Bauakustische Grundlagen

Die Materialien des Holzbaus sind leichter als die des Massivbaus. Hohe Schalldämmungen können mangels Flächenmasse nicht mit einschaligen, plattenförmigen Holzbauelementen in annehmbarer Bauteildicke hergestellt werden. Die Lösung liegt im Einsatz von doppel- bis mehrschaligen Konstruktionen mit biegeweichen Schalen. Unabhängig davon ist es gelegentlich auch sinnvoll, eine schwere Masse ergänzend einzusetzen. Für die bauakustische Herangehensweise ist es zweckmäßig, die akustischen Gesetzmäßigkeiten und die generellen Schallschutzanforderungen zu berücksichtigen.

Beim Luft- und Trittschallschutz bilden die „wohnüblichen Geräusche“ bzw. nutzungsüblichen Normalgeräusche die Grundlage für die geforderten Mindest-Schalldämm-Maße, die bei benachbarten Funktions- einheiten oder Räumen einzuhalten sind. Zusätzlich gibt es den normgemäßen „erhöhten Schallschutz“. Auch innerhalb einer Funktionseinheit kann man „zu schützende Räume“ festlegen, die diesen erhöhten Anforderungen entsprechen sollen. Typisch hiefür ist z.B. der Schlafraum eines Einfamilienhauses.

Körperschall wird erzeugt von gebäudeinternen maschinellen Einrichtungen wie etwa Liftmaschinensätzen und Lüfteraggregaten. Dazu gehört auch die Geräuschentwicklung von den Installationsleitungen und Konstruktionselementen der Nassgruppen.

Relevanter Frequenzbereich
Für den allgemeinen Schallschutz ist zur normgemäßen Beurteilung derzeit der „bauakustisch relevante Frequenzbereich“ maßgebend. Dieser Tonhöhenbereich reicht von 100Hz bis 3150Hz und ist zusammen mit den Schallschutzwerten ein Kompromiss zwischen zumutbarer subjektiver Belästigung und aktueller technisch wie kostenmäßig vertretbarer Realisierbarkeit.
Die iso 717 (önorm en iso 717) sieht zusätzlich zu den bewerteten Schalldämm-Maßen auch Spektrum-Anpassungswerte C für Messung und Nachweis-
Berechnung vor: Sie werden als Plus- oder Minus- Korrekturwerte dem Luftschall- oder Trittschall- dämm-Maß deutlich erkennbar hinzugefügt, wenn der erfasste Frequenzbereich erweitert wurde oder wenn andere als wohnübliche Geräusche schallgedämmt werden müssen.

Grundgesetzmäßigkeiten der Akustik
Mit einer gewissen Kenntnis der folgenden grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Akustik lassen sich die verschiedenartigen Erscheinungsformen von bauakustischen Maßnahmen und Konstrukten besser verstehen und unnötige Fehler vermeiden.

Berger’sches Massengesetz der Schalldämmung

Maßgebend für schwere Massivwände und Massivdecken ab einer Flächenmasse m' von ca. 100kg/m².
Gemäß diesem Gesetz steigt das Luftschalldämm-Maß mit Zunahme der Flächenmasse, also der Dicke der Bauteile, an. Daraus ergibt sich im Massivbau die bekannte Dickendimensionierung der Trennbauteile für die üblichen Normanforderungen, z.B. die für Wohnungstrennwände nötige Flächenmasse m' = 400kg/m² (ca. 20cm Betonwanddicke). Die geringere Wichte der Holzbaumaterialien würde für Wände und Deckenplatten eine nicht mehr praktikable, rund 2- bis 3-fach größere Dicke nötig machen. Folglich müssen im Holzbau die geforderten Schalldämm-Maße großteils unter Nutzung einer anderen akustischen Gesetzmäßigkeit hergestellt werden, nämlich des Resonanzphänomens.

