Projektnummer Datum 26. Juni GranerIngenieure GmbH Seite 2 / 20

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1 ENTWURFSPLANUNG RAUMAKUSTIK 26. Juni 2017

2 ENTWURFSPLANUNG RAUMAKUSTIK Projekt Lessingstraße 1, Böhlen Bauherr Stadt Böhlen Karl-Marx-Straße 5, Böhlen Architekt Auspurg Borchowitz + Partner Holbeinstraße 29, Leipzig Bearbeiter Dipl.-Ing. (FH) Steffen Landrock Andreas Türk, cand. BA Graner Ingenieure GmbH Waldstraße 86, Leipzig Tel buero@graner-leipzig.de Projektnummer 0 Datum 26. Juni 2017 GranerIngenieure GmbH Seite 2 / 20

3 INHALTSVERZEICHNIS 1. AUFGABENSTELLUNG 4 2. ÜBERGEBENE UNTERLAGEN 4 3. NORMEN UND LITERATUR 4 4. ANFORDERUNGEN AN DIE RAUMAKUSTIK ANFORDERUNGEN NACH DIN BERECHNUNGSVERFAHREN BERECHNUNG VON NACHHALLZEITEN NACH W ALLACE C. SABINE A/V VERHÄLTNIS FÜR RÄUME DER GRUPPE B RAUMAKUSTISCHE SIMULATION SPORTHALLE UMKLEIDEN ZUSAMMENFASSUNG 20 ANLAGEN 1 Blatt GranerIngenieure GmbH Seite 3 / 20

4 1. AUFGABENSTELLUNG Für den Neubau der Zweifeldsporthalle in Böhlen sind im Rahmen dieses Gutachtens die Anforderungen hinsichtlich der Raumakustik zu formulieren und Maßnahmen für deren Umsetzung in Abstimmung mit der Objektplanung zu erarbeiten. 2. ÜBERGEBENE UNTERLAGEN Auspurg Borchowitz + Partner (Stand: ): - Grundriss EG / Dachaufsicht: Maßstab 1:100 - Querschnitt S01: Maßstab 1:100 - Ansichten 1-4 : Maßstab 1: NORMEN UND LITERATUR [1] CATT-Acoustic v9.1 User s Manual [2] Ballou, G. (ed.), Handbook for Sound Engineers, 2nd Edition, Focal Press, 1998 [3] Barron, M.: Auditorium Acoustics and Architectural Design. E & FN Spon, 1993 [4] Beranek, L.: How They Sound - Concert and Opera Halls. Acoustical Society of America, 1996 [5] Cavanaugh, W.J., Wilkes, J.A. (eds.): Architectural Acoustics - Principles and Practice, John Wiley & Sons, 1998 [6] Cremer, L., Müller, H.A.: Die wissenschaftlichen Grundlagen der Raumakustik, Bd. 1, Hirzel Verlag, 1978a [7] DIN : Sporthallen - Hallen und Räume für Sport und Mehrzwecknutzung, Teil 1: Grundsätze für die Planung, 2014 GranerIngenieure GmbH Seite 4 / 20

5 [8] DIN : Hallen für Turnen, Spiele und Mehrzwecknutzung, Teil 4: Doppelschalige Trenn-vorhänge, 2002 [9] Everest, F.A.: The Master Handbook of Acoustics, TAB Books, 1994 [10] DIN 18041, Hörsamkeit in Räumen - Anforderungen, Empfehlungen und Hinweise für die Planung, 2016 [11] Everest, F.A.: The Master Handbook of Acoustics, TAB Books, 1994 [12] Fasold, W., Sonntag, E.: Bau- und Raumakustik, Verlag für Bauwesen, 1987 [13] Fasold, W., Veres, E.: Schallschutz und Raumakustik in der Praxis, Verlag für Bauwesen, 1998 [14] Hoffman, I.B., Storch, C,A., Foulkes, T.J.: Halls For Music Performance Another Two Decades of Experience , Acoustical Society of America 2003 [15] Kuttruff, H.: Room Acoustics, 3rd edition. Elsevier, 1991 [16] Mehta, M., Johnson, J., Rocafort, J.: Architectural Acoustics - Principles and Design. Prentice Hall, 1999 [17] Meyer, Jürgen: Akustik und musikalische Aufführungspraxis, Verlag Erwin Bochinsky,1999 [18] Templeton, D. (ed.): Acoustics in the Built Environment, 2nd edition, Architectural Press, 1997 GranerIngenieure GmbH Seite 5 / 20

