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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Stabilisierung von Stützkonstruktionen
für Maschinen,
Anlagen, Gebäude
und sonstige Bauwerke. Die vorgeschlagene Anordnung dient dabei
gleichzeitig der Versteifung entsprechender Konstruktionen und ihrer
Stabilisierung gegenüber
Schwingungen, wie sie insbesondere durch Erdbeben verursacht werden.
Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße Anordnung der Stabilisierung
von Rahmenkonstruktionen.
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Von
alters her ist es insbesondere im Bauwesen bekannt, Stützkonstruktionen,
wie beispielsweise Rahmenkonstruktionen von hohen Gebäuden, durch
Versteifungselemente statisch zu stabilisieren, wobei die entsprechenden
Versteifungselemente die Lastabtragung der Konstruktion unterstützen. Geläufig ist
hierbei insbesondere das so genannte „Stützdreieck" beziehungsweise die Versteifung von
Rahmenkonstruktionen mittels diagonal angeordneter Verstrebungen,
welche Lastfrei in eine entsprechende Stützkonstruktion eingearbeitet
werden. Bekannt ist es auch, hohe Bauwerke, wie beispielsweise Stahlmasten,
durch Spannseile oder Spannstangen zur stabilisieren. Die vorgenannten
Maßnahmen
sind zwar hinsichtlich der statischen Stabilisierung unterschiedlichster
Stützkonstruktionen
sehr wirkungsvoll und insoweit in vielen Fällen unentbehrlich, jedoch sind
sie bei auftretenden dynamischen Belastungen, wie sie beispielsweise
bei starken, durch Erdbeben hervorgerufenen Schwingungen zu verzeichnen sind,
nur bedingt wirksam. Zumindest ist mit ihnen eine einachsige Stabilisierung
gegenüber
dynamischen Belastungen, respektive die Stabilisierung eines Konstruktionselementes,
wie beispielsweise einer Zelle einer Rahmenkonstruktion mit nur
einer Strebe, nicht möglich.
Vielmehr ist es zum Erhalt einer gewissen Stabilisierungswirkung
gegenüber
dynamischen Belastungen erforderlich, entsprechende Versteifungselemente,
wie beispielsweise Zugbänder,
paarweise und einander entgegengerichtet anzuordnen. Eine entsprechende
Anordnung wird beispielhaft durch die diesen Stand der Technik darstellende 9 wiedergegeben.
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Im
Hinblick auf den Schutz von Bauwerken gegenüber Schwingungen, wie sie durch
Erdbeben verursacht werden, ist in der Vergangenheit bereits verschiedentlich
der Einsatz von Dämpfern,
insbesondere viskosen Dämpfern,
vorgeschlagen worden. Eine entsprechende Lösung mit einem in eine Rahmenkonstruktion
diagonal eingeordneten Dämpfer wird
beispielsweise durch die WO 01/73238 A2 offenbart. Der dargestellten
Lösung
haftet jedoch der Nachteil an, dass sie im Hinblick auf zwischen
Zug und Druck wechselnde Belastungen, wie sie in der Praxis, insbesondere
auch bei Erdbeben typisch sind, sehr massiv ausgelegt sein muss,
um die bei Druckbelastungen für
den Dämpfer
oder Befestigungselemente des Dämpfers
bzw. Verbindungselemente zur Konstruktion gegebene Knickgefahr gering
zu halten. Dieses Erfordernis einer massiven Auslegung bringt beim
Einsatz der genannten Lösung
verhältnismäßig hohe
Kosten mit sich. Zudem trägt
der Dämpfer
nicht zur statischen Aussteifung der Stützkonstruktion bei. Vielmehr
werden zu diesem Zweck, wie aus der 5 der
genannten Schrift ersichtlich, gesonderte Versteifungselemente an
der Stützkonstruktion,
beispielsweise in anderen Rahmen einer Rahmenkonstruktion, angeordnet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen,
welche eine wirksame, aber dennoch kostengünstige Stabilisierung von Stützkonstruktionen
sowohl aus statischer als auch aus dynamischer Sicht ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
gelöst.
