-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz von Bauwerken vor Schwingungen,
wie sie vorzugsweise durch Erdbeben oder aber, beispielsweise bei
höheren
Gebäuden
oder Türmen,
auch bei plötzlich
auftretenden starken Windböen
beziehungsweise Sturm verursacht werden können. Insbesondere betrifft
die Erfindung eine passiv wirkende Anordnung.
-
In
erdbebengefährdeten
Gebieten besteht ein erhöhtes
Risiko, dass Gebäude
oder andere Bauwerke aufgrund der bei einem Erdbeben auftretenden
starken Schwingungen einstürzen
oder Schäden erleiden.
Daher besteht das Erfordernis, spezielle bauliche Maßnahmen
zu ergreifen, durch welche die Bauwerke im Falle von Erdbeben gegen
Schäden oder
gar Einsturz geschützt
werden. Dies gilt umso mehr, als aufgrund hoher Grundstückspreise
auch in erdbebengefährdeten
Gebieten hohe beziehungsweise sehr hohe Bauwerke errichtet werden.
Darüber hinaus
sind hohe Bauwerke auch durch Schwingungen gefährdet, die durch starken, insbesondere
böigen
Wind hervorgerufen werden. Zum Schutz der Bauwerke vor derartigen
Schwingungen ist bereits eine Vielzahl von Lösungen bekannt geworden.
-
Beispielsweise
ist es bekannt, im Inneren turmartiger Bauwerke beziehungsweise
Gebäude,
in den oberen Stockwerken oder ausgehend vom Dach, ein Pendel mit
langem Pendelarm anzuordnen, an dessen Ende ein Massekörper vorgesehen
ist. Sofern das Gebäude
in Schwingung gerät,
wird das Pendel mit dem Massekörper
zu einer ungleichphasigen Schwingung angeregt, welche der Erregerschwingung
des Gebäudes
entgegenwirkt und diese dadurch dämpft. Durch die Dämpfung der
Erregerschwingung, respektive die Verringerung ihrer Amplitude,
werden die auf die Beton- beziehungsweise Betonstahlkonstruktionen
eines Gebäudes
oder auf eine Stahlkonstruktion eines sonstigen Bauwerks wirkenden
Kräfte
verringert. So wird beispielsweise durch die
DE 100 46 560 A1 ein Ziehturm
für das
Ziehen von Lichtwellenleitern beschrieben, an dessen Spitze, im
Innern zum Schutz vor Erschütterungen ein
Pendel mit einer Zusatzmasse zur passiven Schwingungstilgung angeordnet
ist.
-
Eine
von einem anderen Lösungsansatz
Gebrauch machende Anordnung wird beispielsweise durch die
DE 197 34 993 A1 beschrieben.
Die Druckschrift betrifft den Erdbebenschutz durch eine schwingungsgekoppelte
Lagerung von Gebäuden und
Objekten über
virtuelle Pendel mit langer Periodendauer, wobei diese in Bodennähe bzw.
im Boden angeordnet sind und mit ihnen eine weitgehende schwingungsmäßige Entkopplung
von Baugrund und Bauwerk erreicht werden soll. Derartige Pendelkonstruktionen
und insbesondere die in der genannten Druckschrift beschriebene
Konstruktion sind jedoch vergleichsweise sehr teuer und daher aufwändig. Die letztgenannte
Lösung
ist zudem vorzugsweise für den
Neubau von Gebäuden
beziehungsweise für
neu zu errichtende Bauwerke vorgesehen und bei bestehenden Bauwerken
wohl kaum oder nur sehr schwierig nachzurüsten.
