Samenvatting akoestische maatregelen in trappenhuizen, vides, atria, etc.

• De simpelste vorm van een verbinding tussen verdiepingen is een trappenhuis. Om de geluidoverdracht tussen verdiepingen te beperken is daarom In het bouwbesluit een minimale hoeveelheid absorptie voorgeschreven.

• Via atria plant geluid zich nog veel makkelijker voort door de grotere afmetingen.

• Het gaat bij het ontwerp van een atrium allereerst om de onderlinge rangschikking van geluidproducerende en stiltebehoevende functies rondom het atrium. Uiteraard is dat bij een winkelcentrum veel eenvoudiger dan bij een school of een bibliotheek.

• Het geluidniveau in een centrale ruimte wordt vooral bepaald door de verhouding tussen absorberend oppervlak en het aantal sprekers. Door de grote ruimte is het absorberend oppervlak meestal wel aan de hoge kant. Het aantal sprekers hangt af van de functie die aan de ruimte wordt gegeven. Het plaatsen van de kantine in de centrale ruimte leidt daarom automatisch tot akoestische problemen.

• Voor "grote glasoverkapte ruimten" bestaat een aanbevolen nagalmtijd van 1.5 s. Dat is geen gelukkige norm omdat de nagalmtijd stijgt met het volume van de ruimte. Bij sportzalen, bijvoorbeeld, varieert de aanbevolen waarde met het volume.

• Wellicht moet een architect zich afvragen of een atrium wel een adequate ontwerpvorm is voor een school of bibliotheek. Er worden vaak meer problemen mee geschapen dan opgelost.

• Het toevoegen van absorptiemateriaal aan een sterk galmend atrium en aan de aanliggende open verdiepingen kan de geluidniveaus op omliggende verdiepingen met 20 dB reduceren.

• Als de ervaren geluidniveaus dan nog te hoog zijn, kunnen sommige geluidbronnen beter achter een wand of gesloten deur worden geplaatst.

• Ook concentratie vereisende bezigheden zijn vaak het beste af met afgesloten ruimten.

• Simpel en doeltreffend. Daglicht uit het noorden; akoestische absorptie in het zuiden. Bijkomende voordelen zijn: minder verkleuring van eventuele kunstwerken, geen verblinding door zonlicht en veel minder kans op oververhitting in de zomer.

  

 

1.    Trappenhuis en atrium

In de huidige webpagina wordt aandacht besteed aan geluidvoortplanting over meerdere verdiepingen die via een open ruimte met elkaar en verbinding staan. Onder die definitie valt dus een ook een "trappenhuis", eventueel in de meest elementaire vorm. Dat de geluidoverdracht van een trappenhuis naar aanliggende ruimten aanleiding kan zijn tot geluidhinder is uiteraard al lang en breed bekend. De Nederlandse wetgever vindt het kennelijk ook zo belangrijk dat het trappenhuis de enige ruimte is die in het Bouwbesluit wordt genoemd: in een trappenhuis is een minimale hoeveelheid absorberend oppervlak vereist; de waarde van het geluidabsorberend oppervlak (in m²) mag niet kleiner zijn dan 1/8-ste deel van het volume in (m³) Die definitie ziet er op het eerste oog wat merkwaardig uit, maar de geluidvoortplanting in lange smalle ruimten kan in akoestische zin worden gevangen in formules voor ventilatiekanalen. Daarvoor wordt uitgegaan van een verhouding tussen oppervlak en omtrek van het kanaal [[1]]. Dat gebeurt ook in de trappenhuisformule als de hoogte wordt geëlimineerd.

 

 

Wat is dit? Een trappenhuis, een vide, een mini-atrium?

Hoe men het ook noemt, er wordt in ieder geval een hoop geluid getransporteerd van boven naar beneden en andersom. Daardoor liggen er rond deze ruimte slechts zeer matige werkplekken.

 

Aan de andere kant van het architectonische spectrum bevindt zich het "atrium". Met name in hedendaagse winkelcentra en grote kantoorcomplexen mogen zij, qua volume en architectonische status, tot de kathedralen van de huidige tijd worden gerekend. Dit soort ruimten, klein en groot, zijn het onderwerp van deze webpagina.

