Fassadenakustik – Neue Funktionen für Gebäudefassaden

Fassaden sind als äußere Hülle des Gebäudes sowohl Gestaltungselemente als auch Funktionsbauteile zugleich. Die Themenbereiche Energie, Komfort und Sicherheit bestimmen die Gebäudeplanung und die Ausführung von Fassaden. Der akustische Komfort von Fassaden war in der Vergangenheit durch die normativen Vorgaben zur Schalldämmung bestimmt. In letzter Zeit wird Lärm aber nicht mehr nur als unangenehme Begleiterscheinung in Folge unserer wachsenden gesellschaftlichen Mobilität gesehen.

Lärm macht krank!

Diese Erkenntnis ist nicht neu, rückt aber aktuell in den Fokus, wenn es darum geht, in Stadt- und Gebäudeplanung nicht nur ein komfortables, sondern auch ein gesundes Umfeld zu schaffen. Die aktuelle WHO (World Health Organization) Leitlinie zur Lärmbelastung vom Oktober 2018 belegt, dass Lärm zu den wichtigsten umweltbedingten Gefahren für die körperliche und psychische Gesundheit gehört. Die Europäische Umweltagentur EEA zeigt in ihrer Lärmkartierung für Europa, dass ca. 100 Mio. Menschen von einem Straßenverkehrslärmpegel von mehr als 55 dB(A) betroffen sind. Um gesundheitliche Beeinträchtigungen zu vermeiden, empfiehlt die WHO, für die durchschnittliche Straßenverkehrslärmbelastung einen Lärmpegel unter 53 dB einzuhalten, der in der Nacht auf weniger als 45 dB verringert werden sollte.

Erste Maßnahmen

Die erste Möglichkeit der Lärmreduzierung besteht darin, direkte Maßnahmen an der Lärmquelle umzusetzen. Beim Straßenverkehrslärm sind die Möglichkeiten der direkten Lärmreduzierung an der Lärmquelle aber nur begrenzt wirksam. In den Städten nimmt der Lärm ständig zu. Dafür sind vor allem zwei Trends verantwortlich. Die wachsende Urbanisierung führt zu mehr Menschen auf engem Raum, damit zu einer Verdichtung des Verkehrs und zu mehr Verkehrslärm. Dazu kommt der wachsende Mobilitätsbedarf der Menschen mit einer zunehmenden Vielfalt an Mobilitätsformen und dem Bedarf nach flexiblen, engen Verkehrsnetzwerken, was auch wieder nachteilige Auswirkungen auf die Verkehrslärm-entwicklung hat. Die heutige Verkehrsinfrastruktur kann diese Entwicklung nicht in der Geschwindigkeit auffangen, wie es erforderlich wäre, so dass die ansteigende Verkehrsdichte zu einem wachsenden Lärmproblem in unseren Städten wird.

Daher sind zusätzliche indirekte Maßnahmen zur Reduzierung der Lärmausbreitung im urbanen Raum nötig, um attraktiven, gesunden, komfortablen Lebensraum zu schaffen.  Gebäudefassaden können hierzu auf verschiedene Weise wertvolle Beiträge liefern, die Lebensqualität und den Komfort in Gebäuden und im urbanen Raum zu verbessern.

Schalldämmung durch Fassaden

Die Schalldämmung beschreibt die Eigenschaft von raumtrennenden Bauteilen, die Ausbreitung von Luft- und Körperschall zu behindern. Anforderungen an Bauteile zum Schutz vor Außenlärm sind in der DIN 4109-1:2018-01 beschrieben. Als Kenngröße wird dabei als Einzelwert das bewertete Bau-Schalldämm-Maß R_w verwendet. Dafür wird die frequenzabhängig vorliegende Schalldämmkurve des Bauteils mit einer so genannten Bezugskurve verglichen und daraus der Einzelwert R_w abgeleitet.  Der Aufbau der Bauteile hat dabei eine Auswirkung auf die frequenzbezogene Schalldämmwirkung. Eine Beurteilung der frequenzbezogenen Schalldämmwirkung kann nur mit einer Schalldämmkurve über die einzelnen Frequenzen durchgeführt werden.