-
Andere
bekannt gewordene Lösungen
sind als so genannte aktive Lösungen
ausgelegt. Dabei wird den auftretenden Schwingungen durch eine Bewegung
einer oder mehrerer Zusatzmassen entgegengewirkt, die durch eine
elektronische Steuerung aufgrund von Messwerten am jeweiligen Bauwerk angebrachter
Sensoren veranlasst wird. Derartige Systeme sind sehr wirkungsvoll
und sprechen aufgrund der sensorgestützten Steuerung sehr schnell auf
auftretende Schwingungen an. Allerdings ist ihr Einsatz in der Regel
mit hohen Kosten verbunden. Je nach Art des Systems gestaltet sich
auch hier eine Nachrüstung
teilweise schwierig. Beispielsweise wird durch die
DE 692 25 400 T2 ein solches
aktives System beschrieben. Gemäß der in
der Schrift beschriebenen Lösung
sind im oberen Teil eines Gebäudes zwei
zusätzliche
Massekörper
angeordnet. Diese werden dort offenbar mittels einer Steuerkraft
im Falle auftretender Schwingungen auf einer gekrümmten Oberfläche horizontal
hin und her bewegt. Zwar sollte das beschriebene System durchaus
in bestehenden Gebäuden
oder anderen Bauwerken nachrüstbar sein,
jedoch dürften
auch hierbei aufgrund seiner Auslegung als aktives System die Herstellungs-
und Installationskosten beträchtlich
sein.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Anordnung für den Schutz von Bauwerken
gegenüber Schwingungen
bereitzustellen, welche auftretenden Schwingungen effizient entgegenwirkt,
aber im Hinblick auf die Kosten einfach ausgebildet ist. Insbesondere
soll der einfache Aufbau der zu diesem Zweck zu schaffenden Anordnung
deren einfache Nachrüstbarkeit
in bestehenden Gebäuden
oder anderen Bauwerken ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung
sind durch die Unteransprüche
gegeben.
-
Bei
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zum
Schutz von Bauwerken vor starken Schwingungen handelt es sich um
eine passiv wirkende Anordnung. Auftretende Bauwerksschwingungen
werden durch die Anordnung in an sich bekannter Weise mittels mindestens
einer im oberen Teil des Bauwerks angeordneten und elastisch mit
dem Bauwerkskörper
verbundenen schwingungsfähigen
Zusatzmasse gedämpft.
Dazu ist die Zusatzmasse über viskoelastische
Elemente mit dem Bauwerkskörper verbundenen.
Bei auftretenden Schwingungen des Bauwerks führt die Zusatzmasse eine zu
den Bauwerksschwingungen ungleichphasige Relativbewegung gegenüber dem
Bauwerk aus. Diese Relativbewegung wird durch die viskoelastischen
Elemente gedämpft,
so dass im Ergebnis, aufgrund der Ungleichphasigkeit von Relativbewegung
der Zusatzmasse einerseits und der Bauwerksschwingungen andererseits,
auch die Bauwerksschwingungen gedämpft werden. In erfindungswesentlicher
und besonders vorteilhafter Weise sind jedoch bei der vorgeschlagenen
Anordnung, abweichend gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, das System zur Lastabtragung
der durch die Zusatzmasse verursachten Gewichtskraft und das System
zur Einstellung der Eigenfrequenz der Relativbewegung, welche die
Zusatzmasse gegenüber
dem Bauwerk ausführt,
voneinander entkoppelt. Dies wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung
dadurch erreicht, dass die schwingungsfähige Zusatzmasse, nahezu ausschließlich horizontal
beweglich, auf einer Zwischenebene oder einem Dach des Bauwerks über Gleitlager
abgestützt
ist, während
an ihr, zur Einstellung der Eigenfrequenz ihrer ungleichphasigen
Relativbewegung, mindestens eine mit dem Bauwerk verbundene, horizontal
arbeitende Feder angeordnet ist.
-
In
Abhängigkeit
von den Gegebenheiten, insbesondere von der Bauwerkskonstruktion und/oder
Bauwerksgeometrie kann die erfindungsgemäße Anordnung auch mehrere entsprechend
elastisch mit dem Bauwerk verbundene Zusatzmassen umfassen, die
gegebenenfalls auch in geeigneter Weise miteinander verkoppelt sind.
