Erschütterungen: Maßnahmen an Neubauten - PEUTZ CONSULT ...

Erschütterungen: Maßnahmen an Neubauten –
Kann mann über Gleisen wohnen?
Seminarbeitrag vom 20.02.2008
1 Einleitung
Der ansteigende Platzbedarf für Verkehrsinfrastruktur
und gewerbliche Nutzungen einerseits und Wohn- und
kulturelle Nutzungen andererseits, führt zunehmend zu
erhöhten Erschütterungsbelastungen und dem damit
verbundenen störenden Sekundärluftschall. Die hohen
Qualitätsansprüche von Bauherren an den akustischen
Komfort, welche oft strenger sind als die normativen
Grenzwerte, erfordern zunehmend die Berechnung der
Schwingungseinleitung. Bei komplexen Ausbreitungswegen
und Empfängerstrukturen stoßen traditionelle,
auf statistisch und empirisch ermittelten Übertragungsfunktionen
basierende Prognoseverfahren an ihre Grenzen.
Auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basierende
Simulationsmodelle können auch bei komplexen
Ausbreitungs- und Empfängerstrukturen valide Berechnungen
zur schwingungstechnisch optimierten Lagerung
von Gebäuden liefern. Konzepte für quellnahe Maßnahmen,
wie z. B. die federnde Lagerungen zur Schwingungsentkopplung
an Schienen, Straßen oder Maschinen,
können verifiziert werden.
Eine weitere Erschütterungsquelle, die im Weiteren genauer
betrachtet werden soll, stellt der Verkehr dar. Vor
allem der Schienenverkehr ist hier von Bedeutung, da im
Vergleich zum Straßenverkehr wesentlich höhere Massen
bewegt werden. Die Erschütterungen entstehen u.a.
durch die periodischen Wechselkräfte die beim Überfahren
des Gleisrostes wirken. Intensität, Spektrum und
Zeitverlauf der entstehenden Erschütterung hängen von
dem Fahrzeug (Art, Zustand, Masse, Geschwindigkeit,
etc.) und dem Zustand des Gleises (Oberbau) ab.
Die Erschütterungsimmissionen sind maßgeblich durch
die Bodeneigenschaften oder die Empfängerstruktur
geprägt.
2 Grundlagen
Erschütterungen sind gemäß DIN 4150-1 mechanische
Schwingungen fester Körper mit potentiell schädigender
und belästigender Wirkung. Im Rahmen von Erschütterungsuntersuchungen
inkl. der Betrachtung des sekundären
Luftschalls, ist meist ein Frequenzbereich von ca.
2 bis 160 Hz relevant. Erschütterungen werden, etwa
vergleichbar mit der A-Bewertung beim Luftschall, gemäß
DIN 4150-2 frequenzbewertet und bilden die dimensionslose
Schwingstärke KB(t). Die Frequenzbewertung
wird vorgenommen, um die subjektive menschliche
Wahrnehmung von Erschütterungen zu berücksichtigen.
Die menschliche Fühlschwelle für Erschütterungen liegt
statistisch bei einer Schwingstärke von 0,1.
Der sekundäre Luftschall ist der durch eine schwingende
Struktur (Wände, Boden, Decken) angeregte Luftschall.
Dieser Schall geht nicht, wie der Primärluftschall, direkt
von der Quelle aus, sondern wird durch Bauteilschwingungen
(Körperschall) angeregt.
Im Alltag gibt es eine Vielzahl möglicher Erschütterungsquellen.
Dies können Gewerbebetriebe sein, wie
z.B. Schmieden (Umformbetriebe) bei denen mit großen
Kräften Festkörper mechanisch verformt werden oder
Betriebe bei denen Maschinen genutzt werden wo Massen
stark beschleunigt werden (Turbinen, Motoren, etc.).
Im Rahmen des Baugewerbes treten häufig Erschütterungen
durch die eingesetzten Baumaschinen auf. So
werden beispielsweise Spundwände oder größere Erdpfeiler
häufig durch Explosionsrammen (impulsförmige
Erschütterung mit hohen Amplituden) oder durch Vibrationsrammen
(kontinuierliche Erschütterungen mit geringerer
Amplitude) in den Boden getrieben.
Abb. 1: Erschütterungs- und Luftschallausbreitungsmodell
(Quelle: Körperschall- und Erschütterungsschutz
- Leitfaden für Planer; DB AG)
Die Bodeneigenschaften, wie die Geometrie der Bodenschichten
und die dynamischen und statischen Eigenschaften
des Boden, können sich regional stark unterscheiden.
Selbst bei einem Untersuchungsgebiet (Bauvorhaben)
kann sich die Bodenzusammensetzung innerhalb
weniger Meter relevant verändern.