Resonanzphänomen

Dieses Phänomen durchzieht mit seiner Gesetzmäßigkeit die gesamte Bau- und Raumakustik. Es beruht auf der Tatsache, dass jede gefederte Masse eine Systemresonanz mit einer definierten Eigenfrequenz besitzt. Teils wohlbekannte Beispiele für solche schwingungsfähigen Systeme sind z.B. Liftmaschinensätze, die auf federelastischen Gummielementen aufliegen. Solche „Feder/Masse-Systeme“ verhalten sich wie ein Gewicht, das an einer Schraubenfeder hängt. Wenn man das Gewicht dann frei vertikal schwingen lässt, tut es dies mit der typischen Eigenfrequenz, der Resonanz-Schwingungszahl pro Sekunde in Hertz. Bei dieser Eigenfrequenz und in deren Nähe entstehen bei nur geringem Anstoß große, überhöhte Schwingungsweiten. Es kommt zu einer „Resonanzverstärkung“ der Schwingungen. Liegt jedoch die Schwingungszahl der Anregekraft, z.B. der Maschinendrehzahl je Sekunde, weit über der Eigenfrequenz, dann wird das Mitschwingen intensiv unterdrückt, die Schwingungen nur mehr stark reduziert an die tragende Unterlage weitergegeben. Die Schwingungsunterdrückung ist bereits sehr ausgeprägt, wenn die Anregungsfrequenz dreimal größer ist als die Eigenfrequenz. Diese Mindestrelation ist in der önorm für Liftmaschinensätze vorgeschrieben. Bei noch höheren Anregungsfrequenzen steigt die Schwingungsunterdrückung massiv an.
Die gleiche Unterdrückungswirkung bildet die Basis für die hohen Luftschalldämmungen des Leichtbaus bzw. des Trockenbaus mit dünnen Doppelschalen (z.B. Bürotrennwände) oder mit Vorsatzschalen. Hier besteht ein Feder/Masse-System aus folgenden Komponenten: Federnd ist der Luftraum (mit Porösstofffüllung), die Masse wird gebildet durch die Schalen-Flächenmasse m' (Gewicht je m²). Auch hier wird die System-Eigenfrequenz so tief gelegt, dass die bauakustisch relevanten Frequenzen von 100Hz aufwärts entsprechend unterdrückt werden. In dem betreffenden önorm-Papier (önorm b 8115-4) sind einfache Formeln angegeben, mit denen die Resonanzfrequenz f0 auch von Nichtfachleuten leicht errechnet werden kann.

Trittschall

Im Holzbau muss auch der normale Trittschall als besonders kritischer Störschall-Erzeuger angesehen werden, verursacht durch die Leichtbauweise der Trockenestriche und der darunter liegenden Hohlraum-Holzdeckenelemente. Diese Konstruktionen neigen zum gefürchteten Dröhnen und Poltern mit hohen Energieanteilen unter 100Hz. Der für die Berechnungen und Messüberprüfungen verpflichtende bauakustisch relevante Frequenzbereich erfasst nur die Frequenzen von 100Hz aufwärts. Normale Schallmessungen liefern daher trotz des sehr störenden Dröhnens und Polterns normgerecht gute Ergebnisse, weil die Dröhnresonanzen unter 100Hz nicht erfasst werden. Daher wird im Holzbau das bewertete Luft- und Trittschalldämm-Maß häufig bereits für den erweiterten Frequenzbereich von 50Hz bis 5000Hz ermittelt. Im Falle des Polterns und Dröhnens wird die Trittanregung beim Begehen des Bodens im Bereich seiner Resonanzfrequenz kräftig verstärkt. Die Resonanzfrequenz muss folglich zu tieferen Frequenzen hin verschoben werden. Dazu braucht man für die obere Fußbodenschicht eine wesentlich größere Flächenmasse und eine weichere Unterlage mit zum Beispiel größerem, weicher-elastischem Luftraum.

