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Schallschutz mit Klimahüllen

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  • Landesamt für Umwelt Brandenburg

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Schallschutz mit Klimahüllen
André Jakob1, Rudi Volz1, Dirk Peissl2, Mike Schlaich2
1 advacoustics - Ingenieurbüro für Akustik, 13505 Berlin, E-Mail: kontakt@advacoustics.de
2 Technische Universität Berlin, Fachgebiet Entwerfen und Konstruieren - Massivbau, 13355 Berlin
Einleitung
Seit einiger Zeit werden sogenannte Klimahüllen für durch
Lärm, insbesondere Fluglärm, belastete Gebiete diskutiert.
Während bei bodengebundenen Lärmquellen, wie Straßen-
oder Schienenverkehr, Lärmschutzwände an Quelle oder
Empfänger auch Außenbereiche mehr oder weniger stark
schützten können, ist dies naturgemäß bei den hochliegenden
Quellen des Luftverkehrs nicht möglich. Nur eine vollständi-
ge „Einhausung“ der Außenbereiche kann bei Fluglärm eine
merkliche Lärmminderung mit sich bringen. Dies gilt um so
mehr, wenn der betreffende Außenbereich zwischen den
Einflugschneisen eines Flughafens mit zwei parallelen Start-
bahnen liegt. Generell sind nach Fluglärmgesetz für Außen-
bereiche keine Schutzziele definiert und natürlich auch keine
Schallschutzmaßnahmen vorgesehen.
In dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt DBU
geförderten Forschungsprojekt „Entwicklung eines Prototyps
für energetisch aktive und wandelbare Klimahüllen“ werden
an einem konkreten Beispiel für einen Außenbereich Varian-
ten für solche Klimahüllen untersucht. Projektpartner sind
das Ingenieurbüro Schlaich, Bergermann und Partner, die
Technische Universität Berlin und die Gemeinde Blanken-
felde-Mahlow. Von Anfang an wurden externe Berater in
das Projekt miteingebunden: für Brandschutz (hhp Ingenieu-
re), für Geotechnik und Bodendynamik (gud) und für Akus-
tik (advacoustics).
Der zu schützende Außenbereich ist hier im Projekt das Au-
ßenspielgelände einer Kindertagesstätte (Kita). Bei einem
solchen Außenbereich zeigt sich in besonderem Maße die
Problematik der Lärmbelastung von Außenbereichen, da
sich ja die Kinder nicht den ganzen Tag innerhalb des Kita-
Gebäudes aufhalten sollen, sondern sich im auch flächenmä-
ßig deutlich größeren Außenbereich austoben, rennen, Ball
spielen oder im Sand spielen sollen. Hier besteht der
Wunsch nach einer geringeren Fluglärmbelastung.
Lage der Kita und Fluglärmbelastung
Die Kita befindet sich in der Gemeinde Blankenfelde-
Mahlow westlich des neuen Hauptstadtflughafens BER süd-
lich von Berlin. Die Gemeinde Blankenfelde-Mahlow liegt
unmittelbar vor den beiden Start- und Landebahnen des BER
und wird sowohl vom Anflug als auch vom Abflug überflo-
gen. Abbildung 1 zeigt die Lage der Gemeinde und in ihr die
Lage der Kita in Bezug auf die An- und Abflugrouten. Wäh-
rend die Landungen parallel auf geraden Anflugrouten über
die Gemeinde führen, ist die Abflugroute von der Südbahn
nach Süden hin abgeknickt. Dies hatte die Flugrouten-Neu-
festsetzung des Bundesaufsichtsamtes für Flugsicherung
(BAF) in 2012 wegen der Notwendigkeit der auseinander di-
vergierenden Abflugrouten bei Parallelbetrieb der Startbah-
nen ergeben. Die Kita wird also durch diese „neuen“ Flug-
routen etwas vom Fluglärm entlastet.
