Messung der Trittschallminderung in nachhaltigen Deckenkonstruktionen

Leichtbauplatten kommen im nachhaltigen Gebäudedesign immer häufiger zum Einsatz, weisen jedoch oft eine unzureichende Trittschallisolierung auf. In dieser Studie wird untersucht, wie Auflagen aus Altreifen die akustische Performance verbessern und gleichzeitig Umweltabfälle reduzieren können. Unter Verwendung des Datenerfassungssystems SIRIUS Mini von Dewesoft in Kombination mit Beschleunigungssensoren und einem Normhammerwerk entwickelte und validierte die Forschungsgruppe eine neue Methodik zur Bewertung der Trittschallminderung an Leichtbaudecken-Mock-ups.

Einleitung

An der Fakultät für Wirtschaftsingenieurwesen der Universität Valladolid wurde die Verbesserung der Trittschallisolierung bei Leichtbaudecken durch die Verwendung verschieden dicker Auflagen aus Altreifen (End-of-Life Tires, ELT) untersucht.

Die Fakultät für Wirtschaftsingenieurwesen (Escuela de Ingenierías Industriales, EII) der Universität Valladolid entstand 2009 durch den Zusammenschluss mehrerer technischer Schulen und Fakultäten, die zuvor bereits zur Universität Valladolid gehört hatten.

Die Universität Valladolid ist eine öffentliche Hochschule in der Stadt Valladolid in der spanischen autonomen Gemeinschaft Kastilien und León. Sie wurde im 13. Jahrhundert gegründet und gehört damit zu den ältesten Universitäten der Welt. Heute werden dort etwa 30.000 Studierende von mehr als 2000 Lehrkräften betreut.

Unter Verwendung von Beschleunigungssensoren, einem Anregungssystem sowie dem Datenerfassungssystem SIRIUS Mini von Dewesoft und der zugehörigen Software wurde an der EII an kleinflächigen Nachbildungen (Mock-ups) die Beschleunigungspegel gemessen und analysiert. 

Zur Bewertung der Auswirkung der Trittschallminderung bei Leichtbaudecken wurde eine neue Methodik zur Anwendung gebracht, die auf Normen und verwandten Studien für Massivdecken basiert. Die Studie erleichtert die akustische Bewertung von Bauvorhaben und bietet eine potenzielle Lösung zur Verwertung von Altreifen sowie zur Reduzierung der damit verbundenen Umweltbelastung

Problematik und Messnormen

Der Passivhaus-Standard ist ein internationaler Standard und Zertifizierungsprozess für die Energieeffizienz von Gebäuden, der in den 1990er-Jahren in Deutschland entwickelt wurde. Durch Maßnahmen wie eine hochwirksame Dämmung, eine luftdichte Gebäudehülle, die Nutzung solarer Energiegewinne sowie eine mechanische Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung gewährleistet er einen besonders niedrigen Energiebedarf für Heizung und Kühlung. Ziel ist die Entwicklung komfortabler und gesunder Gebäude, die bis zu 90 % weniger Energie verbrauchen als konventionelle Gebäude.

Der Passivhaus-Standard ist ein Beispiel für die Fortschritte im Bauwesen. Auf diesem Konzept basierende Gebäude sind nachhaltiger und widerstandsfähiger gegenüber widrigen Wetterbedingungen. Ein multidisziplinäres Forschungsteam der Universität Valladolid stellte jedoch fest, dass leichte und flexible Strukturen in mehrgeschossigen Gebäuden eine unzureichende Trittschallisolierung aufweisen [1].

Um dieses Problem zu adressieren, wurden zunächst zwei Normen analysiert, die die Messung der Trittschallisolierung an Massivdecken definieren: 

• ISO 10140 (1–5) für Messungen in homologierten Räumen [2] 

Die Normenreihe ISO 10140 befasst sich mit der Prüfstandsmessung der Schalldämmung von Bauteilen und Produkten. Sie stellt einheitliche Prüfanforderungen für verschiedene Komponenten wie Wände, Böden, Fenster und Türen bereit. Diese Prüfungen sind jedoch teuer und aufwendig.