Ungünstige Resonanzauswirkungen

Besonders problematisch ist die Körperschallenergie, die – in die Holzbaustruktur einmal eingedrungen – bedeutende Verstärkungen durch Resonanzanhebungen an verschiedensten Konstruktionsteilen erfahren kann. Deren Ausbreitung muss schon an der Vibrationsquelle unterbunden werden. Im Holzbau gibt es zahlreiche flächige und stabförmige Bauteile mit relativ geringem Gewicht, deren Eigenschwingungszahl zu hoch liegt, nämlich oft inmitten des bauakustisch relevanten Frequenzbereichs.

Koinzidenzeffekt – Spuranpassungseffekt
Dieses Phänomen kann die Luftschalldämmung von Wänden und Deckenplatten stark verringern. Die plattenförmigen Trennbauteile werden durch den auftreffenden Luftschall auch zu Biegeschwingungen angeregt, die sich in diesem Bauteil wie Wasseroberflächenwellen ausbreiten und auf der anderen Bauteilseite wieder zu einer Schallabstrahlung führen. Wenn nun die Luftschallwelle und die dadurch verursachte Biegewelle mit gleicher Geschwindigkeit parallel an einer Wand entlanglaufen, dann entsteht Koinzidenz bei einer bestimmten Frequenz, der Koinzidenzgrenzfrequenz fG. Damit verbunden ist eine resonanzähnliche „Aufschaukelung“, die eine Verstärkung des Schalldurchtritts und ein Absinken der Schalldämmung zur Folge hat. Im Gegensatz zur Luftschall-Ausbreitungsgeschwindigkeit ist die Biegewellengeschwindigkeit abhängig von Frequenz und von Materialdicke. Das starke Abnehmen der Luftschalldämmung setzt ein bei der Koinzidenzgrenzfrequenz fG und erreicht ein tiefes Absinken der Schalldämmung bei etwa der zweifachen Koinzidenzgrenzfrequenz, entsprechend einem Schalleinfallswinkel von 45°, wenn nämlich die dazugehörende schnellere Wellenspur mit der Biegewelle wieder parallel läuft. Schalleinfallswinkel um die 45° sind sehr häufig und folglich wirksamer bezüglich des Schalldurchgangs. Etwa oberhalb der dreifachen fG wird wieder das Berger’sche Massengesetz maßgebend. Es ist wichtig, dieses starke Schalldämmungs-Absinken außerhalb des bauakustisch relevanten Frequenzbereichs zu halten. Das heißt, dass die Koinzidenzgrenzfrequenz fG bei 3150Hz oder höher bzw. bei 100Hz oder darunter liegen soll. Die einschlägige önorm b 8115-4 Seite 3 enthält diesbezügliche Diagramme zur einfachen Ermittlung der jeweiligen Material-Maximaldicken.

Verlustfaktoren

Sie kennzeichnen die inneren Reibungsverluste der verschiedenen Materialien, die zur wichtigen Schwingungsdämpfung, speziell in den überschwingenden Resonanzbereichen, zum Einsatz kommen. Auch beim Trockenestrich des Holzbaus können Antidröhnmaterialien z.B. Schwerfolien nützlich werden.

Die in diesem Beitrag erwähnten Basisgesetze der Schalldämmung sind fundamental für die richtige Dimensionierung von schalldämmenden Bauteilen, insbesondere bei Anforderungen durch neue Materialien und Konstruktionen außerhalb der bisherigen Routine, wie dies für den modernen Holzbau zutrifft. Es sollen Impulse dahingehend gesetzt werden, sich mit diesen Grundgesetzen stärker vertraut zu machen, um mit Sicherheit zu akustisch erfolgreichen Lösungen zu gelangen.

Text:
Prof. DI (FH, HTL) Karl Brüstle
Langjährige operativ und planerisch leitende Tätigkeit im Österreichischen Rundfunk ORF
Seit 1987 eigenes Ingenieurbüro für Technische Akustik, primär für Sonderfragen
Seit 1987 Univ.-Lehrauftrag in Wien für Akustik und Bauphysik (Architektur)
Seit 1997 FH-Lehrauftrag am Campus Wien für Bau- und Raumakustik (Bauingenieurwesen)