DE10162614A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Dämpfen der Schwingungen hoher, schlanker Gebäude - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen der Schwingungen von hohen und schlanken Gebäuden, bei welchem im Bereich des oberen Endes des Gebäudes flache Behälter angeordnet werden, die jeweils zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit aufgrund ihrer Trägheit bei horizontalen Beschleunigungen des oberen Gebäudeabschnittes in dem Behälter in und her schwappt und dadurch sowie aufgrund der Fixierung der Behälter an dem Gebäude die Schwingungsamplitude des Gebäudes reduziert. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtumg zum Dämpfen der Schwingungen von hohen und schlanken Gebäuden, mit einer Mehrzahl flacher Behälter, die im Bereich des oberen Endes des hohen Gebäudes angeordnet sind und die jeweils zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, welche aufgrund ihrer Trägheit bei horizontalen Beschleunigungen des oberen Gebäudebereichs in dem Behälter hin und her schwappt und dadurch sowie aufgrund der Fixierung der Behälter an dem Gebäude die Schwingungsamplitude des Gebäudes reduziert. Um ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung zum Dämpfen der Schwingungen von hohen Gebäuden der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Dämpfungselemente kein eigenes Stockwerk oder Zwischenstockwerk benötigen, wird hinsichtlich des Verfahrens vorgeschlagen, daß die Behälter jeweils in dem Zwischenboden eines oder mehrerer der obersten Stockwerke in die tragende Struktur des Bodens integriert sind. ...

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dämpfen der Schwingungen von hohen und schlanken Gebäuden, insbesondere also von Hochhäusern bzw. Türmen, wobei im Bereich des oberen Endes eines solchen hohen Gebäudes Behälter angeordnet werden, die jeweils zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, welche aufgrund ihrer Trägheit bei horizontalen Beschleunigungen des Gebäudes in dem Behälter hin und her schwappt und dadurch, sowie aufgrund der Fixierung der Behälter an dem Gebäude die Schwingungsamplitude des Gebäudes reduziert.
• Entsprechende Dämpfungsverfahren und Vorrichtungen sind bereits seit längerem im Stand der Technik bekannt. Einen recht umfassenden Überblick über den Stand der Technik liefert die Dissertation von C. Verwiebe "Grundlagen für den baupraktischen Einsatz von Schwingungsdämpfern auf Flüssigkeitsbasis", D 82 (Diss. RWTH Aachen), 1997.
• Hohe und schlanke Gebäude, bei welchen das Verhältnis von Höhe zu kleinstem horizontalen Durchmesser oberhalb von fünf und zum Beispiel in der Größenordnung von sieben bis zehn liegt, sind häufig reine Stahlkonstruktionen oder Stahlbetonkonstruktionen mit hohem Stahlanteil und hochfestem Beton.
• Derartige Bauten, die lediglich noch mit tragenden Decken, einer angehängten Fassade und ansonsten nichttragenden Wänden ausgestattet werden müssen, lassen sich mit einer relativ geringen Masse an Baumaterial bis zu beträchtlichen Höhen stabil und sicher errichten.
• Allerdings haben diese hohen und schlanken Gebäude nur eine relative geringe Eigensteifigkeit. Dies führt dazu, dass das obere Ende bzw. die Spitze eines solchen Gebäudes zum Beispiel allein aufgrund wechselnder Windlasten bei böigem und stürmischem Wind beträchtliche Auslenkungen erfahren kann und zu Schwingungen neigt. Dieses muss zwar die Stabilität und Standsicherheit des Gebäudes nicht beeinträchtigen, führt jedoch zu horizontalen Beschleunigungen im oberen Bereich derartiger Gebäude, die von sich dort aufhaltenden Personen deutlich und unangenehm empfunden werden. Zwar kann man die Steifigkeit derartiger Gebäude ohne weiteres auch erhöhen, indem man die Querschnitte der verwendeten Stützen und Träger erhöht und beispielsweise auch zusätzliche Verstrebungen einbaut, welche einer weiteren Erhöhung der Steifigkeit des Gebäudes dienen, jedoch erfordern solche Maßnahmen beträchtliche Mengen an zusätzlichem, teuren Stahlmaterial oder sonstigem Baumaterial, was entsprechende Zusatzkosten verursacht, ohne dass es für die Sicherheit des Gebäudes notwendig wäre. Auch die architektonischen Möglichkeiten würden durch Maßnahmen, welche allein die Eigensteifigkeit eines solchen hohen Gebäudes erhöhen, stark eingeschränkt und beeinträchtigt.
• In diesem Zusammenhang sind bereits mehrfach Verfahren und Vorrichtungen zum Dämpfen der Schwingungen von Hochhäusern und Türmen vorgeschlagen und realisiert worden, bei welchen im Bereich des oberen Endes dieser hohen Gebäude Behälter angeordnet wurden, die jeweils zum Teil mit Wasser gefüllt waren, welches aufgrund seiner Trägheit bei horizontalen Beschleunigungen des Gebäudes in dem Behälter hin und her schwappt und dadurch, sowie aufgrund der Fixierung des Behälters an dem Gebäude die Schwingungsamplitude des Gebäudes reduziert.
