Geluid en trillingen in woongebouwen met lichte, dubbele bouwconstructies en stalen (hoofd)draagconstructies
TNO Bouw, Delft (tel 015 276 3202)
ir. Susanne Bron -van der Jagt (S.Bron@bouw.tno.nl) drs. Arnold Koopman (A.Koopman@bouw.tno.nl)
ir. Felieke van Duin (F.vanDuin@bouw.tno.nl) ir. W. van Gogh (W.vanGogh@bouw.tno.nl)
Inleiding: lichtgewicht bouwconcepten
In Nederland vinden nieuwe ontwikkelingen in gebouwconcepten voor woongebouwen plaats. Het betreft woongebouwen met lichtgewicht woningscheidende vloeren en wanden.
Op zich is het toepassen van lichtgewicht constructies niet vernieuwend. Dat met dergelijke constructies goede, zelfs hoge, geluidisolaties kunnen worden bereikt, is ook bij andere toepassingen reeds bewezen. Hierbij valt bijvoorbeeld te denken aan de toepassing in bioscopen, muziekscholen en dergelijke.
Wat specifiek aan deze woongebouwen is, is de toepassing van lichtgewicht wanden én vloeren in combinatie met een stalen (hoofd)draagconstructie in nieuwbouwsituaties. Op zich is de toepassing van dit soort constructies in de woningbouw niet nieuw. In de jaren 30 vinden we reeds toepassingen van dit soort constructies, voornamelijk in
ééngezinswoningen. Recente toepassingen in de ééngezinswoningbouw hebben
aangetoond dat met dergelijke gebouwconcepten hoge lucht- en contactgeluidisolaties zijn te realiseren. Dit is onder andere gebleken in een in Etten-Leur gerealiseerd project (A+-
woningen), waaraan in 2002 de Nationale Bouwprijs is toegekend [1]. De toepassing in woongebouwen toegespitst op de huidige geluidisolatie-eisen is echter vernieuwend.
Figuur 1 impressie van een woongebouw met lichtgewicht bouwconstructies en stalen (hoofd)draagconstructies (project La Fenêtre)
Onder andere inspelend op deze ontwikkelingen, of juist deze ontwikkelingen veroorzakend, doen nieuwe vloerconcepten hun intrede op de woningbouwmarkt.
Zowel de losse vloerelementen als wandelementen kunnen hoge lucht- en/of contactgeluidisolaties bezitten.
Echter, eisen aan de geluidisolatie betreffen eisen aan gebouwen of delen van gebouwen (woningen en
ruimten): het totale gebouwconcept, bestaande uit vloer- en wandelementen inclusief de opbouw en detaillering van bouwkundige knooppunten, dient aan de eisen te voldoen. Met name de details van knooppunten zijn bepalend voor de te realiseren geluidisolatie. Deze dienen ontworpen te worden gebaseerd op een pakket van eisen: onder andere constructieve, brandtechnische en ook geluidtechnische.
Onderwerpen die aan de orde komen in dit artikel
Kennis waarmee het trillings- en geluidgedrag van lichtgewicht bouwconstructies in combinatie met stalen hoofddraagconstructies is te voorspellen is deels nog niet voorhanden. Op dit moment vinden diverse onderzoeken plaats, waarin deze kennis ontwikkeld wordt. Dit artikel gaat over de resultaten van recente onderzoeken die bij TNO Bouw zijn gedaan en is toegespitst op twee onderwerpen:
- Het voorspellen en meten van de demping in een bouwkundig knooppunt in een gebouwconcept zoals boven beschreven, gebaseerd op een analyse van het trilgedrag van zo’n knooppunt. Op basis van dit onderzoek en reeds bekende kennis omtrent de geluidisolatie van vloer- en wandelementen en de overige knooppunten zijn
voorspellingen gedaan van de lucht- en contactgeluidisolatie tussen woningen in een (nog te realiseren) woongebouw. Dit onderzoek is toegespitst geweest op het
frequentiegebied waarin trillingen hoorbaar zijn.