In Fenstern und vielen Vorhangfassaden bedeckt Glas den Großteil der freiliegenden Fassaden-Oberfläche (Abb. 02) und bestimmt die Übertragung der Schallenergie von außen nach innen. Traditionell werden die akustischen Anforderungen von den spezifischen Schallübertragungseigenschaften der Verglasungsarten bestimmt. Daneben sind aber auch die Schallübertragungswege über den Rahmen und die opaken Paneelfelder einer Fassade zu betrachten (Abb. 03). In Aluminium-Glasfassaden haben die Materialien Aluminium und Glas vergleichbare Steifigkeits-und Dichteeigenschaften, wodurch sie etwa gleiche akustische Eigenschaften aufweisen. Die Schalldämmleistung von speziellen Schallschutzverglasungen wird durch die Anordnung der Glasscheiben (symmetrisch, asymmetrisch), von der Größe des Glasscheibenzwischenraums und dem Verbund aus Glasscheiben mit Schallschutzfolien bestimmt. Die opaken Oberflächen einer Fassade können sehr unterschiedlich ausgebildet sein. In erster Linie werden die Paneel- oder Brüstungsfelder hinsichtlich der Wärmedämm- und Feuchteschutzanforderungen ausgeführt. Es bleibt dabei aber genügend Raum, schalldämmende Materialien mit einzubringen und damit die Schalldämmung im opaken Bereich auf die erforderlichen Zielwerte zu erhöhen.

Aluminiumrahmen als Tragwerk für die Verglasungen sind in der Fassade das Bauteil mit der kleinsten Oberfläche. Profilhohlräume, Öffnungen für Entwässerungen und Belüftung, integrierte Öffnungselemente etc. haben Einfluss auf die Schallübertragung der Fassade. Die Rahmenkonstruktion bildet das Tragwerk einer Fassade und wird im Wesentlichen von den Anforderungen an die Statik, an die Wärmedämmung und an die Dichtheit bestimmt. Daneben definieren die Bauweise der Fassade an der Baustelle, integrierte Öffnungsarten und gestalterische Aspekte den Aufbau und die Form der Fassadenprofile. Die unterschiedlichen Ausführungen von Rahmenkonstruktionen haben einen erheblichen Einfluss auf die Schallübertragung einer Außenfassade. Obwohl die Bedeutung der Rahmenprofilausführung bei erhöhten Schallschutzanforderungen bekannt ist, spielt die Schalldämmung bei der konstruktiven Ausbildung von Rahmenprofilen heute jedoch immer noch eine untergeordnete Rolle. In Fassaden mit Wärmeschutzverglasungen und handelsüblichen Rahmenprofilen liegt das bewertete Schalldämm-Maß R_w bei beiden Bauteilen in der Größenordnung von 31 – 35 dB. Werden hohe Anforderungen an den Schalldämmwert einer Fassade gestellt, so kann dies in der Regel durch den Einsatz spezieller Schallschutzverglasungen erfüllt werden.

Abb. 04 zeigt an einer Beispielfassade den Zusammenhang, dass mit steigenden Schalldämm-anforderungen an die Fassade der Einfluss der Rahmenkonstruktion immer größer wird. Im Beispiel muss in der Fassade eine Verglasung mit 50 dB eingesetzt werden, um für die gesamte Fassade einen Schalldämmwert von 46 dB zu erreichen.

Entscheidend für wirtschaftliche Lösungen in Fassaden ist die Kenntnis der Schalldämmwirkung der verwendeten Profile. Um Schalldämmanforderungen an Fassadenelementen über 50 dB erfüllen zu können, muss häufig auch eine Verbesserung der Schalldämmung der Rahmenprofile umgesetzt werden. Je nach Profilgeometrie und konstruktiver Ausbildung der Fassaden wird dann schalldämmendes Material in die Hohlkammern der Profile eingebracht.

In Abb. 05 ist der Einfluss von schalltechnisch verbesserten Profilen in einem Fassadenelement mit breitem Sprossenprofil gezeigt. Zur Verbesserung des Schalldämmwerts von breiten Rahmenprofilen kommt es darauf an, Füllmaterial zu verwenden, dass sehr gute Schalldämmeigenschaften aufweist und einfach in die kleinen Hohlkammern eines Profils über die gesamte Länge der Rahmenkonstruktion eingebracht werden kann. Dabei ist zu beachten, dass die Rahmen anschließend zu einem Tragwerk zusammengebaut werden und sich beim Zusammenbau keine Lücken in den Füllbereichen ergeben dürfen.

Vor dem Hintergrund wachsender Anforderungen an die Schalldämmung von Fassaden ist in der Planung der Einfluss der Rahmenkonstruktion frühzeitig zu berücksichtigen, um Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit in der konstruktiven Ausführung zusammenzuführen.