• Bei solchen Verfahren und Vorrichtungen ist darauf zu achten, dass vorzugsweise die Schwingungs- oder Schwappperiode des Wassers bzw. der Flüssigkeit in dem Behälter möglichst nahe an der Eigenfrequenz des schwingenden Gebäudes liegt. Typischerweise liegen die entsprechenden Schwingungsfrequenzen bei hohen Gebäuden im Bereich von 0,1 bis 1 Hertz.
• Dabei ist es zur optimalen Schwingungsdämpfung erforderlich, dass eine hinreichend große Masse an Flüssigkeit phasenversetzt zu der jeweiligen Gebäudeauslenkung schwingt, das heißt sich in dem Behälter nach Art einer Welle bewegt, die jeweils an die Seitenwände des Behälters anschlägt und dabei Schwingungsenergie verbraucht bzw. dissipiert.
• Bei den langsamen Bewegungen entstehen notwendigerweise nur sehr flache Wellen mit relativ großer Wellenlänge an der Oberfläche der Flüssigkeit in dem Behälter. Die "Schwappfrequenz" der Flüssigkeit hängt dabei von der genauen Form und Größe der Behälter ab, ist aber in erster Näherung (insbesondere für rechteckige Behälter) umgekehrt proportional zur Länge des Behälters in Richtung der Schwingungsbewegung und proportional zur Wurzel aus der Höhe des Flüssigkeitsstandes.
• Die dabei effektiv bewegte Flüssigkeitsmasse entspricht der Flüssigkeitsmasse, die zwischen dem jeweils tiefsten Wellental und dem höchsten Wellenberg vorhanden ist. Da es sich, wie bereits erwähnt, aufgrund der relativ langsamen Gebäudebewegungen und der auch in ihrer Größe natürlicherweise begrenzten Behälter um relative flache Wellen handelt, ist unter praktischen Bedingungen in der Regel nicht die gesamte Masse der Flüssigkeit an der Schwingungsdämpfung beteiligt. Aus diesem Grunde wurden in der Vergangenheit im Regelfall größere Batterien aus vielen flachen Behältern gebildet, die aus Gründen der Platzersparnis und der Einfachheit einfach übereinander gestapelt wurden. Diese Batterien von Flüssigkeitsdämpfern erreichten daher typischerweise eine Höhe von 0,5 bis 2,5 Metern und es wurden bzw. werden üblicherweise eine Vielzahl derartiger Batterien in einem typischerweise eigens hierfür vorgesehenen Zwischenstockwerk möglichst nahe am oberen Ende eines Gebäudes gleichmäßig verteilt angeordnet. Auch wenn die Schwingungsdämpfermasse typischerweise nur in der Größenordnung von 0,5 bis 3% der generalisierten Gebäudemasse (d. h. der kinetisch wirksamen Masse) liegen muss, um den gewünschten Dämpfungseffekt zu erzielen, ist dennoch herkömmlich das Volumen eines großen Teils eines Stockwerks erforderlich, um eine ausreichende Anzahl flacher Flüssigkeitsbehälter aufstellen und stapeln zu können, die eine ausreichende Dämpfungswirkung bei hohen, schlanken Gebäuden erzielen.
• Bei gegebener Gebäudehöhe wird daher durch die Verwendung der herkömmlichen Flüssigkeitsdämpfungssysteme die nutzbare Fläche etwa um die Hälfte eines kompletten Stockwerks reduziert.
• Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung zum Dämpfen der Schwingungen von hohen Gebäuden der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Dämpfungselemente kein eigenes Stockwerk oder Zwischenstockwerk benötigen.
• Hinsichtlich des oben genannten Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Behälter jeweils in den Zwischenböden eines und vorzugsweise mehrerer der obersten Stockwerke angeordnet werden, und dabei in die tragende Struktur des Bodens integriert sind.
• Hinsichtlich der entsprechenden Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Behälter jeweils in einem Zwischenboden mindestens eines und vorzugsweise mehrerer der oberen Stockwerke angeordnet und in die tragende Struktur des Zwischenbodens integriert sind.
• Bei modernen Hochhäusern werden die erforderlichen Infrastruktureinrichtungen, wie zum Beispiel Heizungsrohre, Wasser- und Abwasserrohre, Stromversorgungs- und Kommunikationsleitungen etc. in den jeweiligen Etagen zumeist nicht mehr hinter abgehängten Decken verborgen, sondern sie werden stattdessen in Zwischenböden angeordnet. Konkret weist jedes Geschoss eine tragende Decke auf, auf welcher zunächst sämtliche der Infrastruktureinrichtungen angeordnet und gegebenenfalls befestigt werden. Erst danach wird im Abstand über der tragenden Decke ein Oberboden aufgebracht. Dieser ruht zumeist auf im Rastermaß angebrachten Stützen, die auf der tragenden Decke befestigt sind und den Oberboden bzw. den eigentlichen Fußboden der entsprechenden Räume in dem Geschoss tragen und typischerweise in einem lichten Abstand von mindestens 20 bis 30 cm zu der tragenden Decke halten.