• ISO 16251-1 für kleinflächige Nachbildungen [3]  

ISO 16251-1 definiert ein Verfahren für die Labormessung der Trittschallminderung von Deckenauflagen auf kleinflächigen Prüfdeckennachbildungen und bietet damit eine praktikable Alternative zu größeren und komplexeren Prüfeinrichtungen. 

Beabsichtigt ist, unter Bezugnahme auf einschlägige Fachliteratur eine Methodik zu entwickeln, die der bei Massivdecken-Mock-ups ähnelt, jedoch für Leichtbauplatten angepasst ist, wie sie bei Passivhäusern zum Einsatz kommen. Außerdem soll die entwickelte Methode zur Charakterisierung der Verbesserung der Trittschalldämmung durch Auflagen aus Altreifen eingesetzt werden.

Vorbereitung der Mock-up-Versuche

Die durchgeführte akustische Studie basiert auf einer Signalanalyse (dynamische Analyse), bei der verschiedene Prüflinge – Mock-ups, die eine Leichtbaudecke mit Auflagen simulieren – miteinander verglichen wurden. Zum Einsatz kamen selbstgefertigte Mock-ups aus Holz und einer Betonschicht, die dünner war als bei traditionellen Massivdecken (siehe Abb. 1).

Die Verbesserung der Trittschalldämmung wurde bei den Messungen durch den Beschleunigungspegel charakterisiert, der mit Beschleunigungssensoren an bestimmten Punkten an der Unterseite des durch ein Normhammerwerk angeregten Mock-ups gemessen wurde. 

Durch Verbindung der Beschleunigungssensoren mit dem Datenerfassungssystem SIRIUS Mini von Dewesoft und Verwendung der Software DewesoftX konnte die Schwingungsantwort des Systems sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich aufgezeichnet werden. Abb. 2 zeigt die Komponenten der Messkette.

Bei der Entwicklung dieser Methodik kamen zwei Mock-ups zum Einsatz: ein Standard-Mock-up und ein ELT-Mock-up, jeweils mit den Maßen 120 cm (±1 cm) × 80 cm (±1 cm) und einem Gewicht von 102,1 kg bzw. 85,7 kg. Die Mock-ups bestanden aus mehreren Lagen (siehe Abb. 3).

Als erste Lage diente eine 55 mm dicke Brettsperrholzplatte (BSP) aus Pappel, darauf folgte eine Betonplatte, die bei den beiden Mock-ups unterschiedlich beschaffen war. Abschließend wurde eine bis zu drei Schichten umfassende Altreifen-Auflage (ELT) mit einer Dicke von 4 mm, 10 mm oder 20 mm aufgebracht.

Aus der BSP, den beiden Betonplatten und den drei Auflagen wurden insgesamt sechs verschiedene Prüflinge gefertigt (siehe Abb. 4).

Was den verwendeten Beton betrifft, wies eines der Mock-ups eine geeignete Zusammensetzung für die Festigkeitsklasse C25/30 (Standardplatte) auf. Bei der zweiten Platte wurde ein Teil des üblicherweise eingesetzten Sandes durch ELT-Granulat ersetzt (ELT-Platte). Abb. 5 zeigt die Schalung, die Betonbewehrung (6-mm-B500S-Stahlstäbe) und das Ergebnis mit dem noch frischen Beton.

Die Mock-ups wurden auf Holzstützen mit einem Querschnitt von 138 mm × 138 mm gelagert, die an den vier Ecken positioniert waren. Die Stützen wurden mittels horizontal positionierter Holzlatten verbunden, die zur zusätzlichen Verstärkung und Aussteifung des Systems um diagonale Latten ergänzt wurden. 