Vorteilhaft Aus- bzw. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung
sind durch die Unteransprüche
gegeben.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
dient der Stabilisierung von Stützkonstruktionen
für technische Objekte,
wie Maschinen, Anlagen, Gebäude
oder sonstige Bauwerke. Mit ihr können Stützkonstruktionen stabilisiert
werden, welche aus Stützelementen bestehen,
die als Stützen
oder horizontale Stützträger ausgebildet
sind und/oder eine Rahmenkonstruktion ausbilden. Dabei werden, in
an sich bekannter Weise, einander benachbarte Stützelemente mittels Spannelementen,
wie Spannseilen, Spannstangen oder Zugbändern, miteinander verspannt.
Erfindungsgemäß ist jedoch
zwischen den Spannelementen mindestens ein einaxial wirkendes, als
Parallelschaltung zwischen mindestens einer Feder und mindestens
einem viskosen oder viskoelastischen Dämpfer ausgebildetes Zusatzelement
eingeordnet. Die Spannelemente, welche die Stützelemente miteinander verspannen
und das oder die zwischen ihnen eingeordneten Zusatzelemente bilden
erfindungsgemäß eine Stabilisierungseinheit
aus. Innerhalb der solchermaßen
gebildeten Stabilisierungseinheit sind die Spannelemente und das
oder die Zusatzelemente zueinander in Reihe geschaltet. In erfindungswesentlicher
Weise wird dabei mittels der Zusatzelemente eine Vorspannung für die Spannelemente
erzeugt. Hierdurch bildet die Stabilisierungseinheit eine statische
Aussteifung für
die Stützkonstruktion,
die auch bei starker dynamischer Beanspruchung, beispielsweise durch
Schwingungen, wie sie von Erdbeben hervorgerufen werden, lastabtragend
wirkt. Durch die Vorspannung der Seile oder Zugbänder entstehen bei Erdbebeneinwirkung
keine Druckkräfte
in der Stabilisierungseinheit. Die Dämpfung und Federsteifigkeit
der durch die erfindungsgemäße Anordnung
gebildeten Stabilisierungseinheit wirken somit in vorteilhafter
Weise auch bei Wechselbeanspruchungen (Wechsel zwischen Zug und Druck),
da durch Erdbebenkräfte
lediglich die statische Zugkraft vergrößert oder verringert wird.
Aufwendige bzw. weitere, zusätzliche
Druckaussteifungen, welche ein Ausknicken der Stabilisierungseinheit
bei Druck verhindern, sind in der Regel nicht notwendig. Gleichzeitig
bewirkt die Vorspannung der Spannelemente, dass die Steifigkeit
bzw. Beanspruchbarkeit der Stabilisierungseinheit zur Lastabtragung
der Erdbebenkräfte
beiträgt.
Somit dient die Einheit auch der (statischen) Aussteifung. Die Systemdämpfung und
der Systemwiderstand für
die Aufnahme von Erdbebenkräften
werden effektiv erhöht. Bei
der Feder oder den Federn des zwischen den Spannelementen eingeordneten
Zusatzelementes kann es sich gemäß einer
möglichen
Ausbildungsform der Erfindung um Schraubendruckfedern handeln. Die
Kopplung zwischen einem Spannelement und einem Zusatzelement erfolgt
dabei über
ein mit der Druckkraft der Schraubendruckfeder oder -druckfedern beaufschlagtes
Koppelelement, welches diese Druckkraft umlenkt und als Zugkraft
auf das Spannelement überträgt.
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Die
Feder oder die Federn des Zusatzelementes können aber ebenso als Zugfeder
ausgebildet sein, wobei die Kopplung zwischen einem Spannelement
und diesem Zusatzelement dann durch eine Koppelelement gegeben ist, über welches
die an ihm wirkende Zugkraft der Zugfeder oder Zugfedern quasi unmittelbar
auf das Spannelement übertragen wird.
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Hinsichtlich
der Anbindung der Stabilisierungseinheit sind im Sinne der erfindungsgemäßen Anordnung
ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten gegeben.