• Das Volumen zwischen der tragenden Decke und dem eigentlichen Fußboden des Geschosses, welches üblicherweise auch als "Zwischenboden" bezeichnet wird, ist im Prinzip bei weitem ausreichend um eine größere Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Dämpfungsbehältern in ein- oder zwei Lagen aufzunehmen. Allerdings wird die Anordnung herkömmlicher Dämpfungsbehälter in derartigen Zwischenböden allein dadurch verhindert, dass die erwähnten, den Oberboden tragenden Stützen in einem Rastermaß angeordnet sind, das typischerweise deutlich kleiner als ein Meter ist, um Vertikalschwingungen des darauf angeordneten Oberbodens beim Betreten eines solchen Bodens zu vermeiden. Typischerweise liegt das Rastermaß der Stützen in der Größenordnung von 60 cm, kann aber auch noch kleiner sein.
• Die vorliegende Erfindung umgeht jedoch das Problem des zunächst scheinbar nicht vorhandenen freien Volumens in den Zwischenböden, indem sie die Dämpfungsbehälter, die jeweils zum Teil mit Flüssigkeit gefüllt sind, einfach in die tragende Struktur des Zwischenbodens integriert.
• Konkret kann dies beispielsweise so aussehen, dass in dem typischerweise relativ flachen Dämpfungsbehälter, der jedoch in horizontaler Richtung durchaus Abmessungen in der Größenordnung von zwei Meter aufweisen kann, in dem selben Rastermaß eingebaute Stützen vorgesehen sind, die sich zwischen Boden und Decke des Behälters erstrecken und die außerhalb des Behälters lediglich nach oben oder unten entsprechend verlängert werden müssen, damit der Behälter passend in das bestehende Rastersystem aus Stützen integriert ist.
• Die entsprechenden Stützen können von vornherein in den Behälter integriert und zum Beispiel in Boden- und Deckel des Behälters eingegossen sein, gegebenenfalls auch unter Verwendung von in das Behältermaterial bzw. in Deckel und Boden eingegossenen Verstärkungsplatten, Lochblechen und dergleichen. Wahlweise können anstelle der eingegossenen Stützen auch lediglich Rohre, die sich zwischen Boden und Deckel des Behälters erstrecken, in diesen eingegossen bzw. abgedichtet mit Boden und Deckel des Behälters verbunden werden. In diesem Fall kann man Stützen durch die entsprechenden Rohre hindurch stecken und in dem selben Rastermaß montieren, wie alle übrigen Stützen, die sich nicht durch Rohre in Behältern erstrecken. Üblicherweise wird nur ein kleiner Bruchteil der gesamten Grundfläche eines Zwischenbodens für Installationen benötigt, so dass der überwiegende Teil dieser Grundfläche für den erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer zur Verfügung steht. Bei genügender Höhe des Zwischenbodens können auch zwei oder mehr Behälter übereinander angeordnet werden, wobei jeder einzelne der Behälter üblicherweise nur eine Höhe von 8 bis 12, eventuell 15 cm hat, und in etwa zur Hälfte mit Flüssigkeit, vorzugsweise mit Wasser gefüllt ist.
• Eine Kombination von Stützen, die eingegossen sind und sich gleichzeitig durch ein Rohr im Behälter erstrecken sind kunststoffummantelte Stützen, deren Ummantelung aus dem selben Material besteht, wie der Behälter, wobei die Ummantelung auch gemeinsam mit dem Behälter beim Gießen bzw. Formen des selben hergestellt werden kann. Weiterhin ist es denkbar, die Behälter mehrteilig herzustellen, indem zum Beispiel ein Boden mit umlaufender Wand und sich von dem Boden im Rastermaß erstreckenden Rohren hergestellt wird, auf den anschließend ein passender Deckel aufgesetzt und mit der Behälterwand und den oberen Rohrenden verschweißt wird. Will man ein konstantes Flüssigkeitsvolumen (und Luftvolumen) ohne häufige Kontrollen und/oder Füllstandskorrekturen sicherstellen, so muß die Behälterwandung diffusionsdicht sein Jeder Behälter weist außerdem im Deckel einen Füllstutzen auf, der ebenfalls diffusionsdicht verschlossen ist und durch den der Füllstand entweder in regelmäßigen Intervallen oder bei Bedarf gemessen werden kann. Die Verformungseigenschaften und die Festigkeit des Behälterwerkstoffs werden zweckmäßigerweise so gewählt, dass bei normalen Gebrauchsbedingungen auch die maximal auftretenden Temperaturschwankungen die Dichtigkeit des Behälters nicht beeinträchtigen.