- Het meten van trillingen aan grote en kleine vloerelementen. Dit onderzoek is toegespitst geweest op een veel lager frequentiegebied dan het vorige onderzoek, namelijk
frequenties waarin trillingen voelbaar zijn.
Dit artikel beschrijft de twee onderzoeken beknopt.
De demping van een bouwkundig knooppunt - hoorbare trillingen
In figuur 2 is het beschouwde knooppunt weergegeven.
Figuur 2 bouwkundig knooppunt (project La Fenêtre)
De vloeren zijn opgebouwd volgens het A+-vloerconcept en bestaan uit een 70 mm dikke betonnen basisvloer, waarin IPE-liggers zijn gestort. Op de liggers zijn 22 mm dikke
cementgebonden spaanplaten opgelegd op rubberplaatjes. In de vloerspouw is mineraalwol opgenomen.
De betonnen basisvloeren zijn opgelegd op stalen balken die deel uitmaken van de hoofddraagconstructie. Deze balken zijn over de volle diepte van de woning gedilateerd, maar zijn midden tussen de kolommen aan elkaar en aan de uiteinden aan de kolommen bevestigd. Dit is omwille van constructieve redenen noodzakelijk.
De (woningscheidende) wanden betreffen metalstudwanden met gescheiden stijlen en regels. Aan weerszijden bestaat de wand uit 2x12,5 mm gipskartonplaat. In de spouw is mineraalwol opgenomen. In de spouw van een groot gedeelte van deze wanden bevindt zich een stalen windverband dat volledig vrijgehouden is van de bouwconstructies (staat alleen indirect via de kolommen in verbinding met de bouwconstructies).
Dit artikel bevat slechts een beknopte omschrijving en de resultaten van het onderzoek dat gericht is geweest op dit knooppunt. Mede op basis van deze resultaten zijn voorspellingen van de te behalen geluidisolatie gedaan voor een representatieve situatie in een
woongebouw. De gevolgde rekenmethodiek voor deze voorspellingen is beschreven in [2, 3].
Voorspelling van het trilgedrag
Van het knooppunt is in het programma Diana een model gemaakt gebaseerd op de Eindige Elementen Methode. Voor detailgegevens van het model wordt verwezen naar [4, 5].
Uitgegaan is van de representatieve maatvoering in het concrete project (in de ontwerpfase).
Uit de eigenschappen van de beschouwde bouwelementen is de fijnheid van het grid bepaald voor het beschouwde frequentiegebied (tot en met 1/3-octaafband met
middenfrequentie 630 Hz): de lengte en breedte van ieder element bedraagt 20 cm. Figuur 3 geeft een impressie van het EEM-model.
X Y
Z
A
X Y Z
Rubber
Figuur 3 EEM-model van het beschouwde bouwkundig knooppunt (project La Fenêtre)
In figuur 3 is de staalconstructie zichtbaar die zich in de woningscheidende wand bevindt, alsmede de vloer- en wandelementen aan alle zijden van het beschouwde bouwkundige knooppunt.
Één van de vloerelementen is aangestoten met een puls (kracht loodrecht op het oppervlak).
Vervolgens is de respons als verloop van de tijd berekend. De respons op verschillende momenten na aanstoting is (op grove schaal) weergegeven in figuur 4.
Uit het verschil in respons tussen de vloerelementen aan weerszijden van het bouwkundige knooppunt en de uitklinktijden van de elementen is de karakteristieke verbindingdemping Kij
van het knooppunt voor het overdrachtspad vloer-knoop -vloer berekend volgens:
+ π
= , + , = , , , = , − , = 2 =
,
10lg ; ; ; 2,2 ; 1000
2
ij v i j v ji i ref
ij v i j v i j v i j v i v j i ref
o s i
i j
l D D S f
K D D D L L a f Hz
c T f
a a (1)
Diverse varianten zijn doorgerekend:
(1) starre verbinding in het midden tussen en ter plaatse van kolommen;
Figuur 4 respons EEM-model op diverse momenten na aanstoting
(2) toepassing van rubber ter plaatse van de middenknoop en aansluiting balken -kolom;
(3) starre verbinding ter plaatse van kolommen en toepassing van ‘samengestelde kokerkolommen’ (twee HEA-kolommen met de flenzen tegen elkaar gelast); deze kolommen zijn ontworpen om torsie en buiging in de kolommen zoveel mogelijk te onderdrukken.