 

Atria vallen, akoestisch gezien, uiteen in twee delen:

• De centrale ruimte. Het gaat dan uiteraard grotendeels om het akoestisch klimaat op de begane grond. Op de eventuele (rol)trappen door de ruimte hoeven we ons zelden om de akoestiek te bekommeren.

• De aanliggende verdiepingsvloeren. Het geluidniveau wordt daar beïnvloed door het geluid in het atrium. Dat kan overigens weer worden veroorzaakt door het geluid dat op één van de andere verdiepingsvloeren wordt veroorzaakt.

De akoestiek op de verdieping, waarbij bron en ontvanger zich op dezelfde verdieping bevinden, wordt hier niet behandeld; het geluid op de verdieping moet afkomstig zijn uit het centrale gedeelte. Als men zich hierin toch wil verdiepen, komt een berekening in aanmerking volgens de methode gegeven bij een restaurant of spreekzaal, al naar gelang de functie.

 

 

In het theoriegedeelte zijn beide ruimten al aan de orde gekomen. Hoofdstuk B.14 gaat over de geluidvoortplanting van één bron door het atrium en de verdiepingsvloeren en in hoofdstuk B.23 wordt een berekening gemaakt in een atrium wanneer zich op de begane grond meerdere sprekers tegelijk bevinden.

Daarmee zijn we dus aangeland bij de grootheden die maatgevend zijn. Dat is enerzijds de hoeveelheid absorptie in de ruimte, maar anderzijds is de bronsterkte en positionering nog belangrijker. Met absorptie hebben we een speelruimte van ruwweg 20 dB; met de bronsterkte is die speelruimte nog groter, zeker als we ook de bronpositie beschouwen. Hier ligt de opgave voor de architect: welke geluidbronnen zijn er in het gebouw, waar worden die geplaatst, hoe worden te luide bronnen afgeschermd met wanden en deuren, en hoe wordt het geluid beperkt in stiltebehoevende ruimten?

 

2.    De berekening van het geluidabsorberend oppervlak in het centrale atrium

2.1   Geluidabsorptie in tabelvorm

De berekening van nagalmtijd en geluidniveau in een centrale ruimte is goed te doen. Gestart wordt, zoals in veel andere gevallen met een berekening van de totale hoeveelheid absorptie in een tabel. Maar een atrium moet vaak eerst worden gemodelleerd. Dat staat getekend in figuur 1, maar de details van het modelleren komen pas in deel 2.2 aan de orde.

Een voorbeeld van de berekening van de totale absorptie staat in tabel 1, waarbij er voorlopig van wordt uitgegaan dat de ruimte leeg is. Verder starten we met een sterk galmende ruimte waarin geen materialen zijn aangebracht die geluid moeten absorberen. De wandmaterialen uit tabel 1 hebben een absorptiecoëfficiënt van 6%. Dat is weinig, maar glas en natuursteen absorberen volgens de tabel nog minder: 3% [[2]].

 

 

Figuur1:  Een voorbeeld van een atrium. Het centrale deel heeft een doorsnede van 12 × 23 (gemiddeld) m². De lengte (loodrecht op het vlak van tekening) is 20 m. De rechter tekening geeft een "vertaling" die nodig is om een simpele berekening van de akoestiek in het centrale deel te kunnen maken.

 

Tabel 1:  Berekening van de akoestische grootheden voor de centrale hal uit figuur 1. In de ruimte bevindt zich (nog) geen meubilair of publiek.

 

Stel nu dat alle geluid in het atrium wordt geproduceerd door sprekende mensen. Dan moeten we rekening houden met het aantal sprekers en met de absorptie die mensen meebrengen. Die laatste waarde wordt veelal gesteld op 0.5 m² per persoon; het aantal sprekende mensen is vaak lastiger te schatten. Wat is bijvoorbeeld het aantal mensen in een winkelcentrum? En wat is dan maatgevend, de maandagochtend of de zaterdagmiddag? En hoeveel procent van de mensen spreekt er eigenlijk? De sprekers zorgen voor geluidproductie, maar de niet-sprekers helpen om de absorptie te vergroten.