Abbildung 1: Die Lage der Kita (grüner Stern) in der Ge-
meinde Blankenfelde-Mahlow westlich der Start- und Lan-
debahnen des Flughafens BER, rot: Abflugrouten, blau:
Anflugrouten
Zwar ist der Abstand und die Flughöhe beim Anflug auf die
Südbahn deutlich geringer als bei den Abflügen von der
Nord- und Südbahn, jedoch ist der Quellpegel des Luftfahr-
zeugs beim Abflug grundsätzlich größer als bei der Lan-
dung. Außerdem kommen Abflüge nach Westen an diesem
Standort wesentlich häufiger vor als Anflüge nach Osten, da
in der Regel gegen den Wind gestartet und gelandet wird
und die Windverteilung über das Jahr für den Standort dieses
Flughafens etwa zu zwei Dritteln Wind aus westlichen Rich-
tungen und zu einem Drittel Wind aus östlichen Richtungen
zeigt. Folglich ist über das Jahr verteilt mit zwei Drittel
Starts und einem Drittel Landungen zu rechnen. Die Belas-
tung durch Starts und Landungen ist dadurch für den Stand-
ort der Kindertagesstätte als weitgehend gleichwertig zu be-
trachten. Da außerdem die Abflüge von der Nord- und Süd-
bahn ähnlich nah an der Kindertagesstätte vorbeiführen, ist
der Schalleintrag durch Fluglärm auf der Nord- und Südseite
der Fassade der Kindertagesstätte ähnlich groß. Der Schall-
eintrag durch die Anflüge auf die Nordbahn ist dagegen eher
gering.
Um einen Eindruck über die Pegelhäufigkeitsverteilung
durch die An- und Abflüge am Tage durch den zukünftigen
Flughafen BER zu bekommen dient die Grafik in Abbil-
dung 2. Aufgetragen sind die Maximalpegel aller Fluglärm-
ereignisse (d.h. An- und Abflüge aller Flugzeugklassen) am
Tage im Berechnungszeitraum (die 6 verkehrsreichsten Mo-
nate eines Jahres).
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Abbildung 2: Pegelhäufigkeitsverteilung durch An- und
Abflüge am Kita-Standort am Tage in den 6 verkehrsreichs-
ten Monaten eines Jahres
Dies bedeutet, dass der Großteil der Maximalpegel der Flug-
lärmereignisse um ca. 65 dB(A) liegt. Der äquivalente Dau-
erschallpegel liegt hier bei 58 dB(A) und das gemäß Plan-
feststellungsbeschluss des BER für Kitas gültige Maximal-
pegelkriterium NAT(16) bei 76 dB(A). Nach den geplanten
und den obigen Berechnungen zugrunde gelegten Verkehrs-
zahlen des BER kann man ungefähr von einem Fluglärmer-
eignis alle 3 bis 4 Minuten ausgehen.
Abbildung 3: Berechnete Terzpegelspektren für An- und
Abflüge am Standort der Kita
Um einen Eindruck über den Frequenzverlauf eines einzel-
nen Vorbeifluges zu geben, wurde für die pegelbestimmen-
den Anflüge auf der Südbahn und die Abflüge von der Nord-
und Südbahn für einen einzelnen Vorbeiflug für die am häu-
figsten vorkommende Flugzeugklasse S 5.2 (z.B. Airbus
319, 320, 321, Boeing 737-700, 737-800) eine Fluglärmbe-
rechnung durchgeführt. Der Pegel wurde dabei für die kür-
zeste Entfernung vom Luftfahrzeug zur Kindertagesstätte
unter der Annahme berechnet, dass sich das Luftfahrzeug in
der Mitte des Flugkorridors, also direkt auf der Flugroute be-
findet. Das Ergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt.
