Energie, Technik & Baustoffe
Bauakustische Untersuchungen für anspruchsvolle Flachdächer: Luftschalldämmung von Gründächern
Text: Andreas Rabold, Sandra Heinrichsberger & Stefan Bacher | Foto (Header): © JANET DE GRAAF – stock.adobe.com
Bei der Planung moderner Büro- und Wohngebäude ist vor allem im Bereich der mehrgeschossigen Bauweise i. d. R. ein Flachdach oder ein flach geneigtes Dach mit ausgebautem Dachgeschoss vorgesehen. Um den Ansprüchen aus Wärmeschutz, Statik, Brandschutz und Schallschutz gerecht zu werden, müssen diese Dachkonstruktionen einer ganzen Reihe von Kriterien entsprechen. Auch im Bereich des Schallschutzes variieren die Ansprüche je nach Ausführung und Nutzung des Dachelements als reines Dachelement oder als begehbare Dachterrasse.
Auszug aus:
QUARTIER
Ausgabe 3.2023
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Um sichere Planungsunterlagen zu erhalten, wurden im Rahmen eines Forschungsprojekts am ift Rosenheim verschiedene Konstruktionsvarianten von Flachdächern, Dachterrassen und leicht geneigten Dächern untersucht. Die bauakustische Prüfung ergab für den Großteil der untersuchten Aufbauten erfreulich gute Werte und Planungsdaten für die Luft- und Trittschalldämmung, die nun in die Überarbeitung des Bauteilkatalogs der DIN 4109-33 einfließen.
Überraschende Ergebnisse boten hingegen Gründachaufbauten, deren Schalldämmung deutlich hinter vergleichbaren Dächern mit Kiesdachaufbau zurückblieb. In einem aktuellen Projekt [1] lag der
Fokus der Untersuchungen deshalb auf der schalltechnischen Wirksamkeit der einzelnen Bauteilschichten von Gründachaufbauten. Auf den Erkenntnissen aufbauend, wurden nun auch für Gründachaufbauten geeignete Planungsdaten für den Bauteilkatalog erarbeitet.
Neben dem Substrat und der Begrünung unterscheiden sich Gründachaufbauten von Kiesdächern in der Ausführung der Drainage-, Speicher- und Schutzebene. Da erste Vergleiche zeigten, dass diese Zusatzschichten einen negativen Einfluss auf die Schalldämmung haben können [2], sollten sie gezielt untersucht werden. Zusammen mit den weiteren Bauteilschichten ergaben sich folgende Einflussgrößen:
- Einfluss des Gründachsubstrats im Vergleich zum Kies
- Einfluss der Drainageebene und der Schutzlage
- Einfluss des Dachelements (Balkenlage oder Massivholzelement)
Neben diesen konstruktiven Einflüssen wurden auch der Einfluss des Feuchtegehalts im Substrat und die Messrichtung (Schalldämmung nach innen oder Emission nach außen) untersucht. Die Untersuchungen wurden an praxisnahen Dachaufbauten durchgeführt, um die Einflussgrößen auf die Schalldämmung beschreiben und Planungsunterlagen gut geeigneter Konstruktionen zur Verfügung stellen zu können. Der Vergleich zwischen Gründach-Substrat und Kies diente auch als Referenzmessung. Die Messung wurde hierzu ohne Drainage- und Schutzlage durchgeführt, um in den darauffolgenden Messungen den Einfluss dieser Schichten gegenüber dem (nicht praxistauglichen) Referenzaufbau darstellen zu können.
1 | Vergleich zwischen Kies (Riesel) und Gründach-Substrat auf: Dachbahn, 140 mm Hartschaum-Dämmplatten, Holzwerkstoffplatte, 220 mm Balkenlage mit 40 mm Faserdämmstoff, Federschiene, 12,5 mm GKF. Referenzaufbau ohne Drainageebene
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
| Einfluss der Schutzlage und der Drainage unterhalb des Gründachsubstrats.
Weiterer Aufbau: Dachbahn, 140 mm Hartschaum-Dämmplatten, Holzwerkstoffplatte, 220 mm Balkenlage mit 40 mm Faserdämmstoff, Federschiene, 12,5 mm GKF
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
Referenzmessung Substrat im Vergleich mit Kies
Die Messergebnisse von zwei untersuchten Substraten konnten vorhandenen Messdaten eines Kiesdachs gegenübergestellt werden, um Rückschlüsse auf den Einfluss des Substratgefüges sowie der Schüttdichte ziehen zu können (Abb. 1). Bei diesen Referenzaufbauten ohne Drainageebene zeigt sich die Gleichwertigkeit der Aufbauten mit Substrat (mineralische Schüttungen) geROSENHEIMgenüber dem Kiesdachaufbau. Durch die Zusatzmasse von 80 bis 100 kg verbessert sich das bewertete Schalldämm-Maß um rund 15 dB gegenüber der Grundkonstruktion ohne Dachaufbau (Rw = 55 dB).