• Als Flüssigkeit wird vorzugsweise Wasser verwendet, wobei jedoch bei Bedarf auch die Eigenschaften des Wassers, d. h. insbesondere seine Viskosität, durch die Zugabe von Emulgatoren, Salz oder anderen Zusatzstoffen verändert werden können. Auch Dichte und Masse des Wassers können durch gelöste Stoffe (Salze) verändert werden, um zum Beispiel eine Feinabstimmung der Frequenz vornehmen zu können, mit welcher die Flüssigkeit in dem Behälter hin und her schwappt.
• Jeder Behälter weist vorzugsweise einen Zulauf, einen Ablauf und entsprehende Ventile sowie Einrichtungen zum Überwachen des Füllstandes auf. Über Zulauf, Ablauf und Ventile kann der aktuelle Füllstand reguliert werden. Überwachungseinrichtungen können zum Beispiel Drucksensoren (einschließlich Luftdrucksensoren), Lichtschranken, Ultraschall- oder kapazitive Sensoren sein. Zweckmäßigerweise werden mehrere Überwachungssensoren in einem Behälter so angeordnet, dass ein Mittelwert oder gewichteter Mittelwert ihrer Messwerte auch bei auftretenden Wellenbewegungen in dem Behälter einen repräsentativen Messwert für den tatsächlichen Füllstand ergeben. Bei stillstehendem Behälter ist der Füllstand selbstverständlich allein durch den Abstand des Flüssigkeitsspiegels zum Deckel oder die Höhe des Flüssigkeitsspiegels über dem Boden gegeben, je nach dem welcher Wert von beiden sich besser messen lässt und wo die entsprechenden Sensoren angeordnet sind. Bei Wellenbewegungen befindet sich ein gegebener Sensor entweder im Bereich eines Wellentales, auf eines Wellenberges oder irgendwo dazwischen. Indem man zum Beispiel bei einem Behälter mit kreisförmigem Grundriss drei oder vier Sensoren auf einem Dreieck bzw. Quadrat anordnet, welches bezüglich der Behälterachse symmetrisch angeordnet ist, und mit einem Abstand vom Zentrum des Behälters, der in etwa der Hälfte bis zwei Dritteln seines Radius entspricht, liefert die gemittelte Summe der Messwerte der Sensoren ein ziemlich genaues Maß für die aktuelle Füllstandshöhe, selbst wenn der Behälter aufgrund von Gebäudeschwingungen Horizontalbeschleunigungen ausgesetzt ist. Darüber hinaus können die Messwerte auch zeitlich integriert werden, um den Effekt von plötzlichen Wellenbewegungen auszugleichen.
• Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems, bei welchem die Dämpfungsbehälter in einem Zwischenboden angeordnet werden und bei welchem im Regelfall pro Stockwerk jeweils nur eine Dämpfungsbehälterschicht vorgesehen ist oder Platz findet und demzufolge entsprechende Behälter in mehreren (zum Beispiel fünf oder zehn) der oberen Stockwerke in den Zwischenböden zu finden sind, liegt in der Wärmespeicherwirkung, die die Flüssigkeit in solchen Behältern hat. Wie bereits erwähnt, sollte aus Kostengründen nach Möglichkeit ohnehin Wasser als Dämpfungsflüssigkeit verwendet werden. Wasser hat eine hohe Wärmekapazität und sorgt so für einen guten Temperaturausgleich auch über längere Zeiträume hinweg. Mit anderen Worten, die Räume in den Stockwerken, in welchen in dem jeweiligen Zwischenboden entsprechende Behälter untergebracht sind, kühlen langsamer aus und heizen sich auch langsamer auf, so dass man aufgrund der Verwendung der Flüssigkeitsdämpfer und je nach geographischer Lage des Gebäudes durchaus auf eine Klimaanlage verzichten kann oder aber die Klimaanlage für diese Räume kleiner dimensionieren und mit einer geringeren Leistung auslegen kann.
• Dabei können insbesondere Einrichtungen zum separaten Erwärmen und Abkühlen der Dämpfungsflüssigkeit vorgesehen sein, so dass die Dämpfungsbehälter effektiv als Fußbodenheizung bzw. Fußbodenklimaanlage genutzt werden können.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
• Fig. 1 einen Schnitt durch die Decke in den oberen Stockwerken eines Hochhauses mit einem in einem Zwischenboden angeordneten Dämpfungsbehälter,
• Fig. 2 eine Draufsicht auf den Zwischenboden mit dem als Kreis angedeuteten Behälter und Rasterpunkten, welche die Lage von Bodenstützen anzeigen,
• Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Behälter mit einer eingegossenen Stütze,
• Fig. 4 eine weitere Variante einer eingegossenen Stütze und
• Fig. 5 eine Variante mit eingegossenem Rohr und das Rohr durchgreifender Stütze.
