Statik versus Schallschutz D. Müller 1 Statik versus Schallschutz Daniel Müller PIRMIN JUNG Büro für Bauphysik AG CH-Rain
2 Statik versus Schallschutz D. Müller 6. HolzBauSpezial Bauphysik HBS 2015
Statik versus Schallschutz D. Müller 3 Statik versus Schallschutz 1. Einleitung Bauingenieure/innen betrachten bei der Tätigkeit das Tragwerk eines Gebäudes, wobei insbesondere die Bemessung von Bauteilen, Lastabtragungen, Aussteifungen, Auflagersituationen im Vordergrund stehen. Die Nachweisführung erfolgt aufgrund von berechneten Spannungen in Gegenüberstellung mit statistisch ermittelten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften der einzusetzenden Materialien. Bauphysiker/innen ermitteln die Schalldämmwerte von Bauteilen ebenso mit Steifigkeitswerten, Massen und Schalenabständen. Die Aussage erfolgt anschliessend über einen Vergleich mit dem definierten Anforderungswert. Das Vorgehen beider Disziplinen scheint auf den ersten Blick ähnlich. Vorgehen Statiker/innen Vorgehen Akustiker/innen Auch wenn diese beiden Vorgehensweisen ähnlich sind, ist die Aussage eine ganz andere. Während es sich im Nachweis des Tragwerkes in erster Linie um die Standfestigkeit eines Gebäudes handelt, geht es im Schallschutz primär um das Zufriedenstellen von Komfortbedürfnissen. Natürlich spielt der Komfortanspruch auch bei der Statik beim Nachweis der Gebrauchstauglichkeit eine Rolle. Umgekehrt kann beim Schallschutz auch die Gesundheit gefährdet sein, wenn sich der Lärm im Übermass auswirkt. Die Ansprüche an den Schallschutz haben in den vergangenen Jahren stark zugenommen. Im Vergleich zur Tragsicherheit eines Bauwerkes, welche vom Benutzer nicht direkt spürbar ist, wird Lärm bewusst wahrgenommen. Unter anderem der Lärm der Nachbarschaft oder jener von vorbeifahrenden Fahrzeugen stört und gibt Anlass zu Reklamationen. Für die Akustik stehen Messinstrumente zur Verfügung, um die Schalldämmung direkt am Objekt zu beurteilen und zu quantifizieren. Bei Tragwerksbemessungen erfolgt ein Vergleich der berechneten Spannungen mit reellen, am Objekt ermittelten Werten nur selten, da dieser mit hohem Aufwand verbunden ist. Der Unterschied zwischen den Anforderungen an das Ruhebedürfnis und der Standfestigkeit eines Gebäudes zeigt sich damit bei der Einflussnahme von Sicherheitsbeiwerten. Während bei der Bemessung von Tragwerken mit einem semi-probabilistischen Sicherheitskonzept gearbeitet wird, versuchen Akustiker/innen die Schalldämmwerte so realistisch wie möglich zu ermitteln und arbeiten lediglich mit Projektierungszuschlägen von einzelnen Dezibel.
4 Statik versus Schallschutz D. Müller 6. HolzBauSpezial Bauphysik HBS 2015 2. Elemente Bei der Planung eines Gebäudes gibt es unzählige Anforderungen zu erfüllen. Die Tragsicherheit und der Schallschutz sind nur zwei Punkte von vielen. In jedem Bauprojekt sind die Aussteifung und das Tragsystem zu definieren. Ingenieure/innen versuchen mit möglichst ideal angeordneten Scheiben eine Aussteifung zu erreichen und die resultierenden Lasten in das Fundament zu leiten. Durchlaufende, statisch verbundene Elemente sind zwingend erforderlich. Währenddessen prüfen und definieren Akustiker/innen unter Berücksichtigung der einzelnen Nutzungseinheiten die Anforderungen an den Schallschutz. Geschlossene Wandscheiben werden dabei ebenso verwendet wie bei Tragwerksplanungen. Die Nutzungstrennungen sollen einen möglichst guten Schallschutz leisten können. Nebst der Aussteifung betrachten Ingenieure/innen das Tragsystem für die vertikale und horizontale Lastabtragung. Horizontale Bauteile wie Decken und Dächer sind als geschlossen zu betrachten und bedingen kaum eine spätere Anpassung bei einer allfälligen Nutzungsänderung. Die statisch wirksamen vertikalen Bauteile lassen nur bedingt Anpassungen im Grundriss zu und sind somit als positioniert zu betrachten. Innerhalb der Nutzungseinheiten gibt die Norm keine zwingende Einhaltung von Schallschutzanforderungen an. Trotzdem sind die Komfortansprüche zu beachten. Auch Zimmertrennwände innerhalb einer Nutzungseinheit sollen einen genügenden Schallschutz aufweisen.
