Architekturblog | Mak Dodan

Schlagwort: Schallschutz

  • Die Schwachstellen der Hülle: Türen, Fenster, Fugen

    Ein einfacher Test zeigt, ob eine Tür schalltechnisch funktioniert. Ein Blatt Papier wird in den Spalt gelegt und die Tür geschlossen. Lässt sich das Blatt leicht herausziehen, liegt die Dichtung nicht an. Das Türblatt kann dann noch so gut sein, der Schall nimmt den Weg durch die Fuge.

    Der Schallschutz eines Gebäudes entscheidet sich oft nicht in der Fläche, sondern an Rändern, Anschlüssen und Öffnungen. Matthias Schuß (TU Wien) führt durch diese Schwachstellen und schließt mit dem Weg, den Schall über die angrenzenden Bauteile nimmt.

    Warum die Türdichtung über den Schallschutz entscheidet

    Bei Türen ist der Bodenanschluss das größte Problem. Früher sorgte eine Schwelle mit Dichtung für einen sauberen Abschluss. Barrierefreies Bauen verbietet solche Stufen. Abhilfe schaffen sehr flache Profile oder Absenkdichtungen. Eine Absenkdichtung wird beim Schließen über einen seitlichen Bolzen nach unten gedrückt und schließt den Spalt. Sie wirkt am besten, ist aber teurer.

    Seitlich dichten doppelte Falze mit Lippendichtungen gut ab, wenn die Bänder richtig eingestellt sind. Wird eine Tür nur eingehängt und nicht justiert, bleibt ein Spalt. Wer die Tür beurteilen will, findet die Werte in den Unterlagen der Hersteller, die Ausführung und Fugenausbildung beschreiben.

    Kleine Löcher, große Wirkung

    Ein zusammengesetztes Bauteil aus Wand, Fenster und Tür wird über die Flächen gemittelt, aber nicht linear. Weil Schalldämmung logarithmisch ist, werden die durchgelassenen Energien gemittelt. Ein kleiner Teil mit schlechter Dämmung bestimmt dann das Ergebnis.

    Der Unterschied zur Wärme ist grundlegend. Beim U-Wert verschlechtert eine schlechte Teilfläche das Ganze nur anteilig, ihr Risiko liegt eher im Kondensat. Beim Schall ist schon ein kleines Loch „eine Tragödie“, wie es zugespitzt heißt. Ein zu tief geschnittener Anschluss kann eine hochwertige Wand akustisch entwerten.

    [Abbildung: Wand mit Rw 55 dB und einer Fuge von wenigen Quadratzentimetern, resultierende Dämmung im Balkendiagramm.]

    Wie Fenster eingebaut werden müssen

    Moderne Fenster haben meist zwei bis drei Dichtungsebenen. Entscheidend ist zusätzlich die Einbaufuge zwischen Rahmen und Wand. Im Neubau lässt sie sich kontrolliert ausführen. In der Sanierung wird oft ein Spalt rundum ausgeschäumt, außen überklebt und innen offen gelassen. Das entstehende Gebilde wirkt wie ein zweischaliges Bauteil mit ungünstiger Resonanz. Spezieller Akustikschaum hilft nur begrenzt.

    Ein Blindstock bezeichnet einen vorab in die Wand gesetzten Rahmen, in den das Fenster später passgenau eingebaut wird. Er war in den 1960er- und 1970er-Jahren verbreitet und ist aus der Mode gekommen. Er schützte während der Bauzeit und ermöglichte einen genauen Einbau. Die Fensterindustrie diskutiert ihn heute wieder.

    Bei der Verglasung helfen Verbundgläser mit einer akustisch optimierten Zwischenfolie, ähnlich einem Sicherheitsglas.

    Dichte Fenster brauchen ein Lüftungskonzept

    Ein dichtes Fenster dämmt nur, solange es geschlossen ist. Früher lüfteten undichte Fugen das Gebäude unbeabsichtigt. Heute muss gezielt gelüftet werden. Fensterfalzlüfter sind eine Lösung der Industrie: eine kleine Öffnung im Rahmen mit Lüftungsgitter. Ohne kontrollierte Lüftung müsste ein Schlafzimmer für gute Luftqualität rechnerisch etwa alle 2 Stunden stoßgelüftet werden, was niemand tut. Als einfache Empfehlung wird eine Regel zur Schlafzimmertür genannt, begründet damit, dass sich die Luft mit anderen Räumen mischen kann [prüfen: Transkript nennt „geschlossene Tür“, die Begründung spricht für eine offene].