• Man erkennt in Fig. 1 einen Ausschnitt einer Geschossdecke eines Hochhauses, und zwar konkret eines der oberen Geschosse eines Hochhauses, mit einer tragenden Betondecke 1, einem Fußboden 2 und einem durch Stützen 4, 5 überbrückten Zwischenraum, der auch als Zwischenboden 3 bezeichnet wird. Gleichzeitig erkennt man auch im Schnitt einen Behälter 6 mit integrierten Stützelementen 7, wobei der Behälter entweder mit Hilfe der Stützelemente 7 oder durch andere geeignete Mittel, wie zum Beispiel entlang seines Umfanges in die Betondecke 1 eingelassenen Stützbolzen, die den Behälter auch klammerartig von oben umgreifen können, gegen horizontale Verschiebungen auf der Decke 1 gesichert ist.
• Eine überschlagsmäßige Betrachtung zeigt, dass man bei einem Gebäude mit einer Grundfläche von zum Beispiel 800 m² und einer Höhe von 120 m, welches eine generalisierte Masse von etwa 10.000 t hat, eine Masse von mindestens 100 t (1% der generalisierten Masse) an Dämpfungsflüssigkeit benötigt. Nimmt man weiterhin an, dass man etwa die Hälfte der zur Verfügung stehenden Geschossfläche für Dämpfungsbehälter in dem jeweiligen Zwischenboden nutzen kann, so stehen etwa 400 m² für eine Schicht von Dämpfungsflüssigkeit zur Verfügung, die typischerweise eine Höhe von 5 cm hat, dies entspricht bei Verwendung von Wasser als Dämpfungsflüssigkeit 20 t Wasser je Geschoß. Für 100 t Wasser benötigt man also fünf Stockwerke mit ca. 400 m² Fläche für Dämpfungsbehälter, um eine flüssige Dämpfungsmasse von etwa 100 t unterzubringen. Dabei sind die Dämpfungsbehälter in den ohnehin vorhandenen Zwischenböden der oberen Geschosse versteckt und erfordern kein eigenes Zwischenstockwerk, so dass effektiv bei gegebener Gesamtbauhöhe mehr Geschossfläche zur Verfügung steht.
• Fig. 2 zeigt eine Draufsicht von oben auf die in Fig. 1 dargestellte Decke, wobei der Fußboden fortgelassen ist. Man erkennt hier im Wesentlichen den kreisrunden Behälter 6 und die in einem Raster angeordneten Fußbodenstützen 4, 5. Weiterhin sind neben den Fußbodenstützen 5 auf dem Behälter 6 auch die Positionen zusätzlicher Stützelemente 7 im Inneren des Behälters 6 eingezeichnet bzw. erkennbar, die in dem halben Rastermaß angeordnet sind wie die äußeren Stützen 4, 5. Dies ermöglicht unterschiedliche Positionierungen und Fixierungen des Behälters 6, verschoben um jeweils das halbe Rastermaß oder ein Vielfaches hiervon in zwei zueinander senkrechten Richtungen, wobei dennoch das Raster der Stützelemente 7 mit dem Raster der äußeren Stützen 4, 5 zusammen passt. Als mögliche Alternative ist mit gestrichelten Linien in Fig. 2 auch ein quadratischer Behälter 6' eingezeichnet, der anstelle des kreisförmigen Behälters 6 verwendet werden könnte. Ebenso sind auch andere polygonale oder auch runde, d. h. elliptische Behältergrundformen möglich. Bei der Verwendung von elliptischen Behältern oder allgemein von Behältern geringer Symmetrie ist es im Allgemeinen zweckmäßig, die Hauptachsen verschiedener Behälter in unterschiedlichen Richtungen auszurichten, zum Beispiel in zwei zueinander senkrechten Richtungen oder aber in einer Vielzahl verschiedener Richtungen. Dabei können auch die in unterschiedlichen Höhen angeordneten Behälter (sofern sie nicht kreisrund sind) unterschiedlich ausgerichtet werden. Es ist auch möglich, die Behälterform und Größe oder aber die Dichte und/oder Viskosität der Flüssigkeit von Stockwerk zu Stockwerk geringfügig zu ändern, um zum Beispiel die Tatsache zu berücksichtigen, dass in dem jeweils höchsten Stockwerk, in welchem entsprechende Dämpfungsbehälter angeordnet sind, Beschleunigungen aufgrund von Biegeschwingungen des Gebäudes am größten sind, so dass dort beispielsweise die Behälter mit etwas mehr Flüssigkeit gefüllt werden könnten oder auch etwas höhere Behälter verwendet werden könnten als zum Beispiel fünf Stockwerke tiefer. Die Verwendung elliptischer oder allgemein in zwei zueinander senkrechten Horizontalrichtungen unterschiedlich langer oder breiter Behälter bietet sich auch für Gebäude an, die in den entsprechenden Richtungen unterschiedliche horizontale Steifigkeit und damit unterschiedliche Eigenschwingungsfrequenzen haben.
