Impact sound Holz-Beton Verbunddecken/TCCF L'w gemessen/measured Bewertetes Bauschalldämmmass R'w in db acoustic attenuation index R'w en db Holz-Beton Verbunddecken/TCCF R'w gemessen/measured Bewerter Standard-Trittschallpegel L'w in db acoustic attenuation index L'w en db Flächenbezogene Masse m' in kg/m 2 weight per unit m' in kg/m Flächenbezogene Masse m' in kg/m 2 weight per unit m' in kg/m 2 Minimum requirement SIA Stricter requirement SIA

13 HISTORY 13

14 compte : Système Système à une couche Système à double couches Masse 2 DEA Sciences du Bois 2003/4 Shell principle Mais les dalles mixtes bois-béton dans la construction en bois multi-étages sont rarement basées sur un concept d une couche. D autres systèmes doivent être pris en compte : Ressort 1 Masse 1 Masse 1 Image 3-1: Système mixte bois-béton à une couche. Image 3- Système Système à une couche Système à double couches Système à trois couches Masse 1 Masse 2 Ressort 1 Masse 1 Masse 2 Ressort 1 Masse 1 Image 3-1: Système mixte bois-béton à une couche. Ressort 2 Image 3-2: Masse 3 Système mixte bois-béton à double couches. Image 3- Système TCCF as singleshell principle - Floor Système à double couches Masse 2 Ressort 1 Masse 1 TCCF as double-shell principle - Subfloor - Floor Système à trois couches Masse 2 Ressort 1 Masse 1 Ressort 2 Image 3-2: Masse 3 Système mixte bois-béton à double couches L influence de la résonance TCCF as triple-shell Les dalles mixtes bois-béton peuvent se trouver sous différente principle dans la résonance. Ceci est provoqué d un flexion. On parle de résonances des plaques. Une au interfaces. - Subfloor - Floor Si une dalle est mise sous l'influence d un son, elle p la - résonance. Ceilingpanel En oscillant, elle produit de nouveaux s que montre en ces points une cassure. Cet effet prov tante de la qualité de l insonorisation. Image 3-3: Système mixte bois-béton à trois couches. Motivation Aims L influence de la résonance In-situ measurements History Prognosis procedure Conclusion Les dalles mixtes bois-béton peuvent se trouver sous l'influence d un son de forme différente dans la résonance. Ceci est provoqué Matthias Schmid d une part par des oscillations de Système à trois couches Masse 2 14

15 History R. BERGER (1911) R. Berger examined different materials for their sound insulation experimentally. The theoretical analysis points out that the sound permeability is primarily a function of the weight per unit area (Berger' mass law). 15

16 History K. GÖSELE (1968) Valuable investigations considering the determination of sound insulation characteristics was undertaken in the work by K. Goesele. Theoretical values calculated for single layer walls are compared to the average acoustic attenuation index and the weight per unit area. 16

17 Standards DIN EN Schallschutz im Hochbau SIA Schallschutz im Hochbau Acoustic attenuation index R w Eléments de construction monocouches L'indice d'affaiblissement acoustique apparent pondéré R' w peut être évalué à partir de la masse surfacique m' à l'aide des courbes de la figure A Eléments de construction bicouches Les éléments de construction bicouches présentent généralement, par rapport à des éléments de con truction monocouches de même poids, un indice d'affaiblissement apparent plus élevé. L'affaiblisseme acoustique supplémentaire dépend: - de l'écartement entre les deux couches - de leur liaison - du matériau absorbant placé entre les couches - de la rigidité des couches. Figure A2 4 1: Indice d'affaiblissement acoustique apparent pondéré R' w en fonction de la masse surfacique m' 38 Courbe 1: Loi de masse; valable au-dessous de la fréquence limite, par exemple pour des tôles minc R' w = 20 M + 11 Curve 2: Concrete Courbe 2: «Courbe de Gösele»; valable pour le béton, la maçonnerie et le plâtre R' w = M M ,6 M 3-7,06M 4 R' w = * M 119 * M * M * M 4 Courbe 3: Valable pour le bois et les matériaux à base de bois R' w = -2, M M ,7 M 3-21 M 4 pour M = log(m') Courbe 4: Valable pour les vitrages R' w = 9, M - 6,2 M 2-7,6M 3 + 3,3 M 4 Curve avec: 3: M Wood = log (m') and timber materials R' w = * M 155 * M * M 3 21* M 4 pour M = log(m') 17

18 A2 5 Abschätzung der Trittschalldämmung Standards Einige allgemeine Hinweise zur Trittschalldämmung werden im folgenden gegeben. Detaillierte Angaben sind in den SIA-Dokumentationen 35 und 58 enthalten. Die bewerteten Norm-Trittschallpegel von fast allen massiven Decken bieten mit L' n,w,0 = 65 bis 85 db einen ungenügenden Trittschallschutz. Für Eisenbetondecken können etwa Werte gemäss Figur A2 5 1 angenommen werden: DIN EN Schallschutz im Hochbau Figur A2 5 1: Bewerteter Norm-Trittschallpegel von Eisenbetondecken verschiedener Dicke. SIA Schallschutz im Hochbau Plattendicke d Relationship between the impact sound level L n,w,0 and the weight per unit area m ' for concrete. Zur Erreichung eines Mindestschallschutzes gemäss Ziffer sind daher Trittschallverbesserungen! L w bis zu 40 db notwendig. 18