Einfluss der Schutzlage und der Drainage
Nach dem Vergleich zwischen Kiesdachaufbau und Gründachaufbau ohne Drainageebene, der nun als Referenz dient, wurde im nächsten Schritt der Einfluss der Schutzlage und der Drainageelemente untersucht. Die Abb. 2 zeigt im Vergleich zum Referenzaufbau (Kurve a) die Ergebnisse für den Gründachaufbau mit einer 4-mm-Faserschutzmatte (Kurve b) und mit zusätzlicher Drainageebene aus tiefgezogenem Kunststoff (Kurve c). Die Reduzierung der Schalldämmung durch die Schutzlage beträgt im Einzahlwert 4 bis 5 dB, mit zusätzlichem Drain- und Speicherelement 6 bis 7 dB. Frequenzabhängig zeigen sich die stärksten Unterschiede bei 63 bis 250 Hz.
Die schalltechnischen Unterschiede zwischen Kies- und Gründächern sind somit eindeutig auf die zusätzlichen Funktionsschichten der Drain-, Speicher- und Schutzebene zurückzuführen. Des Weiteren ist ersichtlich, dass sich die Einflüsse in Abhängigkeit von der Schalldämmung des Grundelements unterschiedlich stark ausbilden. Als Grundelement wurde hierzu neben der Balkenlage mit abgehängter Unterdecke (Rw = 55 dB) ein Massivholzelement (Rw = 38 dB) verwendet. Während bei der hier untersuchten Balkenlage lediglich 6 bis 7 dB Reduzierung des bewerteten Schalldämm-Maßes auftraten, betrug die Reduzierung bei dem Massivholzelement in [2] bis zu 16 dB.
Auf dem Drainageelement wird üblicherweise ein Filtervlies angeordnet. Es ist aber auch eine Ausführung ohne das Vlies möglich. Ein Vergleich der Standard-Ausführung mit Filtervlies gegenüber der Ausführung mit substratgefüllten Drainageelementen wird in Abb. 3, Kurve a und Kurve b dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich die Schalldämmung durch die Befüllung der Drainageelemente mit Substrat zunächst nur geringfügig verbessert.
Die Verbesserung ist im Wesentlichen auf die etwas höhere flächenbezogene Masse des Aufbaus zurückzuführen. Ein Einfluss des Filtervlieses ist nicht erkennbar. Wird die flächenbezogene Masse weiter erhöht, verbessert sich die Schalldämmung des Dachaufbaus entsprechend. In Abb. 3, Kurve c wird dies durch die Wahl eines Substrats mit höherer Schüttdichte kombiniert mit höheren Drainageelementen erreicht.
3 | Vergleich der Drainageelemente aus tiefgezogenem Kunststoff mit Filtervliesabdeckung gegenüber substratgefüllten Drainageelementen unterschiedlicher Höhe. Weiterer Aufbau: Dachbahn, 140 mm Hartschaum-Dämmplatten, Holzwerkstoffplatte, 220 mm Balkenlage mit 40 mm Faserdämmstoff, Federschiene, 12,5 mm GKF
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
4 | Materialkennwerte der Schutzlagen
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
Eine Variation der als Schutzlage zur Verfügung stehenden Materialien sollte das Optimierungspotenzial durch eine geeignete Materialwahl aufzeigen. Hierzu wurden bauübliche Materialien als Schutzlage zunächst in Bezug auf ihre dynamische Steifigkeit und Materialdämpfung untersucht. Die Tabelle zeigt für diese Schutzlagen die Messergebnisse der Materialprüfungen. Die dynamische Steifigkeit s‘ der Schutzlagen variiert zwischen 104 MN/m³ und 225 MN/m³, der Dämpfungsgrad D zwischen 0,05 und 0,12.
Für die Luftschallmessung am kompletten Dachaufbau wurden auf Basis der Materialprüfungen im Vergleich zur bereits gemessenen 4-mm-Faserschutzmatte FSM 600 das 1,6-mm-Systemfilter-Vlies und die 6-mm-Gummigranulat-Schutzmatte ausgewählt. Die Ergebnisse werden in Abb. 5 gezeigt. Die Messergebnisse der Schalldämm-Maße sind nahezu deckungsgleich. Eine Variation der Schutzlage scheint somit keinen wesentlichen Einfluss auf die Schalldämmung zu haben.