Planungsziel

Mit der Planung wird das Ziel verfolgt, die Lärm-auswirkung zu reduzieren und Lebensqualität und Komfort zu erhöhen. Um optimale Lösungen zu schaffen, muss die Lärmsituation an einem Standort frühzeitig betrachtet und analysiert werden, um die daraus resultierenden Schutzziele definieren zu können. Beurteilungsgrundlage für die Lärmsituation sind ermittelte Lärmpegel für Straßenverkehr, Schienenverkehr und Flugverkehr, die in Lärmkarten für Städte und Gemeinden zur Verfügung stehen. Die dabei zur Beurteilung verwendeten Kennwerte zum Lärmpegel L und zum Schalldämmmaß R_w sind Einzelwerte und lassen keine spezifische frequenzabhängige ­Beurteilung für die Wirkung von Fassaden zu. Fassaden mit gleichem ausgewiesenem Schalldämm-Maß R_w können bei den gleichen außen einwirkenden Lärmquelle raumseitig ein unterschiedliches Geräuscherlebnis erzeugen. Das liegt daran, dass Einbrüche der Schalldämmung in einzelnen Frequenzbereichen einer Konstruktion nicht durch den R_W-Wert ausgedrückt werden. Liegt die Lärmbelastung genau in diesem „Frequenzloch“, ist die Schalldämmwirkung deutlich niedriger als durch den R_w-Wert ausgedrückt. In internationalen Projekten führt dies bereits dazu, dass eine frequenzabhängige Beurteilung der Schalldämmwirkung von Fassaden gefordert wird. Dies wird dann sinnvoll, wenn auch ein frequenzabhängiger Beurteilungspegel für die zu betrachtende Lärmbelastung vorliegt.

Schallabsorbierende Fassaden

Die Reduzierung der Lärmausbreitung im urbanen Raum ist eine städteplanerische Aufgabe, um den Lebensraum für Menschen gesünder und attraktiver zu machen. Die Schwierigkeit besteht darin, vorhandene urbane Strukturen mit dem Bedarf an Mobilität so aufeinander abzustimmen, dass damit keine erhöhte Lärmbelastung verbunden ist. Auch hier sind zunächst die Maßnahmen direkt an der Lärmquelle Straßenverkehr am wirkungsvollsten. Maßnahmen, wie Geschwindigkeitsbegrenzungen und gezielte Verkehrsführung, haben lokal positive Wirkungen, führen aber häufig an anderen Stellen im städtischen Bereich zu einer Erhöhung der Verkehrsdichte und damit dort zum Ansteigen der Lärmbelastung.

Um die Lärmbelastung durch stark befahrene Straßen oder Eisenbahntrassen im städtischen Bereich zu reduzieren, werden heute bspw. Schallschutzwände eingesetzt. Im städtischen Bereich gibt es aber überwiegend keine baulichen Maßnahmen zur Reduzierung der Schallausbreitung. Die urbanen Oberflächen sind danach ausgelegt, dass sie dauerhaft spezifische Funktionen in Bezug auf Wetter, Nutzung und Aussehen erfüllen. In Bezug auf den Schall sind die Oberflächen von Gebäudefassaden als schallhart zu bezeichnen, d. h. auftreffende Schallwellen werden an der Oberfläche reflektiert und breiten sich weiter aus. Dies führt insbesondere bei Straßen mit dicht nebeneinanderstehenden hohen Gebäuden zu einer flächigen Ausbreitung des Straßenverkehrslärms. Um die Lärmausbreitung durch Fassadenoberflächen zu reduzieren, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Eine Möglichkeit besteht darin, die Fassadenoberflächen bewusst so zu neigen, dass die Schallwellen dadurch in eine unkritische Richtung reflektiert werden. Dieser Lösungsansatz setzt eine genaue Kenntnis der Richtung der Lärmquelle voraus, um die Neigung entsprechend zu jus-tieren. Ändern sich im Laufe der Lebensdauer des Gebäudes die Randbedingungen hinsichtlich der Lärmquelle und der Reflektionsrichtung, ist die Neigung der schallreflektierenden Fassade daraufhin anzupassen. Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, in der Fassade die opaken Flächen mit schallabsorbierenden Elementen auszuführen. Absorbierende Bauteile nehmen im Gegensatz zu üblichen Bauteilen den Schall auf, anstatt ihn zu reflektieren. Dazu dienen offenporige Materialien, in der die Schwingung der Luft als Schwingung des Materials aufgenommen wird.                                    