    Der Schall geht auch über die Flanken

    Gemessene Werte im Gebäude liegen meist unter den Laborwerten des Trennbauteils. Der Grund ist die Flankenübertragung. Schall regt nicht nur die Trennwand an, sondern auch Decke, Boden und Seitenwände, die an sie anschließen. Diese leiten ihn als Körperschall weiter und strahlen ihn im Nachbarraum ab. Eine quadratische Trennwand hat mindestens vier solche Flanken.

    Berechnet wird die gesamte Übertragung als Standard-Schallpegeldifferenz aus allen Wegen: direkt durch das Trennbauteil und über jede Flanke. Maßgeblich ist dabei das Volumen des Empfangsraums, der Senderaum hat keinen Einfluss. In jeder Wegformel steht ein Abzug von 5 dB, dessen Herkunft auch erfahrene Fachleute nicht erklären können. Normen nennen Formeln, aber nicht immer ihre Quellen.

    Abhilfe schaffen Vorsatzschalen auf den Flanken und elastische Anschlüsse. Trockenbausysteme verlangen etwa Dämmstreifen unter den Profilen, damit Schall nur noch punktuell über Schrauben übertragen wird.

    Was Normen und Nutzung verlangen

    In Österreich legt die OIB-Richtlinie 5 die Anforderungen fest. Die nötige Dämmung der Außenbauteile richtet sich nach dem Außenlärmpegel, getrennt nach Tag und Nacht. Innen hängen die Werte von der Nutzung ab. Für Türen zwischen Gästezimmern gleicher Kategorie werden 42 dB genannt, gegenüber einem Gang nur 28 dB [prüfen]. Die Begründung: Gleiche Nutzungen stören sich gegenseitig stärker.

    Mindestanforderungen sind aber kein Qualitätsziel. Eine Clusterschule mit offenen Lernzonen erfüllte die Normen und funktionierte trotzdem schlecht, weil sich Klassen gegenseitig störten. Hotelgänge ohne Teppich und abgehängte Decke wirken heute unangenehm hallig.

    Zusammenfassung

    Der Schallschutz der Hülle scheitert meist an Fugen, Dichtungen und Einbaudetails, nicht an der Fläche. Weil Schalldämmung energetisch gemittelt wird, entwertet schon ein kleines Leck ein gutes Bauteil. Im Gebäude kommt zur Übertragung durch das Trennbauteil immer die Flankenübertragung hinzu, die Planung und Ausführung gleichermaßen fordert.

  • Was eine Wand dämmt: Masse, Koinzidenz und zwei Schalen

    An der Südautobahn bei Wien standen früher flache Erdwälle. Heute säumen hohe Wände die verbreiterte Trasse, fast wie ein Tunnel. Die Höhe ist kein Zufall. Je breiter die Straße, desto weiter liegt die Wand von der Fahrbahn entfernt und desto höher muss sie werden, um noch zu wirken.

    Der Weg vom Lärm im Freien zur Dämmung einzelner Bauteile folgt einer Frage: Wie lässt sich Schall daran hindern, dorthin zu gelangen, wo er stört? Matthias Schuß (TU Wien) behandelt dazu zuerst die Ausbreitung im Freien und dann die Luftschalldämmung von Wänden.

    Wie Schall im Freien abnimmt

    Eine punktförmige Quelle, etwa ein Gerät auf dem Dach, strahlt kugelförmig ab. Ihr Pegel sinkt um 6 dB pro Abstandsverdopplung. Eine stark befahrene Straße wirkt dagegen wie eine Linie und strahlt zylindrisch ab, der Pegel sinkt nur um 3 dB pro Verdopplung. Werden in 5 m Abstand 80 dB gemessen, sind es bei einer Punktquelle erst in rund 89 m noch 55 dB.