5 | Vergleich verschiedener Schutzlagen unterhalb der HDPE-Drainageelemente. Weiterer Aufbau: Dachbahn, 140 mm Hartschaum-Dämmplatten, Holzwerkstoffplatte, 220 mm Balkenlage mit 40 mm Faserdämmstoff, Federschiene, 12,5 mm GKF
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
6 | Variation der Drainageebene. Weiterer Aufbau: Dachbahn, 140 mm Hartschaum-Dämmplatten, Holzwerkstoffplatte, 220 mm Balkenlage mit 40 mm Faserdämmstoff, Federschiene, 12,5 mm GKF
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
Zur Untersuchung des Einflusses der Drainage wurden drei Aufbauten untersucht, die sich hauptsächlich im Drainagetyp unterscheiden. Neben der bisher dargestellten HDPE-Drainage wurden eine EPS-Drainage und eine mineralische Schüttung als Drainageebene geprüft. Wie Abb. 6 zeigt, ergaben die EPS-Drainageelemente (Kurve b) im Vergleich zu den HDPE-Drainageelementen (Kurve a) geringfügig bessere Werte. Eine deutliche Verbesserung ergab der Einsatz der mineralischen Drainage (Kurve c). Der Aufbau mit mineralischer Drainage ist gleichwertig zum Referenzaufbau bzw. zum Kiesdachaufbau.
Einfluss des Dachelements: Balkenlage und Massivholzelement
Die Gründachaufbauten sollten auf unterschiedlichen Grundkonstruktionen untersucht werden. Betrachtet wurden ein Balkentragwerk mit Unterdecke sowie ein Massivholzelement aus Brettsperrholz. Wird auf den Grundelementen der Gründachaufbau mit mineralischer Drainageebene angeordnet, so zeigt er auch auf dem Massivholzelement die volle Verbesserung, wodurch auch das Massivholzelement mit diesem Gründachaufbau gleichwertig zum Kiesdachaufbau ist (Abb. 7). Beide Konstruktionen werden um ca. 15 dB verbessert.
Ein Vergleich des Gründachaufbaus mit HDPE-Drainageelementen auf den beiden Grundelementen wird in Abb. 8 gezeigt. Um das Massivholzelement zu ertüchtigen, wurde eine Beschwerung von 75 kg/m² als Kiesschüttung zwischen Vierkanthölzern aufgebracht. Dadurch werden auch mit diesem Aufbau Planungswerte erreicht, die den Einsatz bei höheren Außenlärmpegeln ermöglichen.
7 | Gründachaufbau mit mineralischer Drainageebene auf Balkenelement und Massivholzelement
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
8 | Gründachaufbau mit HDPE-Drainageelementen auf dem Balkenelement und dem Massivholzelement mit Beschwerung
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
Die Ergebnisse der geprüften Gründachaufbauten wurden mit den Ergebnissen des Flachdachprojekts und den bisherigen Planungsdaten für Steil- und Flachdächer in DIN 4109-33 zusammengeführt und dem Normungsausschuss für die aktuelle Überarbeitung von Teil 33 zur Verfügung gestellt [3]. Die darin enthaltenen Gründachaufbauten sind in nachfolgender Tabelle gelistet.
Der Fokus der bauakustischen Untersuchungen im vorgestellten Projekt lag auf dem Einfluss der einzelnen Bauteilschichten in einem Gründachaufbau. Von einem Referenzaufbau ohne Drain-, Speicher- und Schutzebene ausgehend, wurde hierzu zunächst die Veränderung der Schalldämmung durch den Einbau der Drainageebene und der Schutzlage (Fasermatte) ermittelt. Die Ergebnisse zeigten eine eindeutige Reduzierung der Schalldämmung durch den Einbau der genannten Bauteilschichten.
Zur Variation der Schutzlage wurden zwei unterschiedliche Faservliese und eine Gummigranulatmatte untersucht. Die Ergebnisse zeigten keine nennenswerten Unterschiede. Die Variation der Drainageebene ergab hingegen einen deutlicheren Einfluss. Hier wurden Drainageelemente aus tiefgezogenem Kunststoff (HDPE oder PS), Elemente aus EPS und eine mineralische Drainage verglichen. Die mineralische Drainage war gleichwertig zum Referenzaufbau und damit deutlich besser als die HDPE-, PS- und EPS-Drainageelemente. Durch das zusätzliche Befüllen der HDPE- und PS-Drainageelemente mit Substrat konnte aufgrund der Masseerhöhung eine Verbesserung von 1 bis 3 dB erreicht werden.