 

Tabel 2:  Een berekening van het geluidniveau voor twee bezettingen van het atrium.

 

In tabel 2 staan twee gevallen doorgerekend. Daarin blijkt het aantal aanwezigen in het voorbeeld van groot belang. De nagalmtijd daalt bijvoorbeeld van 7.1 tot 3.4 s. Dat komt omdat er verder heel weinig absorptie in het atrium aanwezig is. In een sterk absorberende ruimte zou de relatieve invloed veel geringer zijn.

 

Zoals uiteengezet in de webpagina over het restaurant is de spraakverstaanbaarheid afhankelijk van de hoeveelheid absorptie (A) per spreker (N) én van de afstand tussen spreker en toehoorder. Die afstand kan in een restaurant nog wel eens een paar meter zijn, maar in bijvoorbeeld een winkelcentrum met lopende duo's komt een (aangepaste [[3]]) afstand van 50 cm zeker voor.

 

Figuur 2:  De spraakverstaanbaarheid als functie van de hoeveelheid absorberend oppervlak (A) per spreker (N) (linker figuur) en het totale geluidniveau (rechts). In de figuren is rekening gehouden met het Lombard-effect, waarbij mensen harder gaan praten in een omgeving met veel ander geluid dat een spreker stoort. In dit geval wordt aangenomen dat alle stoorgeluid wordt veroorzaakt door de andere sprekers in de ruimte.

Zie voor een uitgebreidere verhandeling de voorgaande webpagina over het restaurant.

 

Een situatie met 300 mensen op 240 m² (de rechter kolom in tabel 2) kan zeer druk worden genoemd [[4]]. Als dat geval wordt uitgezet als blauwe verticale lijn in figuur 2/links, zien we alleen een redelijke spraakverstaanbaarheid als de sprekers en toehoorders naar elkaar overbuigen. Het geluidniveau (figuur 2/rechts) is dan ongeveer 74 dB. Dat is behoorlijk lawaaiig, maar er zijn zeker restaurants (ook zonder muziek) te vinden waar het geluidniveau nog eens 5 dB hoger is. De reden is dat de gemiddelde absorptiecoëfficiënt niet hoog is (13%) maar de ruimte is zo groot dat het totale absorberende oppervlak toch nog redelijk is.

Indien in de ruimte 10 sprekers aanwezig zijn, kan de spraakverstaanbaarheid volgens figuur 2/links variëren van goed tot slecht, afhankelijk van de afstand r tussen spreker en toehoorder. Als men een één-op-één-gesprek wil voeren gaat dat prima. Het houden van een vergadering in zo'n ruimte, waarbij afstanden van 2 m wenselijk zijn, moet echter worden ontraden omdat de spraakverstaanbaarheid daalt tot matig/slecht. Dan moet dus in die ruimte het aantal sprekers worden beperkt, óf de hoeveelheid absorberend materiaal moet drastisch worden opgevoerd. Maar voordat dat onderwerp wordt behandeld, wordt eerst de modellering van het atrium nader belicht.

 

2.2  Het modelleren van galerijen ter berekening van de geluidabsorptie

Figuur 3 geeft links een voorbeeld van een "galerij" of een "open verdieping", afhankelijk van de waarde van D. In de opening boven de borstwering (die gesloten wordt verondersteld) verdwijnt akoestische energie, maar er treedt ook weer energie naar buiten. Als de galerij wordt gemodelleerd tot een vlakke plaat boven de borstwering is de verhouding tussen de uitgaande en invallende energie niets anders dan de absorptiecoëfficiënt. De opdracht is dus om het uitgaande pijltje in de linker figuur te schatten. Puur theoretisch is dat onbegonnen werk; het effect is nl. ook nog eens afhankelijk van de hoek van inval, maar een ruwe schatting is wel mogelijk.