    Eine Lärmschutzwand unterbricht die Sichtlinie zwischen Quelle und Empfänger. Schall erreicht den Empfänger dann nur noch durch Beugung über die Wandkrone. Die Wirkung hängt vom Beugungswinkel und vom Verhältnis der effektiven Höhe zur Wellenlänge ab. Tiefe Frequenzen mit großer Wellenlänge werden schlechter abgeschirmt. Eine zur Quelle geneigte Krone vergrößert den Winkel, eine absorbierende Oberfläche verhindert Reflexionen auf die Gegenseite.

    Wirksamer als jede Wand ist oft eine Maßnahme an der Quelle: langsamer fahren, leisere Beläge. Schallschutzfenster beim Anrainer verlieren an Wert, weil im wärmeren Klima auch nachts gelüftet werden muss. Gebäude parallel zur Straße wirken als Schallschutzriegel und schützen ihre Rückseite.

    Warum Masse dämmt

    Das Schalldämm-Maß beschreibt, wie viel Schallenergie ein Bauteil zurückhält. Es ist der zehnfache Logarithmus des Kehrwerts des durchgelassenen Anteils: \(R = 10 \cdot \lg(1/\tau)\). Ein Bauteil mit 40 dB lässt nur ein Zehntausendstel der Energie durch, eines mit 20 dB ein Hundertstel. 20 dB sind also nicht „doppelt so gut“ wie 10 dB, sondern lassen zehnmal weniger Energie durch.

    Gemessen wird das Schalldämm-Maß im Prüfstand, in dem das Bauteil entkoppelt zwischen zwei Räumen sitzt. So zeigt der Wert nur, was das Bauteil selbst kann. Im Gebäude kommt Schall zusätzlich über die angrenzenden Bauteile, die Flankenübertragung.

    Aus den 16 Terzwerten entsteht das bewertete Schalldämm-Maß Rw. Eine Bezugskurve wird in ganzen dB-Schritten verschoben, bis die Unterschreitungen im Mittel höchstens 2 dB betragen. Abgelesen wird bei 500 Hz.

    Für einschalige Bauteile gilt das Massegesetz. Je schwerer ein Bauteil pro Quadratmeter, desto besser dämmt es. Eine Näherung für massive Bauteile über 100 kg/m² lautet \(R_w \approx 32{,}4 \cdot \lg m' - 26\) dB. Eine 20 cm dicke Stahlbetonwand mit 480 kg/m² erreicht damit rund 61 dB. „Masse ist in der Akustik oft alles“ lautet der dazugehörige Merksatz.

    Wo dünne Platten schwächeln

    Das Massegesetz hat eine Grenze. Trifft Schall schräg auf eine Platte, regt er in ihr Biegewellen an. Stimmen die Spur der Luftschallwelle und die Biegewellenlänge überein, schwingt die Platte besonders leicht mit, und die Dämmung bricht ein. Die Frequenz, ab der das auftritt, heißt Koinzidenzfrequenz.

    Bei dicken, massiven Bauteilen liegt sie sehr tief. 25 cm Beton erreichen etwa 78 Hz, also unter dem bauakustischen Bereich. Bei dünnen, biegesteifen Platten liegt sie mitten im Hörbereich. 8 mm Glas haben eine Koinzidenzfrequenz von rund 1560 Hz, mitten in der Sprache. Für Glas gilt die einfache Rw-Näherung deshalb nicht.

    [Abbildung: Koinzidenzfrequenz über der Plattendicke für Beton, Ziegel, Gipskarton und Glas, mit markiertem Bereich 100 bis 3150 Hz.]

    Wann zwei Schalen schaden

    Ein zweischaliges Bauteil besteht aus zwei Schalen mit einer federnden Schicht dazwischen. Es bildet ein Masse-Feder-Masse-System mit einer Resonanzfrequenz. Unterhalb dieser Frequenz schwingen beide Schalen gemeinsam, an der Resonanz verschlechtert sich die Dämmung, erst darüber spielt die Konstruktion ihren Vorteil aus. Das Ziel ist deshalb eine möglichst tiefe Resonanzfrequenz.