Klimahüllenvarianten
Prinzipiell werden hier drei Arten von Klimahüllen unter-
schieden: komplette Umhüllung der Kita, Klimahüllenanbau
an die Kita ähnlich einem Wintergarten sowie externe Kli-
mahülle als eigenständiges Gebäude neben der Kita.
Von mehreren Entwürfen wurden im Laufe des Projektes
drei Varianten als näher zu untersuchende Favoriten ausge-
wählt: zwei vollständig umschließende Hüllen und eine ex-
terne Hülle.
Abbildung 4 zeigt Fotos vom Kita-Gebäude und vom Au-
ßenspielbereich.
Abbildung 4: Fotos der Kita
In den Abbildungen 5 und 6 sind zwei der Varianten der Kli-
mahülle abgebildet. Die externe Variante in Abbildung 6 be-
steht aus zusammenklappbaren Schirmen, die ein großflächi-
ges Öffnen der Klimahülle ermöglichen.
Abbildung 5: vollständig umschließende Klimahülle
Abbildung 6: externe Klimahülle
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Für diese Varianten wurden Raumakustikberechnungen mit
der Software EASE durchgeführt. Es wurden Absorptions-
grade von zweischaliger Verglasung (4-16-4) für die Kli-
mahüllenfassaden, Spanplatte vor 10 cm dicker Luftschicht
und Holzbeplankung vor 18 cm dicker Luftschicht sowie
Tonziegeleindeckung für die Außenflächen des Kita-Gebäu-
des und grasbewachsener Erdboden für den Boden um das
Kita-Gebäude herum angesetzt. Zusätzliche raumakustische
Maßnahmen wurden hier zunächst nicht berücksichtigt.
Abbildung 7 zeigt die errechneten Nachhallzeiten nach der
Schröder-Methode. Aufgrund der hier sehr unterschiedlich
verteilten Absorption in der Klimahülle, dem großen „Ein-
bau“ des Kita-Gebäudes in der Klimahülle sowie der unge-
wöhnlichen Raumgeometrie der externen Klimahülle führt
eine Nachhallzeitabschätzung nach Sabine hier zu stark ab-
weichenden Ergebnissen und erscheint nicht realistisch. Die
Schröder-Methode führt zu Ergebnissen mit höheren Nach-
hallzeiten im mittleren Frequenzbereich. Diese Nachhallzeit
deckt sich mit Erfahrungen in Fabrikhallen mit ähnlichen
Geometrien und Dimensionen, die ähnliche Nachhallzeitver-
läufe aufweisen.
Vermutlich sind die Nachhallzeiten hier allerdings etwas zu
niedrig geschätzt, da die Absorptionsgrade des grasbewach-
senen Bodens, die der Datenbank des verwendeten Pro-
gramms entnommen wurden, im Vergleich zu Werten aus
der Literatur recht hoch erscheinen.
Abbildung 7: Berechnete Nachhallzeiten der Klimahüllen
Die Außenpegel-Innenpegel-Differenzen der Klimahülle be-
tragen mit den ermittelten Nachhallzeiten für die umschlie-
ßende Variante 17 dB (Variante 1 in Abbildung 7) und für
die externe Variante 15 dB (Variante 3 in Abbildung 7). Das
bedeutet, dass der Dauerschallpegel an diesem Standort in-
nerhalb der Klimahüllen 41 bzw. 43 dB(A) beträgt und der
Maximalpegel nach NAT(16)-Kriterium 59 bzw. 61 dB(A).
Interessant ist es auch, sich im Falle der umschließenden
Klimahülle die Auswirkungen auf den Schallpegel im Innern
des Kita-Gebäudes auszurechnen. Die Kita hat zum Beispiel
in einem Ruheraum aufgrund relativ kleiner Fenster eine
Fassadenschalldämmung von RW,res = 41 dB. Daraus resul-
tiert mit der üblichen Annahme für die äquivalente Absorpti-
onsfläche von 0,8-mal Grundfläche und dem Korrektursum-
manden K = 6 dB für Verkehrsflughäfen nach VDI 2719
eine Pegeldifferenz von ca. 30 dB. Im Ruheraum der Kita er-
gibt sich somit ein Dauerschallpegel von nur noch 11 dB(A)
und ein NAT(16)-Wert von 29 dB(A). Das Maximum der
Maximalpegelstatistik „rutscht“ von 65 dB(A) auf 18 dB(A).