6 4. ANFORDERUNGEN AN DIE RAUMAKUSTIK Das klassische Kriterium für die Beurteilung der akustischen Qualität von Räumen ist die Nachhallzeit. Da sie einfach zu messen bzw. zu berechnen ist und außerdem gut etablierte Werte für anzustrebende Nachhallzeiten existieren, gehört sie zu den wichtigsten raumakustischen Planungsinstrumenten. Sie ist als die Zeit definiert, die nach einem Schallimpuls vergeht, bis der Pegel um 60 db abgefallen ist. Subjektiv korreliert sie mit der Halligkeit eines Raumes. Die Nachhallzeit hängt eng mit anderen raumakustischen Parametern wie z.b. der Sprachverständlichkeit zusammen. Ein vorrangiges Ziel raumakustischer Planungen ist die Optimierung der Nachhallzeit für die jeweilige Nutzung durch die Wahl geeigneter schallabsorbierender Materialien an den Decken und Wänden. Bei den für den jeweiligen Zweck angepassten Nachhallzeiten werden i.allg. alle weiteren Anforderungen an die Raumakustik erfüllt (z.b. hinsichtlich der Tauglichkeit des Raumes für sprachliche Kommunikation oder einen guten Raumklang). Üblicherweise erfolgt die Berechnung der Nachhallzeit nach den vereinfachten Verfahren von Wallace C. Sabine oder Eyring, wobei hauptsächlich die Absorptionsgrade und Flächeninhalte der raumbegrenzenden Flächen eingehen. Voraussetzung für die Anwendbarkeit ist, dass die Räume eine einfache Geometrie sowie eine relativ gleichmäßige Verteilung absorbierender Flächen aufweisen und sich damit ein näherungsweise diffuses Schallfeld ausbildet. Bei komplizierteren Räumen oder komplexeren Anforderungen an die Raumakustik (z.b. Sporthallen, Hörsäle, Mehrzweckhallen usw.) werden Simulationsverfahren heran gezogen, die genauere Ergebnisse und zusätzliche Informationen zu weiteren akustischen Parametern (z.b. Sprachverständlichkeiten) liefern. 4.1 ANFORDERUNGEN NACH DIN Anforderungen bzw. Empfehlungen für raumakustische Maßnahmen sind in der DIN (Hörsamkeit in Räumen - Anforderungen, Empfehlungen und Hinweise für die Planung) vorgegeben. In dieser Norm wird zwischen der Hörsamkeit über mittlere und größere Entfernungen ( Räume der Gruppe A ), die verbindlich einzuhalten sind, und Empfehlungen für die Hörsamkeit über geringe Entfernungen ( Räume der Gruppe B ) unterschieden. GranerIngenieure GmbH Seite 6 / 20

7 Anforderungen für Räume der Gruppe A nach DIN Das Ziel raumakustischer Maßnahmen in diesen Räumen besteht darin, eine gute "Hörsamkeit über mittlere und größere Entfernungen" zu gewährleisten. Mit Hörsamkeit im Sinne der DIN ist die Eignung eines Raumes für sprachliche Kommunikation oder musikalische Darbietungen gemeint. Die konkreten Anforderungen an die Nachhallzeit hängen von der jeweiligen Raumgröße und Nutzung ab und sind den entsprechenden Diagrammen der DIN zu entnehmen. Die Anforderungen an die Nachhallzeit beziehen sich auf den besetzen Zustand (Besetzungsgrad: 80% der Regelbesetzung) des jeweiligen Raumes. BILD 1: Anforderungen an Nachhallzeiten nach DIN GranerIngenieure GmbH Seite 7 / 20

8 BILD 2: Toleranzbereich für Nachhallzeiten nach DIN Räume der Gruppe A nach DIN sind beispielsweise: - Unterrichtsräume, Hörsäle - Gruppenräume in Kindergärten - Seminar-, Versammlungs-, Konferenzräume - Rats-, Gerichts-, Ratssäle - Sport- und Schwimmhallen mit Publikum GranerIngenieure GmbH Seite 8 / 20

