Konstruktion von Decken

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1 Konstruktion von Decken Bernhard Furrer, Dipl. Ing. HTL Lignum, Holzwirtschaft Schweiz, Lignum Technik 1 EINLEITUNG Die bauakustisch relevanten Normen SIA 181 Schallschutz im Holzbau (2006) und EN Bauakustik Berechnung der akustischen Eigenschaften von Gebäuden aus den Bauteileigenschaften (2001) verlangen nach detaillierten Angaben über Flankenwege und spektralen Anpassungswerten, um die entsprechenden Nachweise führen zu können. Neben den normativen Vorgaben sind bei Holzbauten aber auch bewohnerbedingte Anforderungen zu berücksichtigen. Gemäss Untersuchungen zur subjektiven Wahrnehmung von Schall ist der störendste Lärm bei in Leichtbauweise errichteten Gebäuden die Trittschallübertragung. Diese in Gebäuden üblichen Schallemissionen sind sehr tieffrequent und haben ihre wesentlichen Schallanteile unterhalb 100 Hz. Diese Geräusche stellen für die Konstruktion von Decken eine grosse Herausforderung dar. Dieser Beitrag behandelt wichtige Aspekte für die Planung von tieftonoptimierten Holzdeckenkonstruktionen. 2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Die Kenntnis von wesentlichen physikalischen Grundlagen ist eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Bauakustik. Nachfolgend werden physikalische Regeln von ein- und zweischaligen Bauteilen beschrieben. 2.1 Einschalige Bauteile Die Schalldämmung bei einschaligen Bauteilen hängt in erster Linie von ihrer Flächenmasse ab (Massegesetz). Je grösser die flächenbezogene Masse eines Bauteils ist, desto höher ist dessen Schalldämmung. Die Luftschalldämmung kann gemäss Figur 1 für Beton, Mauerwerk und Gips, für Holz und Holzwerkstoffe sowie für Glasscheiben bestimmt werden [1]. Figur 1 [1]: Bewertetes Luftschalldämm-Mass Rw: 1) Massegesetz, gültig unterhalb der Grenzfrequenz; 2) gültig für Beton, Mauerwerk und Gips; 3) gültig für Holz und Holzwerkstoffe; 4) gültig für Glasscheiben 1

2 Die Koinzidenz- oder Grenzfrequenz bewirkt einen Einbruch der Schalldämmung von einschaligen Bauteilen. Dabei entspricht die Wellenlänge des Luftschalls derjenigen der Biegewelle des Bauteils. Die Koinzidenzgrenzfrequenz berechnet sich gemäss Formel 1: Formel 1: f g = Koinzidenzgrenzfrequenz (in Hz); E = Elastizitätsmodul der Platte (in MN/m 2 ); ρ = Rohdichte der Platte (in kg/m 3 ); Dicke der Platten (in m) Für eine hohe Schalldämmung sind Bauteile zu bevorzugen, deren Koinzidenzfrequenz entweder an der unteren Grenze des in der Bauakustik interessierenden Frequenzbereiches (dick, biegesteif) oder an dessen oberer Grenze (dünn, biegeweich, schwer) liegt [2]. Man bezeichnet Platten als biegeweich, wenn f g 2000 Hz ist. Die im Holzbau gebräuchlichsten Beplankungen wie z.b. Spanplatten bis 22 mm sowie Gipskartonplatten und Gipsfaserplatten bis 13 mm haben eine Grenzfrequenz über 2000 Hz und sind somit biegeweich [3]. 2.2 Mehrschalige Bauteile Das schalltechnische Verhalten einer zweischaligen Konstruktion lässt sich grundsätzlich mit einem Masse-Feder-Masse-System beschreiben. Die Resonanzfrequenz f 0 berechnet sich mit Formel 2: Formel 2: f 0 = Resonanzfrequenz in Hz; m 1, m 2 = flächenbezogene Masse der Schalen in kg/m 2 ; s = dynamische Steifigkeit der Feder in MN/m 3 Unterhalb der Resonanzfrequenz f 0 verhält sich eine zweischalige Konstruktion wie eine einschalige gleicher Flächenmasse. Im Bereich der Resonanzfrequenz tritt eine Verschlechterung ein. Erst bei höheren Frequenzen ist die Schalldämmung des zweischaligen Bauteils besser als eine einschalige Konstruktion [2]. Figur 2 [2]: Prinzipieller Verlauf des Schalldämm-Masses R zweischaliger Bauteile in Abhängigkeit der Frequenz; f 0 = Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems; f = Eigenfrequenzen des Luftzwischenraumes 2