Figuur 3:  Voor een berekening van de absorptie in een centraal atrium moet een galerij (D is in de orde van 1 à 2 m) of een open verdieping (bij grotere waarden van D) moet een schatting worden gemaakt van de effectieve absorptie waarmee in het atrium kan worden gerekend.

 

Het is uiteraard mogelijk om er een klassieke berekening volgens Sabine op los te laten, maar dat geeft soms problemen, zoals aangetoond in tabel 3, die de Sabine-manier geeft om de absorptie terug te rekenen naar een vlakke plaat.

Als de diepte van de galerij in figuur 3 gelijk is aan 1 m (middelste kolom), kunnen alle absorberende oppervlakken worden gesommeerd en gedeeld door het oppervlak boven de borstwering. Er komt bij D = 1 m dan een gemiddelde absorptiecoëfficiënt uit van 0.66. Dat lijkt redelijk. Echter, een overeenkomstige berekening voor een diepte van 8 m levert een waarde van 4.20. Dat is uiteraard onzin; een waarde boven 1.0 is fysisch onmogelijk. Bij berekening met ray-tracing modellen blijken er zelfs altijd wel wat energiedragende stralen terug te komen, zodat zelfs de waarde van 1.0 niet helemaal gehaald wordt.

 

Tabel 3:    Herberekening van de absorptiecoëfficiënt voor de ruimte boven de borstwering als gegeven in figuur 3. De gebruikte waarden zijn H = 3.0, B = 1.3, dus L = 1.7 m.

De herberekening geschiedt met behulp van de absorberende oppervlakken, maar de maat loodrecht op het vlak van tekening zit in ieder oppervlak en mag er dus uit gedeeld worden. Het werken met de respectievelijke lengten is dan net wat handiger.

 

Een sluitende methode is niet te geven, maar een schatting op basis van de plafondabsorptie werkt meestal goed genoeg zolang men zich maar niet al te rijk rekent. Een schatting van de absorptiecoëfficiënt in de rechter figuur waarbij de waarde gelijk wordt genomen aan de coëfficiënt van het materiaal tegen het plafond van de galerij zouden wij wel aandurven. Voor een nauwkeuriger berekening werkt een ray-tracing-model waarschijnlijk goed genoeg, maar een validatie van het model waarin de uitkomsten worden getoetst aan meetresultaten is ons niet bekend. Figuur 4 geeft een tamelijk willekeurig voorbeeld waarin beide methoden zijn vergeleken. Het lukt niet op de tiende dB, maar de overeenkomsten zijn voor de praktijk goed genoeg.

 

 

Figuur 4:  Vergelijking van een situatie met galerijen en een geheel gesloten atrium. De grijze vlakken vertegenwoordigen 6% absorptie; de rode vlakken staan voor 80%.

De figuren zijn kopieën uit webpagina B.14, figuren 2 en 3. De vergelijking op de begane grond gaat enigszins mank omdat daar uiteraard een borstwering ontbreekt.

 

2.3   Vergroting van het absorberend oppervlak

De ruimte uit tabel 1 had een sterk galmend karakter en in veel gevallen, afhankelijk van de functie van de ruimte, zal de nagalmtijd te lang zijn, het geluidniveau te hoog en de spraakverstaanbaarheid onvoldoende. Dan kan dus absorberend materiaal worden toegevoegd.

Het effect van die ingrepen kan simpelweg worden becijferd door in tabel 1 de nieuwe getallen in te vullen. Stel dat we op het galerijplafond van 1 m breed een materiaal aanbrengen met 80% absorptiecoëfficiënt. Dan durven we in tabel 1 wel 0.7 in te vullen voor de ruimten boven de borstweringen. Daardoor stijgt het aantal vierkante meters absorptie met ongeveer 260 m². Aangezien de oorspronkelijke hoeveelheid (van de lege ruimte) gelijk was aan 109 m², is dus sprake van een factor 2.5 voor de lege ruimte. Als er mensen aanwezig zijn is de relatieve toename geringer, maar toch dalen de geluidniveaus in beide gevallen. A/N stijgt bij 10 mensen van 12.4 tot 38 m². Die waarde valt in figuur 2/rechts zelfs buiten de schaal. Het resulterende geluid valt in de categorie "geroezemoes". Bij 100 sprekers stijgt A/N van 2.6 tot 5.4 m², hetgeen een winst betekent van ruim 5 dB.