    Dass zwei Schalen auch schaden können, zeigte die Einführung der Wärmedämmverbundsysteme. Die dünne Putzschale auf dem Dämmstoff bildete mit der Massivwand ein System mit ungünstiger Resonanz. Bewohner an Hauptstraßen hörten danach tiefe Verkehrsgeräusche deutlicher als vorher. Bei Leichtbauwänden übertragen Ständer und Anschlüsse Schall von Schale zu Schale. Getrennte Ständerreihen und elastische Verbindungen schaffen Abhilfe, müssen aber standfest bleiben.

    Zusammenfassung

    Im Freien sinkt der Pegel mit dem Abstand, und Lärmschutzwände wirken über den Beugungswinkel, am besten nahe der Quelle. Bauteile dämmen vor allem durch Masse, bis die Koinzidenz bei dünnen Platten wie Glas einen Einbruch erzeugt. Zweischalige Bauteile sind nur dann besser als einschalige, wenn ihre Resonanzfrequenz tief genug liegt.

  • Wenn die Wand mithört: Flankenübertragung rechnen

    Eine Trenndecke aus Stahlbeton erreicht im Labor ein bewertetes Schalldämm-Maß von rund 58 dB. Im fertigen Gebäude kommen zwischen den beiden Räumen nur noch 60 dB Standard-Schallpegeldifferenz an, obwohl ein schwimmender Estrich die Decke zusätzlich verbessert. Die fehlende Wirkung geht über die Wände verloren, die oben und unten an die Decke anschließen.

    Die zweite Übung im Technischen Ausbau bei Matthias Schuß (TU Wien) rechnet diese Flankenübertragung vollständig nach. Die Zahlen hier sind neutrale Beispielwerte, keine Abgabevariante.

    Dreizehn Wege durch eine Decke

    Bei einer Trenndecke gibt es einen direkten Weg und für jede der vier Wände drei weitere. Die Wege werden mit zwei Buchstaben bezeichnet. Großbuchstaben stehen für den Senderaum, Kleinbuchstaben für den Empfangsraum, D für das Trennbauteil, F für die Flanke.

    • Dd: durch die Decke
    • Ff: von der Wand oben in die Wand unten, gerade weiter
    • Fd: von der Wand oben in die Decke, um die Ecke
    • Df: von der Decke in die Wand unten, um die Ecke

    Mit vier Flanken ergeben sich 1 + 4 · 3 = 13 Wege. Die Standard-Schallpegeldifferenz entsteht aus ihrer energetischen Summe:

    $$D_{nT,w} = -10 \cdot \lg \left[ \sum_i 10^{-D_i/10} \right]$$

    Zu beachten ist das Minuszeichen. Je kleiner der Wert eines Weges, desto mehr Schall geht über ihn.

    Die Formeln der einzelnen Wege

    Für den Direktweg gilt:

    $$D_{nT,Dd,w} = R_{s,w} + \Delta R - 10 \cdot \lg S_s + 10 \cdot \lg V - 5$$

    Für die Flankenwege gilt:

    $$D_{nT,Ff,w} = \frac{R_{F,w} + R_{f,w}}{2} + \Delta R + K_{Ff} + 10 \cdot \lg V - 10 \cdot \lg l_f - 5$$

    Bei Fd und Df steht anstelle eines der beiden Flankenwerte das Schalldämm-Maß der Decke.

    Das Volumen V ist das des Empfangsraums. Die Kopplungslänge lf ist die Länge der Linie, an der Decke und Wand zusammenstoßen. Das bewertete Schalldämm-Maß der Rohbauteile wird ohne Vorsatzschalen über \(R_w \approx 32{,}4 \cdot \lg m' - 26\) abgeschätzt.

    Das Beispiel: Decke mit 400 kg/m², Rs,w = 58,3 dB, Fläche 20 m². Alle vier Wände mit je 300 kg/m², Rw = 54,3 dB, Kopplungslänge je 5 m, Kreuzstöße. Empfangsraum 50 m³. Auf der Decke liegt ein schwimmender Estrich mit ΔR = 10 dB, die Wände haben keine Vorsatzschalen.