Statik versus Schallschutz D. Müller 5 2.1. Zusammenspiel von Statik Schallschutz Das Zusammenspiel von Statik zum Schallschutz lässt sich grob in drei Elemente einteilen: Raumtrennende/Flächige/Aussteifende Bauteile wie Wände, Decken Wohnungstrennwände, Treppenhäuser Stützen für die vertikale Lastabtragung Anschlüsse bei Decken zur Wand für die Aussteifung Bei Elementen, bei welchen sowohl Anforderungen an die Statik als auch an den Schallschutz gestellt werden, soll eine Abstimmung beider Fachplaner/innen erfolgen. Solche Konstruktionen werden als Kombielemente bezeichnet. Beispiele sind eine Holzbeton- Verbunddecke oder ein in Massivbau erstelltes Treppenhaus. Ingenieure/innen machen in einer frühen Planungsphase einen Positionsplan mit dem Tragwerkskonzept.
6 Statik versus Schallschutz D. Müller 6. HolzBauSpezial Bauphysik HBS 2015 Abbildung 1: Positionsplan Statik Ebenfalls in einer frühen Planungsphase verfassen Akustiker/innen einen Anforderungsbericht, in welchem die Nutzungseinheiten und die Anforderungen an die Raumtrennungen festgelegt werden. Abbildung 2: Anforderungsplan Schallschutz Der Positionsplan der Ingenieure/innen und der Anforderungsbericht der Akustiker/innen sollen gemeinsam besprochen und aufeinander abgestimmt werden. Mögliche Konstruktionen, bei welchen Anforderungen an die Statik als auch an den Schallschutz gestellt werden, sollen dabei gemeinsam erarbeitet werden. Es sind nicht nur die Decken und die Wände zu betrachten, sondern auch aussteifende Elemente und Anschlüsse bei Geschossübergängen oder Verbindungen von Scheiben. Die Basisbesprechung bietet Ingenieuren/innen die Möglichkeit, die nötigen Massen und Schichten in der Vorbemessung mit einfliessen zu lassen. Grundsätzlich sind Bauteile im Vorteil, welche beiden Anforderungen in einem Element genügen. Falls dies nicht der Fall ist, wird mit zusätzlichen Schichten der Schallschutz erfüllt.
Statik versus Schallschutz D. Müller 7 3. Beispiele aus der Praxis Nachfolgend sind einige Beispiele aufgeführt, bei welchen das Zusammenspiel von Schallschutz und Statik direkten Einfluss haben. Liebrüti Das Schulhaus Liebrüti ist ein dreigeschossiges Schulgebäude in Holzbauweise. Die Dachscheibe wird für Wind- und Erdbebeneinwirkungen als Aussteifungselement eingesetzt. Mit einer Dreischichtplatte werden die Einwirkungen kontinuierlich in die raumtrennenden Wände abgeleitet. Die zweischalig aufgebauten Wände bieten an, die Deckenscheibe direkt über diesen zu trennen, womit die Schallnebenwegübertragungen reduziert werden. Eine Alternative wäre, die Dachscheibe örtlich mit Masse zu beschweren oder innenliegend vollflächig eine zusätzliche abgehängte Decke (nicht Raumakustikdecke) zu montieren. Massnahmen: - Deckenscheiben wo möglich trennen - Örtliche Beschwerung auf Dreischichtplatte Abbildung 3: Dach bei Trennwand Artho Das Gebäude der Firma Artho wird für Büro- und Wohnnutzung verwendet. In den ersten zwei Etagen sind Büroräume und im darüber liegenden Geschoss Wohnungen entstanden. Die Decke ist als Hohlkastenelement ausgeführt. Die Dachscheibe, in Form einer Dreischichtplatte, läuft statisch über die Wohnungstrennwand durch. Die Messung ohne innenseitige abgehängte Decke zeigt ein Resultat von D i,tot = 57dB. Nach der Montage der geplanten abgehängten Decke wird diese um rund 8 db erhöht. Der Einfluss dieses Nebenweges durch die Deckenscheibe ist hoch. Eine Abstimmung der Wohnungstrennwand ist unter Berücksichtigung der auftretenden Nebenwege durch aussteifende Scheiben erforderlich um optimale Resultate zu erreichen. Massnahmen: - Deckenscheiben wo möglich trennen - Zusätzliche abgehängte Decke Abbildung 4: Dach bei Wohnungstrennwand
