Gebäude: Schutz mit Stahlfederelementen vor ... - bei GERB

A10 PRODUKTE UND MÄRKTE Band 75, Mai 2000
Gebäude: Schutz mit Stahlfederelementen vor
Erschütterungen und sekundärem Luftschall
Das Bauvorhaben ”Hasselbrookstraße”
in Hamburg stellte eine erschütterungstechnische
Herausforderung dar: Ziel
war es, einen Komplex mit 13 Wohngebäuden
und insgesamt 148 Wohnungen
in einem Abstand von wenigen Metern
von der Bahntrasse Hamburg-Lübeck
zu errichten (Bild 1). Auf der Strecke
verkehren auf vier Gleisen mit hoher
Fahrfrequenz Personen- und Güterzüge
sowie die S-Bahn. Die Lage des Baugrundstückes
ist zweieinhalb Kilometer
von der Hamburger Innenstadt entfernt
und mit der vorhandenen Infrastruktur in
einem Wohngebiet sehr attraktiv.
Von Beginn an war das Vorhaben ”Hasselbrookstraße”
der SAGA Siedlungsaktiengesellschaft
Hamburg und des Architekten-Contor
Schäfer-Agather Hamburg
von der Realisierbarkeit des Erschütterungsschutzes
abhängig. Daher
wurde die Aufgabe des Schutzes der
künftigen Bewohner vor Schwingungen
Bild 1. SAGA-Häuser unmittelbar neben S- und Fernbahngleisen
Bild 2. GERB-Stahlfederelement, 1 Gewebebauplatte, 2
untere Druckverteilungsplatte, 3 untere Gehäuseschale, 4
Schraubenmutter, 5 Vorspannbolzen, 6 obere Gehäuseschale,
7 obere Druckverteilungsplatte, 8 Ausgleichsbleche,
9 Gewebebauplatte, 10 Abdeckblech, 11 Anker
Bauingenieur
von Stockwerksdecken und infolge dessen
sekundär abgestrahltem Luftschall
von der frühen Planungsphase an berücksichtigt.
Am Anfang der schwingungstechnischen
Untersuchung standen
umfangreiche Messungen im Baugrund
gemäß DIN 45669 ”Messung von
Schwingungsimmissionen” Genauigkeitsklasse
1 mit speziellen Bohrlochgeophonen.
Die Schwingungsmessungen
in Bohrlöchern unterschiedlicher
Tiefe liefern die maßgeblichen Informationen
zur Amplitude und der spektralen
Zusammensetzung der später in die Gebäude
eingeleiteten Schwingungen und
zur Wahl einer geeigneten Gründung. Bei
der Übertragung vom Baugrund über die
Fundamente auf Stockwerksdecken
können Schwingungen im Resonanzfall
mit einem Faktor in einer Größenordnung
von zehn überhöht werden und
störend wahrnehmbar sein. Ziel der Auslegung
ist es daher, Bauteileigenfrequenzen
von Stockwerksdecken im Bereich
der Anregungsfrequenzen seitens
des Schienenverkehrs (Resonanzanregung)
zu vermeiden und die schwingungsmindernde
Eigenschaften von
Gründungen und anderen elastischen
Lagerungen zu nutzen. Im vorliegenden
Fall wird die Schwingungsisolierung
durch den Einsatz von GERB-Stahlfederelementen
und einer speziellen Pfahlgründung
erreicht.
Zur Auslegung der Baustruktur sind baudynamische
Simulationsrechnungen
und FEM-Berechnungen angestellt worden.
Für die Prognose der auf den Stockwerksdecken
auf die Bewohner einwirkenden
Schwingungen werden die
Messsignale als Eingangsgröße verwendet.
Als Ergebnis liegen Deckenschwingungen
im Zeitbereich vor, welche gemäß
DIN 4150 ”Schwingungen im Bauwesen”
Teil 2 ”Einwirkung auf Menschen”
bewertet und beurteilt werden.