Abschließend wurden auf jeder Stütze bis zu drei elastische Sylomer®-Schwingungsisolationsplatten platziert, um die Mock-ups bzw. Prüflinge von Umgebungseinflüssen zu entkoppeln. Diese Platten sind für Belastungen bis zu 1000 t/m² geeignet [4], was bei der Lagerung von schweren Betonplatten auf BSP-Platten durchaus relevant ist. Abb. 6 veranschaulicht die in diesem Abschnitt beschriebenen Aspekte.

Abb. 7 zeigt die fertiggestellte Trägerstruktur mit einem der Mock-ups sowie eine schematische Darstellung der elastischen Lagerpunkte und des verwendeten Messaufbaus.

Schwingungsmessmethodik

Wie bereits erwähnt, wurden die Schwingungspegel (dB re10-6 m/s²) mit kleinen, einachsigen piezoelektrischen Beschleunigungssensoren von Brüel & Kjær bestimmt, die an drei zufällig ausgewählten Positionen an der Unterseite der BSP-Platte (Punkte a, c und d) angebracht waren. Der Buchstabe „b“ war für die Messung des Hintergrundrauschens reserviert. Insgesamt wurden acht Positionen für diese und zukünftige Messvorgänge markiert, wobei ein Abstand von 10 cm zum Rand des Mock-ups eingehalten wurde (siehe Abb. 8).

Die Sensorkabel wurden mit Kreppband auf der Platte fixiert, da ihre Bewegung die Zuverlässigkeit der Messung beeinträchtigen könnte, und anschließend mit Bienenwachs befestigt. Wie im Dewesoft-Kurs Vibration Measurement and Analysis  [5] beschrieben, führt diese Befestigungsmethode weder zu einer Dämpfung noch bewirkt sie – wie eine mangelhafte Befestigung – eine signifikante Verringerung der Bandbreite. 

Das Normhammerwerk, das durch eine Klopfbewegung Impulse zur Simulation von Trittschall erzeugt, wurde so in zwei Positionen auf dem Prüfling platziert, dass sich die für die mechanische Anregung verantwortlichen Hämmer innerhalb des zuvor festgelegten Bereichs befanden (siehe Abb. 9).

Nach der Festlegung der Messkette und der entsprechenden Positionen wurden die relevanten Messparameter definiert.  Das Datenerfassungssystem erfasste die Amplitude der Beschleunigung (Effektivwert, a₍rms₎), die an den Sensorpositionen am Mock-up wirkt.  Diese Amplitude, bezogen auf den Gleichgewichtszustand, wurde über 25 Sekunden aufgezeichnet. Mit der Software wurde der Beschleunigungspegel in Terzbändern im Bereich von 50 Hz bis 5000 Hz ermittelt.

Anschließend wurden die Messungen durch Eliminierung des Hintergrundrauschens korrigiert. Dazu wurde an jedem Prüfling nach Anbringen der Auflage zunächst eine Rauschmessung bei ausgeschaltetem Normhammerwerk durchgeführt, auf die zwei Messungen bei eingeschaltetem Normhammerwerk an zwei verschiedenen Anregungspositionen folgten (siehe Abb. 10).

Zusätzlich wurde der Beschleunigungspegel an zwei weiteren Mock-ups (Betonplatte mit BSP, ohne Auflage) erfasst. Die erreichte Trittschalldämmung ergibt sich aus der Differenz der Pegel. Diese Pegeldifferenz (mit und ohne Auflage) wurde in Terzbändern für jeden Beschleunigungssensor a und für die beiden Anregungspositionen t (ΔLt, a) bestimmt.  Abschließend wurde anhand der Positionen der Beschleunigungssensoren und Normhammerwerke der räumliche Mittelwert des Parameters berechnet, um ΔL in jedem Band zu erhalten. 