8 Statik versus Schallschutz D. Müller 6. HolzBauSpezial Bauphysik HBS 2015 Beromünster Das Mehrfamilienhaus Beromünster ist ein dreigeschossiger Holzbau mit Blockholzplatten. Innenseitig ist die Holzoberfläche sichtbar. Die aussteifenden Aussenwände wurden über eine Dreischichtplatte im Bereich des Geschossübergans direkt miteinander verbunden. Mit dieser Massnahme ist die Statik zwar einfach gelöst, der Schallschutz reduziert sich jedoch aufgrund der daraus entstehenden Nebenwege erheblich. Messungen ergaben einen Luftschalldämmwert von D i,tot = 48dB (nach SIA 181) und erfüllen die Anforderungen damit nicht. Als Lösung wurde innenliegend im mittleren Geschoss eine zusätzliche Gipsfaserplatte d=18mm angebracht, welche die 35mm starke Blockholzplatte dämpft. Durch diese Massnahme wurde eine Verbesserung von 7dB erreicht und damit die Anforderungen erfüllt. Anschliessen wurde eine Dreischichtplatte montiert, um den visuellen Charakter des geplanten Gebäudes beizubehalten. Massnahmen - Zusätzliche Beschwerung frequenzanfälliger Plattenaufbauten - Geschossübergang nicht mit durchlaufenden Platten ausbilden - Geschossübergang entkoppeln Abbildung 5: Deckenauflager Abbildung 6: Deckenauflager mit Massnahmen
Statik versus Schallschutz D. Müller 9 Kapuzinerweg Der Kapuzinerweg ist ein Zweifamilienhaus mit einer Geschossdecke als Wohnungstrennung. Der Bauherr wollte einen optimalen Schallschutz erreichen. Die Konstruktionsaufbauten sind identisch mit dem vorher beschriebenen Projekt Beromünster. Der Geschossübergang wurde jedoch entscheidend entkoppelt. In enger Zusammenarbeit mit dem Ingenieur wurde eine Lösung gefunden, welche einerseits die Aussteifung über die Wandscheiben ermöglicht und andererseits die Anforderungen der Akustik erfüllt. Der für die Aussteifung eingesetzte Wandabschluss im Auflagerbereich ist durch einen Betonriegel beschwert und mindert damit die Schallübertragung markant. Zudem sind sämtliche Anschlüsse so gut wie möglich entkoppelt (Schalltrennlager im Wandlager und Anschlag mit Weichfaserplatten). Das Resultat überzeugt mit einem sehr hohen Schalldämmwert von D i,tot = 65dB. Massnahmen: - Deckenauflager vollständig entkoppelt - Örtliche Befestigung für Aussteifung gehalten Abbildung 7: Deckenauflager entkoppelt Bründler Das Objekt Bründler ist ein Umbau eines bestehenden Gebäudes. In diesem wurden neue Wohnungen in den damals als Estrich benutzen Teil des Gebäudes eingebaut. Die bestehenden Wohnungen waren während der Bauzeit bewohnt. Die Deckenuntersicht wurde nicht entfernt. Als statisches Element wurde eine Rippendecke konstruiert, welche selbsttragend von Auflager zu Auflager läuft und keine direkte Verbindung zur bestehenden Balkenlage aufweist. Damit sind die Körperschallübertragungen optimal entkoppelt und die Gesamtstärke des Deckenaufbaus ist reduziert. Die Schallmessungen zeigen ein Ergebnis von D i,tot = 65dB, L tot =43dB. Massnahmen - Schallentkoppeltes Element in die bestehende Struktur, ohne Schallbrücken Abbildung 8: Aufbau Trenndecke