Die Erschütterungsimmissionen hängen somit von einer
Vielzahl von Faktoren ab. Einige dieser Faktoren können
durch Messungen ermittelt werden. So können Erschütterungsmessungen
Aufschluss über die Erschütterungsquelle
und in Verbindung mit Bodensondierungen auch
über die statischen und dynamischen Eigenschaften des
Boden geben. Die Empfängerstruktur ist bei der Planung
von Neubauten hinreichend bekannt. Bei bestehenden
Gebäuden z.B. im Rahmen einer Erschütterungsuntersuchung
bei Gleiserweiterungen, können die dynamischen
Eigenschaften durch Messungen bestimmt werden.
In der Praxis basieren Erschütterungsprognosen häufig
auf empirisch, statistisch ermittelten Übertragungsfunktionen,
die in Verbindung mit Erschütterungsmessungen
oft nur zu einer eingeschränkten Prognosegenauigkeit
führen. Die Prognosegenauigkeit hängt hierbei wesent-
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lich von der Komplexität der Anregung, des Übertragungswegs
und der Empfängerstruktur ab. Für komplizierte
Übertragungswege und aufwendige Baustrukturen
wird häufig ein theoriegestütztes Berechnungsverfahren
genutzt, welches das Übertragungsverhalten der Empfängerstruktur
besser berücksichtigt.
Bei komplexen Übertragungswegen und Baustrukturen
kann eine Kombination aus Erschütterungsmessungen
und detaillierten Berechnungsmodellen ein valide Prognose
zu den Erschütterungsimmissionen liefern.
3 Finite-Elemente-Methode als Berechnungsansatz
für Erschütterungsprognosen
Eine Möglichkeit, die Ausbreitung von Wellen in numerischen
Simulationsverfahren zu beschreiben, ist die Finite-Elemente-Methode
(FEM). Das Prinzip der FEM basiert
auf der Annahme, dass ein komplexes mechanischdynamisches
System durch eine große Anzahl kleiner
Elemente beschrieben werden kann, deren Eigenschaften
hinreichend bekannt sind. Mit Hilfe dieser Elemente
und unter Berücksichtigung der Lastbesonderheiten
eines Systems, kann das Schwingungsverhalten des
Gesamtsystems mit folgender Bewegungsgleichung (1)
beschrieben werden.
Die Auslegung von Maßnahmen zur Minderung der Erschütterungseinleitung
in die Bausubstanz wird ebenfalls
mit Hilfe der FEM-Modelle durchgeführt. Beispielsweise
kann mit Federelementen eine Schwingungsentkopplung
durch Federn (Stahl oder Elastomere) ausgelegt
und dimensioniert werden.
4 Fallbeispiel
Ein Beispiel aus der Praxis als Beratende Ingenieure soll
die Vorgehensweise der FEM gestützten Erschütterungs-
und Sekundärluftschallprognose verdeutlichen.
In einer niederländischen Großstadt war die Errichtung
eines Hotels und eines Bürokomplexes auf einem Eisenbahntunnel
geplant, der über vier Gleise verfügt und
einen Großteil des Nah-, Fern- und Güterverkehrs unter
einem Fluss hindurchführt (s. Abbildung 2). Bei der Planung
des Tunnels wurde die Konstruktion so ausgelegt,
dass auf dem Tunnel die Fundamente von Gebäuden
gelagert werden können. Im Bereich möglicher Baugrundstücke
wurden zur Minimierung der Erschütterungseinleitung
bereits Unterschottermatten am Gleis
eingebaut. Aufgrund der Tunnelkonstruktion und den für
weite Teile der Niederlanden typischen weichen Bodenschichten,
kommt für die auf dem Tunnel geplanten Gebäude
lediglich eine Leichtbauweise in Frage. Diese
Leichtbauweise ist schwingungstechnisch, ohne weitere
Minderungsmaßnahmen, im Allgemeinen ungünstig.
M ⋅ & x
( t)
+ C ⋅ x&
( t)
+ K ⋅ x ( t)
= F(
t)
(1)
M – Massematrix
C – Dämpfungsmatrix
K – Steifigkeitsmatrix
F(t) – Knotenkraftvektor der äußeren Anregung und
der inneren Wechselkräfte
x(t) – Vektor der Knotenpunktverschiebung
Das Bestimmen der Materialeigenschaften und Erschütterungsmessungen
im Bestand bilden die Basis einer
jeden theoretischen Erschütterungsuntersuchung.
In 2D-Modellen werden die physikalischen Materialeigenschaften
in äquivalente 2D-Materialeigenschaften
übertragen. Mit den Modellen kann an jedem Punkt und
für jede Frequenz die Schwingschnelle berechnet werden.
Durch die berechneten Schwingschnellen, die Gebäudeeigenschaften
und die Kenntnis über die spätere
Nutzung der Räumlichkeiten können in einem weiteren
Schritt die Sekundärluftschallimmissionen prognostiziert
werden. Für einige Aufgabenstellungen werden zusätzlich
zu den 2D- auch 3D-Modelle angefertigt, um beispielsweise
konstruktive Besonderheiten besser untersuchen
zu können oder Eigenschwingungsformen zu
bestimmen.
