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A high-order finite element model for vibration analysis of cross-laminated timber assemblies
(2017)
The vibration behavior of cross-laminated timber components in the low-frequency range can be predicted with high accuracy by the finite element method. However, the modeling of assembled cross-laminated timber components has been studied only scarcely. The three-dimensional p-version of the finite element method, which is characterized by hierarchic high-order shape functions, is well suited to consider coupling and support conditions. Furthermore, a small number of degrees of freedom can be obtained in case of thin-walled structures using p-elements with high aspect ratios and anisotropic ansatz spaces. In this article, a model for cross-laminated timber assemblies made of volumetric high-order finite elements is presented. Two representative types of connections are investigated, one with an elastomer between the cross-laminated timber components and the other without. The model is validated, and suitable ranges for the stiffness parameters of the finite elements which represent the junctions are identified.
Die Forschung und Entwicklung im Bereich der Bauakustik erfolgt bislang schwerpunktmäßig durch aufwändige messtechnische Parameterstudien. Eine wesentliche Reduzierung dieses Aufwands kann dadurch erreicht werden, dass die Bauteil-Parameterstudien nicht mehr ausschließlich durch Messungen erfolgen, sondern auch anhand von geeigneten Berechnungsmodellen durchgeführt werden. Dazu wurde ein umfassendes Berechnungsmodell erarbeitet und anhand von Messergebnissen validiert. Wesentliche Grundlage für die volumenorientierte akustische Simulation ist dabei die p-Version der Methode der Finiten Elemente. Auf Basis der numerischen Berechnungen wurden die Wechselwirkungen der Deckenkomponenten untersucht und optimierte Konstruktionen erarbeitet. Nach deren messtechnischen Überprüfung konnten die Ergebnisse in Form von Konstruktionshilfen für optimierte Aufbauten zusammengestellt werden.
Die Optimierung der tieffrequenten Trittschalldämmung von Holzdecken kann durch Berechnungen mit der finiten
Elemente Methode (FEM) effektiv gestaltet werden.
Die mit der FEM berechneten Ei
genwerte und Eigenmoden des
Bauteils bilden hierbei die Basis, um
durch die Modalanalyse Rück
schlüsse für die Bauteiloptim
ierung ziehen zu können.
In diesem Beitrag wird die im Rahmen eines aktuellen Gemeinschaft
sprojektes mit dem ibp Stuttgart und dem ift
Rosenheim erfolgte Anwendung der FEM zur Berechnung der Trittschalldämmung im Überblick vorgestellt und auf die
Modellierung der Anregungskraft detaillierter eingegangen.
Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen am Bau wird
öffentlich gefördert und entspricht den Wünschen vieler
Bauherren.
Bei der nachträglichen Außendämmung von Be-
standswänden können Holzbauer zwei Lösungen anbieten:
WDV-Systeme aus Holzfaserdämmplatten (einlagig) oder mit
hölzernen Unterkonstruktionen (zweilagig).
Letzteres kann
sowohl als Putzfassade auf Trägerplatten ausgeführt als auch
mit Vorhangfassade eine gestalterische Alternative bilden.
Gegenüber den bislang dominierenden WDVS aus EPS macht
es keinen Sinn in einen Preiskampf einzutreten. Holzbaulö-
sungen können nur verkauft werden über den Mehrwert,
den sie bieten können bei der Baustoffökologie, der Gestal-
tungsvielfalt, der Vorfertigung.
Auch bei der Bauphysik?
Ein Forschungsbericht des ift Rosenheim schließt hierzu eine
Wissenslücke beim Schallschutz.
Das Vorhaben untersuchte
die akustische Wirksamkeit von Dämmsystemen aus nach-
wachsenden Rohstoffen auf Massivwänden und hat daraus
Kennwerte für die Schallschutz-Prognose bei der Planung ab-
geleitet. Welcher Mehrwert hieraus zu erzielen ist, behandelt
dieser Beitrag.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen ei
nes Forschungsprojekts des Lehrstuhls für
Computation in Engineering an der Technische
n Universität München in Kooperation mit
dem Fraunhofer Institut für Bauphysik, Stuttg
art und dem ift Schallschutzzentrum, Rosen-
heim. Die primäre Zielsetzung des Forschungsp
rojekts lag in der Entwicklung konstruktiver
Maßnahmen zur Verbesserung der tieffreque
nten Trittschalldämmung von Holzdecken.