10 Statik versus Schallschutz D. Müller 6. HolzBauSpezial Bauphysik HBS 2015 Gartenstrasse Die Überbauung Gartenstrasse besteht aus mehreren Mehrfamilien- und Einfamilienhäusern. Die gewählte Konstruktion für die nutzungstrennenden Decken ist ein Holz- Betonverbundsystem. Mit diesem wird einerseits die Statik mit dem Beton als Druck- und mit dem Holz als Zugglied gelöst und andererseits auch sehr gute Schalldämmwerte erreicht. Die Auflagerbereiche können mit dem Überbeton zusätzlich fixiert und beschwert werden, womit die Schallübertragungen reduziert werden. Das HBV-Element überzeugt als eine Art Kombielement, in welchem effizient und kostengünstig die Statik und der Schallschutz mit wenigen Schichten gelöst werden kann. Damit wird im Projekt Gartenstrasse ein Resultat von D i,tot = 63dB, L tot =41dB erreicht und kann somit auch im tieffrequenten Bereichen optimale Werte zeigen. Massnahmen - Kombielement als HBV- Decke Abbildung 9: HBV-Decke Rotkreuz Im Projekt Rotkreuz sind fünf Mehrfamilienhäuser mit einer Brettsperrholzbauweise erstellt worden. Die Wohnungstrennenden Wände sind zweischalig aufgebaut und werden statisch als aussteifend wirkende Wandscheiben eingesetzt. Die Brettsperrholzplatten werden mit einer Vorsatzschale vor einer allfälligen Schallanregung geschützt. Dadurch erhält der Ingenieur wichtige Freiheiten für die Gestaltung der Anschlüsse. Dieser mehrschichtige Aufbau zeigt in tiefen Frequenzbändern Einbrüche, kann aber mit D i,tot = 66dB problemlos die erhöhten Anforderungen erfüllen. Massnahmen - Entkoppelte Vorsatzschalen Abbildung 10: Wohnungstrennwand
Statik versus Schallschutz D. Müller 11 Hungerbühl Im Hungerbühl ist ein Mehrfamilienhaus in Hybridbauweise entstanden. Der Architekt hatte den Wunsch, dass die statisch wirksamen Stützen in Holz sichtbar bleiben. Die Nutzungseinheiten sind geschossweise getrennt und mit einer Filigrandecke als Betondecke ausgebildet. Die durchlaufenden Holzstützen werden im Deckenbereich getrennt und durch den durchlaufenden Beton entsteht ein Massesprung. Dieser wirkt sich positiv auf die Schalldämmwerte aus. Massnahmen - Massesprung im Geschossübergang - Zusätzliche Bekleidung der Stütze - Entkopplung mit Trennlager Abbildung 11: Stützen bei Geschoss 4. Zusammenfassung Bei der Bemessung von Tragwerken und der Begleitung des Schallschutzes ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Akustikern/innen und Ingenieuren/innen sehr wichtig. Die Zusammenarbeit sollte in einer möglichst frühen Planungsphase erfolgen. Nach dem Definieren des Tragwerkskonzepts und der Zusammenstellung der Anforderungen an den Schallschutz sind die Bauteile gemeinsam bezüglich Statik und Schallschutz auszulegen. Dadurch können Lösungen gefunden werden, welche nicht nur kostengünstig sondern auch effizient sind. Insbesondere die raumtrennenden Bauteile, lastabtragende Stützen, Aussteifungselemente und Anschlüsse im Geschossübergang oder im Bereich von Trennwänden sollen beachtet werden. Besonders interessant sind Kombielemente, welche sowohl Schallschutz als auch Statik beinhalten. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit wird in Zukunft weiter zunehmen und das macht auch Sinn, denn nur damit können alle Wünsche und Bedürfnisse befriedigt werden.