SCHALL
Einleitung
Neben dem Sehvermögen ist das Hören für unsere Wahrnehmung und Orientierung in der Umwelt enorm bedeutsam. Deshalb ist Schallschutz als Planungsaufgabe für Gebäude ein wichtiges Kapitel der Bauphysik. Dabei geht es nicht nur um das Eindringen von Schall durch die Außenbauteile, sondern auch um seine Weiterleitung innerhalb des Bauwerks. Lärm verursacht nicht nur direkte Schädigungen des Gehörsinns. Er hat auch physiologische und psychologische Auswirkungen, beeinträchtigt das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit, kann erheblichen Stress auslösen und beeinflusst das Herz-Kreislaufsystem. Lärm stört Denkprozesse, behindert Kommunikation und beeinträchtigt Erholung. Deshalb gelten Grenzen für Schalleinwirkungen auf Menschen, die nicht überschritten werden dürfen.
In diesem Kapitel werden neben den Grundlagen der Schallausbreitung die für Glas, Fenster und Fassaden relevanten Kenngrößen erläutert und die Wirkungsweise von Schallschutz mit Glas beschrieben.
Ausbreitung von Schall, Schallarten
Schallwellen benötigen zu ihrer Ausbreitung zwingend ein Medium. Im Vakuum gibt es keinen Schall. Schall wird durch mechanische Schwingungen erzeugt. In der Luft sind dies Druckschwankungen, die den atmosphärischen Luftdruck überlagern. In Gasen und Flüssigkeiten schwingen diese Druckwellen in ihrer Ausbreitungsrichtung (Longitudinalwellen), in Festkörpern gibt es auch andere kompliziertere Wellenformen. Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit ist abhängig vom Wellentyp und Medium. In der Luft beträgt sie ca. 343 m/s.
Darstellung einer Schallwelle mit Druckschwankungen der Luft
Akustik ist die Lehre vom Schall, die sämtliche Aspekte wie die Entstehung und Erzeugung, die Ausbreitung, die Beeinflussung und die Analyse von Schall untersucht. Das Teilgebiet der Bauakustik befasst sich mit dem Schallschutz von Gebäuden. Ziel ist der Schutz von Aufenthaltsräumen gegen eindringende Geräusche aus anderen Räumen, aus gebäudetechnischen Anlagen und gegen Außenlärm. Raumakustik hingegen kümmert sich je nach geplanter Nutzung um die akustische Qualität von Räumen, um beispielsweise die Sprachkommunikation in Büroräumen oder Nachhallzeiten in Konzertsälen und Sportstätten optimal zu gestalten.
Schall, der sich in Luft ausbreitet, heißt Luftschall, im Gegensatz zum Körperschall, der durch feste Medien weitergeleitet wird. An Bauteiloberflächen kann Körperschall als Luftschall abgestrahlt werden und umgekehrt. Trittschall ist Körperschall, der durch Gehen in Gebäuden hervorgerufen wird. Die Ausbreitung von Luftschall wird in physikalisch komplexen Vorgängen durch Beugung an Hindernissen oder Öffnungen und durch Reflexion an Oberflächen beeinflusst. Dadurch entstehen diverse akustische Effekte wie der Nachhall in Räumen oder das Echo.
Erreicht eine Schallwelle das Ohr, gerät das Trommelfell in Schwingung und erzeugt durch komplizierte Vorgänge das Hören. Eine einzelne Schwingung mit einer bestimmten Frequenz ergibt einen Ton, wobei die Frequenz die Anzahl von Schwingungen pro Sekunde bezeichnet, die Einheit ist Hertz, 1 Hz = 1/s. Der für das Einstimmen von Instrumenten wichtige Kammerton a ist auf 440 Hz festgelegt. Mit Erhöhung der Frequenz steigt die Tonhöhe. Bei bestimmten Frequenzabständen ergeben sich Intervalle, wie z. B. die Oktaven bei Frequenzverdopplung bzw. -halbierung, oder Terzen, Quarten und Quinten. Diese Intervalle spielen bei der Bildung harmonischer Klänge eine Rolle. Die Überlagerung mehrerer Töne lässt einen Klang entstehen, viele unzusammenhängende Töne ergeben gemeinsam ein Geräusch.