De berekeningsresultaten zijn weergegeven in figuur 5.
Uit figuur 5 blijkt dat de hoogste demping in het knooppunt wordt behaald met volledige ontkoppeling van de constructies aan weerszijden door toepassing van rubber. Omwille van constructieve redenen is dit echter geen realistische variant. Variant 2 is dan ook alleen doorgerekend om een idee van de bovengrens te verkrijgen. Voor het beschouwde woongebouw was de demping in het bouwkundige knooppunt volgens variant 1 dermate klein dat de flankerende geluidoverdracht via het pad vloer-knoop-vloer bepalend werd in de totale luchtgeluidoverdracht tussen ruimten; de luchtgeluidoverdra cht werd zo groot dat niet aan de huidige eisen (2002) in het Bouwbesluit kon worden voldaan. Met variant 3 leek dit wel goed mogelijk (demping in knooppunt groot genoeg).
Meting van het trilgedrag en vergelijking met voorspelling
Gebaseerd op variant 3 in de vorige paragraaf is een meetopstelling gebouwd, teneinde de betrouwbaarheid van de voorspellingen en de uitvoeringsgevoeligheid te kunnen bepalen. In deze meetopstelling is Kij op basis van metingen bepaald volgens dezelfde procedure als bij de voorspellingen (zie vorige paragraaf). Hierbij is de vloerconstructie aan één zijde
aangestoten met een hamerapparaat of een hamer. De meetopstelling is weergegeven in figuur 6.
125 250 500
10 20 30
∆ Lv [dB]
frequency [Hz]
1 2
3
Figuur 5 berekeningsresultaten (snelheidsniveauverschil tussen vloerelementen) EEM-modellen voor verschillende varianten van het bouwkundige knooppunt
Figuur 6 meetopstelling
Kij is bepaald voor de volgende varianten:
(1) flexibele ko ppeling door toepassing van rubber ter plaatse van het punt midden tussen de kolommen;
(2) volledige dilatatie over de volle diepte (ook ter plaatse van het punt in het midden tussen de kolommen), slechts indirecte koppeling van de balken van de hoofddraagconstructie ter plaatse van ‘samengestelde kokerkolommen’.
De meetresultaten en EEM-resultaten zijn weergegeven in figuur 7.
Figuur 7 meetresultaten en voorspellingsresultaten EEM
In figuur 7 is duidelijk zichtbaar dat volledige ontkoppeling ter plaatse van het punt midden tussen de kolommen hogere Kij-waarden tot gevolg heeft. Verder blijkt dat de voorspelde Kij- waarden wat aan de conservatieve kant zijn, doch een goede indicatie geven van de te realiseren Kij-waarden (verschillen tussen voorspelling en meting 10 dB voor 80 Hz en 250 Hz en 0-4 dB voor overige 1/3-octaafbanden). Hieruit volgt dat de Eindige Elementen Methode als hulpmiddel voor het voorspellen van het trilgedrag van innovatieve bouwkundige knooppunten bruikbaar is in het ontwerpproces.