Zur Entwicklung dieser Maßnahmen war zunächst durch die Klärung der akustischen
Wechselwirkungen zwischen Deckenauflage
und Rohdecke ein besseres Verständnis für das
Schwingungsverhalten der Dec
kenaufbauten zu erarbeiten
. Um den erheblichen Aufwand
einer rein empirischen (messtechnischen) Untersuchung dieser Wechselwirkungen zu re-
duzieren, wurde die Entwicklung und Bereitste
llung leistungsfähiger Berechnungsmodelle
angestrebt. Im Teilprojekt der Technischen Universität München wurde hierzu ein Be-
rechnungsmodell auf Basis der Finiten Eleme
nte Methode erarbeitet, dessen Validierung
anhand von Messergebnissen aus der Datenbank des ift Schallschutzzentrums, Rosenheim
erfolgte. Zur Visualisierung
der Ergebnisse und einer rationellen Modellerstellung wurde
eine graphische Nutzeroberfläche entwickel
t. Anhand der numerischen Berechnungen des
validierten Modells wurden die Wechselwirkungen der Deckenkomponenten untersucht
und optimierte Konstruktionen erarbeitet. Nach der messtechnischen Überprüfung der
optimierten Konstruktionen im ift Schallschutzzentrum konnten die Ergebnisse in Form von
Konstruktionshilfen für optimierte Au
fbauten zusammengestellt werden.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen ei
nes Forschungsprojekts des Lehrstuhls für
Computation in Engineering an der Technische
n Universität München in Kooperation mit
dem Fraunhofer Institut für Bauphysik, Stuttg
art und dem ift Schallschutzzentrum, Rosen-
heim. Die primäre Zielsetzung des Forschungsp
rojekts lag in der Entwicklung konstruktiver
Maßnahmen zur Verbesserung der tieffreque
nten Trittschalldämmung von Holzdecken.
Zur Entwicklung dieser Maßnahmen war zunächst durch die Klärung der akustischen
Wechselwirkungen zwischen Deckenauflage
und Rohdecke ein besseres Verständnis für das
Schwingungsverhalten der Dec
kenaufbauten zu erarbeiten
. Um den erheblichen Aufwand
einer rein empirischen (messtechnischen) Untersuchung dieser Wechselwirkungen zu re-
duzieren, wurde die Entwicklung und Bereitste
llung leistungsfähiger Berechnungsmodelle
angestrebt. Im Teilprojekt der Technischen Universität München wurde hierzu ein Be-
rechnungsmodell auf Basis der Finiten Eleme
nte Methode erarbeitet, dessen Validierung
anhand von Messergebnissen aus der Datenbank des ift Schallschutzzentrums, Rosenheim
erfolgte. Zur Visualisierung
der Ergebnisse und einer rationellen Modellerstellung wurde
eine graphische Nutzeroberfläche entwickel
t. Anhand der numerischen Berechnungen des
validierten Modells wurden die Wechselwirkungen der Deckenkomponenten untersucht
und optimierte Konstruktionen erarbeitet. Nach der messtechnischen Überprüfung der
optimierten Konstruktionen im ift Schallschutzzentrum konnten die Ergebnisse in Form von
Konstruktionshilfen für optimierte Au
fbauten zusammengestellt werden.
Die schalltechnische Planung von Doppel- und Reihenhäusern
verlangt eine besondere Sorgfalt, da der Bauherr einerseits
ein Haus mit einer Grundrissgestaltung eines freistehenden
Einfamilienhauses bewohnt, andererseits durch die Gebäu-
detrennwand in unmittelbarer Nähe an seinen Nachbarn
grenzt. Die einschlägigen Normen berücksichtigen dies durch
höhere Anforderungen an die Gebäudetrennwand gegen-
über der Schalldämmung von Wohnungstrennwänden.
Der vorliegende Beitrag soll Planungshilfen für die Optimie-
rung der Ausführung von Haustrennwänden in Holzbauwei-
se und des fl ankierenden Daches über der Trennwand geben.
Hierbei wird auch der Einfl uss der niederfrequenten Schall-
übertragung berücksichtigt, der von den Anforderungen der
Normen nicht oder nur teilweise erfasst wird.
Die schalltechnische Planung von Doppel- und Reihenhäusern
verlangt eine besondere Sorgfalt, da der Bauherr einerseits
ein Haus mit einer Grundrissgestaltung eines freistehenden
Einfamilienhauses bewohnt, andererseits durch die Gebäu-
detrennwand in unmittelbarer Nähe an seinen Nachbarn
grenzt. Die einschlägigen Normen berücksichtigen dies durch
höhere Anforderungen an die Gebäudetrennwand gegen-
über der Schalldämmung von Wohnungstrennwänden.
Der vorliegende Beitrag soll Planungshilfen für die Optimie-
rung der Ausführung von Haustrennwänden in Holzbauwei-
se und des fl ankierenden Daches über der Trennwand geben.
Hierbei wird auch der Einfluss der niederfrequenten Schall-
übertragung berücksichtigt, der von den Anforderungen der
Normen nicht oder nur teilweise erfasst wird