Aktive Fassaden. Reduktion von Lärm in Gebäuden durch aktive Abschirmung von Geräuschquellen: Fid-Bau Portal

Aktive Fassaden. Reduktion von Lärm in Gebäuden durch aktive Abschirmung von Geräuschquellen

Kurtze, Lothar / Doll, Torsten / Bös, Joachim / Hanselka, Holger

In der heutigen Zeit dienen Fassaden nicht mehr nur als die 'äußere Haut' eines Gebäudes, sondern sie müssen eine Vielzahl von Funktionen erfüllen. Neben der Statik, Wind- und Niederschlagsbeständigkeit und dem an die Architektur angepassten Design ist die Reduktion der Umgebungsgeräusche von großer Bedeutung. Dabei wird bisher auf passive Maßnahmen wie Doppel- oder Dreifachverglasung und Dämmmaterialien gesetzt. Diese Techniken haben sich für die Schallreduktion bei mittleren und hohen Frequenzen bewährt, sind allerdings vor allem für tiefere Frequenzen mit einer deutlichen Zunahme der Masse und des Volumens der Fassade verbunden. Das kann im modernen Leichtbau problematisch oder sogar nicht mehr realisierbar sein. Eine Alternative sind aktive Maßnahmen. Für das in diesem Beitrag beschriebene BMBF-Projekt wird eine Demonstratorfassade verwendet, die aus Doppelglasfenstern und Aluminiumpaneelen mit einer Dämmschicht im Inneren besteht. Die einzelnen Paneele sind in einen relativ steifen Rahmen integriert. Durch das Verfahren der 'Active Structural Acoustic Control' (ASAC) lässt sich mit piezokeramischen Aktoren auf den plattenartigen Paneelen der Fassade eine Verringerung der Strukturschwingung erzielen, die durch den Luftschall von außen erzeugt wird. Entsprechend wird weniger Schall von der Fassade in den Innenraum abgestrahlt. Zusätzlich kann die Fassade über Stapelaktoren, die in die Ankoppelpunkte der Fassadenelemente an den Baukörper implementiert sind, schwingungstechnisch aktiv entkoppelt werden. Mit dieser Methode kann die Übertragung von Körperschall zwischen der Fassade und dem Gebäude teilweise unterbrochen werden. Um bestmögliche Resultate zu erreichen, wird eine adaptive Regelung entwickelt. Dazu wird ein Finite-Elemente-Modell benötigt, mit dessen Hilfe das strukturelle Verhalten der Fassade nach der numerischen Optimierung so genau wie möglich erfasst werden kann.

Facades of modern buildings do not only serve as the outer skin but must fulfill various tasks. Besides static strength and visual facets, attenuation of ambient noise is a significant demand. However up to now only passive methods e.g., double- or triple-glazed windows and sound proofing materials are being applied. These techniques show good results in the medium and high acoustic frequency range but significantly increase weight, volume and costs in the low-frequency regime which is often intolerable in modern lightweight architecture. Active methods can overcome this problem. In the present work a facade specimen consists of double-glazed windows and panels with a sound shielding core implemented in a stiff frame. With Active Structural Acoustic Control (ASAC), distributed laminar piezoceramic actuators induce vibrations into the plate-like elements that decrease the structural vibrations caused by the ambient airborne noise, thus reducing the radiated noise. Furthermore, with piezoceramic stack actuators integrated into the frame it is possible to design an adaptive Interface to decouple the facade element from the building, thus preventing structure borne sound from being transmitted into the building. In order to achieve maximum results an adaptive control system is designed. A finite element model is developed that matches the structural behavior of the facade as closely as possible. Besides the material properties the boundary conditions are of great importance. Thus, a method to determine these parameters almost automatically by means of a numerical optimization procedure is presented.