19 PROGNOSIS PROCEDURE 19

20 compte : Système à une couche DEA Sciences du Bois 2003/4 Masse 1 Mass law Mais les dalles mixtes bois-béton dans la construction en bois multi-étages sont rarement basées sur un concept d une couche. D autres systèmes doivent être pris en compte : Image 3-1: Système mixte bois-béton à une cou Système à une couche Système à double couches Masse 2 Ressort 1 Masse 1 Masse 1 Image 3-1: Système mixte bois-béton à une couche. Image 3-2: Système mixte bois-béton à double Bewertetes Bauschalldämmmass R'w in db acoustic attenuation index R'w in db Système à double couches Mass law Système à trois couches Concrete Wood and timber materials Masse 2 Ressort 1 Masse 1 Masse 2 Ressort 1 Masse 1 Ressort 2 Masse Flächenbezogene Masse m' in kg/m L influence de la résonance weight per unit m' in kg/m 2 Image 3-2: Système mixte bois-béton à double couches. 40 Les dalles mixtes bois-béton peuvent se trouver sous l'influence d un son de forme différente dans la résonance. Ceci est provoqué d une part par des oscillations de flexion. On parle de résonances des plaques. Une autre forme est l oscillation des interfaces. Si une dalle est mise sous l'influence d un son, elle peut se mettre en vibration, c est la résonance. En oscillant, elle produit de nouveaux sons. Le comportement phonique montre M. SCHMID en ces points HSB Biel une cassure. Cet effet provoque une dégradation Wood Engineer FH/DEA Master, impor- acoustic attenuation index R'w in mass law Système à trois couches TCCF double-shell L influence de la résonance Masse 2 Ressort 1 Masse 1 Ressort 2 Masse 3 Image 3-3: 0 Système mixte bois-béton à trois couches Matthias Schmid Macintosh HD:Users:matthias:Desktop:memoire_sdb_schmid_fr.doc! Image 3-3: Système mixte bois-béton à trois co Les dalles mixtes bois-béton peuvent se trouver sous l'influence d un son d différente dans la résonance. Ceci est provoqué d une part par des oscillati flexion. On parle de résonances des plaques. Une autre forme est l oscillati interfaces. Si une dalle est mise sous l'influence d un son, elle peut se mettre en vibrat la résonance. En oscillant, elle produit de nouveaux sons. Le comportemen que montre en ces points une cassure. Cet effet provoque une dégradation tante de la qualité de l insonorisation. weight per unit m' in kg/m 2 20

21 Prognosis procedure Estimation of the air-borne sound level: Estimation of the impact sound level: The floor type correspond to a double-shell construction (floor and subfloor). A good planning and construction of the floor is required in order to fit the model. The thickness of the impact sound insulation lies between 20mm and 60mm. The specific mass for the floor for the calculations shown here is 2200kg/m3 and that of the subfloor is 1800kg/m3 The value ΔLw for subfloors may be taken from the table 17 of DIN The spans of the TCCF measure between 3.5 und 7.0 m. 21

22 Results Air-borne sound Impact sound Bewertetes Bauschalldämmmass R'w in db acoustic attenuation index R'w in db TCCF R'w measured Bewerter Standard-Trittschallpegel L'w in db acoustic attenuation index L'w in db TCCF L'w measured L'w calculated R'w calculated Mass law Flächenbezogene Masse m' in kg/m 2 Flächenbezogene Masse m' in kg/m 2 weight per unit m' in kg/m 2 weight per unit m' in kg/m 2 Minimum requirement SIA Stricter requirement SIA

23 CONCLUSION 23

24 Facts The acoustic quality of TCCF with respect to airborne sound and impact sound insulation can be estimated with a tolerance of ±3dB. The built quality of a TCCF exerts a substantial influence on the sound insulation capacity. TCCF offer an efficient system for multi-storey timber constructions that are most critical in terms of sound requirements. More extensive parameter study is necessary. 24