Die Anforderungen an den Erschütterungsschutz
werden inhaltlich übereinstimmend
durch die ”Erschütterungs-
Richtline” des Länderausschusses für
Immissionsschutz und die DIN 4150 Teil
2 gegeben. Für Wohngebiete gelten aufgrund
der hohen Erschütterungssensibilität
der Menschen strenge Anhaltswerte
(DIN 4150 T2 Tab. 1 Zeile 4). Neben den
Erschütterungen wirken sich die Deckenschwingungen
im hörbaren Frequenzbereich
in Form von sekundärem
Luftschall aus. Zur Gewährleistung der
hohen Anforderungen ist neben der Abstimmung
sämtlicher Stockwerksdecken
in den Gebäuden eine sehr tief
abgestimmte elastische Lagerung der
Gesamtgebäude gegenüber der
Schwingungseinleitung aus dem Baugrund
gefordert worden. Erstmals für
den Schwingungsschutz von Wohngebäuden
wurden von Dr. Kebe dynamisch
abgestimmte Pfahlgründungen
entworfen und für die nicht direkt an der
Bahnstrecke gegründeten Gebäude des
Bauvorhabens erfolgreich umgesetzt.
Diese spezielle Pfahlgründung vereint
elegant die Funktion des statischen
Lastabtrages mit der des Schwingungsschutzes.
Für die sechs unmittelbar an der Bahnstrecke
gelegenen Gebäude wurden die
Anforderung durch den Einsatz von
hochelastischen Stahlfederelementen
erfüllt (Bild 2). Der Einsatz von Stahlfederelementen
im Bauwesen wird von der
Firma GERB seit langer Zeit praktiziert.
Bereits 1986 wurde ein fünfgeschossiges
Wohn- und Geschäftshaus durch
GERB-Stahlfederelemente wirkungsvoll
vor Erschütterungen aus der U-Bahn geschützt
[Bauingenieur 67, Erschütterungs-
und Körperschallschutz von Gebäuden
mittels Stahlfedern und viskosen
Dämpfern, K.H. Rensch; W. Stühler]. Inzwischen
sind weltweit eine große Zahl
von Gebäuden in direkter Umgebung
von industriellen Anlagen oder in unmittelbarer
Nachbarschaft von Gleisanlagen
mittels Stahlfederelementen isoliert
worden. Aufgrund des hohen Anspruches
an die Wirksamkeit des Schwingungsschutzes
entschied man sich im
vorliegenden Fall deshalb für diese Lösung.
Die Elemente bestehen aus einer
ausgewogenen Kombination von Stahlfedern
und VISCO ® Dämpfung, eingefasst
zwischen Unter- und Oberschale.
Die Stahlfedern besitzen in alle Raumrichtungen
definierte Steifigkeiten. Somit
können auch Horizontalkräfte, z.B. aus
Windanregung, ohne zusätzliche Begrenzung
der horizontalen Bewegung
aufgenommen werden.

Eine wichtige Eigenschaft der eingesetzten GERB-Stahlfederelemente
ist die Vorspannbarkeit:
; die Stahlfedern senken sich während der Bauphase
nicht ein,
; die Stahlfederelemente werden nach dem Abschluss
der Rohbauarbeiten, wenn die wesentlichen Lasten aufgebracht
sind, justiert, um die optimale Wirkung der
elastischen Lagerung herzustellen,
; die Gebäude können auch zu einem späteren Zeitpunkt
teilweise oder sogar insgesamt angehoben werden, um
z.B. evtl. durch mangelnde Fugenausbildung entstandene
Körperschallbrücken nachträglich aufzubrechen,
; falls erforderlich können Elemente zu einem späteren
Zeitpunkt noch ausgewechselt werden,
; Ausgleichsmöglichkeit für Baugrundsetzungen.
Die Elemente werden in der Qualitätssicherung der Firma
GERB mit einer servohydraulischen Druckprüfanlage auf
Band 75, Mai 2000
Bild 3. Eingebautes
GERB-Stahlfederelement
während dem
Entspannen und
Justieren
Bild 4. Deckenschwingungen bei einer S-Bahnvorbeifahrt:
Schwinggeschwindigkeit, Spektrum und KB-Bewertung
ihre Steifigkeit geprüft. Die hier gemessenen Kraft-Weg-
Diagramme werden ausgewertet und die tatsächliche Federrate
ermittelt. Diese wird mit der theoretischen nach
DIN 2089 Teil 1 berechneten Größe verglichen und damit
nachgewiesen, dass die zulässigen Toleranzen eingehalten
sind. Nach dieser Prüfung werden die Elemente durch
die Prüfanlage entsprechend einer vorher festgelegten
Vorspannkraft belastet und in diesem Zustand durch Vorspannbolzen
gehalten.