Der Hörfrequenzbereich des Menschen reicht von 16 bis 20.000 Hz, Infraschall liegt unterhalb des menschlichen Hörfrequenzbereiches, Ultraschall darüber.
Lärm wird als unerwünschter Hörschall definiert, der zu Störungen, Belästigungen, Beeinträchtigungen oder Schäden führen kann. Allerdings machen allein schon die unterschiedlichen Vorlieben im Musikgeschmack deutlich, dass es sehr von der individuellen Bewertung durch die wahrnehmende Person abhängt, ob Schall als störender Lärm empfunden wird oder glücklich macht.
Mit Interferenz wird die Überlagerung von Wellen bezeichnet, die sich dadurch gegenseitig verstärken oder abschwächen können. Durch künstlich erzeugte, exakt entgegengesetzte Schwingungen (Antischall) kann Schall sogar ausgelöscht werden. Unterscheiden sich zwei überlagerte Schallschwingungen nur geringfügig in ihrer Frequenz, führt das zu einem An- und Abschwellen (Schwebung).
Der Schalldruck gibt die Kraft pro Fläche an, die durch eine Schallschwingung ausgeübt wird. Er ist ein Maß für die Stärke eines Schallereignisses und bestimmt die Wahrnehmbarkeit. Das menschliche Ohr kann Schalldrücke zwischen 0,00002 Pascal bis etwa 200 Pascal wahrnehmen. Diese enorme Bandbreite über 7 Zehnerpotenzen zeigt, dass der Hörvorgang nicht linear abläuft, sondern dynamisch. Die doppelte Lautstärke bedeutet nicht einen doppelten, sondern einen vielfachen Schalldruck. Deswegen wird für die Bewertung von Lautstärke eine logarithmische Skala gewählt, die eine anschauliche Darstellung ermöglicht. Durch logarithmische Umrechnung und den Bezug auf die menschliche Hörschwelle wird der Schalldruck zum Schalldruckpegel (auch kurz: Schallpegel), der in Dezibel (dB) angegeben wird und die Stärke eines Schallereignisses beschreibt. Die menschliche Hörschwelle bei 0,00002 Pa wird dadurch mit 0 dB definiert, das obere Ende der Skala bei 200 Pa ergibt 140 dB.
Wahrnehmungsbereich des menschlichen Ohres
(Quelle: www.staedtebauliche-laermfibel.de)
Die Schmerzgrenze für ein Hörereignis liegt bei 120 bis 130 dB. Dieser sehr hohe Schalldruckpegel verursacht auch bei kurzzeitiger Einwirkung eine Schädigung des Gehörs. Bei längerfristiger Einwirkung liegt die Grenze für Gehörschäden bereits bei 85 dB.
Typische Geräuscharten mit ihrer Lautstärke und subjektives Empfinden:
Der Schalldruckpegel ist eine technische Größe, die keine verbindlichen Rückschlüsse auf die subjektive menschliche Empfindung bei der Wahrnehmung zulässt. Als Faustformel gilt: Eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 10 dB wird in etwa als Verdopplung der Lautstärke wahrgenommen. Der menschliche Hörvorgang ist jedoch von der Tonhöhe abhängig, d. h. die Wahrnehmung von Lautstärke ist über den gesamten Hörfrequenzbereich nicht gleichmäßig verteilt. Im Bereich zwischen 2.000 und 5.000 Hz hören wir am besten. Bei tieferen und höheren Frequenzen ist für die gleiche Lautstärkewahrnehmung ein höherer Schalldruck notwendig, weil die Empfindlichkeit des Gehörs in Richtung der Ränder des menschlichen Hörfrequenzbereichs abnimmt. Dieser frequenzabhängige Verlauf der Wahrnehmung von Schall wird bei Bewertungsverfahren für Lautstärke durch Frequenzbewertungskurven berücksichtigt.