Abb. 2: Übersichtslageplan des Bauvorhabens;
Bild: Google Earth Pro, Peutz Consult GmbH
Unterhalb des Bürogebäudes befindet sich ein unterirdischer
Bahnhof, dessen Ausgang in das Fundament des
Gebäudes integriert wurde. Die Vorgaben der Bauherren
besagten, dass während einer Zugpassage (t 45 s)
keine fühlbaren Erschütterungen (KB 0,1) auftreten
sollen und Sekundärluftschallpegel von L sek 40 dB(A)
innerhalb des Bürogebäudes und L sek 35 dB(A) innerhalb
des Hotels einzuhalten sind.
In der ersten Modellierungsphase wurde ein FEM-Modell
erstellt, dass rechnerisch die Erschütterungsmessungen
an der bestehenden Tunnel- und Bahnhofskonstruktion
verifizierte. Darauf aufbauend wurden ein 2D-Modell für
die geplanten Gebäude erstellt (s. Abbildung 3) und die
Schwingschnellen (s. Abbildung 4) berechnet.
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Maßnahme führte zu einer Verringerung der Sekundärluftschallpegel
von bis zu 15 dB(A) und der Reduktion
der Erschütterungen von KB(t) 0,8 auf KB(t) 0,1.
Abb. 3: FEM-Grundlagenmodell des Bürogebäudes, die
Farben repräsentieren die Materialeigenschaften;
Bild: Peutz Consult GmbH
Trotz der bereits vorhandenen Unterschottermatten ergaben
die Berechnungen eine Überschreitung der im
Vorfeld definierten Anforderungen an einigen Stellen im
Gebäude.
Abb. 5: FEM-Modell des Bürogebäudes mit Schwingungsentkopplung.
Überhöhte Darstellung der
Schwingschnellen bei 31,5 Hz; Bild: Peutz Consult
GmbH
Für den Einsatz der Elastomerfedern musste die vorläufige
Planung des Übergangs vom Fundamentbereich in
den überirdischen Baukörper angepasst bzw. weiter
detailliert werden. Auf die Federelemente wirkt die gesamte
Gebäudelast.
Die flächenbezogene Lastaufnahme der Elastomerfedern
ist begrenzt und meist, im Gegensatz zum Grundzustand
ohne Entkopplung, mit einer Vergrößerung der
Auflagenfläche zwischen den zu entkoppelnden Elementen
verbunden. Bei hohen Lasten, eingeschränkten
räumlichen Verhältnissen oder erforderlichen Eigenfrequenzen
unterhalb 6 Hz, können i.d.R. nur Stahlfedern
eingesetzt werden.
Abb. 4: FEM-Modell des Bürogebäudes. Überhöhte
Darstellung der Schwingschnellen bei 31,5 Hz;
Bild: Peutz Consult GmbH
Aufgrund der frühzeitigen Einbindung in den Planungsprozess
konnte die Detaillierung mit geringem Aufwand
und zeitnah geschehen.
5 Zusammenfassung
Als Maßnahme zur Minderung der Erschütterungseinleitung
und dem entstehenden Sekundärluftschall wurde
eine Schwingungsentkopplung durch Elastomerfedern
(Eigenfrequenz 6-6,5Hz) dimensioniert. Die Entkopplung
findet im Fundamentbereich statt (s. Abbildung 5).
Hierbei wird der Kontakt zwischen dem bestehenden
Unterbau und dem neu zu errichtenden Gebäude unterbrochen
und es werden Elastomerelemente an den Kontaktstellen
angebracht. Innerhalb dieses Fallbeispiels
konnte auf eine Entkopplung außerhalb der Dammwände
(1,25 m Stahlbeton) verzichtet werden. Die Dammwände
wirken durch ihre Masse als Barriere für die Erschütterungen
und führen im Bereich der Fundamente
zu deutlich niedrigeren Erschütterungsniveaus. Die
Mit steigender Komplexität der Bauvorhaben und den
wachsenden Ansprüchen an den Wohnkomfort stoßen
die herkömmlichen Prognoseverfahren an ihre Grenzen.
Die Finite-Elemente-Methode stellt in Verbindung mit vor
Ort durchgeführten, ausführlichen Erschütterungsmessungen
ein leistungsfähiges Prognoseverfahren für Erschütterungs-
und Sekundärluftschallimmissionen dar.
Durch geeignete Untersuchungs- und Prognoseverfahren
können für jedes Bauvorhaben die individuell geeigneten
Minderungsmaßnahmen schon in einer früheren
Planungsphase entworfen werden. Zeitaufwendige Umplanungen
werden bei einer frühzeitigen Einbindung
eines "Dynamikers" vermieden.
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