• In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei verschiedene Stützen 4, 5 verwendet, nämlich längere Stützen 4, die außerhalb der Behälter 6 aufgestellt sind und den gesamten Bereich zwischen Betondecke 1 und Fußboden 2 überbrücken, und kürzere Stützen 5, die jeweils genau über Stützelementen 7 auf die Behälter 6 aufgesetzt sind. Allerdings wäre es ebenso möglich, die Stützelemente 7 von vornherein länger auszubilden, so dass sie nach oben aus dem Behälter 6 herausragen und somit die Stützen 5 ersetzen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die einzelnen Stützen 4, 5 bzw. entsprechende Stützelemente 7 in ihrer Länge verstellbar auszugestalten, wie beispielsweise zweiteilig auszubilden und mit einem Gewinde zu versehen, so dass unterschiedliche Abstände zwischen Betondecke und Fußboden ausgeglichen werden können. Ebenso kann man hier Beilagen oder zusätzliche Elemente verwenden. Auch auf der Unterseite eines Behälters können Beilagen 15 und/oder Verstellelemente vorgesehen sein, was insbesondere bei relativ rauhen und unebenen Betondecken zweckmäßig ist. Die Decken könnten jedoch auch zumindest dort wo entsprechende Behälter aufgestellt werden, mit einer Estrichschicht oder einer anderen Ausgleichsschicht versehen werden, die einen entsprechend ebenen Boden herstellt.
• In Fig. 3 ist im Schnitt ein kleiner Ausschnitt eines Behälters mit einem eingegossenen Stützelement 7 dargestellt. Das Stützelement 7, welches die Form eines Rundstabes hat, ist mit seinem oberen und unteren Ende jeweils mit einer Platte 8 bzw 9 verschweißt, die zweckmäßiger Weise aus einem Lochblech oder dergleichen hergestellt wird. Diese Platten 8, 9 sind in das Kunststoffmaterial, aus welchem der Boden 11 und der Deckel 12 des Behälters 6 bestehen, eingegossen. Die Tatsachen, dass die Platten aus einem Lochblech bestehen bzw. mehrere Bohrungen oder Löcher 8', 9' aufweisen, sorgt für einen festen Verbund zwischen der jeweiligen Platte und dem Kunststoffmaterial, aus welchem Boden 11 und Deckel 12 bestehen.
• Selbstverständlich ist es auch möglich, wie zum Beispiel in Fig. 4 dargestellt, die oberen und unteren Platten 8 bzw. 9 vollständig in das Material des Bodens 11 und des Deckels 12 einzubetten. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist außerdem an die obere Platte 9 noch ein Gewindestutzen 13, im einfachsten Fall eine entsprechende Schraubenmutter, angeschweißt. In diese Mutter kann dann eine mit einem entsprechenden Gewinde ausgestattete Stütze 5 eingeschraubt werden, deren Gewindeabschnitt vorzugsweise einen umlaufenden Bund hat, der oben auf dem Gewindestutzen bzw. der Mutter aufsitzt, bevor der Gewindeabschnitt auf die Platte 9 stößt.
• An der Unterseite des Behälters sind im Bereich der Platten 9 Unterlegscheiben bzw. Auflageplatten vorgesehen, die vor allem dazu dienen, Unebenheiten der Decke auszugleichen.
• Selbstverständlich muss der Behälter nicht notwendigerweise aus Kunststoffmaterial hergestellt werden, sondern kann zum Beispiel auch aus Metall gefertigt und mit entsprechenden Stützelementen 7 verschweißt sein. Die konkrete Ausgestaltung und Herstellung eines entsprechenden Behälters ist letztlich eine Frage der Kosten, wobei es für die erfindungsgemäße Verwendung derartiger Behälter lediglich darauf ankommt, dass sie in geeigneter Weise in das Stützensystem eines Zwischenbodens integrierbar sind. Sofern man Flüssigkeiten verwendet, die eine relativ hohe Viskosität haben und bei denen dementsprechend selbst bei relativ kleinen Behältern eine "Schwappfrequenz" von unter 1 Hz erzielt werden kann, ist es denkbar, diese Behälter so klein auszugestalten, dass sie jeweils zwischen die vorgesehenen Stützen passen, ohne dass im Inneren des Behälters Stützelemente angeordnet sein müssen. Auch diese Kombination aus speziellen Flüssigkeiten und entsprechend kleinen Behältern, die zwischen die Stützen eines gegebenen Rastermaßes eines Zwischenbodens passen, wird als Teil der vorliegenden Erfindung angesehen.
• Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Behälter ein eingegossenes Rohr bzw. eine integrierte, rohrförmige, vom Boden zum Deckel durchgehende Öffnung aufweist, die keine Verbindung zu dem Behälterinneren hat. Für eine solche rohrförmige Öffnung kann sich dann eine übliche Stütze 4 oder auch ein speziell angepasstes Stützelement 7 erstrecken, wie es im Falle der Fig. 5 dargestellt ist. Zwischen der unteren Lagerplatte 8' und dem Boden 11 des Behälters ist in diesem Fall noch ein Ausgleichsfutter 16vorgesehen, welches Höhendifferenzen der Decke ausgleichen kann und die Kräfte gleichmäßig verteilt, wobei bei der hier dargestellten Ausgestaltung die Behälter keinen großen Kräften ausgesetzt sind, da sie ja nur etwa zur Hälfte mit einer Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, gefüllt sind, wobei die Gesamthöhe des Behälters typischerweise in dem Bereich zwischen 8 und 20 cm liegt. Das Rastermaß der Stützen liegt typischerweise in der Größenordnung von 50 bis 80, insbesondere bei etwa 60 cm und das vorzugsweise für die Behälter vorgesehene Rastermaß der Stützelemente 7 liegt bei der Hälfte dieses Wertes, also bei etwa 30 cm, so dass man im Ergebnis pro Quadratmeter Grundfläche etwa elf Stützelemente hat und auf der selben Fläche maximal etwa 100 Liter Wasser in dem Behälter enthalten sind. Auch bei Berücksichtigung des Eigengewichtes des Behälters entfällt somit auf die Lagerplatte durch den Behälter samt Inhalt nur eine Gewichtskraft von ca. 10 kp oder etwa 100 N. Die auf den Behälter bzw. den Behälterboden wirkenden Kräfte sind also relativ gering, so dass der Behälter relativ dünnwandig und leicht und aus preiswertem Kunststoffmaterial hergestellt werden kann.
• Zu achten ist lediglich auf die Langzeitbeständigkeit des verwendeten Materials und auf Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen, insbesondere wenn das System auch zum Heizen und/oder Kühlen verwendet werden soll. Insbesondere bei Dämpfungssystemen, bei welchen die einzelnen Tanks jeweils einen Zulauf und einen Ablauf aufweisen, ist es zweckmäßig und sinnvoll, den aktuellen Füllstand zu überwachen, damit das Gesamtsystem permanent seine optimalen Dämpfungseigenschaften behält. Zu diesem Zweck sind im Allgemeinen Sensoren vorgesehen, die den fokalen Flüssigkeitspegel erfassen. Beispielhaft sind in Fig. 2 vier derartige Sensoren 14 dargestellt, die so positioniert sind, dass bei den typischerweise in einem solchen Behälter auftretenden Wellenbewegungen der über die vier Sensoren gemittelte, lokale Pegel möglichst genau dem mittleren Füllstand entspricht. Zusätzlich kann diese Füllstandsmessung auch zeitlich integriert werden, so dass ein Nachfüllen oder Ablassen von Flüssigkeit nur dann erfolgt, wenn das Langzeitmittel über alle vier Sensoren von einem gewünschten Sollwert abweicht.
• Die Schwappfrequenz des Wassers bzw. der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeit hängt im Wesentlichen nur ab von dem Durchmesser des Behälters und der Viskosität und Dichte der darin enthaltenen Flüssigkeit sowie der Füllhöhe. Einen gewissen Einfluss hat auch die konkrete Behälterform. Aus dem eingangs zitierten Stand der Technik sind jedoch sowohl theoretische Berechnungen als auch praktische Untersuchungen über die Schwappfrequenzen bekannt, so dass es grundsätzlich kein Problem darstellt, für ein gegebenes Gebäude geeignete Behälter und Flüssigkeiten auszuwählen, so dass die Schwappfrequenz der Flüssigkeit in diesen Behältern in etwa mit der Eigenfrequenz der Gebäudeschwingungen, und zwar insbesondere der Biegeschwingungen unter Windlast, übereinstimmt.
• Mit 17 ist eine Nachfüllöffnung in dem Behälter 6 bezeichnet, die im Prinzip beliebig im oberen Bereich des Behälters positioniert sein kann. Entsprechend ist auch eine (in den Figuren nicht erkennbare) Ablauföffnung entweder im unteren Bereich der Außenwand oder im Boden der Behälter 6 vorgesehen. Im Übrigen kann es auch zweckmäßig sein, die Behälter 6 bzw. 6' nicht unmittelbar auf den Boden aufzusetzen, sondern stattdessen die Stützen 5 unter den Behältern anzuordnen und die Behälter unmittelbar unter dem Fußboden 2 anzuordnen. Aufgrund des relativ niedrigen Füllstandes und des damit relativ geringen Gewichtes in den Behältern sollte dies grundsätzlich kein Problem darstellen. Allerdings ist darauf zu achten, dass in diesem Fall die Stützen unter den Behältern gut am Boden verankert sind und dass auch der Behälter seinerseits gut an den Stützen verankert ist, damit keine nennenswerten Horizontalbewegungen des Behälters gegenüber dem Boden bzw. dem Gebäude auftreten, so dass nur durch die Relativbewegung zwischen der Flüssigkeit und dem Behälter und damit zwischen der Flüssigkeit und dem Gebäude die Schwingungsenergie dissipiert und damit die Schwingungsamplitude des Gebäudes verringert werden kann.