Eine Durchfeuchtung des Gründachaufbaus zeigte bei den Vergleichsmessungen im Projekt keinen Einfluss.
Für die Gründachaufbauten auf Balkenlagen mit entkoppelten Unterdecken konnten auf Basis der geprüften Aufbauten Planungsdaten mit bewerteten Schalldämm-Maßen zwischen 64 und 70 dB zusammengestellt werden, die auch für den Einsatz im innerstädtischen Bereich mit höheren Außenlärmpegeln geeignet sind.
Für Gründachaufbauten mit Massivholzelementen kann der Gründachaufbau mit mineralischer Drainageebene empfohlen werden. Für Drainageebenen aus tiefgezogenem Kunststoff bietet sich eine zusätzliche Beschwerung des Dachelementes an, die sich auch positiv auf die Flankendämmung des Dachelements bei Trennwänden im Dachgeschoss auswirkt. Gleiches kann durch eine entkoppelte Unterdecke erreicht werden [1].
9 | Auszug aus dem Entwurf für den Bauteilkatalog der DIN 4109-33
ABBILDUNG: IFT ROSENHEIM
Definitionen
Der längenbezogene Strömungswiderstand r wird als Maß für die bauakustische Eignung eines Dämmstoffes verwendet. Ist der Strömungswiderstand zu gering, wird der Dämmstoff von der Schallwechseldruckwelle nahezu ungehindert durchdrungen. Bei einem zu hohen Strömungswiderstand ist die Durchdringung zu gering. Im optimalen Bereich (i. d. R. für 5 kPa·s/m² ≤ r ≤ 100 kPa·s/m²) wirkt der Dämmstoff durch Reibung der Schallwechseldruckwelle an den Porenoberflächen und Reibung zwischen den Fasern.
Die dynamische Steifigkeit s‘ gibt die Federsteifigkeit eines Materials bei dynamischer Belastung an. s‘ wird flächenbezogen in MN/m³ (MN/m pro m²) angegeben. Geringe dynamische Steifigkeiten verschieben die Masse-Feder-Masse-Resonanz, ab der zwei Bauteilschichten ein entkoppeltes Schwingverhalten zeigen, zu tiefen Frequenzen. Sehr weiche Trittschalldämmplatten beginnen ab s‘ = 6 MN/m³
Der Dämpfungsgrad D beeinflusst maßgeblich die Schwingungsamplituden bei der Resonanz. Ist der Dämpfungsgrad D groß, fällt der Resonanzeinbruch der Schalldämmung einer zwei- oder mehrschaligen Konstruktion geringer und damit weniger störend aus. Dämpfungsgrade üblicher Bauteile liegen bei D = 0,005 bis 0,01. Dämpfungsgrade von Dämmstoffen und Schüttungen können deutlich höher ausfallen und damit z. T. maßgeblich zur Bedämpfung des Bauteils beitragen.
Quellen
[1] Heinrichsberger, S., Bacher, S., Mooser, B., Rabold, A., Einfluss der Bauteilschichten eines Gründaches auf die Luftschalldämmung der Dachkonstruktion – Erarbeitung von zusätzlichen Erkenntnissen zur Erweiterung des Bauteilkatalogs in DIN 4109-33, Forschungsprojekt ift Rosenheim, 2022
[2] Châteauvieux-Hellwig C., Bacher, S., Rabold, A., Schallschutz von Flachdächern in Holzbauweise – Luft- und Trittschalldämmung von Flachdächern und Dachterrassen, Forschungsprojekt ift Rosenheim, 2019
[3] Mooser, B., Untersuchung und Zusammenstellung schalltechnischer Kenndaten verschiedener Dachkonstruktionen – Materialprüfung, Bauteilprüfung und Bauteilkatalog, Bachelor Thesis TH Rosenheim, 2021
Die Autoren
Prof. Dr.-Ing. Andreas Rabold
Prof. Dr.-Ing. Andreas Rabold war von 1996 bis 2014 während und nach seinem Holztechnik-Studium und der Promotion im Bauingenieurwesen als Prüfingenieur, Produktingenieur und Prüfstellenleiter am ift Rosenheim tätig. Seit 2014 lehrt er hauptberuflich an der Technischen Hochschule Rosenheim im Bereich Bauphysik und Bauinformatik. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Bauakustik für den Holzbau.
Sandra Heinrichsberger
Stefan Bacher
ift Rosenheim