Der bewertete Schalldruckpegel wird durch Zerlegen eines gemessenen Spektrums in schmale Frequenzbänder und Gewichtung der Bänder mit der Wahrnehmung ermittelt. Der Gesamtpegel ergibt sich durch Aufsummierung der gewichteten Teilpegel.
Bauakustik
Schallemission bezeichnet das Aussenden von Schall durch eine Schallquelle, Schallimmission die Einwirkung von Schall an anderer Stelle. Für die Einwirkung von Lärm werden vom Gesetzgeber je nach Gebiet Immissionsgrenzwerte vorgegeben.
Als Schallschutz wird insbesondere der Schutz vor Straßen-, Flug- und Schienenlärm sowie Gewerbe- und Nachbarschaftslärm bezeichnet. Dabei wird zwischen aktivem und passivem Schallschutz unterschieden: Aktiver Schallschutz verringert Schallemis- sionen, wie z. B. Schwingungsisolierung von Geräten, Flugverbote oder Flüsterasphalt. Passiver Schallschutz reduziert die Schalleinwirkung am Immissionsort. Letzteres geschieht hauptsächlich durch Maßnahmen zur Schalldämmung, mit denen die Ausbreitung von Luft- und Körperschall reduziert wird.
Schalldämmende Bauteile reduzieren die Schallübertragung durch ausreichend hohe Bauteilmassen, mehrschalige Konstruktionen oder konstruktive bauliche Trennung, wie z. B. bei schwimmendem Estrich. Wird Schalldämmung schlecht ausgeführt, beeinträchtigen Schallbrücken sowie ungeplante Öffnungen und Spalten das Ergebnis. Deshalb ist für die spätere Wirksamkeit schalldämmender Bauteile nicht nur der Bauteilkennwert, sondern immer auch die Qualität des Einbaus entscheidend.
Prüfstände zur Messung von Bauteilen, wie z. B. Verglasungen oder Fenster, bestehen aus zwei aneinandergrenzenden Räumen, in deren Trennwand das zu prüfende Bauteil mit der Abmessung 1,23 x 1,48 m eingebaut wird. Dabei wird durch entsprechende bauliche Maßnahmen dafür gesorgt, dass auch wirklich nur die Schallübertragung durch das Bauteil selbst und nicht zusätzlich eine so genannte Flankenübertragung über den Bauteilanschluss gemessen wird. Der auf das Bauteil im Senderaum auftreffende Schall wird in den Empfangsraum übertragen, indem er das Bauteil in Schwingungen versetzt, die wiederum die Luft im Empfangsraum zu Schwingungen anregen.
Nach den Vorgaben der Norm DIN EN ISO 10140-2 zum Prüfverfahren für die Luftschallmessung wird im Senderaum im Frequenzbereich von 100 bis 5.000 Hz abschnittsweise Schall in Terzschritten erzeugt. Sowohl im Senderaum als auch im Empfangsraum werden dazu die energetisch gemittelten Schalldruckpegel gemessen und daraus jeweils das frequenzabhängige Schalldämm-Maß R bestimmt. Durch eine normierte Verfahrensweise wird aus diesem Spektrum ein einzelner, repräsentativer Zahlenwert (Einzahlwert), das bewertete Schalldämm-Maß Rw, ermittelt. Nach DIN EN ISO 717-1 wird hierfür eine von der Norm vorgegebene Bezugskurve in 1 dB-Schritten so lange vertikal verschoben, bis die ungünstigen Abweichungen (Messwertkurve liegt unter Bezugskurve) im Mittel nicht mehr als 2 dB betragen. Rw ist dann derjenige Wert, der an der Bezugskurve bei 500 Hz auf der y-Achse abgelesen wird.