So kann die Stabilisierungseinheit beispielsweise die Stützelemente
einer Rahmenkonstruktion miteinander verbinden. Gemäß einer
praxisrelevanten Gestaltungsmöglichkeit
wird dabei durch die Stabilisierungseinheit eine diagonale Aussteifung für den Rahmen
der Rahmenkonstruktion gebildet, wobei die Stabilisierungseinheit
vorzugsweise zwei Eckpunkte des Rahmens miteinander verbindet.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
kann jedoch auch so ausgebildet sein, dass es sich bei den einander
benachbarten Stützelementen,
welche mittels einer Stabilisierungseinheit miteinander verbunden
sind, um Teile von Stützkonstruktionen
verschiedener technischer Objekte, also beispielsweise um Stützen der
Rahmenkonstruktionen zweier nebeneinander stehender Gebäude handelt.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung
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2 Die
schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform
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3 – 5 Abwandlungen
der zuvor erläuterten
Ausführungsformen
bzw. Möglichkeiten
ihrer Kombination
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6 – 8 Möglichkeiten
der Anbindung der erfindungsgemäßen Anordnung
an Stützkonstruktionen
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9 Die
schematische Darstellung einer Anordnung zur Versteifung von Stützkonstruktionen nach
dem Stand der Technik
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10 Die
schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten
Lösung
zur Stabilisierung von Bauwerken gegenüber durch Erdbeben verursachten
Schwingungen
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Die 1 und 2 zeigen
jeweils in einer schematischen Darstellung mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung.
Diesen stehen Anordnungen gegenüber,
die in den 9 und 10 ebenfalls
schematisch dargestellt sind und welche aus dem Stand der Technik
einerseits zur statischen Stabilisierung von Bauwerken und andererseits
zu deren Schutz gegenüber
erdbebenbedingten Schwingungen bekannt sind. Zur besseren Verdeutlichung
des mit der erfindungsgemäßen Anordnung
erzielten Effekts soll zunächst
kurz auf die in den 9 und 10 skizzierten,
aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen eingegangen werden.
Die 9 stellt schematisch eine als Rahmenkonstruktion 10 ausgebildete
Stützkonstruktion 7 dar,
die durch diagonal eingeordnete Versteifungselemente 11, 11', beispielsweise
entsprechende Streben, statisch stabilisiert wird. Wie bereits eingangs betont,
haben sich entsprechende Anordnungen, bei denen die Streben lastfrei
in die Stützkonstruktion eingefügt werden,
für die
statische Stabilisierung durchaus bewährt. Im Hinblick auf das Abfangen
dynamischer Beanspruchungen ist es jedoch nicht ausreichend, eine
solche Rahmenkonstruktion 10 mittels nur eines, einachsig
wirkenden Versteifungselementes 11 zu stabilisieren. Vielmehr
ist es, wie in der 9 dargestellt, erforderlich,
entsprechende Versteifungselemente 11, 11' paarweise und
gegenläufig ausgerichtet
anzuordnen. Aber selbst mit dieser Maßnahme ist gegenüber dynamischen,
beispielsweise erdbebenbedingten Schwingungen nur ein vergleichsweise
geringer Schutz gegeben.
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Die 10 zeigt
schematisch eine Anordnung zur dynamischen Stabilisierung eines
Bauwerks oder dergleichen, wie sie aus dem eingangs zitierten Stand
der Technik bekannt ist. Dabei wird in eine ebenfalls als Rahmenkonstruktion 10 ausgebildete
Stützkonstruktion 7 in
einer im Wesentlichen diagonalen Anordnung ein vorzugsweise viskoses oder
viskoelastisches Dämpfungselement 12 eingebaut.
Durch ein derartiges Dämpfungselement 12 ist jedoch
keine statisch aussteifende Wirkung gegeben. Zur Erreichung einer
hinreichenden Stabilität gegenüber zwischen
Zug und Druck wechselnden Beanspruchungen, welche insbesondere im
Falle der Druckbeanspruchung eine erhöhte Knickgefahr mit sich bringen,
ist eine sehr massive Auslegung des Dämpfungselementes 12 notwendig.
Zur Ableitung der durch die Konstruktion selbst verursachten statischen
Kräfte
trägt das
dargestellte Dämpfungselement 12 nicht
bei, so dass dazu gesonderte Versteifungselemente vorzusehen sind.
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Dem
gegenüber
wird durch die erfindungsgemäße Lösung, wie
sie in den 1 und 2 in zwei
möglichen
Varianten dargestellt ist, gleichzeitig eine wirkungsvolle Stabilisierung
von Stützkonstruktionen 7, 7' sowohl unter
statischen als auch unter dynamischen Gesichtspunkten erreicht.