3 Die Verbesserung der Schalldämmung hängt dabei wesentlich von der bestehenden Kopplung der beiden Schalen ab. Diese entstehen über das eingeschlossene Luftpolster oder über die Hohlraumdämmung zwischen den Schalen sowie über konstruktive Verbindungen. Durch diese Kopplung wird Schallenergie von der ersten zur zweiten Schale übertragen. Eine zweischalige Wand weist eine besonders hohe Schalldämmung auf, wenn die Kopplung der Wandschalen gering ist. Für geringe Kopplungseffekte zu beachten sind insbesondere eine genügend grosse flächenbezogene Masse der Schalen, ein möglichst grosser Schalenabstand, die Verhinderung von Hohlraumresonanzen sowie eine möglichst elastische Befestigung der Schalen mit der Konstruktion. 3 KONSTRUKTIVE MASSNAHMEN Bei massiven, homogenen Bauteilen ist die Erhöhung der Masse nahezu die einzige Möglichkeit, die Schalldämmung zu verbessern. Da im Holzbau leichte Materialien Anwendung finden und die Flächenmasse der Bauteile im Vergleich zum Massivbau gering ist, setzen sich die Holzkonstruktionen in der Regel aus mehreren Schichten zusammen. Im Holzbau können mit mehrschaligen Konstruktionen mit biegeweichen Schalen und Hohlraumdämmstoffen gegenüber einschaligen Bauteilen gleich hohe Schalldämmwerte bei wesentlich geringerer Masse erreicht werden. Erfahrungsgemäss kann man im Holzbau mit verhältnismässig einfachen Massnahmen bereits sehr gute Luftschalldämmwerte erreichen. Aus Untersuchungen geht hervor, dass Holzdecken mit ausreichender Trittschalldämmung eine genügend hohe Luftschalldämmung aufweisen [3]. Folglich kann man sich bei der Planung von Holzdeckenkonstruktionen auf die Optimierung der Trittschalldämmung konzentrieren. Die Wirkungsweise der einzelnen Bauteilschichten hängt von verschiedenen Parametern ab. Je nach Konstruktionsart beeinflussen sich die einzelnen Elemente der Decke gegenseitig, und es können Systeme mit mehreren Resonanzen entstehen. Bei der Konstruktion von Holzdecken sind die Eigenschaften der einzelnen Systeme aufeinander abzustimmen. Wesentliche Konstruktionsregeln werden nachfolgend behandelt. 3.1 Rohdecken Bei Holz-Rohdeckenkonstruktionen treten infolge der relativ geringen flächenbezogenen Masse und wegen Körperschallbrücken zwischen den Schalen charakteristisch hohe Schallübertragungen im tiefen Frequenzbereich auf. In Figur 3 sind Frequenzverläufe des Norm-Trittschallpegels L n von typischen Holzbalkenrohdecken dargestellt [3]. Sie zeigen die für Holzbalkendecken typisch hohen Norm-Trittschallpegel bei tiefen Frequenzen sowie den steilen Abfall der Trittschalldämmkurve bei den hohen Frequenzen. Die wesentlich schwerere Stahlbetondecke hat im Vergleich mit den Holz- Leichtbaudecken in den tiefen Frequenzbändern bedeutend tiefere Norm-Trittschallpegel. Verbesserungsmassnahmen bei Holzdeckenkonstruktionen müssen deshalb vor allem bei tiefen Frequenzen wirksam sein. 3

4 Figur 3 [3]: Typische Kurvenverläufe von verschiedenen Holzrohdecken und einer Stahlbetondecke: a) offene Holzbalkendecke; b) Brettstapeldecke; c) Holzbalkendecke mit Lattung; d) Holzbalkendecke mit Federschienen; e) Betondecke 3.2 Rohdeckenbeschwerung Durch das Hinzufügen von Masse bei Holzdecken werden wesentlich bessere Norm-Trittschallpegel L n in den tiefen Frequenzbändern erreicht. In Figur sind Messergebnisse von mit Splitt beschwerten Holzdecken dargestellt: eine Rippendecke mit einer zusätzlichen Beschwerungsmasse von 120 kg/m 2 sowie eine Brettstapeldecke mit einer zusätzlichen