25 Legende: R w erhöhte Anforderung R w normale Anforderung 57dB! 52dB R L' n,w w erhöhte normale Anforderung! 57dB 55dB L' n,w erhöhte Anforderung 50dB L' n,w normale Anforderung " 55dB L' n,w erhöhte Anforderung " 50dB %DONHQGHFNH wurden folgende Ausgangsdaten festgelegt: Für die Einstufung der Bauteile wurden Lärmempfindlichkeit folgende Ausgangsdaten mittel festgelegt: Grad der Störung mässig Lärmempfindlichkeit mittel Grad der Störung mässig Comparison Beam construction Bodenbelag %DONHQGHFNH Bodenaufbau Rohdecke mit Dämmung Bodenbelag Deckenverkleidung Bodenaufbau Rohdecke R' w mit Dämmung Deckenverkleidung L' n,w R' w L' n,w 52dB 57dB 55dB 50dB >52dB! 52dB! 57dB <55dB >57dB <50dB " 55dB " 50dB 9ROOKRO]GHFNH Solid wood construction Box construction Bodenbelag Bodenaufbau 9ROOKRO]GHFNH Rohdecke Bodenbelag Deckenverkleidung Bodenaufbau Rohdecke Bericht Nr. 6% SH-Holz R' w >52dB >57dB Deckenverkleidung /HLFKWEDXGHFNH L' n,w R' Bodenbelag Bericht w Nr. 6%! 52dB! 57dB SH-Holz Bodenaufbau Rohdecke /HLFKWEDXGHFNH L' n,w <55dB <50dB " 55dB " 50dB Deckenverkleidung Bodenbelag Bodenaufbau Seite 89 / 98 R Rohdecke w 52dB 57dB Deckenverkleidung L n,w 55dB 50dB Seite 89 / 98 R w >52dB >57dB L n,w <55dB <50dB +RO]%HWRQYHUEXQGGHFNH Timber concrete composite 57dB Bodenbelag Bodenaufbau Rohdecke +RO]%HWRQYHUEXQGGHFNH Deckenverkleidung Bodenbelag Bodenaufbau R Rohdecke w Deckenverkleidung L n,w R w L n,w $XVVHQZDQGLQ/HLFKWEDXZHLVH <55dB 55dB >57dB <50dB 50dB 25

26 Bericht Nr. 6% Potential of TCCFs 1RWDEHQH Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ausschliesslich auf den As gangen. Die vorliegende Arbeit geht von den gängigsten Holzbausystemen mi Bericht Nr. 6% len aus. Wo immer es möglich ist, werden dafür statistische Erkenntnisse als G Systematisierung nimmt darum keinen Anspruch auf Vollständigkeit und lässt s 1RWDEHQH Im Rahmen der vorliegenden 9RUJHKHQXQG(QWZLFNOXQJV]LHOH Arbeit wird ausschliesslich auf den Aspekt Schallschutz gangen. Die vorliegende Arbeit geht von den gängigsten Holzbausystemen mit deren spezifische Das Thema 'Systematisierung des Holzbaus aus bauakustischer Sicht' kann im len aus. Wo immer es möglich ist, werden dafür statistische Erkenntnisse als Grundlage genomm Teil einer gesamtheitlichen Betrachtungsweise aus baupraktischer Sicht anges Systematisierung nimmt Schallschutz darum keinen liegen Anspruch Aspekte wie auf Brandschutz, Vollständigkeit Feuchteschutz, und lässt somit Luftdichtigkeit eine Ergänzu Bericht Nr. 6% SH-Holz un 9RUJHKHQXQG(QWZLFNOXQJV]LHOH %UDQGVFKXW] )HXFKWHVFKXW] /XIWGLFKWLJNHLW 6FKDOOVFKX 1RWDEHQH Im Rahmen Das der Thema vorliegenden 'Systematisierung Arbeit wird des ausschliesslich Holzbaus aus auf bauakustischer den Aspekt Schallschutz Sicht' kann eingegangen. Die vorliegende Arbeit geht von den gängigsten Holzbausystemen mit deren spezifischen Bautei- im vorliegenden Pro Teil einer gesamtheitlichen Betrachtungsweise aus baupraktischer Sicht angeschaut werden. Ne Bericht Nr. 6% len aus. Wo immer es möglich Schallschutz ist, werden dafür statistische Erkenntnisse als Grundlage genommen. 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Im weiteren wird auch auf die Problematik der haustechnischer Installationen, Elementstösse uns Abschlüsse eingegangen. %ORFNEDX Es entsteht also ein umfangreicher Katalog, inwelchem zeitgemässe Konstruktionen umfassend aber nicht abschliessend auf den Schall und seine Einwirkungen beurteilt werden. +RO]EDXV\VWHP%ORFNEDX,P'HWDLO Thermic protection Source: Timber engineering laboratory, HSB Biel +RO]EDXV\VWHPH Als Grundlagenarbeit ist darum eine Betrachtung typischer Holzbaussysteme und Bauteilkonstruktionen Aussteifung durch Scheibenwirkung der unerlässlich. Im weiteren wird auch auf die Problematik der haustechnischer Installationen, Vollholzwand. Elementstösse uns Abschlüsse eingegangen. Es entsteht %ORFNEDX also ein umfangreicher Katalog, inwelchem zeitgemässe Konstruktionen umfassend aber +RO]EDXV\VWHP%ORFNEDX nicht abschliessend auf den Schall und seine Einwirkungen,P'HWDLO beurteilt werden. 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