Dabei besitzt die Anordnung zudem eine sehr einfache Ausbildung,
welche sie einerseits kostengünstig
in Fertigung und Installation macht und durch die sie sehr einfach
an unterschiedliche Gegebenheiten und Anforderungen anpassbar ist
und beispielsweise auch bei bestehenden Bauwerken oder Stützsystemen
für Maschinen
nachrüstbar
ist. Beiden Varianten ist das erfindungsgemäße Grundprinzip gemeinsam.
Danach erfolgt die Stabilisierung der Konstruktion mittels Spannelementen 1, 1', wie Zugbändern oder Zugstangen,
zwischen denen ein viskoelastisches Zusatzelement 2, 2', nämlich parallel
eine Feder 3, 3' und
ein viskoser oder viskoelastischer Dämpfer 4, eingeordnet
sind, wobei die Spannelemente 1, 1' mittels der Zusatzelemente 2, 2' vorgespannt
sind. Die beiden schematisch dargestellten Varianten unterscheiden
sich dahingehend, dass in der Ausbildung nach der 1 eine
Zugfeder 3 zum Einsatz gelangt, während in der Variante gemäß 2 eine
Schraubendruckfeder 3' Verwendung
findet. Demzufolge ist das zwischen den Spannseilen bzw. die Spannstangen 1, 1' eingeordnete
viskoelastische Zusatzelement 2, 2', wie aus den Figuren ersichtlich,
in unterschiedlicher Weise angekoppelt. Gemäß der Variante nach 1 sind
das Zusatzelement 2 und die Spannelemente 1, 1' durch Koppelelemente 5, 6 miteinander
verbunden, welche die Zugkraft der Zugfeder auf die Spannelemente
quasi unmittelbar übertragen. Hingegen
wirken das Koppelelemente 5', 6' in der Ausführungsform
nach der 2 kraftumlenkend, indem sie
die Druckkraft, mit welcher sie durch die Druckfeder 3' beaufschlagt
sind, als eine deren Vorspannung bestimmende Zugkraft auf die Spannelemente 1, 1' übertragen.
In den gegebenen Darstellungen der Erfindung beziehen sich die Bezugszeichen 3 und 3' sowie das Bezugszeichen 4 dabei
gegebenenfalls auch Gruppen parallel angeordneter Federn 3, 3' bzw. Dämpfer 4,
wobei es sich in der Praxis in der Regel um entsprechende Gruppen
mit geeigneter Geometrie handeln wird.
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Gemäß der Erfindung
ist die zur Stabilisierung einer Stützkonstruktion 7, 7' dienende Anordnung
so ausgebildet, dass zwischen den, benachbarte Stützelemente 8, 9, 9', 10, 10' der Stützkonstruktion 7, 7' verspannenden
Spannelementen 1, 1' mindestens
ein viskoelastisches Zusatzelement 2, 2' eingeordnet
und mit ihnen unter Ausbildung einer Stabilisierungseinheit in Reihe
geschaltet ist. Dies lässt selbstverständlich die
Möglichkeit
offen, dass mehrere viskoelastische Zusatzelemente 2, 2' innerhalb einer
Stabilisierungseinheit angeordnet sind. Gegebenenfalls können dabei
die in den 1 und 2 gezeigten
Varianten der Verbindung zwischen Spannelementen 1, 1' und Zusatzelementen 2, 2' auch miteinander
kombiniert werden. Entsprechende Möglichkeiten werden durch die 3 bis 5 verdeutlicht.
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Ebenso
wie die jeweilige Auslegung der Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnung, nämlich beispielsweise
Größe und Stärke der
Zugbänder 1, 1, 1'', Vorspannkraft bzw. Federkonstante der
Feder 3, 3' des
viskoelastischen Zusatzelements 2, 2' oder die Dimensionierung
seines Dämpfers 4, von
den jeweiligen Gegebenheiten, wie Art der Stützkonstruktion 7, 7' und Einbauort,
und den voraussichtlich auftretenden Belastungen abhängt, sind
in Abhängigkeit
von den genannten Faktoren unterschiedliche Möglichkeiten bzw. Erfordernisse
für die Art
und Weise des Einbaus der Anordnung und ihrer Verbindung mit dem
Hauptsystem, der bzw. den Stützkonstruktionen 7, 7', gegeben. Beispielhaft
dafürstehen
die schematisch in den 6 bis 8 wiedergegebenen,
nicht als abschließend
zu betrachtenden Möglichkeiten.