Claims (22)

1. Verfahren zum Dämpfen der Schwingungen von hohen und schlanken Gebäuden, bei welchem im Bereich des oberen Endes des Gebäudes flache Behälter angeordnet werden, die jeweils zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, wobei die Flüssigkeit aufgrund ihrer Trägheit bei horizontalen Beschleunigungen des oberen Gebäudeabschnittes in dem Behälter hin und her schwappt und dadurch sowie aufgrund der Fixierung der Behälter an dem Gebäude die Schwingungsamplitude des Gebäudes reduziert, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter jeweils in dem Zwischenboden eines oder mehrerer der obersten Stockwerke in die tragende Struktur des Bodens integriert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter in einer jeweils nur einlagigen Schicht in mindestens einem und vorzugsweise in mehreren Zwischenböden übereinander liegender Etagen angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Bodenlasten in dem Zwischenboden durch in die Behälter integrierte Stützen in die tragende Decke abgeleitet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter steuerbare Zulauf- und Ablauföffnungen aufweisen und dass das Flüssigkeitsvolumen im Inneren des Behälters überwacht und gegebenenfalls reguliert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Druck und Temperatur des über dem Flüssigkeitspegel in einem Behälter vorhandenen Gasraumes kontrolliert und gegebenenfalls geregelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand mit kapazitiven oder Ultraschallsensoren erfasst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren über Boden- oder Deckwand verteilt sind und der Füllstand als Mittelwert oder gewichteter Mittelwert aus den Messergebnissen der einzelnen Sensoren bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Behälter im Wesentlichen flache Behälter mit einem ebenen Boden und einem zum Boden parallelen Deckel und einer zu Boden und Deckel im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Umfangswand bestehen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in den Behältern als Heiz- bzw. Kühlmedium und die Behälter als Bodenheiz- bzw. Kühlkörper verwendet werden.

10. Vorrichtung zum Dämpfen der Schwingungen von hohen und schlanken Gebäuden, mit einer Mehrzahl flacher Behälter, die im Bereich des oberen Endes des hohen Gebäudes angeordnet sind und die jeweils zum Teil mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, welche aufgrund ihrer Trägheit bei horizontalen Beschleunigungen des oberen Gebäudebereichs in dem Behälter hin und her schwappt und dadurch sowie aufgrund der Fixierung der Behälter an dem Gebäude die Schwingungsamplitude des Gebäudes reduziert, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter jeweils in einem Zwischenboden eines oder mehrerer der obersten Stockwerke des Gebäudes angeordnet sind und dass sie in die tragende Struktur des Zwischenbodens integriert sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter Zulauf- und Ablaufanschlüsse sowie Überwachungs- und Steuerungseinrichtungen zur Überwachung und Regelung der in dem Behälter enthaltenen Flüssigkeitsmenge aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtungen aus einem oder mehreren Sensoren an oder in dem Behälter bestehen, die den Flüssigkeitspegel in dem Behälter erfassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren Ultraschallsensoren und/oder kapazitive Sensoren sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren in oben und unten offenen Röhren geführte Schwimmer verwendet werden.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter mehrere, vorzugsweise in einem Raster über den Horizontalquerschnitt verteilte Stützen vorgesehen sind, die sich vom Boden bis zur Deckelwand des Behälters erstrecken.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Behälters vorzugsweise in einem Rastermaß zwischen Boden und Deckel durchgehend verlaufende Rohre in den Behälter integriert sind, die gegenüber dem Boden und dem Deckel abgedichtet sind und die vom Behälterinneren getrennte, durchgehende Öffnungen für die Aufnahme von Stützelementen des Zwischenbodens aufweisen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermaß der im Behälter vorgesehenen Stützen bzw. Durchgangsöffnungen für Stützen die Hälfte, ein Drittel oder ein Viertel des Rastermaßes der sonst in dem Zwischenboden vorgesehenen Stützen entspricht.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen Boden- und/oder Deckel durchgreifen und an der Außenseite durch eine mit der äußeren Deckel- oder Bodenoberfläche abschließende oder leicht über diese hinausstehende Platte abschließen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützen aus Metall bestehen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der einzelnen Stützen an dem Behälter von außen erkennbar und/oder markiert sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die den Behälter durchgreifenden Stützen in der darunterliegenden tragenden Decke verankert sind.

22. Da die Bewegungen der Flüssigkeit in dem Behälter bei den in der Praxis auftretenden Gebäudeschwingungen nicht übermäßig heftig sind, sind die Anforderungen an die Dichtigkeit am Übergang zwischen Deckel und Seitenwand des Behälters nicht allzu hoch, d. h. eine Dichtigkeit gegen Spritzwasser reicht im Allgemeinen aus.