 

2.4   De positionering van absorberende de materialen

Lang niet altijd kan de absorptie op het galerijplafond worden aangebracht. Dan moet dus een ander plaats worden gezocht. De borstweringen worden dan nog wel eens absorberend uitgevoerd. Maar de absorptie kan uiteraard ook op ander plaatsen worden aangebracht. Soms is het deel boven de borstwering gesloten en van glas. Dan ziet men nogal eens dat de borstweringen aan de atriumzijde absorberend worden uitgevoerd. Dat gaat dan uiteraard weer niet als het glas van vloer tot plafond wordt aangebracht. Figuur 5/links toont een soortgelijke situatie waarbij vrijwel alle niet-transparante vlakken met absorptiemateriaal zijn bekleed. De rechter foto van figuur 5 toont een oplossing waar niet alleen de galerijen zijn voorzien van absorptie, maar ook de hoge wand is voorzien van absorptie.

 

 

Figuur 5: Het gebruik van absorptiematerialen in een atrium. Links zijn alle lichtbruine panelen van absorptiematerialen met een geperforeerde houten toplaag. Rechts vindt men absorptie tegen de plafonds van de galerijen plus een wand die bestaat uit geperforeerd multiplex met achterliggende glaswol.

 

Een andere mogelijkheid is om de absorptie  aan te brengen tegen het plafond [[5]], maar veel atria zijn nu juist ontworpen om daglicht binnen te halen [[6]], zodat het dak veelal van glas is. Toch is er in het plafond wel degelijk winst te halen. Een deel van het plafond kan gesloten zijn en er kunnen baffles worden opgehangen. Ook zijn er jaloezie-systemen te koop  waarin geluidabsorberend materiaal verwerkt, die dienen tegen oververhitting van het atrium door de zon [[7]].

 

Een lastig probleem vormen de ruimten die oorspronkelijk zijn ontworpen voor de buitenlucht, waar later een overkapping is aangebracht. Niets absorbeert zo goed als een open plafond en als dat dan wordt vervangen door een glazen dak haalt men automatisch akoestische problemen binnen. Gelukkig vallen de problemen vaak wel mee omdat de absorptiecoëfficiënten weliswaar laag zijn, maar de geometrisch oppervlakken groot, zodat het totale absorberende oppervlak nog wel redelijk is. Als het aantal sprekers dan binnen de perken blijft vallen de problemen wel mee. In overdekte winkelcentra is de absorptie op de begane grond wel redelijk als alle winkeliers hun winkeldeuren open zetten.

 

 

Figuur 6:  Twee voorbeelden van een later aangebrachte overkapping. Links een winkelcentrum, rechts een schoolplein. In het linker geval is de nagalmtijd uiteraard sterk gestegen na installatie van de overkapping, maar zorgen open winkels voor de allernoodzakelijkste absorptie; in het rechter geval is de nagalm zeer sterk, maar is het aantal geluidbronnen veelal zeer laag.   

 

2.5   De geluidniveaus op open verdiepingen (gedeeltelijke herhaling van B.23)

Voor de volledigheid wordt hier een voorbeeld herhaald van een atrium dat in webpagina B.23 al aan de orde is geweest. Het wordt hier gegeven om het belang te illustreren van absorptiemateriaal op open verdiepingen.

Op de begane grond bevinden zich 10 sprekers. Figuur 7 geeft links een galmende situatie (de rode vlakken absorberen nauwelijks) en rechts een situatie waarin absorptiemateriaal is aangebracht (rood vertegenwoordigt 80% absorptie).

 

Figuur 7:  Berekening van het geluidniveau van 10 sprekers op conversatiesterkte waarbij het Lombardeffect meespeelt. De lengte loodrecht op het vlak van tekening is 20m. De situatie moet symmetrisch worden gedacht; het linkerdeel van de plot is weggelaten.

