Geräuschemission und Vibrationen dämpfen

CITplus - Vibrationen oder Schwingungen sollten bei der bauakustischen Planung von versorgungstechnischen Anlagen wie Lüftungs-Klima- und Pumpentechnik, berücksichtigt werden.

Um einen optimalen Betrieb mit minimalen Geräuschemissionen und Vibrationen zu erreichen, können diese durch eine Schwingungsdämpfung der Pumpe erfolgen. Dies sollte grundsätzlich bei Pumpen mit Motoren über 7,5 kW in Erwägung gezogen werden. Aber auch kleinere Motoren können ungewünschte Geräusche und Vibrationen verursachen. Diese entstehen durch die rotierenden Bauteile in Pumpe und Motor sowie durch die Strömung in Rohren und Anschlussteilen. Bei der Maschinen- bzw. Pumpenaufstellung werden dabei Fundamente besonders belastet. Nicht selten kommt es in den Betriebsjahren zu hohen dynamischen Belastungen wie beispielsweise bei Kolbenpumpen. Brüche im Fundament oder abgescherte Bolzen können die Folgen sein.

Maschinenfundamente: Basis für einen schwingungsarmen Anlagenbetrieb
Jeglicher Betrieb von Maschinen ist in der Regel mit Schall und Vibrationsbelastungen der Anlage und auch der Umgebung verbunden. Dies ist störend und gefährdet unter Umständen die Betriebssicherheit einer Anlage. Ein wichtiger Gesichtspunkt für einen aus schwingungstechnischer Sicht problemlosen Betrieb einer Anlage ist die Auslegung und Ausführung des Fundamentes. Hier unterscheidet man je nach Anforderungen zwischen starrem Fundament, wie z. B. Betonfundamentierung und elastischem Fundament, wie z. B. einer Schwingungsisolierung auf Elastomerelementen. Verantwortlich für die Schwingungsanregung sind z. B. die Restunwuchten der Rotoren von Turbomaschinen oder die freien Kräfte, die aus dem Kurbeltrieb von Kolbenpumpen und Kolbenverdichtern resultieren. Diese dynamischen Kräfte werden im Allgemeinen bei der Auslegung der Maschinenaufstellung berücksichtigt. Je nach Größe der Maschine ist bei Planung der Fundamentierung einer Maschine mitunter ein hoher Aufwand erforderlich. Im Idealfall werden vom Maschinenhersteller bis zum Bauunternehmer alle beteiligten Projektpartner einbezogen, um kostspielige Nachbesserungen zu vermeiden. Je nach Aufgabenstellung reichen die erforderlichen Maßnahmen von vereinfachten Auslegungsprogrammen bis hin zu komplexen Modellen auf Basis von Finiten Elementen. In vielen Fällen ist eine schlechte Abstimmung der Maschinenaufstellung für erhöhte Vibrationen ursächlich. Fehler dieser Art werden in der Regel spätestens bei der Inbetriebnahme wahrgenommen und sind im Allgemeinen gut nachweisbar.
„Auch wenn die statische und dynamische Auslegung von Maschinenfundamenten heute Stand der Technik ist, wird ihre langfristige Bedeutung meist unterschätzt. Eine ausgewählte Fundamentierung einer Maschine entscheidet maßgeblich über das Schwingungsverhalten einer Anlage. Wie alle Komponenten unterliegen auch die Fundamente einer Maschine einem permanenten Verschleiß und einer Alterung durch verschiedene Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit etc.), wie auch Betriebsbedingungen. Im Laufe ihrer Einsatzdauer müssen Fundamente hohe statische Lasten und zusätzlich meist beträchtliche dynamische Belasten ertragen", so Dr.-Ing.Christian Jansen vom Ingenieurunternehmen Kötter Consulting Engineers.
Fortschreitender Verschleiß und Überbelastung der Maschinenaufstellung können zu langsamen Veränderungen der dynamischen Systemeigenschaften führen. Wechselkräfte sorgen im Extremfall dafür, dass sich ein Fundament praktisch „aufreibt". Entsteht auf diese Weise ein mechanisches Spiel, kann ein komplexes Zusammenspiel von veränderter Anregung und Resonanzverhalten zu unzulässig hohen Schwingungen der Maschine und der angeschlossenen Systeme führen. Häufig wird bei einem Schaden am Fundament der Maschine, wie z. B. dem Abriss eines Bolzens, eine statische Überbeanspruchung unterstellt.
Meist wird dann der Schaden beseitigt, tritt jedoch nach kurzer Zeit erneut ein. Spätestens an diesem Punkt ist eine umfangreiche Ursachenanalyse sinnvoll.
„Eine messtechnische Ermittlung der tatsächlichen Relativbewegungen zwischen Maschine und Fundament kann für die Feststellung eines dynamischen Aufstellungsproblems genutzt werden. Mit der Erfassung weiterer Messgrößen, wie z. B. Druckpulsationen in angeschlossenen Rohrleitungen und Strukturschwingungen sowie mit gründlicher Analyse, lassen sich in vielen Fällen Mechanismen für die erhöhten dynamischen Belastungen bestimmen. Darauf aufbauend entstehen Lösungsansätze und Minderungsmaßnahmen mit denen die tatsächliche Ursache wirkungsvoll behoben werden kann," führt Jansen weiter aus.