Die Dimensionierung der Zusatzmasse oder der Zusatzmassen beziehungsweise
die Festlegung des Massenverhältnisses
zwischen Bauwerksmasse und Zusatzmasse sind vor allem von den konstruktiven
Eigenschaften des Bauwerks und den örtlichen, insbesondere durch jeweilige
spezielle Erdbebentätigkeit
bestimmten Gegebenheiten abhängig,
wobei jedoch die Zusatzmasse beziehungsweise die Zusatzmassen stets
nur einen relativ kleinen Prozentsatz der Gesamtmasse des Bauwerks
entspricht beziehungsweise entsprechen. Typischerweise wird sie
unter 5 % beziehungsweise 2 % – 4
% der Bauwerksmasse betragen. Dabei sind das Massenverhältnis und
die mittels der Federn einstellbare Horizontalfrequenz des von der
Anordnung gebildeten schwingungsfähigen Teilsystems im Hinblick
auf die Amplitude und die Frequenz der im Erdbebenfall zu erwartenden
Schwingungen des Bauwerks abzustimmen. Diese Randbedingungen und
die sich hieraus für
eine möglichst
optimale Abstimmung ergebenden Konsequenzen sind dem Fachmann bekannt
und sollen hier nicht Gegenstand näherer Betrachtungen sein. Hervorzuheben
ist vielmehr die Tatsache, dass diese Abstimmung durch die Trennung
des Systems zur Lastabtragung einerseits und des Systems zur Frequenzeinstellung
andererseits vereinfacht wird und dass bei der vorgeschlagenen Anordnung,
anders als bei vielen anderen bisher bekannt gewordenen Lösungen,
in vorteilhafter Weise keine nennenswerte Vertikalbewegung der Zusatzmasse
stattfindet. Zudem ist durch den einfachen Aufbau eine sehr kostengünstige Lösung gegeben,
welche ohne aktive Elemente, wie Sensoren und Aktoren, sowie ohne
Zufuhr von Energie auskommt. Der einfache Aufbau begünstigt dabei
auch eine nachträgliche
Erdbebenertüchtigung
bereits bestehender Bauwerke.
-
Wie
bereits dargelegt, richtet sich die Dimensionierung der Zusatzmasse
unter anderem nach den baulichen Gegebenheiten. Dies gilt letztlich
auch für
die geometrische Auslegung der Anordnung. Unter Berücksichtigung
dessen kommen unterschiedliche Formen für die Zusatzmasse in Betracht.
Entsprechend einer besonders praxisrelevanten Ausbildungsform ist
dabei die Zusatzmasse als ein Block ausgelegt, der über an seinem
Umfang verteilt angeordnete Schwingungsdämpfer horizontal beweglich mit
dem Bauwerk verbunden ist. Dabei ist vorzugsweise jedem Schwingungsdämpfer mindestens
eine Feder zugeordnet, über
deren Längs-
und Quersteifigkeit die Eigenfrequenz der Relativbewegung der schwingungsfähigen Zusatzmasse
einstellbar ist. Der Block bzw. die Zusatzmasse kann aus Stahl oder Stahlbeton
bestehen, denkbar wäre
aber auch die Verwendung einer beispielsweise mit Schrott gefüllten Stahlhülle. Bei
den Schwingungsdämpfern
kann es sich um viskose oder viskoelastische Dämpfer handeln, wobei aber jedenfalls
durch die Kombination von Schwingungsdämpfern und Federn viskoelastische
Elemente gebildet sind. Gemäß einer
möglichen
Ausbildungsform ist die Zusatzmasse beispielsweise als ein Quader
ausgebildet, mit dem die Schwingungsdämpfer und die horizontal arbeitenden Federn
an dessen vertikal verlaufender Umfangsfläche jeweils im Bereich der
durch das Aufeinandertreffen zweier Umfangsflächen gebildeten Ecken verbunden
sind. Vorzugsweise sind dabei jeweils beidseits einer Ecke der quaderförmigen Zusatzmasse, benachbart
zu den Schwingungsdämpfern,
Schraubenfedern angeordnet, so dass jedem Schwingungsdämpfer zwei
Federn zugeordnet sind. Hierdurch wird die Zusatzmasse, welche im
Wesentlichen in zwei horizontalen Richtungen schwingen kann, zentriert,
so dass sich für
sie im Falle einer Anregung symmetrische Schwingungsformen ergeben
und Vertikalbewegungen nahezu vollständig unterdrückt werden.