Nach erfolgter Festlegung der relevanten Parameter und des Messzyklus wurden die drei Beschleunigungssensoren mit der Datenerfassungsausrüstung verbunden, und die Software DewesoftX wurde wie in Abb. 11 gezeigt konfiguriert. Dank der TEDS-Funktion erkannten die drei Kanäle die Sensoren automatisch und konfigurierten die jeweils erforderlichen Einstellungen. 

Die dynamische Abtastrate betrug 15 kHz, was einer maximal messbaren Frequenz von 7,5 kHz entspricht. Unter Berücksichtigung des eingesetzten Anti-Aliasing-Filters reduzierte sich die effektive Bandbreite auf 5859 Hz.

Für diese Studie wurde hauptsächlich das Untermodul Oktavanalyse im Bereich Mathe verwendet, um mithilfe der in der Software verfügbaren Formel-Funktion aus den von den Beschleunigungssensoren gemessenen Beschleunigungen den Beschleunigungspegel in Terzbändern zu berechnen und zu exportieren. Ein weiterer Vorteil der Software besteht darin, dass sie Daten auch im Frequenzbereich analysieren kann. 

Daher wurde für den Fall, dass in zukünftigen Untersuchungen die Resonanzfrequenzen des Systems analysiert werden sollen, auch das Modul FFT-Analysator vorbereitet. Es ist zudem hilfreich, während der Messung die schnelle Fourier-Transformation einzusehen, da sie Hinweise auf die Konsistenz der erfassten Daten liefern kann. Es wurden insgesamt 1024 Linien verwendet, die die maximale Amplitude des Systems (Spitzenamplitude) mit einer Frequenzauflösung von 7,32 Hz in einem linearen Diagramm darstellen; als Fensterfunktion kam ein Transientenfenster zum Einsatz.

Ein weiterer großer Vorteil der Software ist die Möglichkeit zur flexiblen Visualisierung der Messdaten. Die Anzeige lässt sich mittels zahlreicher Widgets einfach und intuitiv anpassen. In dieser Studie wurden zur Darstellung der gemessenen Beschleunigung, 2D-Diagramme zur Darstellung des Frequenzspektrums (FFT-Vorschau) sowie Terzbanddiagramme (Oktavenvorschau) verwendet. 

Zusätzlich kamen eine Signalleuchte zur Anzeige der Messdatenspeicherung und eine Digitalanzeige zur Darstellung der Messdauer zum Einsatz. Abb. 12 zeigt den Aufbau der Registerkarte Messen zur Datenerfassung, wobei jede Zeile einem Beschleunigungssensor (a, c, d) entspricht und die drei genannten Widget-Typen (1, 2, 3) enthält.

Die Beschleunigungspegel in jedem Terzband wurden für jeden Sensor aus der Software exportiert, um die Daten weiterzuverarbeiten und die Parameter zur ermittelten Dämmwirkung zu bestimmen.

Wichtigste Ergebnisse

Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse zu drei Aspekten der Untersuchung vorgestellt: dem Vergleich der Hintergrund- und Betriebsgeräuschpegel, den korrigierten und gemittelten Beschleunigungspegeln sowie dem in Terzbändern dargestellten Vergleich der Trittschalldämmwerte der einzelnen Prüflinge.

In den Beschleunigungspegelspektren ist jeder Prüfling durch sechs Beschleunigungspegel repräsentiert. Diese werden (abhängig von der Auflage) durch die Codes nfu4, nfu10 und nfu20 (von span. neumáticos fuera de uso = Altreifen) differenziert und dadurch, ob das Standard- oder das ELT-Mock-up verwendet wurde. Zwei zusätzliche Pegel entsprechen den beiden Mock-ups ohne Auflage, codiert als sin0 (span. sin = ohne).

Abb. 13 zeigt die räumlich gemittelten Beschleunigungspegel des Prüflings „Standard-Mock-up mit nfu4“ in zwei Zuständen, nämlich bei funktionierendem und bei ausgeschaltetem Normhammerwerk. Es wird nur ein Prüfling dargestellt, da der Kurvenverlauf in allen Fällen sehr ähnlich ist. 

