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Forschungsprojekt

Entwicklung eines Kompaktprüfstands für den Trittschall bei Bauprodukten aus Holz

Zur Ermittlung der schalltechnischen Eigenschaften von Holzdecken wird der gesamte Aufbau in einem Deckenprüfstand ohne Nebenwege (DIN EN ISO 10140) oder am Bau (DIN EN ISO 140-7) gemessen. Für solche Messungen in einem Deckenprüfstand sind stets Decken von ca. 20 m² Größe aufzubauen. Damit ist ein erheblicher Aufwand verbunden, der Innovationen vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen erschwert.

Die Physikalisch Technische Bundesanstalt entwickelt zusammen mit dem Fraunhofer WKI einen Kompaktprüfstand für leichte Decken. Mit diesem Kompaktprüfstand wird eine Verringerung des Aufwands bei der Ermittlung der Trittschallkenngrößen gegenüber dem derzeitigen Normprüfverfahren auf etwa 1/10 angestrebt.

Der Ansatz des Vorhabens gestattet es zudem, einzelne Komponenten der gesamten Wirkungskette zu erfassen. So soll der Abstrahlgrad von Holzdecken für die am Markt üblichen Konstruktionen ermittelt werden und in einer Datenbank hinterlegt werden. Bei bekanntem Abstrahlgrad der Holzdecke, kann mit Hilfe einer Messung der Körperschallschnelle an einem verkleinerten Aufbau der Normtrittschallpegel bestimmt werden. Es ist zu erwarten, dass mehr potentielle Ideen auf deren Wirksamkeit untersucht werden, so dass die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens in erster Linie zu einem großen Innovationsschub führen werden.

© Foto Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

Abbildung 1: Grau: Gemessene Eingangsmobilitäten von einem Laminat-Bodenbelag mit Unterlage. Blau: Mobilität einer Masse. Rot: Mobilität einer Feder. Schwarz: Resultierende Mobilität einer Reihenschaltung von Masse und Feder.

© Foto Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

Abbildung 2: Prinzipdarstellung des Kompaktprüfstandes.

© Foto Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

Abbildung 3: Einzahlwerte für 52 weich federnde Auflagen ermittelt am Kompaktprüfstand für Leichtbaudecken im Vergleich zu entsprechenden Daten ermittelt im Deckenprüfstand.

Zu Beginn der Untersuchungen sind die bei der Messung im genormten Prüfstand wesentlichen Prozesse modelliert worden. Dies sind vor allem die Anregung einer Deckenkonstruktion durch ein Hammerwerk, die Ausbreitung der Energie in der Decke sowie die Schallabstrahlung von der Decke. Für den Gesamtprozess werden Betrachtungen mit und ohne Deckenauflagen angestellt, die zu einem Verständnis über die unterschiedlichen Wirkungen der Deckenauflagen führen. Als Werkzeug dient hierzu unter anderem die Betriebsschwingungsanalyse.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird dann ein Kompaktverfahren zur Bestimmung der Trittschallminderung auf leichten Bezugsdecken entwickelt. Wesentlich dabei ist, dass die Empfangsstruktur so reproduzierbar ist, dass sie sich für eine Normung eignet. Im Weiteren wird untersucht, ob auch Verbesserungsmaße plattenförmiger Deckenauflagen auf verkleinerten Empfängern ermittelt werden können und welche physikalischen Grenzen hierfür existieren.

Das entwickelte Kompaktverfahren zur Ermittlung der Trittschallminderung wird an realen Deckenauflagen erprobt, und die Ergebnisse werden mit Ergebnissen, ermittelt mit dem Norm-Messverfahren verglichen. Bei diesen Messungen werden die Trittschallminderungen durch Auswahl verschiedenartiger Bodenbeläge so weit variiert, dass etwaige Grenzen des Verfahrens aufgezeigt werden. Es wird ein Normentwurf erstellt und in die Normung eingebracht.

Darüber hinaus wird untersucht ob der Laborwert des Normtrittschallpegels von Holzdecken in einem verkleinerten Aufbau zu ermitteln ist. Die vom verkleinerten Aufbau abgestrahlte Leistung wird hierfür  aus der Schnelle der Unterseite und dem Abstrahlgrad der konstruktiv gleich ausgeführten großen Decke berechnet. Die Schnelle kann aus Messungen im verkleinerten Maßstab abgleitet werden, sofern die grundlegenden Eigenschaften der Originalkonstruktion im Kompaktprüfstand korrekt widergespiegelt werden. Für diese Modellierung sind im Rahmen des Projekts klare Regeln aufzustellen. Über den Abstrahlgrad von Holzbalkendecken liegen derzeit nur wenige Erkenntnisse vor. Daher soll im Rahmen des Projekts eine Datenbank für Abstrahlgrade von Holzbalkendecken erstellt werden. Hierfür werden die Intensitätsmesstechnik und ein Laser-Scanning Vibrometer verwendet, um an realen Bauobjekten die Abstrahlgrade von Holzdecken zu ermitteln. Da an den realen Bauobjekten zusätzlich auch die Normtrittschallpegel bestimmt werden, lassen sich aus der Differenz zwischen den schalldruck- und den schallintensitätsbasierten Schallleistungen im Empfangsraum Aussagen zur Flankenübertragung ableiten.

