Schlüsselwörter
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Holzbau, CO2-Senke, Massivholzdecken, Trittschalldämmung, Schall, Akustische Schwarze Löcher, ASL
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Kurzbeschreibung
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Holzbauten erfreuen sich grosser Beliebtheit, da diese als nachhaltig gelten und Holz einen bodenständigen Wohlfühleffekt vermittelt. Nicht zuletzt kann das verbaute Holz eine CO2-Senke darstellen, da CO2 längerfristig gebunden wird. Massivholzdecken haben aber gegenüber Betondecken den Nachteil, dass die Holzdecken zusätzlich eine Trittschalldämmung benötigen. Die Trittschalldämmung bei Massivholzdecken erfolgt mehrheitlich durch Aufschüttungen mit Kies. Diese Kiesaufschüttungen bewirken eine Gewichtserhöhung der Massivholzdecken womit eine Verlagerung des Resonanzbereichs der Massivholzdecken stattfindet die schalldämmend wirkt. Nachteilig an dieser Methode ist, dass hierfür grosse Mengen Kies verwendet werden: Beispielweise bei einem 6-stöckigen Holzhaus fallen rund 1000t an zusätzlichem Gewicht an, dessen Volumen rund 3 Wohnungen entspricht.
Es wird vermutet, dass "Akustische Schwarze Löcher" (ASL) in Massivholzdecken zur Verbesserung der Trittschalldämmung beitragen können, so dass auf Kiesschüttungen verzichtet werden könnte. Letztendlich könnten so der Kiesabbau und der verschwendete Wohnraum vermindert werden.
Mit dem vorgeschlagenen Projekt sollen ASL in Massivholzdecken erprobt und mittels Prototypen in einem Technologiedemonstrator die Wirksamkeit der Trittschalldämmung aufgezeigt werden, so dass Industriepartner für die weitere Entwicklung eines marktreifen Bausystems gewonnen werden können.
Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 25.03.2019 an der Sitzung der Koko UT vom 28.05.2019 genehmigt. Die Finanzierung dieses Projektes über die UTF ist mit der Programmleitung des Aktionsplans Holz abgesprochen.
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Ergebnisse gemäss Vertrag
(Deutsch)
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1 Ein validiertes vibro-akustisches Model für Massivholzdecken ohne ASL ist erstellt.
2 Ein validiertes vibro-akustisches Model zur Auslegung der ASL für Massivholzdecken ist erstellt. Meilenstein 1.
3 Ein numerisches Rechenmodell zur Auslegung von Massivholzdecken mit ASL, welches folgende Aspekte umfasst:
- Schwingung von Massivholzdecken mit und ohne ASL bei Anregung mit Norm-Hammerwerk,
- Schallabstrahlung von Massivholzdecken,
- Wirkung von Bedämpfungsmassnahmen,
ist erstellt.
4 Der Prototyp für den Technologiedemonstrator ist mit Hilfe des Rechenmodells aus Ergebnis 3 dimensioniert und einsatzbereit.
5 Ein experimenteller gemessener Nachweis der Leistungsfähigkeit ist mit einem Prototyp, welcher die bauüblichen Dimensionen von 5.70 m x 4.60 m aufweist, im Technologiedemonstrator im Rahmen einer Schallprüfung im Empa Labor erbracht. Meilenstein 2.
6 Mindestens ein Wirtschaftspartner hat sich schriftlich verpflichtet die Technologie zusammen mit der EMPA zur Marktreife weiter zu entwickeln. Weiter haben sich die Wirtschaftspartner, welche Ergebnisse aus diesem Projekt kommerziell verwerten, gegenüber der Empa schriftlich verpflichtet die Rückzahlungen gemäss den in Kapitel 8 formulierten Bedingungen mit dem BAFU zu regeln. Das BAFU ist über die Zusammenarbeitsverträge zwischen der Empa und den Wirtschaftspartnern zu informieren, mindestens über die Kontaktpersonen der Wirtschaftspartner und die Verwertungskonditionen der Ergebnisse, damit das BAFU die Rückzahlungsverpflichtung gemäss den in Kapitel 8 formulierten Bedingungen mit den Wirtschaftspartnern, welche Ergebnisse aus diesem Projekt kommerziell verwerten, regeln kann.
7 Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 6 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
8 Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
9 Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.
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Projektziele
(Deutsch)
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In einem ersten Schritt sollen Akustische Schwarze Löcher (kurz ASL) an Massivholdecken modelliert werden. Anschliessend soll mit einem Prototyp, mit den Dimensionen von 5.70 m x 4.60 m, in einem Technologiedemonstrator, die Wirksamkeit der Trittschalldämmung durch ASL gemessen und aufgezeigt werden, so dass sich mindestens ein Industriepartner bis zum Projektende schriftlich verpflichtet, die Technologie zusammen mit der EMPA zur Marktreife weiter zu entwickeln.
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Beschreibung der Resultate
(Deutsch)
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Das technische Projektziel der Nachweis der Wirksamkeit der Technologie der sogenannten akustischen schwarzen Löcher (ASL) zur Verbesserung der Trittschalldämmung einer Massivholzdecke im Laborversuch, wurde erreicht. Die ASL sind Verjüngungen in der Decke, welche einem bestimmten geometrischen Profil folgen, wodurch die Amplitude der Plattenschwingung in diesem Bereich verstärkt wird. Deshalb kann durch Dämpfungsmassnahmen in diesem Bereich der Decke sehr effizient Energie entzogen werden. Dadurch sollen andere Massnahmen, wie derzeit übliche vollflächige Kiesschüttungen, eingespart werden.