Beim Prüfling ohne Auflage verändert sich der Graph aufgrund des ausgeprägten Anstiegs des Beschleunigungspegels bei Betrieb des Hammerwerks erheblich. Diese Abweichung unterstreicht die Zuverlässigkeit der Messungen, da die Pegeldifferenz deutlich erkennbar ist. Ähnlichkeiten zeigen sich nur in den höchsten Frequenzbändern, mit beispielsweise einem Unterschied von etwa 10 dB im 5-kHz-Band.

Untersucht wurden auch die Wiederholbarkeit der Messungen sowie der Einfluss der Sensorpositionen auf die Ergebnisse. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse der Schwingungsantwortmessungen unabhängig vom Messzeitpunkt und den Positionen der Beschleunigungssensoren am Prüfling sind.

Abb. 14 zeigt die räumlichen Mittelwerte der drei Beschleunigungssensor- und der beiden Hammerwerkpositionen. Dargestellt sind die korrigierten Beschleunigungspegel (ohne Hintergrundrauschen) in Terzbändern für die vier untersuchten (nfu4, nfu10, nfu20 und sin0) beider Mock-ups. Dabei ist die Standardabweichung der Werte berücksichtigt.

In den Spektren lassen sich mehrere Frequenzbereiche unterscheiden. Bei niedrigen Frequenzen – bis 200 Hz beim Standard-Mock-up und bis 125 Hz beim ELT-Mock-up – waren die Beschleunigungspegel aller sechs mit Auflagen versehenen Prüflinge sehr ähnlich. In den günstigsten Fällen betrugen die Unterschiede zu den Mock-ups ohne Auflage (sin0) lediglich 3–5 dB. 

Ab 250 Hz beim Standard-Mock-up bzw. ab 160 Hz beim ELT-Mock-up zeigten sich jedoch deutliche Unterschiede zwischen den Mock-ups mit und ohne Auflage, aber auch zwischen den nfu4-Prüflingen einerseits und den nfu10- und nfu20-Prüflingen andererseits. Diese Abweichungen verstärkten sich in den höheren Frequenzbändern auf Werte bis zu 60–75 dB zwischen sin0 und nfu10 sowie bis zu 30,7 dB zwischen nfu4 und nfu10.

Zudem war ein weiterer Trend erkennbar: Oberhalb von 500 Hz lagen die Beschleunigungspegel der nfu20-Prüflinge höher als jene der nfu10-Prüflinge. Eigentlich wäre zu erwarten gewesen, dass eine dickere Auflage die Schwingungen stärker dämpft und somit eine höhere Trittschalldämmung erzielt.

Abb. 15 schließlich zeigt die erreichte Trittschalldämmung ΔL für alle Prüflinge in Terzbändern.

Bei niedrigen Frequenzen (50–125 Hz) wurde die beste Dämmwirkung in jedem Band (etwa 2 dB ) mit der nfu20-Auflage erzielt. Zwischen 125 Hz und 400 Hz blieb die nfu20-Auflage bei beiden Mock-ups die beste Option, wobei die nfu10-Auflage beim ELT-Mock-up jedoch schon ähnliche Werte erreichte. 

Im Bereich zwischen 500 Hz und 2000 Hz lieferte die nfu10-Auflage beim ELT-Mock-up im Vergleich zu den anderen untersuchten Zuständen die beste Dämmung (bis zu 5,5 dB besser als das Standard-Mock-up mit nfu10-Auflage). Ab dem 2000-Hz-Band bot das Standard-Mock-up mit nfu20-Auflage die beste Dämmung (bis zu 5 dB besser als das Standard-Mock-up mit nfu4 als nächstbester Prüfling).