Dabei zeigen die 6 und 6 zwei Möglichkeiten
einer diagonalen Verbindung der erfindungsgemäßen Anordnung mit den Stützelementen 8, 9, 9' einer Stützkonstruktion 7 in Form
einer Rahmenkonstruktion 10, welche sich durch die Wahl
bzw. Lage der Verbindungspunkte zwischen Stützkonstruktion 7 und
Stabilisierungseinheit unterscheiden. Während die aus den Zugbändern und
den Zusatzelementen 2, 2' gebildete Stabilisierungseinheit
entsprechend der 6 zwei Eckpunkte des Rahmens
einer Rahmenkonstruktion 10 verbindet, ist sie gemäß der 7 an
den Längsseiten
zweier aneinander angrenzender und miteinander verbundener Stützelemente 8, 9 der
Stützkonstruktion 7 angebunden.
Die 8 zeigt das Beispiel einer horizontalen Verbindung
der Stützkonstruktionen 7, 7' zweier verschiedener
technischer Objekte mittels der aus Spannelementen 1, 1' und einem Zusatzelement 2 gebildeten
Stabilisierungseinheit, beispielsweise die Verbindung zweier Türme oder
Masten oder eines Turms mit einem Mast.
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Neben
dem einfachen Aufbau und den daraus für die Verwendung resultierenden
geringen Kosten zeichnet sich die erfindungsgemäße Anordnung durch folgende
Vorteile aus:
- – Dadurch, dass durch die Anordnung
Wechselbeanspruchungen (Wechsel zwischen Zug und Druck) aufgenommen
werden können,
kann gegebenenfalls bereits die Ausrüstung eines Aussteifungsfeldes
bzw. eines Rahmens einer aus einer Mehrzahl rasterförmig miteinander
verbundener Rahmen bestehenden Rahmenkonstruktion für den Erdbebenschutz
eines Systems bzw. technischen Objekts, wie eines Gebäudes, ausreichen.
- – Die
aus der Kombination von Spannelementen und viskoelastischem (viskoelastischen)
Zusatzelementen) gebildete Stabilisierungseinheit kann in unmittelbarer
Nähe der
Rahmenknoten angreifen und es bedarf in der Regel keiner weiteren
besonderen Aussteifung, wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten
Lösungen.
- – Die
Erdbebensicherheit der Struktur wird bei richtiger Auslegung wesentlich
verbessert.
- – Die
Anordnung ist bei Neubauten oder zur Erdbebenertüchtigung bestehender Bauten
einsetzbar.
- – Die
räumliche
Orientierung spielt bei Verwendung von einaxial wirkenden Dämpfern keine
Rolle. Somit kann eine horizontale oder vertikale Aussteifung von
Stützkonstruktionen
erreicht werden.
- – Die
Anordnung bzw. das Gesamtsystem ist dynamisch leicht zu modellieren.
Beim realen Einsatz treten statische Zusatzlasten auf, die sich häufig im
Gleichgewicht befinden.
- – Die
Anordnung ist leicht zu montieren – es sind in der Regel keine
umfangreichen Zusatzmaßnahmen
erforderlich. Das bestehende Tragsystem bzw. die Stützkonstruktion
wird in der Regel nicht verändert,
sondern nur durch zusätzliche Steifigkeit
und Dämpfung
ergänzt.
- – Die
Anordnung arbeitet rein passiv – es
ist keine besondere Energiezufuhr und kein Steuermechanismus notwendig.
- – Die
Anordnung ist nahezu wartungs- und verschleißfrei.
- – Eine
Standardisierung, zum Beispiel für
verschiedene Vorspannkräfte,
ist denkbar.
- – Aufgrund
der vorgenannten Vorteile ist die Anordnung sehr vielseitig einsetzbar.
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- 1,
1', 1''
- Spannelement
(Spannseil, Spannstange o. Spann- bzw. Zugband)
- 2,
2'
- Zusatzelement
- 3
- Zugfeder
- 3'
- (Schrauben-)Druckfeder
- 4
- viskoser
oder viskoelastischer Dämpfer
- 5,
6
- Koppelelement
- 5', 6''
- Koppelelement
- 7,
7'
- Stützkonstruktion
- 8
- Träger
- 9,
9'
- Stütze
- 10,
10'
- Rahmenkonstruktion
- 11
- Aussteifungselement
- 12
- Dämpfer