Beschwerungsmasse von 150 kg/m 2. Diese Holzdecken bieten annähernd gleich gute Trittschalldämmung wie eine Stahlbetondecke. Beschwerte Deckenkonstruktionen in Holzbauweise sind trotz der zusätzlichen Masse jedoch immer noch wesentlich leichter als Betondecken. Figur 4 [4]:Norm-Trittschallpegel L n optimierter Holzdecken und einer Stahlbetondecke: a) Holzrippendecke mit schwimmendem Estrich auf Mineral- und Holzfaserplatten, beschwert mit 80 mm Splitt als zusätzlicher Masse zwischen den Rippen: L n,w + C I, = 44 db; b) Brettstapeldecke mit schwimmendem Estrich auf Mineralwolle, beschwert mit 100 mm Splitt als zusätzlicher Masse: L n,w + C I, = 42 db; c) Betonboden mit schwimmendem Estrich auf Mineralwolle: L n,w + C I, = 40 db Ein Vergleich von unterschiedlichen Rohdeckenbeschwerungsmassen an einer Massivholzdecke mit identischem Estrichaufbau, ausgeführt mit einem Zementestrich (50 mm) auf einer Mineralfaser- Trittschalldämmung (35 mm; s = 7 MN/m 3 ) zeigt, dass die Schalldämmung mit zunehmender Rohdeckenbeschwerung auf der Tragkonstruktion kontinuierlich besser wird [5]. Die Erhöhung der 4

5 Rohdeckenmasse bewirkt eine Verschiebung der Masse-Feder-Masse-Resonanz zwischen Estrich und beschwerter Rohdecke und als Folge davon eine Trittschallminderung. Figur 5 [5]: Norm-Trittschallpegel L n von unterschiedlicher Rohdeckenbeschwerungsmasse auf einer Massivholzdecke mit identischem Fussbodenaufbau Mit Schüttungen werden im Vergleich zu Plattenbeschwerungen bei gleicher flächenbezogener Masse bessere Schalldämmwerte erreicht. Grund dafür ist die zusätzliche Bedämpfung der Deckenkonstruktion infolge des hohen inneren Verlustfaktors der Schüttung. Elementierte und somit biegeweiche Plattenbeschwerungen erreichen im Vergleich zu vollflächigen Beschwerungen (z.b. Zementestrich auf Rohdecke gegossen) bessere Resultate. Plattenbeschwerungen sind mit einem Klebstoff auf die Rohdeckenkonstruktion zu befestigen oder auf eine dünne Schicht mit Quarzsand zu verlegen, um die gewünschte Wirkung der Bedämpfung der Rohdecke zu erreichen [3]. 3.3 Fussbodenaufbau Eine wesentliche Massnahme zur Verbesserung des Schallschutzes von Decken ist der Einsatz eines Fussbodenaufbaus. Damit wird ein Masse-Feder-Masse-System geschaffen, bestehend aus einem schwimmenden Estrich (Masse), einer Trittschalldämmung (Feder) und der Rohdeckenkonstruktion (Masse). Die Resonanzfrequenz f 0 ist die wichtigste Grösse bei der Dimensionierung des Fussbodenaufbaus. Um beim Trittschall gute Resultate zu erzielen, ist es wesentlich, die Resonanzfrequenz des Fussbodenaufbaus möglichst tief zu planen, also unterhalb des fürs menschliche Gehör störenden Bereichs. Das System ist daher so abzustimmen, dass die Resonanzfrequenz bei unter 50 Hz liegt. Die Wirksamkeit von Estrichaufbauten wird somit massgebend von der flächenbezogenen Masse des Estrichs und der Rohdeckenkonstruktion sowie der dynamischen Steifigkeit der Trittschalldämmung beeinflusst. Dabei muss die Masse des Estrichs sowie der Rohdecke ausreichend hoch sein und die Trittschalldämmung eine möglichst geringe dynamische Steifigkeit s aufweisen, um eine tiefe Resonanzfrequenz zu erreichen und schalltechnisch optimale Resultate zu erzielen. Bei der Wahl des Fussbodenaufbaus sind die Anforderungen, die sich infolge der Lasteinwirkung ergeben, zu berücksichtigen. Ein weiteres Kriterium ist der Verlustfaktor des Dämmmaterials. Wie bereits unter 2.2 erläutert, nehmen die Trittschallpegel im Bereich der Resonanzfrequenz zu. Die Schallpegelzunahme hängt dabei, wie Untersuchungen [6] gezeigt haben, in erster Linie vom Verlustfaktor des Dämmmaterials 5