Durch den mehrschichtigen Aufbau der untersuchten Brettsperrholzelemente, wobei die Faserrichtung der Bretterlagen jeder Schicht jeweils um 90° gedreht ist, ist eine Auslegung der für einen bestimmten Frequenzbereich geeigneten ASL-Geometrie nicht einfach möglich. Aus diesem Grund wurde ein akkurates, recheneffizientes vibro-akustisches Modell zur Berechnung der Trittschalldämmung von Massivholzdecken mit und ohne ASL im Frequenzbereich von 50 Hz bis 3.15 kHz entwickelt und validiert. Das Modell basiert auf der Finiten-Elemente-Methode (FEM) und beinhaltet die Anregung der Decke durch das Norm-Hammerwerk, den Einfluss der ASL und durch Dämpfungsmassnahmen sowie die Schallabstrahlung in den Empfangsraum. Mit dem Model ist nun eine Berechnung der Decke in wenigen Minuten möglich, wodurch die Grundlage für eine systematische Optimierung gelegt ist. Ein möglicher Schutz der IP-Rechte (z.B. Patent, Schutz des Designs, Berechnungsmethoden) wird angestrebt und ist in Abklärung.
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Eine direkte Umsetzung der ASL als Bauprodukt ist noch nicht möglich. Massivholzdecken werden nach dem Entwurf des Architekten und den bautechnischen Erfordernissen von den Ingenieuren ausgelegt und anschliessend nach diesen Plänen von den Herstellern gefertigt. Die ASL haben durch die Schwächung der Elemente Einfluss auf die anderen Aspekte, wie zum Beispiel die Statik. Die entwickelten Auslegungsmethoden müssen im Planungsprozess integriert werden um die ASL nach den Erfordernissen individuell auslegen zu können. Potenzielle Wirtschaftspartner haben basierend auf den Projektergebnissen ihr Interesse an einem Nachfolgeprojekt bekundet, in dem die Technologie der ASL bei Massivholzdecken zu einem marktreifen Produkt weiterentwickelt wird. Bestandteile dieses Projekts sind auch Untersuchungen zur Integration der ASL in bestehende Planungs- und Fertigungsabläufe, sowie die Entwicklung eines geeigneten Geschäftsmodells zur Vermarktung.
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Weiteres Vorgehen
(Deutsch)
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Der experimentelle Nachweis zur generellen Wirksamkeit der ASL bei Massivholzdecken zur Verbesserung der Trittschalldämmung von Massivholzdecken bei tiefen und mittleren Frequenzen ist erbracht. Es erscheint zuerst als nicht intuitiv, dass mit einer Schwächung der Trenndecke und weniger Material ein besserer Schallschutz erreicht werden kann. Bei einer weiteren systematischen Optimierung aller Einflussgrössen, zum Beispiel ASL-Geometrie, deren Anordnung auf der Decke und Massnahmen zur Dämpfung, hat die Technologie das Potenzial die bisher aus Schallschutzgründen eingebauten, vollflächigen Kiesschüttungen, welche das Gewicht der Massivholzdecke enorm vergrössern und daher die Nachhaltigkeit des Massivholzbaus reduzieren, zu ersetzen. Es ist geplant, diese Optimierungsprozesse in Nachfolgeprojekten zusammen mit Wirtschaftspartnern weiter zu entwickeln. Hierbei werden auch die Wechselwirkungen mit anderen bautechnischen Aspekten und die gesamtheitliche Optimierung der Decke untersucht.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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- S. Vallely und S. Schoenwald, «An Efficient Analytical Method to Obtain the Homogenised Frequency-Independent Engineering Constants of Cross-Laminated Timber,» Journal of Sound and Vibration, 2022.
- Pressemitteilung der Empa vom 12. 05. 2022, https://www.empa.ch/web/s604/noise-trap, veröffentlicht zum Beispiel von:
- Radio SRF2 Kultur, 11.06.2022
- Radio neo 1
- Keystone SDA
- Lematin.ch
- Der Bobachter Extra, September 2022
- nau.ch
- radiocentral.ch
- suedostschweiz.ch
- volksblatt.li
- myscience.ch
- msn.ch
- handelszeitung.ch
- bluewin.ch
- bote.ch
- architekturblatt.de
- swiss-press.com
- pro-physik.de
- Scinexx.de
- Aktuellenews.ch
- baublatt.ch
- Wirtschraum-zuerich.de
- punkt4.info
- schweizerbauer.ch
- Schreinersicht.ch
- Holz Fordaq.com
- …
- S. Vallely und S. Schoenwald, «Numerical Acoustic Modelling of Cross-Laminated Timber Elements» [Präsentation], E-Congress, Madeira: Sociedade Portuguesa de Acústica (SPA), 2021
- S. Schoenwald und S. Vallely, "Numerische Verfahren für Massivholzdecken – Schalldämmung von Holzbetonverbunddecken" [Präsentation], Vorkolloquium, DAGA 2022, Stuttgart
- S. Schoenwald, "Planungstools aus der Schweiz", [Präsentation], 6. Internationale Fachtagung Bauphysik&Gebäudetechnik (BGT), Rosenheim, 2022
Vallely, S. und Schoenwald, S. "Acoustic Black Holes in Cross-Laminated Timber Ceilings", [Poster], Empa virtual lab opening event, 2022
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