Vom Reißbrett in den Hochbau
Wie wichtig eine schalltechnische Bewertung bei der Dimensionierung als komplexe, baudynamische Gesamtsituation zu beurteilen ist, zeigte sich am Neubau des Frankfurter Büroturms Nextower. Die Auswirkungen auf die Umgebung hängen von einer ordnungsgemäßen Installation und dem Zustand des Gesamtsystems ab. Oftmals sind zur Senkung von Geräuschemission und Vibrationen in Pumpenanlagen Schwingungsdämpfer oder Kompensatoren nicht mehr ausreichend und eine schalltechnische Ertüchtigung bzw. Entkopplung des Fundaments notwendig. Dies kann durch die Anwendung von Elastomeren zur Trittschalldämmung im Hochlastbereich oder Elastomeren für den Einsatz zur Schwingungsreduzierung im Fundament und bei Gebäudelagerungen erfolgen.
„Die komplexe Bauaufgabe, die neben dem Neubau des Büroturms Nextower, des Fünf-Sterne-Hotels Jumeirah und einer Tiefgarage auch die Rekonstruktion des Thurn und Taxis Palais umfasste, forderte alle Beteiligten von der Planung bis zur Ausführung", erinnert sich Frank Rudolph, verantwortlicher Planer bei KSP Jürgen Engel Architekten aus Braunschweig. „Die modernen Büroflächen des Nextower erstrecken sich über insgesamt 32 Etagen und erfüllen höchste Anforderungen an einen zeitgemäßen Arbeitsplatz. Hierzu zählen neben den heute üblichen Komfortmerkmalen wie optimale Tageslichtnutzung, der Steuerung von Raumtemperatur, Raumbeleuchtung und Sonnenschutzlamellen mit Hilfe von Sensoren auch die Berücksichtigung der hohen Anforderungen an die Luft- und Körperschalldämmung bei der Installation von Lüftungs- und Pumpenanlagen," so Rudolph weiter.
Bei dem Umfang des gesamten Bauprojektes koordinierte das Team von KSP die zahlreichen Detailabstimmungen mit Fachplanern, Bauakustikern und ausführenden Unternehmen. Dazu wurden als Grundlage fachgerechter Bauausführung die Vorgaben aller beteiligten Fachbereiche in Bauteilblättern erfasst und von der Bauleitung überwacht. Die bauakustischen Vorgaben für den Nextower erarbeitete in diesem Fall das Ingenieurbüro von Rekowski und Partner.
Schwingungsisolierung ­gebäudetechnischer Anlagen
Die Anwendungen und Lösungsansätze können je nach Einsatzart sehr vielseitig sein. Dabei gilt es notwendige Maßnahmen zum Schallschutz und einer erforderlichen Trittschallminderung komplex zu betrachten und die von der Bodenkonstruktion aufzunehmenden statischen und dynamischen Lasten zu berechnen.
„Bei der Installation von z. B. Lüftungs- und Pumpenanlagen auf Stahlbetondecken sind insbesondere die Anforderungen an die Luft- und Körperschalldämmung zu berücksichtigen. Um diese zu erfüllen war es im Nextower, mit einer Höhe von 135 m in Frankfurt am Main notwendig, die Standflächen der Klima- und Lüftungsaggregate von der Gebäudestruktur zu entkoppeln. Dazu wurden für die Aufstellung der Anlagen individuelle Berechnungen der Lagerung durchgeführt, die eine mögliche Beeinträchtigung der Nutzungsqualität in allen Geschossen ausschließt. Anhand der ermittelten Werte wurde eine schwingungstechnische Lösung durch elastische Entkopplung erarbeitet, die eine Übertragung des entstehenden Körperschalls durch den Betrieb der Anlagen weitestgehend verhindert. Der Einsatz von Regupol BA, eines aus PU-gebundenen Gummifasern hergestellten Elastomers, unter den Anlagenfundamenten als Aktivisolierung reduziert somit die Übertragung des Körperschalls in die Stahlbetondecken", so Albrecht Rieger Marketingleiter bei BSW Berleburger Schaumstoffwerk.
Die für die Klimatisierung und Lüftung erforderliche Technik befindet sich im Technikgeschoss in 80 m Höhe sowie auf dem Dach des Gebäudes. Besondere Herausforderung bei der Planung der Technikzentralen war es also, die auf die Gebäudekonstruktion einwirkenden Schwingungen durch die z. T. großdimensionierten Geräte und Maschinen zu minimieren.
Bei dreifacher Verlegung des Dämmmaterials Regupol BA und 12 Hz Lagerfrequenz sind Körperschallisolierungen von 93 % möglich. Darüber hinaus bieten die Elastomerbahnen einfache Verarbeitungsmöglichkeiten, es können sowohl vollflächige Isolierungen, wie bei Anlagenfundamenten, als auch Punktlager unter Standflächen von Aggregaten für Verkehrslasten von bis zu 5.000 kg/m² ausgebildet werden. Auch im Außenbereich, wie auf der Dachdecke des Büroturms Nextower, zeigt Regupol BA seine Stärken. So sind die gegen Feuchtigkeit und Ozon beständigen Dämmbahnen bei Temperaturen zwischen -20 °C und +80 °C einsetzbar.