    Welche Vorsatzschale im Weg liegt

    Eine Vorsatzschale verbessert nur die Wege, die durch sie hindurchführen. Bei Ff zählen Vorsatzschalen auf der Wand oben und auf der Wand unten. Bei Fd zählen die Wand oben und die Deckenunterseite. Bei Df zählen die Deckenoberseite und die Wand unten. Liegen zwei Vorsatzschalen im selben Weg, wird die größere Verbesserung voll und die kleinere zur Hälfte angesetzt.

    Im Beispiel liegt der Estrich auf der Deckenoberseite im Senderaum. Er verbessert deshalb Dd und Df um 10 dB, aber weder Ff noch Fd. Ein häufiger Fehler ist, ihn allen Wegen gutzuschreiben.

    Die Verbesserung einer Vorsatzschale folgt aus ihrer Resonanzfrequenz. Liegt diese bei höchstens 80 Hz, gilt laut Normtabelle \(\Delta R_w = 35 - R_w/2\). Zwischen den Tabellenzeilen wird über den Logarithmus der Frequenz interpoliert.

    Was Kij über einen Stoß aussagt

    Das Stoßstellendämmmaß beschreibt, wie stark ein Stoß die Weiterleitung des Körperschalls bremst. Es hängt vom Verhältnis der Massen ab, \(M = \lg(m'_s / m'_f)\), und davon, ob der Schall gerade weiterläuft oder um die Ecke muss. Für einen starren Kreuzstoß gilt geradeaus \(K_{ij} = 8{,}7 + 17{,}1\,M + 5{,}7\,M^2\), um die Ecke \(K_{ij} = 8{,}7 + 5{,}7\,M^2\). An einer Außenwand, wo die Decke nur von einer Seite anstößt, gelten die Formeln des T-Stoßes.

    Im Beispiel ist \(M = \lg(400/300) = 0{,}125\). Daraus folgen KFf = 10,9 dB und KFd = KDf = 8,8 dB. Ist die Decke leichter als die Wand, wird M negativ, und der lineare Term zieht ab. Das Vorzeichen zu verlieren, gilt als typischer Prüfungsfehler.

    Wann die Flanken dominieren

    Mit \(10 \cdot \lg 50 = 17{,}0\) dB und \(10 \cdot \lg 5 = 7{,}0\) dB ergeben sich die Wege:

    • \(D_{Dd} = 58{,}3 + 10 - 13{,}0 + 17{,}0 - 5 = 67{,}3\) dB
    • \(D_{Ff} = 54{,}3 + 0 + 10{,}9 + 17{,}0 - 7{,}0 - 5 = 70{,}2\) dB
    • \(D_{Fd} = 56{,}3 + 0 + 8{,}8 + 17{,}0 - 7{,}0 - 5 = 70{,}1\) dB
    • \(D_{Df} = 56{,}3 + 10 + 8{,}8 + 17{,}0 - 7{,}0 - 5 = 80{,}1\) dB

    Mit vier gleichen Flanken ergibt die energetische Summe DnT,w = 60,0 dB. Das liegt deutlich unter dem Direktweg von 67,3 dB. Der Direktweg trägt nur knapp ein Fünftel der Energie bei. Die größten Anteile kommen über Ff und Fd, also über die Wände, die der Estrich nicht verbessert.

    Die Folgerung für den Entwurf: Eine bessere Decke allein bringt hier wenig. Wirksamer wären Vorsatzschalen auf den Wänden oder schwerere Flanken. Bei einer leichten Decke an schweren Wänden kann es umgekehrt sein, dann dominiert der Direktweg. Erst die Rechnung aller Wege zeigt, wo die Schwachstelle liegt.

    [Abbildung: Schnitt durch Decke und Flanke mit den Wegen Dd, Ff, Fd und Df als farbige Pfeile, Estrich auf der Sendeseite.]

    Zusammenfassung

    Die Standard-Schallpegeldifferenz entsteht aus der energetischen Summe von bis zu dreizehn Wegen durch Trennbauteil und Flanken. Für jeden Weg zählen nur die Vorsatzschalen, durch die er tatsächlich führt, und der Stoß bestimmt mit Kij, ob er gerade oder um die Ecke läuft. Welcher Weg dominiert, hängt vom Verhältnis der Massen ab und zeigt, wo eine Verbesserung wirkt.