9 TAB 1: Nutzungsarten für Räume der Gruppe A GranerIngenieure GmbH Seite 9 / 20

10 Empfehlungen für Räume der Gruppe B nach DIN Hier steht primär die Bedämpfung von Grundgeräuschpegeln im Vordergrund, um "eine dem Zweck angepasste Sprachkommunikation über geringe Entfernungen" zu ermöglichen. Gemeint ist damit eine hinreichende Sprachverständlichkeit von Person zu Person. Das Ziel ist nicht, eine gute Sprachverständlichkeit für eine größere Zuhörerschaft - wie z.b. im Unterricht oder in Konferenzräumen - zu erreichen. In Räumen der Gruppe B werden Empfehlungen für das Verhältnis der äquivalenten Schallabsorptionsfläche A des Raumes zum Raumvolumen V im Frequenzbereich von 250 Hz bis 2000 Hz angegeben. Die konkreten Anforderungen an das A/V-Verhältnis hängen von der jeweiligen Raumhöhe und Nutzung ab. Räume der Gruppe B nach DIN sind beispielsweise: - Foyers, Eingangsbereiche, Flure - Lesesäle und Leihstellen in Bibliotheken - Büroräume - Gaststätten, Verkaufsräume - öffentliche Publikumsbereiche TAB 2: Empfehlungen für Mindestwerte der A/V-Verhältnisse GranerIngenieure GmbH Seite 10 / 20

11 TAB 3: Nutzungsarten für Räume der Gruppe B GranerIngenieure GmbH Seite 11 / 20

12 5. BERECHNUNGSVERFAHREN Für einfache und kleine Räume reicht für die Ermittlung von Nachhallzeiten das Berechnungsverfahren nach Wallace C. Sabine aus. Bei akustisch schwierigeren Räumen und/oder komplexeren Anforderungen an die Raumakustik werden i.allg. raumakustische Simulationen durchgeführt. 5.1 BERECHNUNG VON NACHHALLZEITEN NACH WALLACE C. SABINE Die Nachhallzeiten errechnen sich aus dem Raumvolumen sowie den äquivalenten Schallabsorptionsflächen der raumbegrenzenden Bauteile, der anwesenden Personen und der Einrichtungsgegenstände nach der Nachhallformel von Wallace C. Sabine: T = 0,163 V/A [sec] T Nachhallzeit in s V Volumen des Raumes in m³ A äquivalente Schallabsorptionsfläche in m² mit: A = Σ α i S i + Σ A n + 4mV [m 2 ] α i Schallabsorptionsgrad des i-ten Bauteils (dimensionslos) S i Fläche des i-ten Bauteils in m 2 A n Schallabsorptionsflächen von Personen und Einrichtungsgegenständen in m² m Energiedämpfungskonstante der Luft in m 5 Die Schallabsorptionsgrade werden der DIN 18041, der einschlägigen Fachliteratur und Herstellerangaben entnommen. Schallabsorptionsgrade für einzelne Einrichtungsgegenstände sind i.allg. nicht bekannt. Zur Berücksichtigung des Einflusses der Einrichtung werden pauschale Zuschläge auf die Schallabsorptionsgrade der Raumbegrenzungsflächen vergeben, die auf Ergebnissen von Messungen in anderen Objekten beruhen. GranerIngenieure GmbH Seite 12 / 20

13 5.2 A/V VERHÄLTNIS FÜR RÄUME DER GRUPPE B Das A/V-Verhältnis errechnet sich aus den beiden Größen: V Volumen des Raumes in m³ und A äquivalente Schallabsorptionsfläche in m² mit: A = Σ α i S i [m 2 ] α i mittlerer Schallabsorptionsgrad (Mittelwert im Bereich zwischen 250 und 2000 Hz) der jeweiligen Absorber- oder Raumbegrenzungsfläche (dimensionslos) S i Flächeninhalt der jeweiligen Absorber- oder Raumbegrenzungsfläche in m 2 Die Berechnung des A/V-Verhältnisses findet ohne Berücksichtigung der Schallabsorption durch Personen statt. GranerIngenieure GmbH Seite 13 / 20