Sanierung im Bestand
Um eine Schwingungs- und Körperschallübertragung auf den Baukörper zu vermeiden muss auch bei Sanierungsmaßnahmen auf eine schwingungsisolierte Aufstellung der Geräte geachtet werden. Bei Sanierungsarbeiten im Bestand, können sich hier gleich zwei Ansatzpunkte ergeben. Einerseits kann es während der Bauphase zu Schwingungsübertragungen kommen, andererseits reagieren feinjustierte Analytik- oder Messgeräte heute sensibler auf Schwingungen.
„In einem aktuellen Projekt wird derzeit das Institutsgebäude der FB Chemie und Material-Geowissenschaften der TU Darmstadt umgebaut. Da der Umbau im laufenden Betrieb des Instituts erfolgt und sich durch Baumaßnahmen verursachte Erschütterungen bzw. Schwingungen auf angrenzende Gebäude auswirken, müssen die Maßnahmen mit dem Institut zeitlich abgestimmt werden. Damit sich die Erschütterungen nicht auf die sensiblen Geräte übertragen, wurde zusätzlich das Fundament optimiert und durch zusätzliche Schwingungsdämpfung entkoppelt", beschreibt Ralf Margraf, Planer bei KSP die Herausforderungen bei Modernisierungsmaßnahmen.