Die Abb. 06 – 08 zeigen an einem Beispiel, wie durch den Einsatz schallabsorbierender Flächen in der Außenfassade von Gebäuden in einer Straße der Lärmpegel gesenkt werden kann. Die Ausgangssituation (Abb. 06) zeigt einen Stadtbereich, in dem einzelne Straßen mit einer engen Bebauung von einer starkbefahrenen Straße wegführen. Die Simulationsberechnung ergab, dass die Ausführung der opaken Fassadenbereiche mit absorbierenden Fassadenelementen im diagonal verlaufenden Straßenzug zu einer Lärmreduzierung von bis zu 10 dB führt.

Nicht nur für ganze Straßenzüge, sondern auch für einzelne Gebäude kann die Lärmsituation durch den Einsatz von absorbierenden Fassadenelementen verbessert werden. So kann durch schallabsorbierende Fassadenelemente die Lärm-ausbreitung in Innenhöfe von Gebäuden reduziert werden. Bei Reihenbebauungen mit Mehrfach-reflexionen zwischen den Gebäuden oder blockförmigen Anordnungen von Gebäuden kann die Lärmsituation für die Bewohner durch absorbierende Elemente verbessert werden.

Zur Planung der Position und der Flächen schallabsorbierender Elemente in der Fassade werden Simulationsberechnungen benutzt. Dabei ist die Kenntnis der Lärmquelle, ihre Position und Wirkung entscheidend für die Optimierung der Lärmreduktion in einem Gebäudeumfeld.

Gestalterisch gibt es verschiedene Möglichkeiten, schallabsorbierende Bauteile in die Fassade zu integrieren. So besteht der prinzipielle Aufbau aus einer äußeren, luftdurchlässigen Ebene, die z. B. durch textile Bespannung oder Lochbleche erzeugt wird, und einem dahinter flächig angeordneten mikroporösem Absorbermaterial. Dabei sind die grundsätzlichen Anforderungen an den Wärmeschutz und Feuchteschutz im opaken Bereich mit dem schallabsorbierenden Fassadenelement zu berücksichtigen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die schallabsorbierenden Elemente mit Sonnenschutzlamellen zu kombinieren. Hier kommt die zusätzliche schallreduzierende Wirkung auf die mit der absorbierenden Sonnenschutzlamelle abgeschatteten transparenten Flächen der Fassade hinzu. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten für Außenfassaden, einen Beitrag zur Lärmreduzierung im urbanen Raum zu leisten.  Bisher werden allerdings in der Gebäudeplanung diese Möglichkeiten der Fassadenausbildung noch sehr selten berücksichtigt. Mit Hilfe von Simulationsberechnungen für den Außenraum und dem Angebot an gestalterisch attraktiven Lösungen für schallabsorbierende Fassadenelemente wird sich das zukünftig ändern und die Reduzierung der Lärmausbreitung integrativer Bestandteil der Fassadenplanung werden.

Zusammenfassung

In urbanen Räumen kommt es zu einer immer stärker ausgeprägten Geräuschkulisse, die u. a. eine Folge des technischen Fortschritts, der urbanen Verdichtung und des zunehmenden Verkehrs ist. Stadtlärm kann nicht nur stören, sondern sorgt auch für eine Beeinträchtigung der Lebensqualität und führt, wenn man ihm ständig ausgesetzt ist, sogar zu Erkrankungen. Vor diesem Hintergrund rücken bei der Planung von Neubauten Maßnahmen zur Lärmunterdrückung und Lärm-ausbreitung immer mehr in den Vordergrund.

Gebäudefassaden stellen einen wesentlichen Anteil der urbanen Oberflächen dar. Als trennendes Bauteil nach außen gehört die Schalldämmung zu einer ihrer wichtigsten Funktionen. Zukünftig kann hier eine frequenzabhängige Beurteilung der Schalldämmung neue Optimierungsmöglichkeiten erschließen. Die Integration von schallabsorbierenden Fassadenelementen in opake Bereiche bietet hier neue Möglichkeiten der Lärmreduzierung. In der Summe mit anderen städteplanerischen Maßnahmen kann die Fassade damit einen wichtigen Beitrag für mehr Lebensqualität in einem gesunden und komfortablen Umfeld leisten.