6 ab. Bei Materialien mit grossem Verlustfaktor ist diese sogenannte Resonanzüberhöhung weniger stark ausgeprägt als bei Materialien mit kleinem Verlustfaktor. In Figur 6 sind verschiedene Messresultate aus Laborversuchen aufgeführt. Die Messkurven zeigen auf, dass Trittschallverbesserungen mit einem leichten Trockenestrichaufbau (Gipsfaserplatte 25 mm auf Holzweichfaserplatte 22 mm; s = 45 MN/m 3 ) gegenüber der beschwerten Rohdecke (mit Splitt gefüllte Hohlkastendecke) erst ab 125 Hz wirksam werden. Bessere Resultate konnten mit einem schwereren Trockenestrichaufbau (Gipsfaserplatte 18 mm und Betonplatten 60 mm auf Mineralfaser- Trittschalldämmplatte 30 mm; s = 30 MN/m 3 ) sowie mit einem Nassestrich (Zementunterlagsboden 80 mm auf Mineralfaser-Trittschalldämmung 40 mm; s = 9 MN/ m 3 ) erreicht werden. Figur 6 [7]: Vergleich von unterschiedlichen Fussbodenaufbauten auf einer beschwerten Hohlkastendecke mit Splittfüllung (Norm-Trittschallpegel L n ) 3.4 Abgehängte Unterdecken Zuzüglich zum Fussbodenaufbau wird durch eine abgehängte Unterdecke ein weiteres Masse-Feder- System geschaffen, bestehend aus einer biegeweichen Unterdecke (Masse) und einem Abhängesystem mit Luft/Hohlraumbedämpfung (Feder). Für eine wirksame Schalldämmung muss die Bekleidung eine möglichst grosse flächenbezogene Masse und eine geringe Biegesteifigkeit aufweisen. Zudem muss der Schalenabstand zwischen der Rohdecke und der Unterdecke möglichst gross sein. Weiter ist es von grosser Bedeutung, dass die Unterdecke von der Rohdecke entkoppelt wird. Konstruktionen mit biegeweichen Unterdecken mit geringem Schalenabstand (z.b. bei Massivholzoder Hohlkastendecken) zeigen im Vergleich zu Konstruktionen ohne biegeweiche Unterdecken erst in den Terzbändern über 100 Hz bessere Leistungen und verbessern die Deckenkonstruktion somit nur im Standardfrequenzbereich. In den Terzbändern unter 100 Hz bewirkt eine biegeweiche Unterdecke dieser Konstruktionen in der Regel keine Trittschallminderung, bzw. die Schalldämmung kann sich bei geringen Abhängehöhen im Bereich der Resonanzfrequenz verschlechtern (vgl. Kap. 2.2). Bei Rippen- und Holzbalkendecken wird durch entkoppelte Unterdecken die Resonanzfrequenz f 0 der Decke in den tieferen Frequenzbereich verschoben und dadurch das Potenzial für die Verbesserung des Normtrittschallpegels L n gelegt. Mit einem grossen Schalenabstand von 32 cm können sehr gute Werte bereits ab 50 Hz erreicht werden auch mit geringer Deckenbeschwerung von 3 cm, wie Messungen im Rahmen des Projektes gezeigt haben [8]. 6

7 Wie in Figur 7 ersichtlich, verbessern sich die Normtrittschallpegel L n bei einem Konstruktionsaufbau mit einem Zementestrich 80 mm und einer Mineralfaser-Trittschalldämmung 40 mm (s = 9 MN/ m 3 ) auf einer mit 160 mm Splitt gefüllten Hohlkastendecke bei einer zusätzlichen Unterdecke mit einem entkoppelten Abhängesystem von 120 mm mit Hohlraumbedämpfung von 80 mm erst ab 100 Hz. Im Vergleich mit dem Konstruktionsaufbau ohne Unterdecke verschlechtern sich die Luftschallpegel bei einer zusätzlichen Unterdecke mit einer starr verbundenen Lattung und Hohlraumbedämpfung 40 mm und einer Gipsfaserplatte 15 mm in den Terzbändern Hz erheblich. Figur 7 [7]: Vergleich von unterschiedlichen Unterdecken bei einer beschwerten Hohlkastendecke mit Splittfüllung und zusätzlichem Bodenaufbau mit Mineralfaser-Trittschalldämmung und Zementestrich (Norm-Trittschallpegel L n ) 3.5 Hohlraumbedämpfung Hohlraumfüllungen verbessern den Luft- und Trittschallschutz, speziell in Kombination mit biegeweichen, federnd befestigten Unterdecken. Die schallabsorbierende Dämmschicht soll einen längenbezogener Strömungswiderstand r 5 kpa s/m 2 aufweisen. Dabei spielt die Rohdichte des Dämmmaterials keine Rolle. Aus bauakustischer Sicht muss nicht der ganze Hohlraum gefüllt sein. 4 BAUTEILDATENBANK Im Rahmen des Kooperationsprojektes Schallschutz im Holzbau [9] werden für zeitgemässe Konstruktionen in Holz die Schalldämm-Masse für Luftschall (R w ), Trittschall (L n,w ) sowie die Spektrum-Anpassungswerte (C, C tr, C l ) ermittelt. Eine Bauteildatenbank der Lignum wird diese schalltechnischen Kennwerte abbilden. ( 7