14 5.3 RAUMAKUSTISCHE SIMULATION Die Simulation des räumlichen und zeitlichen Schallfeldes wurde mit dem Programm CATT- Acoustic (Gothenburg, Schweden) durchgeführt. CATT-Acoustic rechnet nach der Strahlenverfolgungsmethode und gehört zu den international führenden Programmen auf diesem Gebiet. Die Software wird laufend weiterentwickelt und durch entsprechende Tests validiert. Im Folgenden kann nur allgemein auf das Simulationsverfahren eingegangen werden, für genauere Informationen muss auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen werden. Für die Simulation wird ein dreidimensionales Modell des Raumes erstellt, in dem allen Raumbegrenzungsflächen akustisch relevante Eigenschaften wie Absorptionskoeffizienten und Streugrade zugeordnet werden. Die Schallabsorptions- bzw. Streugrade werden der Literatur oder Herstellerangaben entnommen. In dem Programm werden alle Schallreflexionen an den Flächen des Raumes simuliert. Aus dem zeitlichen Muster des Eintreffens der Reflexionen ergibt sich die charakteristische Raumimpulsantwort. Daraus werden dann alle weiteren raumakustischen Parameter wie die Nachhallzeit, Pegelverteilung, Sprachverständlichkeit usw. abgeleitet. BILD 3: 3-dimensionales Modell in CATT- Acoustic, Zuordnung akustischer Eigenschaften zu den jeweiligen Flächen GranerIngenieure GmbH Seite 14 / 20

15 BILD 4: simulierte Schallstrahlen und Reflexionen BILD 5: beispielhafte Raumimpulsantwort Für die Ermittlung von Nachhallzeiten werden Omni-Quellen (d.h. allseitig gleichmäßig abstrahlende Kugelquellen) an verschiedenen Stellen im CATT-Acoustic-Modell positioniert, die Raumimpulsantwort an verschiedenen Empfangspunkten simuliert und daraus die mittlere Nachhallzeit berechnet. GranerIngenieure GmbH Seite 15 / 20

16 5.4 SPORTHALLE Anforderung nach DIN (Räume der Gruppe A, Nutzungsart A5 - Sport): - gesamte Sporthalle, eine Nutzung (einzügiger Betrieb, einheitlicher Kommunikationsinhalt): mittlere Nachhallzeit T rev 1,6 bis 2,3 Sek. zwischen 250 und 2000 Hz - durch Vorhänge abgetrennte Teile der Sporthalle (jeweils eine Hälfte), parallele Nutzung in den einzelnen Bereichen (mehrzügiger Betrieb, unterschiedliche Kommunikationsinhalte), Anforderung an die einzelnen Teilbereiche: mittlere Nachhallzeit T rev 1,4 bis 2,1 Sek. zwischen 250 und 2000 Hz raumakustische Maßnahmen: umlaufende Prallwand: - z.b. MAWI Velours o. glw.: - textile Oberfläche, dahinter Einlage aus Schaumstoff / MF-Platte, auf Unterkonstruktion - Höhe der Prallwand ca. 2,50 m - Schallabsorptionsgrade (nach Herstellerangabe MAWI): Frequenz 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz α 0,05 0,07 0,25 0,55 0,50 0,50 Maßnahme an der Decke/Dach: - gelochtes Trapezblech mit Sickeneinlage: - auf gesamter Dachfläche - Mineralfaser-Dämmung 240 mm, PE-Folie als Dampfsperre - Sickeneinlage aus 40 mm ISOVER Akustic SSP 2 Schallschluckplatte o. glw. - Akustik-Stahltrapezprofil, 110/ , ca. 15 % Lochanteil - Schallabsorptionsgrade (nach Herstellerangabe ISOVER): Frequenz 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz α 0,80 0,80 0,90 0,70 0,60 0,50 GranerIngenieure GmbH Seite 16 / 20

17 Simulationsergebnisse (CATT Acoustic): - gesamte Sporthalle: mittlere Nachhallzeit T rev = 2,20 Sek. im Frequenzbereich zwischen 250 und 2000 Hz - durch Vorhänge abgetrenntes Hallenelement: mittlere Nachhallzeit T rev = 1,95 Sek. im Frequenzbereich zwischen 250 und 2000 Hz Anforderungen für gesamte Halle und Teilbereiche erfüllt BILD 6: simulierte Nach- 3,00 hallzeiten 2,50 (gesamte Sporthalle) Nachhallzeit / s 2,00 1,50 1,00 2,13 2,19 2,25 2,21 2,16 1,61 0,50 0, Frequenz / Hz GranerIngenieure GmbH Seite 17 / 20