Beispiel Schalldämmkurve und Ermittlung des bewerteten Schalldämm-Maßes Rw
Aus dem bewerteten Schalldämm-Maß Rw allein lassen sich keine Rückschlüsse auf das Schalldämmverhalten bei einzelnen Frequenzen ziehen. Je nach Situation kann Lärm aus unterschiedlichen Frequenzanteilen bestehen, z. B. an einer Straßenkreuzung mit anfahrenden Lastwagen aus einem größeren Anteil an tiefen Frequenzen.
In solchen Fällen kann es hilfreich sein, neben dem Einzahlwert Rw auch die Schalldämmkurve im Detail zu betrachten. Bauteile mit demselben Wert für das bewertete Schalldämm-Maß können sich in den einzelnen Frequenzbereichen trotzdem signifikant unterscheiden.
Beim bewerteten Bau-Schalldämm-Maß R’w („R-Strich-w“) symbolisiert der Apostroph, dass das Bauteil im eingebauten Zustand inklusive aller Nebenwege des Schalls gemessen wurde.
Um unterschiedliche Frequenzspektren z. B. von Wohn- und Verkehrsgeräuschen zu berücksichtigen, wurden die Spektrum-Anpassungswerte C und Ctr eingeführt. Sie bezeichnen einen bauteilspezifischen Wert in dB, der zum bewerteten Schalldämm-Maß Rw addiert werden muss, zur Anpassung an bestimmte Standardlärmsituationen. Der Anpassungswert C betrifft wenig tiefe Frequenzen wie Lärm aus Wohnaktivitäten, Schienenverkehr mit mittlerer und hoher Geschwindigkeit, Lärm von Schulen und spielenden Kindern. Der Anpassungswert Ctr dient der Beurteilung von Lärmsituationen mit großen Tieftonanteilen, wie z. B. städtischen Straßenverkehr, Schienenverkehr mit geringen Geschwindigkeiten, Fluglärm oder Lärm von Diskotheken. Die Zahlenwerte von C und Ctr liegen zwischen 0 und -10 dB.
Die Schreibweise ist beispielsweise wie folgt: Rw (C; Ctr) = 40 (-1; -5) dB. Dieses Bauteil hat eine Schalldämmung in Bezug auf Wohnlärm von 40 dB - 1 dB = 39 dB und in Bezug auf Verkehrslärm von 40 dB – 5 dB = 35 dB.
Folgende Besonderheiten treten bei ein- oder mehrschaligen Bauteilen auf:
- Auftreffender Luftschall erzeugt in Platten eine Biegewelle, die unter anderem von der Biegesteifigkeit der Platte abhängt. Kommt es dabei zu Resonanz, d. h. zum Mitschwingen in der Luftschallfrequenz, führt das zu erhöhter Schalltransmission bzw. zu charakteristischen Einbrüchen der Schalldämmkurve, dem so genannten Koinzidenz-Einbruch. Die Koinzidenz-Grenzfrequenz ist die niedrigste Frequenz, bei der diese Spuranpassung auftreten kann.
- Zwei- oder mehrschalige Bauteile wie z. B. ein Zweifach-Isolierglas wirken als ein Masse-Feder-System. Aus der Kopplung der beiden Scheiben mit der dazwischenliegenden Gasschicht ergibt sich eine weitere Resonanzfrequenz, bei der die Schallkurve einbricht (siehe auch Kapitel Schall und Glas).
Einflüsse auf das bewertete Schalldämm-Maß eines Fensters am Bau
Die Schalldämmung von zusammengesetzten Bauteilen wie Fenstern wird nicht alleine durch das Isolierglas geprägt, obwohl dieses mit 70 bis 80 % den größten Flächenanteil besitzt. Deshalb darf die Schalldämmung der Isolierglasscheibe nicht mit der des Fensters gleichgesetzt werden. Insbesondere hohe Anforderungen an die Schalldämmung des gesamten Fensters sind nur dann erreichbar, wenn alle Komponenten, d. h. Verglasung, Fensterrahmen (Material und Abmessungen), der Beschlag und die Anzahl der Verriegelungen sowie Anzahl und Art der Falzdichtungen sorgfältig miteinander abgestimmt sind und der Fensteranschluss zum Baukörper richtig geplant ist. Eine fachgerechte Montage ist in jedem Fall notwendig. Darüber hinaus kann es wichtig sein, die Einbausituation zu beachten: In hohen Gebäuden weicht die Richtung des Schalleinfalls in den oberen Etagen von der Situation im Prüfstand ab. Bei schrägem bis streifendem Einfall ist die tatsächliche Schalldämmung niedriger.