8 5 SCHLUSSBEMERKUNGEN Schalltechnische Kennwerte ab 100 Hz sind nicht genug aussagekräftig, wie Untersuchungen zur subjektiven Wahrnehmung belegen. Bei der Weiterentwicklung von Holzkonstruktionen ist der Frequenzbereich unter 100 Hz zu berücksichtigen. Bei Holzdeckenkonstruktionen werden die Anforderungen an den Luftschall gut erreicht. Die Herausforderungen im Holzbau liegen beim Trittschall (Tieftonproblematik). Tieftonoptimierte Deckenkonstruktionen können mit verschiedenen Systemen erreicht werden. Wesentlich ist eine tiefe Resonanzfrequenz innerhalb des Deckensystems: Zwischen Grundkonstruktion und dem Fussbodenaufbau: möglich mit einer beschwerten Decke (Grundkonstruktion), einer weichen Trittschalldämmung und einem schweren Estrich. Auf eine zusätzliche, aufwändig abgehängte Unterdecke kann hier verzichtet werden. Auch mit leichten Deckenkonstruktionen können gute Resultate erreicht werden. Voraussetzung ist ein grosser Schalenabstand, z.b. zwischen oberer Tragschicht (bei Balken- und Rippendecke) und einer federnd abgehängten Unterdecke. Gute Resultate bei tieftonoptimierten Deckenkonstruktionen ergeben auch gute Resultate bei den Schallnebenwegen. Nebenwege haben bei der Berücksichtigung des Frequenzbereiches ab 50 Hz einen geringen Einfluss. 6 LITERATURHINWEISE [1] Kühn, B.; Blickle, R.; Menti, K.; Neubrand, B.; Roos, P.; Stupp, G.: Schallschutz im Holzbau, IP Holz, Bundesamt für Konjunkturfragen, Bern, 1988 [2] Fasold, W.; Veres, E.: Schallschutz + Raumakustik in der Praxis, Huss-Medien GmbH, Berlin 2003 [3] Holtz, F.; Hessinger, J.; Buschbacher, H-P.; Rabold, A.: Schalldämmende Holzbalken- und Brettstapeldecken, Informationsdienst Holz, 1999 [4] Rabold, A.; Düster, A.; Hessinger, J.; Rank, E.: Optimization of lightweight floors in the low frequency range with a FEM based prediction model, Daga, Rotterdam, 2009 [5] Rabold, A.; Hessinger, J.; Bacher, S.: Untersuchung der akustischen Wechselwirkungen von Holzdecken und Deckenauflagen zur Entwicklung neuartiger Schallschutzmassnahmen, Ergebnisübersicht der Messdaten, ift, Rosenheim, 2009 [6] Kühn, B.; Blickle, R.: Untersuchungen zum Sonderfall des dröhnenden Unterlagsboden, Schweizer Ingenieur und Architekt, Sonderdruck aus Heft 46/1992 [7] Kooperationsprojekt Schallschutz im Holzbau 1, Teilprojekt Labormessungen direkte Schallübertragungen, Resultate aus Labormessungen im Leichtbauprüfstand an der Empa in Dübendorf [8] Kooperationsprojekt Schallschutz im Holzbau, Teilprojekt Subjektive Wahrnehmung, Resultate aus In-situ-Messungen durch das Fraunhofer-Institut IBP Stuttgart im Teilprojekt Subjektive Wahrnehmung von Schall [9] Kooperationsprojekt Schallschutz im Holzbau, Teilprojekt Projektierung und Prognose 1 Das Kooperationsprojekt Schallschutz im Holzbau ( ist ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt unter der 8 Leitung der Lignum und der Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau sowie unter Beteiligung wichtiger Verbände und Industriepartner der Holzwirtschaft. Das Projekt wird massgeblich unterstütz durch das Bundesamt für Umwelt BAFU, Aktionsplan Holz.