Zur sicheren und kippfreien Auflagerung der Zusatzmasse sind die
Gleitlager vorzugsweise ebenfalls im Bereich der Ecken der Zusatzmasse
angeordnet. Unter statischen Gesichtspunkten ist es als vorteilhaft
anzusehen, wenn die Gleitlager auf dem betreffenden Etagenboden
oder dem Dach unter Beachtung des durch die Baukonstruktion des
Gebäudes
oder Bauwerks gegebenen Stützrasters
angeordnet sind.
-
Für die bauwerksseitige
Befestigung der Schwingungsdämpfer
und der Federn bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Abgesehen von
einer Befestigung an den Seitenwänden
sind entsprechend einer möglichen
Ausbildung die Schwingungsdämpfer
und/oder die horizontal arbeitenden Schraubenfedern jeweils über einen
Lagerbock auf dem betreffenden Etagenboden oder dem Dach des Bauwerks
befestigt.
-
Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
-
1:
Den grundsätzlichen
Aufbau einer möglichen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
in einer schematischen Darstellung
-
2:
Den Ausschnitt A der Anordnung nach 1 in einer
Draufsicht
-
Die
zur Dämpfung
der in ein Bauwerk 6 eingetragenen Schwingungen vorgeschlagene
Anordnung umfasst gemäß dem in
der 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel als wesentlichen
Bestandteil die Zusatzmasse 1. Dem erfinderischen Grundgedanken
folgend, ist diese Zusatzmasse 1 horizontal beweglich im
oberen Bereich eines Bauwerks 6 gelagert, wobei die Zusatzmasse 1 nahezu ausschließlich horizontal
beweglich gelagert ist. Gemäß dem bevorzugten,
in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zusatzmasse 1 in
Form eines Quaders 1 aus Stahl oder Stahlbeton ausgebildet. Der
Quader 1 ruht auf vier Gleitlagern 31 – 34 , welche an seiner Unterseite im Bereich
der Ecken vorgesehen sind und den Quader 1 beweglich auf
dem darunter befindlichen Teilen des Bauwerks 6 abstützen. Die
durch die Ruhemasse des Quaders 1 verursachte Gewichtskraft
wird dabei über
diese für
die Zusatzmasse 1 als Auflager wirkenden Gleitlager 31 – 3n in den Bauwerksgrund abgeleitet. Im
Hinblick auf die Statik sind die Gleitlager 31 – 3n vorteilhafter Weise unter Beachtung
des Rasters von Stützen 9, 9' des Bauwerks 6 angeordnet.