Schlussfolgerungen und verwandte Arbeiten

Mithilfe der beschriebenen Messungen wurde eine Methodik zur Untersuchung der Trittschalldämmung unter Verwendung von Leichtbauplatten-Mock-ups entwickelt. Diese Methode eröffnet eine neue Forschungslinie im Fachbereich und ermöglicht die Prüfung anderer Arten von Bodenplatten und Auflagen. Zudem wurden interessante Daten über das Verhalten von ELT als Auflage auf Leichtbauplatten gesammelt.

Bezüglich der Beschleunigungspegel wurde bei niedrigen Frequenzen (50–125 Hz) mit keiner der Auflagen eine signifikante Verbesserung erzielt. Im Vergleich zu Prüflingen ohne Auflage (sin0) liegen die Unterschiede in den meisten Fällen bei etwa 2 dB, wie auch schon in anderen Studien zu dieser Thema beobachtet wurde [6]. 

Bei mittleren und hohen Frequenzen (125–5000 Hz) reduzieren Auflagen die Beschleunigungspegel signifikant – mit Reduzierungen von bis zu 75 dB bei 5000 Hz. Was die Verbesserung der Trittschalldämmung betrifft, lässt sich feststellen, dass das ELT-Mock-up Schwingungen bei niedrigen und mittleren Frequenzen (50–2000 Hz) allgemein wirksamer dämpft als das Standard-Mock-up.

Danksagungen

Wir danken den Veranstaltern des in der spanischen autonomen Gemeinschaft Kastilien und León abgehaltenen Wettbewerbs „Desafío Universidad-Empresa“ für den dritten Preis in der Ausgabe 2021, mit dem die Idee zu dieser Studie gewürdigt und ihre Umsetzung maßgeblich gefördert wurde. Außerdem dankt Alberto Gutiérrez dem multidisziplinären Projektteam (Marta Herráez, José Antonio Balmori Roiz, Milagros Casado Sanz und María Machimbarrena Gutiérrez) für die Möglichkeit zur Teilnahme am Projekt.

Referenzen und Literatur

In verwandten Forschungsartikeln beschreiben Arenas et al. [7] die Durchführung von Tests in standardisierten und homologierten Räumen [2] und die Suche nach einem empirischen Ausdruck zur Vorhersage der Trittschalldämmung. Foret et al. [8] ihrerseits beschreiben Tests mit kleinflächigen Massivdecken-Mock-ups [3] mit Auflagen und korrelieren ihre Ergebnisse mit jenen, die in homologierten standardisierten Räumen erhalten wurden.

1. Jayalath et al, ‘Airborne and impact sound performance of modern lightweight timber buildings in the Australian construction industry’, Case Studies in Construction Materials, volume 15, December 2021. Access: July 27, 2025. [Online].

2. ‘Acoustics. Laboratory measurement of the sound insulation of building elements, International Organization for Standardization, ISO 10140-2022.

3. ‘Acoustics — Laboratory measurement of the reduction of transmitted impact noise by floor coverings on a small floor mock-up’, International Organization for Standardization, ISO 16251-1-2014. 

4. “Sylomer”. Antivibration solution Sylomer. Access: July 27, 2025. [Online].

5. Dewesoft, ‘Vibration Measurement’, Access: July 27, 2025. [Online].

6. Martins, P. Santos et al., ‘Acoustic performance of timber and timber-concrete floors’, Construction and Building Materials, volume 101, part 1, 684-691 pages, December 2015. Access: July 27, 2025. [Online]. 

7. J.P. Arenas and L.F. Sepúlveda, ‘Impact sound insulation of a lightweight laminate floor resting on a thin underlayment material above a concrete slab’, Journal of Building Engineering, volume 45, 103537, January 2022. Access: July 27, 2025. [Online]. 

8. R. Foret, C. Jean-Baptiste, ‘A comparison of the reduction of transmitted impact noise by floor coverings measured using ISO 140-8 and ISO/CD 16251-1’, Forum Acusticum 2011, June 2011. Access: July 27, 2025. [Online].