Für die weiterführende Charakterisierung von Rw, z. B. bei zusammengesetzten Bauteilen, bei Berücksichtigung der Schallübertragung über flankierende Bauteile, bei Messung am Bau oder bei Berechnung des erforderlichen Schalldämm-Maßes für die Kombination von Außenwand und Fenstern wird auf die aktuelle Fassung der DIN 4109 verwiesen. Diese Norm definiert die Mindestanforderungen in Abhängigkeit von Gebäude- und Nutzungsart, aus denen sich die benötigten Bauteilkennwerte ergeben. Nach dieser Norm muss in Deutschland der Schallschutznachweis für ein geplantes Gebäude geführt werden. Wird mehr Komfort durch erhöhten Schallschutz gewünscht, muss dies durch den Bauherrn bereits bei Beginn der Planung festgelegt werden.
Die Europäische Bauprodukten-Verordnung EU-BauPVO Nr. 2024/3110 schreibt in den Grundanforderungen an Bauwerke für den Schallschutz fest: „Das Bauwerk muss derart entworfen und ausgeführt sein, dass der von den Bewohnern oder von in der Nähe befindlichen Personen wahrgenommene Schall auf einem Pegel gehalten wird, der nicht gesundheitsgefährdend ist und bei dem zufriedenstellende Nachtruhe-, Freizeit- und Arbeitsbedingungen sichergestellt sind.“
Schallschutz ist eine Planungsleistung!
Schall und Glas
Generell gilt für die Schalldämmung von Glasprodukten: Einfachglas (Monolithische Scheiben) hat bei gleicher Dicke unabhängig von der Glasart (Float, ESG, TVG, …) immer dasselbe Schalldämm-Maß. Ornamentglas wird akustisch beschrieben durch die Daten für Einfachglas mit der nächstniedrigen Dicke (Ornamentglas 6 mm = Daten für Einfachglas in 5 mm Dicke). Je dicker die Einzelscheibe, umso besser die Schalldämmung.
Schalldämmkurven für drei verschiedene Glasdicken
Verbundglas/Verbundsicherheitsglas gibt es zur Verwendung als Schalldämmglas auch mit verbesserten schalldämmenden Eigenschaften. Hierfür werden als Zwischenlagen weiche, elastische PVB-Folien mit dämpfenden Schallschutzeigenschaften verwendet. Da die Elastizität dieser Schichten von der Temperatur abhängt, können tiefe Temperaturen die Schalldämmung beeinträchtigen. Deshalb sollten solche Verbundgläser in Isolierglasaufbauten bevorzugt auf der Warmseite eingesetzt werden. Die früher zur Verbesserung der Schalldämmung verwendeten Verbundschichten aus Gießharz kommen heute praktisch nicht mehr zum Einsatz.
Vergleich eines symmetrischen Isolierglasaufbaus mit einem unsymmetrischen Aufbau
Neben der Verwendung von VG/VSG mit schalldämmenden Eigenschaften lässt sich die Schalldämmwirkung von Mehrscheiben-Isolierglas durch weitere Faktoren beeinflussen:
- Masse: Dickere Scheiben sind durch mehr dämpfende Masse besser schalldämmend als dünne Gläser, die Koinzidenz-Grenzfrequenz verschiebt sich zu tieferen Werten.