Het trilgedrag van vloervelden - voelbare trillingen
Vanuit het oogpunt van comfort bevat ISO 2631 [8] richtlijnen die aangeven bij welke trillingssterkte (uitgedrukt in de Root-Mean-Square(RMS)-waarde van gemeten
0 10 20 30 40
50 80 125 200 315 500 800 1250 2000
freq [Hz]
Kij [dB]
meting, met middenknoop EEM berekening meting, gedilateerd
versnellingen) een vloer als oncomfortabel trillend kan worden ervaren. De richtlijnen zijn afhankelijk van de functie van het gebouw en weergegeven in grafieken, waarin de nog acceptabele trillingssterkte als functie van de trilfrequentie is weergegeven. De
beoordelingsmethodiek in ISO 2631 bevat ook een aantal onduidelijkheden. Met name de bron waarmee de metingen worden uitgevoerd is niet eenduidig omschreven. Ook is niet duidelijk welk deel van een gemeten spectrum (bijvoorbeeld amplitudespectrum over de tijd) in de boordeling meegenomen dient te worden. Daarnaast zijn de beoordelingscurven in ISO 2631 bepaald uit een gemiddelde perceptiedrempel vermenigvuldigd met een factor 4 respectievelijk 8 voor woon - en kantoorruimten; het is dus mogelijk dat trillingen voelbaar zijn terwijl ze onder de curve liggen. Op dit moment zijn onderzoeken gaande teneinde te komen tot een eenduidige beoordelingsmethodiek.
Er zijn trillingsmetingen uitgevoerd aan diverse vloervelden opgebouwd uit A+-
vloerelementen, teneinde een idee te krijgen van de trillingssterkte ten gevolge van veel voorkomende bronnen, waaronder lopen. De gebruikte bronnen zijn bijvoorbeeld een valgewicht, een bal, een hamer, lopen, een ‘heeldrop’. In dit artikel zijn slechts de
meetresultaten ten gevolge van lopen opgenomen, aangezien dit de meest voorkomende contactgeluidbron in woongebouwen is.
De meetdata zijn geanalyseerd conform de beoordelingsmethodiek in ISO 2631. Dit is gedaan om vast te stellen voor welke situaties lichte vloeren mogelijk als oncomfortabel kunnen worden ervaren en dient tevens als startpunt voor verder onderzoek dat op dit moment loopt.
Metingen van het trilgedrag van enkele vloerelementen
In diverse situaties zijn metingen uitgevoerd. In dit artikel zijn slechts de meetresultaten voor twee praktijksituaties opgenomen: voor een kantoorgebouw en voor een ééngezinswoning.
Figuur 9 geeft de amplitudespectra voor het kantoorgebouw, waarbij zowel op een groot vloerveld is gemeten als op een kleiner vloerveld (situatie waarin reeds binnenwanden waren geplaatst).
Figuur 8 schematische plattegrond met meetlokaties in kantoorgebouw HE 400 M
Meetpunt 1, lokatie 1 Meetpunt 2, lokatie 2
Meetpunt 1, lokatie 2
Meetpunt 2, lokatie 1
6 meter tussenwanden
10 meter
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0
10 20 30 40 50
figuur10A: Amplitudespectrum lopen locatie 1
frequentie (Hz)
versnelling (mm/s2)
meetpunt 1 meetpunt 2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5
figuur10B: Amplitudespectrum
frequentie (Hz)
snelheid (mm/s)
meetpunt 1 meetpunt 2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 50 100 150
figuur22A: Amplitudespectrum lopen locatie 2
frequentie (Hz)
versnelling (mm/s2)
meetpunt 1 meetpunt 2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1
figuur22B: Amplitudespectrum
frequentie (Hz)
snelheid (mm/s)
meetpunt 1 meetpunt 2
Figuur 9 amplitudespectra voor een groot (boven) en een klein (onder) vloerveld ten gevolge van lopen van een volwassen man
Figuur 9 illustreert duidelijk dat de dominante trilfrequentie voor het kleine vloerveld hoger ligt dan voor het grote vloerveld. Dit is logisch: de vloerveldafmetingen (lengte, breedte) bepalen mede de eerste eigenfrequentie van het vloerveld. De snelheden voor het kleine vloerveld liggen lager dan voor het grote vloerveld.
De gemeten RMS-waarden zijn in figuur 10 vergeleken met de ISO 2631-richtlijnen voor kantoorgebouwen en woningen. Ten behoeve van een vergelijking met de richtlijn voor woningen zijn meetresultaten uit een project met ééngezinswoningen gebruikt.