Alle grijze vlakken plus de beide kopse vlakken vertegenwoordigen 6% absorptie. Links hebben de rode vlakken ook 6 %; rechts is dat 80%.

 

De les uit de voorbeelden is dat absorptie een bijdrage kan leveren indien geluidniveaus moeten worden beperkt: de verschillen tussen links en rechts zijn gigantisch. In het atrium, ter hoogte van de borstweringen, is het verschil globaal 10dB. Maar helemaal rechts op de verdiepingsvloeren zien we nog ca. 10 dB extra winst.

 

3.    Het akoestisch ontwerp van een atrium

3.1   De akoestische eisen voor een atrium

Er bestaat in Nederland een voorkeurswaarde voor "Grote glasoverkapte ruimten" (GGR). De maximale nagalmtijd wordt daarin gesteld op 1.5 s. Dat is dus zeer streng als we het vergelijken met de waarden uit tabel 1. En zelfs als we 260 m² absorptie toevoegen zoals in paragraaf 2.3 halen we de gewenste tijd nog niet.

Maar de nagalmtijd zegt helaas weinig omdat die stijgt met de afmetingen van de ruimte. Het woord "Grote" in een GGR dient dus nader te worden gespecificeerd. Een voorbeeld hiervan vindt men bij sportzalen. Daar stijgt de toegelaten nagalmtijd met het volume van de ruimte. En eigenlijk ligt daaronder een norm voor een constante gemiddelde absorptiecoëfficiënt die gelijk gekozen is aan 28%.

Maar een norm staat of valt uiteraard met de architectonische functie. Op de verdiepingsvloeren van figuur 7/rechts variëren de geluidniveaus tussen 35 en 50 dB. Voor een winkel is dat (wellicht té) rustig; voor een kantoor noemen we waarden van 35 tot 50 dB "rustig" tot "redelijk rumoerig". Voor een kantoor kan 50 dB soms aanvaardbaar zijn, maar 50 dB is duidelijk te hoog voor de leeszaal van een bibliotheek of een les- en leerruimte in een school.

 

3.2   Akoestische lessen voor de praktijk bij het atriumontwerp

Bij het ontwerpen van een atrium zullen allereerst de functies in kaart moeten worden gebracht. Dat geldt uiteraard bij ieder gebouw, maar bij een atrium is het manifester omdat, door de open ruimte, de geluidoverdracht veel verder reikt dan in een ander gebouw. Daarbij het gaat het bij sommige functies om de geluidproductie (dus: waar moeten de geluidbronnen?) en bij andere functies om de toehoorders (dus: waar moeten de stiltebehoevende functies?).

De volgende opgave is om na te gaan of functies dan beter in gesloten of in open ruimten kunnen worden ondergebracht. We hebben het niet wetenschappelijk onderzocht maar waarschijnlijk is het meest gefotografeerde atrium dat van Lloyds Bank in Londen. Op die foto's is te zien dat eigenlijk alle varianten van open en gesloten verdiepingen erin voorkomen; figuur 8 laat dat die varianten zien.

Bij gesloten verdieping zijn simpele wanden en deuren veelal voldoende. Zelden treft men in dit soort gebouwen stampende machines [[8]]. Indien verdiepingen open zijn moet meestal heel veel absorptie worden toegepast.

Wellicht worden atria in scholen en bibliotheken wat al te makkelijk toegepast; de nadelen zijn soms groter dan de voordelen. Er is bijvoorbeeld een hausse in open scholen, maar de eerste toegevoegde tussenwanden in open scholen kunnen al worden bewonderd en in Engeland woedt een discussie over de grote hinder die blinde en slechtziende kinderen ondervinden van het slechte akoestische klimaat in open scholen [[9]].

 

Figuur 8:  Rond een atrium kan iedere mogelijke vorm van verdieping worden gekozen. Per functie van geluidbron of concentratie-eisende taak kan een keuze worden gemaakt.