An den den vertikalen Umfang ausbildenden Seitenflächen wird
die Zusatzmasse 1 über
horizontal arbeitende Federn 41 , 41' – 44 , 44' gehalten, welche
der Einstellung der Schwingungsfrequenz und der Rückstellung
der Zusatzmasse 1 dienen. Dadurch, dass die durch die Zusatzmasse 1 verursachte
Gewichtskraft über
die Gleitlager 31 – 3n vertikal in den Bauwerksgrund abgeleitet
wird, während
jedoch die die Eigenfrequenz einer möglichen Relativbewegung der
Zusatzmasse bestimmenden Federn 41 , 41' – 44 , 44' horizontal
arbeiten, ist dem wesentlichen Erfindungsgedanken folgend, eine nahezu
vollständige
Entkopplung des Systems zur Lastabtragung und des Systems zur Einstellung
der gewünschten
Frequenz gegeben. Hierdurch treten im Grunde keine Vertikalbewegungen
der Zusatzmasse auf, diese arbeitet vielmehr im Wesentlichen in
zwei horizontalen Richtungen. Auch Kippeffekte, wie sie zum Beispiel
von einer Lagerung der Zusatzmasse 1 auf Schraubenfedern
bekannt sind, treten im Grunde nicht auf. Die Auslegung des Systems wird
dadurch erleichtert und seine Erdbebensicherheit bei entsprechend
richtiger Auslegung deutlich erhöht.
Durch das System können
dabei deutlich größere Horizontalbewegungen
aufgenommen werden als von anderen bisher bekannt gewordenen Systemen.
-
In
dem gezeigten Beispiel sind die Federn 41 , 41' – 44 , 4n' an einem Lagerbock 81 – 812 angeordnet, der wiederum mit dem
darunter befindlichen Boden 7 einer Zwischenebene des Bauwerks 6,
beispielsweise eines Gebäudestockwerks
oder des Dachs verbunden ist. Um ein Aufschaukeln der Zusatzmasse 1 und
eine Begrenzung ihrer Schwingungsamplitude zu erreichen, sind, benachbart
zu den Federn 41 , 41' – 44 , 44', jeweils an
den Ecken, in der 1 nicht erkennbare (siehe hierzu 2)
Viskodämpfer 21 – 24 angeordnet. Im Falle des Auftretens
von Schwingungen am Bauwerk 6 werden diese zu etwa 99 % über die
Viskodämpfer 21 – 24 und die sich zwischen ihnen bewegende
Zusatzmasse 1 gedämpft.
Dabei ermöglichen
die Gleitlager 31 – 34 eine weitgehend reibungslose Horizontalbewegung
der Zusatzmasse 1.
-
Durch
die geeignete Anordnung der Federn 41 , 41' – 44 , 44', im Beispiel
an den vier Umfangsseiten des Quaders jeweils im Bereich der Ecken 51 – 54 , wird die Zusatzmasse 1 zentriert
und eine unerwünschte
Rotation der Zusatzmasse 1 verhindert. Die Längs- und
die Quersteifigkeit der Federn 41 , 41 ' – 44 , 44' bestimmen maßgeblich
die horizontale Eigenfrequenz des Teilsystems. Die Anordnung ermöglicht bei
einem sehr einfachen Aufbau die Aufnahme großer Horizontalbewegungen. Vorteilhafter
Weise ist die Anordnung zudem nahezu wartungs- und verschleißfrei.
-
In
der 2, welche den in der 1 kenntlich
gemachten Ausschnitt A in einer Draufsicht zeigt, ist noch einmal
die Anordnung der wesentlichen Elemente der Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel
gezeigt. Der Schwingungsdämpfer 21 ist an einer Ecke 51 des
Quaders 1, also am Ende einer Diagonale seiner Deckfläche angeordnet.
In unmittelbarer Nähe
sind beidseits der Ecke Schraubenfedern angeordnet. Unterhalb des
Quaders ist, ebenfalls in der Nähe
der Ecke 51 auf einer Stütze 9 der
Bauwerkskonstruktion eines der Gleitlager 31 positioniert.
-
- 1
- Zusatzmasse,
beispielsweise Quader
- 21 – 2n
- Schwingungsdämpfer
- 31 – 3n
- Gleitlager
- 41, 41' – 4n,
4n'
- Feder,
beispielsweise Schraubenfeder
- 51 – 5n
- Ecke
- 6
- Bauwerk,
Bauwerkskörper
- 7
- Boden,
Etagenboden
- 81 – 8n
- Lagerbock
- 9,
9'
- Stütze, Gebäudestütze