Zusammenfassung und Ausblick
Beim hier vorgestellten Projekt „Klimahülle“ handelt es sich
um ein Modellvorhaben jenseits der engen Grenzen von
akustisch-rechtlichen Vorgaben wie Planfestellungsbe-
schluss, Planergänzungsbeschluss, Fluglärmgesetz und Ver-
ordnungen. Es werden Möglichkeiten untersucht, Außenbe-
reiche hier am Beispiel von Kinderspielbereichen einer
Kindertagesstätte vor Fluglärm zu schützen, die bisher
nicht geschützt werden können. Optisch transparente und bei
Bedarf auch öffenbare Klimahüllen können hier ein Ansatz
zur Erfüllung dieses Wunsches sein. Natürlich ersetzt eine
solche Hülle nicht vollständig den Aufenthalt im Freien, sie
kann aber eine „außen-ähnliche“ Spielerfahrung liefern. Au-
ßerdem lässt sich durch die Klimahülle die große zur Verfü-
gung stehende Fläche auch bei Fluglärm nutzen. Denn es be-
steht natürlich die Befürchtung, dass der Außenbereich spä-
ter nach Eröffnung des Flughafens durch den ungehinderten
Fluglärm weniger genutzt wird und die Kinder quasi ins
kleinere Kita-Gebäude-Innere verdrängt werden.
Neben den im Projekt von den beteiligten Akteuren bearbei-
teten Fragestellungen nach Tragwerkskonstruktionen, Wan-
delbarkeit, Heizen und Kühlen des Innenraums, Energiege-
winnung, Brandschutz, etc. muss auch die Akustik weiter
bearbeitet werden. Hier ist vor allem die Raumakustik in der
Klimahülle zu nennen. Ohne zusätzliche raumakustische
Maßnahmen wird der Innenraum eher an eine große Sport-
halle erinnern, wie die Nachhallzeitberechnungen zeigen.
Aufgrund der Dimensionen der Klimahülle besteht zudem
die Gefahr für Flatterechos.
Die Verbesserung der Raumakustik ist also eine der Haupt-
aufgaben für künftige akustische Arbeiten im Projekt. Grö-
ßere Flächen für Schallabsorber stehen bei der umschließen-
den Variante unter anderem am Kita-Gebäude selbst zur
Verfügung, das dann ja zum Innenraum der Klimahülle ge-
hört. Über weitere Maßnahmen mit Streukörpern, Bewuchs,
transparente Absorption und nicht-rechtwinkelige Geometri-
en wird nachgedacht.
Interessant könnte es auch sein, die Berechnung der „doppel-
ten Schalldämmung“ ins Innere des Kita-Gebäudes nicht wie
hier und allgemein üblich über die Einzahlwerte durchzufüh-
ren, sonder oktav- oder gar terzweise. In der üblichen Be-
rechnung wird das Geräuschspektrum durch den Korrektur-
summanden K = 6 dB indirekt berücksichtigt (Spektruman-
passungswert). Bei der doppelten Anwendung der Berech-
nungsformel für die Pegeldifferenz liegt aber für die innere
Schalldämmung als „Außenpegel“ (Innenpegel in der Kli-
mahülle) an der Kita-Fassade kein Fluglärmspektrum mehr
an sondern ein bereits durch die Klimahülle „tiefpass-gefil-
tertes“ Geräusch. Für eine solche Berechnung müssten natür-
lich die Schalldämmmaß-Spektren aller beteiligten Bauteile
verfügbar sein.
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