Analyse der Modellierung von Brettsperrholzplatten zur Prognose des Schalldämm-Maßes von Baukonstruktionen

Abstract

In diese Masterarbeit wird die Schallübertragung in orthotropen Platten, am Beispiel von Brettsperrholz Platten behandelt. In der Arbeit wird versucht die bestimmenden Parameter der Schallübertragung im Holz zu identifizieren und parallel am Beispiel CLT (cross-laminated timber) zu quantifizieren, wobei ein orthotropes Modell zu Grunde gelegt wird, mit folgender Abfolge. Der erste Teil erläutert das akustische Verhalten einer orthotropen Platte und definiert in weiterer Folge parameterbestimmte Frequenzbereiche anhand einer qualitativen Schalldämmkurve. Eine Sensitivitätsanalyse der einzelnen Parameter, welche mithilfe der Simulationssoftware INSUL durchgeführt wurden, umfasst den zweiten Teil der Arbeit und schließt mit übersichtlicher Darstellung der Ergebnisse in Form von Einzahlangaben wie z.B. dem bewerteten Schalldämmmaß (Rw) und dem Schalldämmmaß als Funktion der Frequenz (R) ab. Die Parameterbereiche der Sensitivitätsanalyse werden wie folgt eruiert. Die Streuung der einzelnen Parameter, beispielsweise durch Fertigungstoleranzen, werden mithilfe der Literatur festgelegt und durch Laborprüfungen (z.B.: Dichtemessung, Modalanalyse), an drei- bis fünf-schichtigen CLT Platten (u.a. der Firma Stora Enso) validiert. Die Untersuchung im Labor wird im dritten Teil dieser Arbeit erläutert, wobei eine generelle Aussage über die Durchführbarkeit einer dynamischen Methode, der Modalanalyse, zur Bestimmung der Steifigkeit am Brettsperrholz diesen letzten Teil abschließt. Ziel dieser Arbeit ist die Schwankungsbreite der Festigkeitsparameter zu bestimmen und eine Auskunft darüber zu geben, ob diese Werte einen maßgeblichen Einfluss auf den Schalldämmwert haben. Darüber hinaus soll die Aussagekraft der Modalanalyse zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls an unterschiedlichen CLT-Platten diskutiert werden. Weiters wird die Frage diskutiert:- Ist ein orthotropes Modell zur Beschreibung des Schwingverhaltens ausreichend?-. Zur Simulation wurden folgende Parameter identifiziert und isoliert betrachtet: Dicke, Dichte, Steifigkeit, Orthotropie und innere Dämpfung. Die Simulationen anhand einer 3-schichtigen 90mm dicken Brettsperrholzplatte zeigen Schwankungen des Schalldämmmaßes von bis zu +2/-4 dB aller Paramater. Eine Erhöhung der Schalldämmung einer CLT-Wand wurde durch die Erhöhung der Dicke, der Dichte und der inneren Dämpfung festgestellt. Die Verminderung des Unterschieds der beiden Biegesteifigkeiten, in anderen Worten das Reduzieren des Modells von orthotrope auf isotrope Eigenschaften, ergab ebenfalls eine Verbesserung. Die parallele Laboruntersuchung ergab für die Dichte Werte zwischen 431 und 542 kg/m3, der inneren Dämpfung Werte bei 0,1. Der E-Modul konnte nur bei frei aufgehängten einaxial schwingenden Platten bestätigt werden. Die berechneten Eigenfrequenzen stimmten unter der Annahme einer höheren Steifigkeit als in der statischen Bemessung angenommen mit den Messergebnissen Großteils überein. Grundsätzlich zeigte sich durch die Resonenzfrequenzanalyse, dass für die exakte Identifizierung der Eigenfrequenzen ein vereinfachtes orthotropes Modell, mit zwei Biegesteifigkeiten, nicht ausreicht.

This master thesis is all about the structure-born sound in orthotropic plates, especially in cross-laminated timber structures. The thesis is divided into three major parts. The first part focuses on the 'theory of sound transmission in orthotropic plates'. Determining the parameters that influence the transmission loss (TL) is the main goal of this chapter. As a result, TL in the shape of the well known sound reduction index (Rw) will be plotted against the frequency band of interest, which for building acoustics ranges from 50 to 5000 Hz. At the best, frequency ranges which are most determined by a certain material parameter will be defined in this chart. In the second part, the crucial parameters will be quantified and their range of tolerance will be set as per the literature studies and the modal analyses provided by the author. The simulation ought to deliver results whether the parameters and their variations influence the TL or not, and to what extent. Finally, the results are presented through the weighted sound reduction index (Rw) for each parameter for a quick overview as well as over the extended building acoustic frequency range. The modal analysis as mentioned above is the key topic to be discussed in the last part. CLT plates provided especially by Stora Enso will be investigated, by identifying the resonance frequencies at least at the fundamental frequency and the first harmonic, in the best case to validate the Young's Modulus for CLT specimens. As a result, the identifies parameters fur the simulations are: thickness, density, stiffness, internal-loss and orthotropie. The orthotropie was definied as fraction between the bending stiffnesses of the two axes. It has been found, that an increasing thickness, density or internal loss improves the acoustic performances of the plate up to 2 dB by each property. The plate was 3-layerd and 90mm thick in total. Another result: If the orthotropie is set to one, so there is no difference between the two stiffnesses, the sound reduction increases as well. In the laboratory part, the density, internal loss and the stiffness, used in the simulation, were confirmed. The stiffness, which was investigated in the modal analysis, need to be higher as in the static calculations to fit the measured natural frequencies. Furthermore, free-free boundary conditions performed well when it comes to modal analysis. The modal analysis showed, that the acoustic behavior of some of the specimens is not described by a simple orthotropic model very well. A solution to verify the resonance frequencies might be a more complex plate model.