- Scheibenzwischenraum: Ein größerer SZR wirkt sich ebenfalls günstig auf das Schalldämm-Maß aus. Die Doppelscheibenresonanz verschiebt sich dadurch zu tieferen Frequenzen, was sich günstig auf die Bewertung auswirkt. Allerdings ist zu beachten, dass eine Veränderung des SZR auch die Wärmedämmung verändern kann.
- Asymmetrischer Scheibenaufbau: Eine Kombination von Gläsern unterschiedlicher Dicken wirkt sich positiv auf die Schalldämmung aus, weil dann die Koinzidenz-Grenzfrequenzen der Einzelscheiben nicht zusammenfallen.
- Gasfüllung: Die heute üblichen Füllgase Argon und Luft sind bezüglich der Schalldämmung als gleichwertig zu betrachten. Das schwerere Krypton kann die Schalldämmung verbessern, allerdings nur bei höheren Frequenzen. Im tieferen Bereich wird die Schalldämmung durch Krypton verringert. Die Verwendung von Schwefelhexafluorid SF6 für Schallschutzgläser ist auf Grund der extremen Klimaschädlichkeit per EU-Verordnung inzwischen verboten.
Leistungsfähige Schalldämmgläser ergeben sich vor allem aus der Kombination dieser Maßnahmen
Schalltechnische Kennwerte von Glas
Die Europäische Norm DIN EN 12758 regelt die Bestimmung der Schalldämmwerte für alle durchsichtigen, durchscheinenden und opaken Glaserzeugnisse, die für den Gebrauch in verglasten Bauteilen von Gebäuden mit Schallschutzeigenschaften vorgesehen sind und die entweder als Hauptzweck oder als ergänzende Charakteristik Schalldämmung aufweisen. Die Schalldämmung wird in Leistungserklärung und CE-Zeichen aufgeführt. Die Norm enthält eine Tabelle, der standardisierte Schalldämmwerte entnommen werden können.
Ermittelt werden die Schalldämmkurven nach DIN EN ISO 10140-2 und bewertet nach DIN EN ISO 717-1. Außerdem gibt DIN EN ISO 717-1 vor, wie der Rw-Wert angegeben werden muss (siehe Kapitel Bauakustik).
Die Kennwerte von Glas beziehen sich immer auf das gemäß der Prüfnorm vorgegebene Format 1,23 x 1,48 m. Andere Scheibenformate können den Rw-Wert um 1 bis 3 dB verändern.
Im eingebauten Zustand sind die schalldämmenden Eigenschaften durch den Einfluss von verschiedenen, im Kapitel Bauakustik bereits aufgeführten Faktoren verändert.
Mit der richtigen Schallschutzklasse den Schall wirksam reduzieren
Die Wahl der richtigen Schallschutzklasse (nach VDI 2719) hängt hängt von der Geräuschkulisse des Wohnumfelds und Empfindens ab. Im Allgemeinen wird heute die Schallschutzklasse 2 in modernen Häusern verwendet.
Grundsätzlich gilt: je höher die Schallschutzklasse, desto größer die Schalldämmung. Der Schalldämmwert gibt an, wie viel Lärm von außen durch das Fenster abgehalten wird.
Schallschutzklasse 2
- Verringert Lärm um 30 bis 34 dB
- Für Wohnstraßen mit geringem Verkehrsaufkommen von 10 – 50 Kfz pro Stunde
- Bei einem Abstand von 26 – 35 m zwischen Haus und Straße
Schallschutzklasse 3
- Verringert Lärm um 35 bis 39 dB
- Bei höherem Verkehrsaufkommen von 50 – 200 Kfz
Schallschutzklasse 4
- Verringert Lärm um 40 bis 44 dB
- Für Hauptstraßenverkehr mit 1000 – 3000 Kfz pro Stunde
- Bei einem Abstand von 100 – 300 m zwischen Haus und Straße
Schallschutzklasse 5
- Verringert Lärm um 45 bis 49 dB
- Bei sehr hoher Lärmbelästigung, z. B. an Hauptstraßen, Baustellen oder in der Nähe eines Flughafens