Forschungsprojekt - Vibroakustik im Planungsprozess für Holzbauten Teil 1

Modellierung, numerische Simulation, Validierung


Ausgangssituation

Holzhäuser zeigen Pioniercharakter in Bezug auf Energieeinsparung und Nachhaltigkeit und bestechen durch ihre Kombination von nachhaltiger Bauweise mit anspruchsvoller Ästhetik. Verglichen mit Gebäuden in Mauerwerks- und Betonbauweise stellt jedoch die Planung eines Bauobjektes in Holzbauweise eine deutlich größere Herausforderung dar. Die Gründe hierfür liegen unter anderem im Mangel an bewährten Konstruktionen und Konstruktionswerkzeugen für den Schallschutz und die Gebrauchstauglichkeit. Geeignete computergestützte Planungswerkzeuge, die eine Simulation bereits im frühen Planungsentwurf für das gesamte Bauwerk ermöglichen, könnten den Planungsaufwand
  • drastisch reduzieren,
  • zuverlässiger machen,
  • die Qualität entscheidend erhöhen
und damit die Wettbewerbsfähigkeit insbesondere von Gebäuden in Massivholz-Bauweisen fördern.

Zielsetzung

Hieraus ergibt sich als Zielsetzung ein Planungsprozess, der die numerische Simulation und den Nachweis vibroakustischer Gebäudeeigenschaften eng an ein umfassendes Bauwerksinformationsmodell koppelt. Dies ermöglicht dem Fachplaner einen optimierten Entwurf einzelner Bauteile und die Untersuchung der vibroakustischen Eigenschaften des Gesamtgebäudes bereits in einem frühen Planungsstadium. In Kombination mit der Methode der Statistischen-Energie-Analyse (SEA) wird hierbei die Erweiterung vorhandener Finite-Elemente-Verfahren hinsichtlich einer geometrisch-mechanischen und vibroakustisch konsistenten Kopplung von Bauteilen sowie die Ableitung des volumenorientierten Gesamtmodells aus dem Bauwerksinformationsmodell angestrebt.

Das Gesamtziel des Projektes soll durch eine enge Verzahnung der insgesamt vier Teilprojekte erreicht werden, womit sowohl der Einsatz der Projektpartner auf ihrem jeweiligen Spezialgebiet als auch der Transfer in der Gruppe gewährleistet ist.

Vorgehensweise

Im Teilprojekt des ift Rosenheim werden folgenden Kernpunkten be­arbeitet:
  • Aus- und Abarbeitung eines Prüfplans zur Vervollständigung der Bauteil- und Stoßstellendatenbank. Neben den Standard-Messungen (Ln,w Rw, Kij) wird die Wirkungsweise der Übertragungsmechanismen bei Luft- und Trittschallanregung durch eine sukzessive Unterbindung der einzelnen Wege näher untersucht, um daraus Erkenntnisse für die SEA- und FEM-Modellierung zu erhalten.
  • Modellbildung für die Luft- und Trittschallanregung, die Dämpfungsmechanismen und die Schallabstrahlung auf Basis vorausgegangener Arbeiten. Einbindung der Modelle in die FEM-basierte Luft- und Trittschallberechnung.
  • Berechnung der Luft- und Trittschalldämmung der Trennbauteile inklusive Nebenwege für ein Modellhaus in Zusammenarbeit mit den in die Planung involvierten Holzbaubetrieben.
  • Baumessung im Modellhaus, an dem die vibroakustischen Berechnungen nachvollzogen werden können. Die Baumessungen können zur Validierung der FEM- und der SEA-Berechnungen verwendet werden.


Ergebnisse

Als Grundlage für das Forschungsprojekt wurde die Simulation anhand der Finite-Elemente-Methode (FEM) durch die Mortar-Methode erweitert, die eine effizientere Vernetzung großer Gebäudestrukturen erlaubt. Für den Datentransfer vom Entwurf zum Berechnungsmodell wurde das Bauwerksinformationsmodell erweitert und die Schnittstelle zwischen den Programmen ergänzt. Als Basis für die Prognose ist eine Material- und Bauteildatensammlung erarbeitet worden. Darin sind Bauteilkonstruktionen (Brettsperrholz-, Brettstapel- und Hohlkasten-Elemente) und Stoßstellen nach schalltechnischen Gesichtspunkten typisiert und schon vorhandene Messdaten zusammen getragen. Aus der Sammlung ist das Messprogramm für fehlende physikalische Kenngrößen abgeleitet und durchgeführt worden. Darüber hinaus stehen damit Eingangsdaten für vibroakustische Simulationsmodelle zur Verfügung. Die Simulationsmodelle erfolgen im tieffrequenten Bereich mit der FEM und im mittleren und hohen bauakustischen Frequenzbereich mit der SEA. Die Validierung der messtechnisch ermittelten Eingangsdaten zeigte eine gute Übereinstimmung. Im zweiten Projektabschnitt sind die Ergänzung der Eingangsdaten und der Vergleich der Prognose mit der Bausituation vorgesehen. Die Computersimulation wird in einen modellorientierten Planungsprozess eingebettet, der eine praxisgerechte Verwendung in den Anwendungsfeldern Schall- und Schwingungsschutz im Holzbau erlaubt.

Projektinformationen


Projektleiter:
Dr.-Ing. Andreas Rabold

Projektmitarbeiter:

Projektlaufzeit:
01.09.2012 bis 31.08.2014

Förderstellen

Forschungspartner

Projektpartner