In Zusammenarbeit mit den Fachplanern hat die Firma
GERB Schwingungsisolierungen die Stahlfederelemente
für eine optimale Auslegung ausgewählt. Die Wohngebäude
wurden durch einen horizontalen Schnitt oberhalb
der Tiefgarage entkoppelt. In diesem Schnitt wurden
die Stahlfederelemente so verteilt, dass die auftretenden
Kräfte optimal abgetragen werden. Die sechs zu isolieren-

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Bild 5. Transferfunktion der Gebäudelagerung durch
GERB-Elemente, gemittelt über 71 Zugpassagen,
Messpunkte oberhalb und unterhalb eines Elementes an
der Stahlbetontragstruktur
den Häuser von drei verschiedenen Typen
haben jeweils Massen von ca. 720t,
1725t und 1900t. Zur Lagerung wurden
insgesamt 141 Stahlfederelemente verwendet.
Für die Auslegung der verwendeten
Elemente sind zwei Gesichtspunkte
von Bedeutung. Als erstes müssen
die gewählten Stahlfederelemente in
der Lage sein, die auftretenden Lasten
abzutragen, ohne dabei ihre hochelastischen
Eigenschaften zu verlieren. Zum
zweiten müssen die Stahlfederelemente
weich genug sein, um die geforderte La-
gerungsfrequenz einzuhalten und damit
den angestrebten Isolierwirkungsgrad zu
erreichen. Die linearen Eigenschaften
der Stahlfederelemente bieten hier den
Vorteil, dass die dynamischen Eigenschaften
des Gesamtsystems im Rahmen
der Genauigkeit der vorgegebenen
Belastungen aus physikalischen Zusammenhängen
exakt vorherbestimmt werden
kann. Nach dem Fertigstellen der
Unterkonstruktion, in diesem Falle die
Wände der Tiefgarage, werden die Stahlfederelemente
auf die vorbereiteten Aufstandsflächen
gesetzt (Bild 3). Unter den
Elementen wird zuvor eine spezielle,
durch GERB entwickelte, bitumengetränkte
Gewebebauplatte ausgelegt.
Diese Gewebebauplatte dient dazu, geringe
Unebenheiten der Aufstandsfläche
auszugleichen und ist selbstklebend. Die
Klebewirkung beginnt, sobald eine Belastung
aufgebracht wird und steigert
sich im Laufe der Zeit. Auf die Stahlfederelemente
werden Ausgleichsbleche
und wieder eine Gewebebauplatte gelegt.
Zum Abschluß wird als verlorenen
Schalung eine Stahlplatte aufgelegt.
Nach Abschluß der Rohbauphase wird
die elastische Lagerung durch das Lö-
sen der Vorspannvorrichtung in Funktion
gesetzt. Hierzu wird eine leicht zu handhabende
Hydraulikanlage eingesetzt.
Nun werden die Elementhöhen gemessen
und das System durch Wegnehmen
oder Hinzufügen von Ausgleichsblechen
justiert. Zur Fertigstellung des Projektes
wurde durch schwingungstechnische
Abnahmemessungen die Einhaltung der
angestrebten Anforderungen erfolgreich
nachgewiesen
(Bild 4 und Bild 5) Maßgeblich für diesen
Erfolg und eine kostengünstige Umsetzung
des Erschütterungsschutzes ist die
frühe Berücksichtigung der speziellen
erschütterungstechnischen Anforderungen
und die intensive Zusammenarbeit
der Planungsbeteiligten. Besonderer
Dank gilt neben der Bauherrin und dem
Architekturbüro dem Statikbüro Rohde
und Schulz, den Prüfingenieuren Dr. Kramer
und Dipl.-Ing. Albrecht sowie dem
Ingenieurbüro Dr. Kebe und Dipl.-Ing.
Rosenquist und der Firma GERB
Schwingungsisolierungen.
Dr. H.-W. Kebe, Dr. H. Kammerer