Bauphysikalische Grundlagen

Einleitung

Neben dem Sehvermögen ist das Hören für unsere Wahrnehmung und Orientierung in der Umwelt enorm bedeutsam. Ob etwas als angenehmer Klang oder als störendes Geräusch wahrgenommen wird, hängt zwar von vielen individuellen Faktoren ab. Trotzdem gelten Grenzen für Schalleinwirkungen auf Menschen, die zum Schutz der Gesundheit nicht überschritten werden dürfen. Dabei geht es nicht nur um die direkte Schädigung unseres Gehörsinns, sondern auch um physiologische und psychologische Wirkungen. Lärm wirkt sich auf das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit aus, er kann erheblichen Stress auslösen, beeinflusst das Herz-Kreislaufsystem und erhöht dadurch das Herzinfarktrisiko. Lärm stört Denkprozesse, behindert Kommunikation und beeinträchtigt Erholung.

Deshalb ist Schallschutz als Planungsaufgabe für Gebäude ein wichtiges Kapitel der Bauphysik. Durch baulichen Schallschutz soll die Lärmbelastung in Gebäuden verringert werden. Dabei geht es nicht nur um das Eindringen von Schall durch die Aussenbauteile, sondern auch um seine Weiterleitung innerhalb eines Bauwerks.

In hochverdichteten urbanen Gebieten wohnen Menschen eng beieinander, beeinträchtigt durch alle Arten von Verkehrslärm. Schalldämmende Fenster- und Fassadenkonstruktionen machen auch dort einen angenehmen, ungestörten Aufenthalt in Wohnräumen möglich.

In diesem Kapitel werden aus dem komplexen Gebiet des Schallschutzes 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

Im Gegensatz zu den elektromagnetischen Wellen benötigen Schallwellen 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.

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.

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.

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 Schallemissionen, 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 SN 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 R_w, ermittelt. Nach SN 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. R_w ist dann derjenige Wert, der an der Bezugskurve bei 500 Hz auf der y-Achse abgelesen wird.

Aus dem bewerteten Schalldämm-Mass R_w 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 R_w 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 C_tr eingeführt. Sie bezeichnen einen bauteilspezifischen Wert in dB, der zum bewerteten Schalldämm-Mass R_w 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 C_tr 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 C_tr liegen zwischen 0 und -10 dB.

Die Schreibweise ist beispielsweise wie folgt: R_w (C;C_tr) = 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.

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 gleich gesetzt 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.

Geltende Normen und Verordnungen

In der Schweiz gibt es heute zwei wichtige Grundlagen, in denen die Minimalanforderungen an die Schalldämmung von Fenstern geregelt werden:

• Die Lärmschutzverordnung des Bundes (LSV)
• Die SIA-Norm 181 „Schallschutz im Hochbau“

Dabei gilt es zu beachten, dass sich die in diesen beiden Regelwerken erlassenen Werte für die Schalldämmung auf das gesamte Fenster in eingebautem Zustand und nicht nur auf das Isolierglas allein beziehen.

Die Lärmschutzverordnung des Bundes.

Zweck und Ziel:
Ein grosser Teil der LSV widmet sich der Begrenzung und Eindämmung von Lärmimmissionen. Wo dies nur ungenügend gelingt, schreibt die LSV bestimmte Anforderungen an die Schalldämmung bei Gebäuden (insbesondere für Fenster) vor.

Hier die wichtigsten Entscheidungsfaktoren

• Art und Nutzung des Gebäudes
• Genauer Standort in einer bestimmten Zone
• Intensität der zu dämpfenden Schallquelle

Zum Beispiel sind Gebäude in Industriezonen anders zu behandeln als solche in Erholungsgebieten. Für Spitäler gelten andere Richtlinien als für Schulhäuser.

Neubauten

Die LSV verpflichtet den Bauherren, dafür zu sorgen, dass der Schallschutz den anerkannten Regeln der Baukunst entspricht. Die Verordnung weist dabei insbesondere auf die Mindestanforderung gemäss SIA Norm 181:2006 hin.

Die Gemeinden werden in der LSV verpflichtet, für bestehende Strassen, Eisenbahnanlagen und Flugplätze Lärmkataster zu erstellen. Das sind Pläne, aus denen genau hervorgeht, welche Gebiete wie stark mit Lärm belastet sind. Diese Belastungen lassen sich messen oder berechnen.

Bestehende Bauten

Für bestehende Bauten legt die LSV so genannte Belastungsgrenzwerte fest. Diese sind abhängig von der jeweiligen Empfindlichkeitsstufe der entsprechenden Bauzone.

Man unterscheidet zwischen Erholungsgebieten, Wohn-, Misch- und Industriezonen. Werden die Belastungsgrenzwerte überschritten, schreibt die LSV für lärmempfindliche Räume, ein bestimmtes Mindestschalldämm-Mass in Abhängigkeit der Lärmbelastung vor (R‘_w + (C oder C_tr) = 32 bzw. 38 dB).

Anforderungen an das bewertete Schalldämm-Mass R_w (am Bau gemessen) von Fenstern und zugehörigen Bauteilen, wie z. B. Rollladenkasten, in Abhängigkeit des ermittelten Beurteilungspegels Lr (für bestehende Bauten nach LSV).

Bei besonders grossen Fenstern können die Behörden die Anforderungen in angemessenem Rahmen erhöhen.

Die SIA-Norm 181:2006

Die SIA-Norm 181:2006 legt ein Berechnungsschema fest, mit dem sich die Anforderungen an das Schalldämm-Mass der Fenster für jeden Raum bestimmen lassen. Die Werte gelten für den gesamten Fassadenteil eines Raumes. In einem Berechnungsverfahren kann in Abhängigkeit des Raumvolumens und des Fensteranteils an der Fassade das erforderliche Schalldämm-Mass, das in der Regel etwas tiefer liegt, für die Fenster ermittelt werden.
Weder die LSV (für bestehende Bauten) noch die SIA-Norm 181:2006 (für Neubauten) schreiben Schalldämm-Masse für Isoliergläser vor. Die vorgeschriebenen Werte beziehen sich immer auf das gesamte Fenster.

Prinzipiell muss unterschieden werden zwischen

• R_w + (C, C_tr) Isolierglas: Bewertetes Schalldämm-Mass Isolierglas (Labormessung) 
• R_w + (C, C_tr) Fenster: Bewertetes Schalldämm-Mass Fenster (Labormessung)
• R‘_w + (C, C_tr) Fenster: Bewertetes Schalldämm-Mass Fenster (am Bau gemessen)

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.

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 auf der Warmseite eingesetzt werden. Die früher zur Verbesserung der Schalldämmung verwendeten Verbundschichten aus Giessharz kommen praktisch nicht mehr zum Einsatz.

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.

Schalltechnische Kennwerte von Glas

Die Norm SN 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 SN EN ISO 10140-2 und bewertet nach SN EN ISO 717-1. Ausserdem gibt SN EN ISO 717-1 vor, wie der R_w-Wert angegeben werden muss (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 R_w-Wert um 1 bis 3 dB verändern.

Im eingebauten Zustand sind die schalldämmenden Eigenschaften durch den Einfluss von verschiedenen, im Kapitel Bauakustik aufgeführten Faktoren verändert.

Schallschutz und Sprossen

Bei Verwendung von Sprossen im Scheibenzwischenraum (SZR) des Isolierglases kann eine Reduzierung der Schalldämmwirkung eintreten. Alle von Glas Trösch bestätigten Schalldämmwerte beziehen sich auf Prüfelemente ohne eingebaute Sprossen.