10 100 1000
1 10 100
frequentie (Hz)
rms a (mm/s2)
wonen kantoor lokatie 1 lokatie 2
Figuur 10 gemeten RMS -waarden in een kantoorgebouw en een ééngezinswoning ten gevolge van lopen van een volwassen man
Uit figuur 10 blijkt dat voor het kleine vloerveld in het kantoorgebouw en in de
ééngezinswoning (ook relatief klein vloerveld) aan de ISO 2631 richtlijnen wordt voldaan. De trillingssterkte ten gevolge van lopen op het grote vloerveld in het kantoorgebouw ligt hoger dan de curve. Hieruit blijkt dat met name lichte vloerconstructies met grote, doorgaande oppervlakken als oncomfortabel kunnen worden ervaren. Het is belangrijk hieraan al in het ontwerpstadium van een gebouw aandacht te besteden.
Samenvatting
Dit artikel beschrijft de beoordeling van het comfort van lichte bouwconstructies, met name lichte vloerconstructies in combinatie met stalen (hoofd)draagconstructies, waarbij een analyse van het trilgedrag als vertrekpunt dient, zowel om deze constructies geluidtechnisch (hoorbare frequentiegebied) als trillingstechnisch (voelbare frequentiegebied) te beoordelen.
Daarnaast geeft dit artikel mogelijke toepassingen van beoordelingsmethodieken, waaronder rekenmethoden zoals EEM en meetmethoden, die deels reeds voor andere doeleinden worden ingezet. Het gebruik van deze methodieken in het ontwerpstadium van een gebouw biedt de gelegenheid in een vroeg stadium uitspraken te doen over het comfort van geluid en trillingen in innovatieve bouwconcepten. Daarnaast kan worden getoetst of aan de
eisen/richtlijnen op het gebied van geluid en trillingen kan worden voldaan.
Het beoordelen van bouwconstructies in het licht van deze methodieken is nog volop in ontwikkeling. De beschreven onderzoeken in dit artikel vormen een eerste aanzet: zo richt dit artikel zich op de toepassing van één vloersysteem in enkele situaties.
Symbolenlijst
- Kij = karakteristieke verbindingsdemping bouwkundig knooppunt [dB];
- Dv,ij = verbindingsdemping bouwkundig knooppunt (met streepje erboven: over twee richtingen gemiddelde waarde) [dB];
- lij = lengte bouwkundig knooppunt [m];
- ai = equivalente absorptielengte [m];
- Lv,i = snelheidsniveau constructie [dB];
- Si = oppervlakte constructie [m2];
- co = geluidsnelheid medium [m/s];
- Ts,i = uitklinktijd constructie;
- f = frequentie.
Referenties
[1] Bron -van der Jagt, G.S., Een nieuwe norm toegepast op een nieuw bouwconcept – Geluidweringsklasse conform NEN 1070 voor IFD-woningen in Etten -Leur,
Bouwfysica, 2001;
[2] EN 12354 -1, Building Acoustics – Estimation of acoustic performance of buildings from the performance of products – Part 1: Airborne sound insulation between rooms, 2000;
[3] EN 12354 -2, Building Acoustics – Estimation of acoustic performance of buildings from the performance of products – Part 2: Impact sound insulation between rooms, 2000;
[4] Koopman, A., Van Gogh, W. & G.S. Bron-van der Jagt, Sound transmission through cross-joints in multi-family houses with lightweight, double structures and steel supporting structures – Transmission models, proceedings Forum Acusticum 2002, Sevilla (Spain), 2002;
[5] Bron -van der Jagt, G.S., Koopman A. & C.C.J.M. Hak, Sound transmission through cross-joints in multi-family houses with lightweight, double structures and steel supporting structures – Measurements, proceedings Forum Acusticum 2002, Sevilla (Spain), 2002;
[6] Cremer, L & M. Heckl, Structure -borne Sound, 1988;
[7] De Witte, F.C. & P. Nauta, DIANA User’s Manual release 7, TNO Building and Construction Research, 1998;
[8] ISO 2631 -2, Evaluation of human exposure to whole-body vibration – Part 2:
Continuous and shock-induced vibrations in buildings (1 to 80 Hz), 1989.