Mithilfe von Schwingungsanalysen an Laminatauflagen auf dem Kompaktprüfstand für Massivdecken konnten erste Modelle umgesetzt werden, die das Schwingungsverhalten der Auflagen beschreiben. Mit Hilfe elektromechanischer Analogien können die untersuchten Laminatauflagen als Masse-Feder System modelliert werden. Ein solches System zeichnet sich durch einen typischen Resonanzverlauf der Mobilität aus. Die Mobilität beschreibt das Verhältnis aus eingeleiteter Kraft und resultierender Schwingschnelle am Einleitungspunkt. Abbildung 1 zeigt zehn an Laminat gemessene Eingangsmobilitäten. Die Mobilität einer idealen Feder ist rot dargestellt und die einer idealen Masse blau. Eine Reihenschaltung dieser Elemente in Kombination mit einem Widerstandsterm ergibt den in schwarz dargestellten Mobilitätsverlauf, der das Schwingungsverhalten der untersuchten Laminatauflagen gut widerspiegelt.

© Foto Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

Abbildung 4: Abstrahlgrade für verschiedene Hammerwerkspositionen und Anregungsarten ermittelt aus Messungen an einer Holzbalkendecke.

© Foto Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

Abbildung 5: Normtrittschallpegel ermittelt im Prüfstand (schwarz) und ermittelt am Deckenausschnitt mit Hilfe der zuvor ermittelten Abstrahlgrade an verschiedenen Hammerwerkspositionen der großen Decke.

© Foto Fraunhofer WKI

Abbildung 6: Prinzipdarstellung üblicher Varianten von Holzbalkendecken.

Der entwickelte Kompaktprüfstand für Leichtbaudecken hat eine Grundfläche von etwa 1,2m x 0,8m und ist auf einer Ständerkonstruktion gelagert (Abbildung 2).

Die Trittschallminderung von 52 weich federnden Auflagen wurde am Kompaktprüfstand und im Deckenprüfstand bestimmt. In Abbildung 3 sind die resultierenden Einzahlwerte für die Messungen am Deckenprüfstand auf der x-Achse dargestellt und für die Messungen am Kompaktprüfstand auf der y-Achse. Für Einzahlwerte oberhalb von 7 dB, die aus Messungen an Teppichen resultieren, ergeben sich Abweichungen, die die kritische Differenz überschreiten. Dies lässt sich auf die instationären Eigenschaften des Teppichs zurückführen, da dieser aufgrund der Hammerschläge seine Eigenschaften ändert. In Abbildung 4 sind die am Deckenprüfstand der PTB ermittelten Abstrahlgrade dargestellt. Wie zuvor beschrieben wurden diese mit Hilfe eines Laser Vibrometers und der Intensitätsmesstechnik bestimmt. Die Ergebnisse zeigen für Luftschallanregung als auch für Anregung durch ein Hammerwerk an verschiedenen Positionen der Decke ähnliche Ergebnisse. Auf Grundlage dieser Messungen kann der Normtrittschallpegel an einem Deckenausschnitt bestimmt werden (siehe Abbildung 5). In schwarz ist der Normtrittschallpegel ermittelt im großen Prüfstand dargestellt und in blau, rot und grün der Normtrittschallpegel ermittelt am Deckenausschnitt. Trotz steigender Differenzen zu hohen Frequenzen ist bei den Einzahlwerten eine gute Übereinstimmung fest zu stellen. Die Bestimmung des Normtrittschallpegels am Deckenausschnitt scheint somit möglich zu sein.

Mit Hilfe der Erfahrungen der Projektpartner, einer Literaturrecherche und einer Marktstudie wurde eine Klassifizierung von Holzbalkendecken vorgenommen, mit Angaben zur Häufigkeitsverteilung der Varianten. Dabei zeigte sich, dass es zwar regional große Unterschiede gibt, die in Abbildung 6 dargestellten Varianten von Holzbalkendecken mit großer Mehrheit am meisten verbaut werden. In Objektbauten wie z.B. im Mehrgeschossigem Wohnbau und bei z.B. Bürogebäuden sind flächige Decken aus Brettsperrholz oder Holzbetonverbunddecken verbreiteter, als im Bereich von Einfamilienhäusern. Die Messungen an bestehenden Objekten werden zurzeit durchgeführt.

Durchführung:

Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig

J.-H. Schmidt, V. Wittstock, W. Scholl

 

Förderung:

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaften industrieller Forschungsvereinigungen (AiF), vertreten durch den internationalen Verein für technische Holzfragen (iVTH)