18 BILD 7: simulierte Nach- 3,00 hallzeiten 2,50 (durch Vorhang abgetrennter Teilbereich der Sporthalle) Nachhallzeit / s 2,00 1,50 1,00 1,82 1,94 1,90 2,00 1,97 1,52 0,50 0, Frequenz / Hz optionale raumakustische Maßnahmen im Tribünenbereich: Für den Tribünenbereich sind zusätzliche raumakustische Maßnahmen an Decke oder Rückwand sinnvoll, um den entstehenden Geräuschpegel bei Veranstaltungen mit Publikum zu senken und den akustischen Komfort im Tribünenbereich zu erhöhen. Dafür sind beispielsweise eine abgehangene Akustikdecke oder Wandpaneele denkbar. Anmerkung: Bei Sporthallen liefern raumakustische Simulationen exakterer Ergebnisse. Berechnungen nach dem häufig verwandten einfacheren Verfahren nach Sabine ergeben bei der hohen Raumgröße und üblichen Verteilung von Absorbern in Sporthallen oft zu optimistische Ergebnisse. Um die Planungssicherheit zu erhöhen, wurden deshalb die Nachhallzeiten mit dem Programm CATT Acoustic simuliert. Bei Verwendung anderer absorbierender Materialien dürfen die Schallabsorptionsgrade die in den obigen Tabellen angegebenen Werte um nicht mehr als ca. 10 % unterschreiten. Höhere Schallabsorptionsgrade sind dagegen zulässig. GranerIngenieure GmbH Seite 18 / 20

19 5.5 UMKLEIDEN Empfehlung nach DIN (Räume der Gruppe B, Nutzungsart B2 kurzfristiges Verweilen): - mittleres A/V-Verhältnis > 0,14 optionale raumakustische Maßnahmen an der Decke: - gelochte Gipskartondecke, z.b. Knauf Cleaneo o. glw.: - auf ca. 50 % der Deckenfläche - Plattendicke 12,5 mm, gerade Rundlochung 8/18R, Lochanteil ca. 15,5 % - Akustikvlies ohne schallabsorbierende Dämmauflage - Konstruktionshöhe mindestens 200 mm - Schallabsorptionsgrade nach Herstellerangabe α w = 0,60 Klasse C (hoch absorbierend): Frequenz 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz α 0,45 0,60 0,70 0,60 0,55 0,65 Berechnungsergebnisse: - mittleres A/V Verhältnis = 0,16 (s. Anlage 1) Empfehlung eingehalten Anmerkung: Um die Geräuschpegel in Umkleiden gering zu halten ist der Einbau einer Akustikdecke in Deckenteilbereichen zu empfehlen. Grundsätzlich spricht die DIN für Räume der Gruppe B aber nur Empfehlungen und keine strikt einzuhaltenden Anforderungen aus. Daher ist die hier vorgeschlagene Maßnahme als optional anzusehen. GranerIngenieure GmbH Seite 19 / 20

20 6. ZUSAMMENFASSUNG Mit den geplanten Maßnahmen werden die Anforderungen an die Raumakustik gemäß DIN für den Neubau der Sporthalle eingehalten. Diese umfassen den Einbau eines akustisch wirksamen Daches und einer umlaufenden schallabsorbierenden Textil-Prallwand. Die Umkleiden können optional in Deckenteilbereichen mit akustisch wirksamen Maßnahmen zur Senkung des Geräuschpegels ausgestattet werden. Leipzig, 26. Juni 2017 Dipl.-Ing. (FH) Steffen Landrock Projektleiter Andreas Türk, cand. BA Projektingenieur Bau- & Raumakustik GranerIngenieure GmbH Seite 20 / 20

21 ANLAGE 1: Berechnung A/V-Verhältnis Raum Nutzungsart nach DIN Raumvolumen Umkleiden B2 - kurzfristiges Verweilen 51 m³ 0,40 A/V-Verhältnis 0,30 0,20 0,10 Empfehlung nach nach DIN 18041: A/V > 0,14 0, Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz 2000 Hz 4000 Hz Frequenz Raumbegrenzungsflächen Absorptionsgrade Fläche 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1000 Hz 2000 Hz 4000 Hz m² Fußboden, schallhart 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 15,2 Decke, absorbierend 0,45 0,60 0,70 0,60 0,55 0,65 7,6 (z.b. Knauf Cleaneo 8/18R) Wand, Fenster, Tür 0,07 0,05 0,04 0,04 0,04 0,04 66,8 Äqu. Absorptionsfläche 8,71 8,51 8,60 7,84 7,46 8,22 A/V 0,17 0,17 0,17 0,15 0,15 0,16 Mittelwert A/V 0,16