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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der dynamischen Eigenschaften an in einem Baugrund mit Porenraum angeordneten, schwingenden Strukturen. Ferner betrifft die Erfindung ein System aus einer schwingenden Struktur und einem die schwingende Struktur umgebenden, einen Porenraum aufweisenden Baugrund.
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Gründungen schwingender Strukturen werden auf der Basis einer dynamischen Ermittlung von Systemeigenfrequenzen dimensioniert und entworfen. Dabei bezieht sich der Begriff „schwingende Struktur“ auf das mit dem Baugrund interagierendes Gründungsbauteil eines Bauwerks, das Schwingungen ausgesetzt ist bzw. diese weiterleitet, wie insbesondere Fundamente. Schwingende Strukturen sind somit beispielsweise Maschinenfundamente sowie Fundamente von Masten, Türmen, Windkraftanlagen und Brücken oder dergleichen.
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Bei der Dimensionierung und Entwurf von solchen schwingenden Strukturen kommt es gelegentlich vor, dass die Systemeigenfrequenzen unzutreffend ermittelt wurden und das System stärker schwingt als zulässig. Manchmal wird auch ein vorhandenes System nachträglich baulich verändert, wodurch die Systemeigenfrequenzen beeinflusst werden, wie dies beispielsweise beim sog. „Repowering“ bei Windkraftanlagen oder veränderten Maschinen auf vorhandenen Maschinenfundamenten oder anderen Betriebsfrequenzen passieren kann.
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Um Resonanzen zu vermeiden, wurde daher bisher eine Veränderung der Fundamentmasse, eine Entkopplung der Schwingungseinbringung in das Fundament, insbesondere bei Maschinen, oder Einschränkungen der Betriebsfrequenzen vorgeschlagen. In einigen Fällen war es auch nötig, nachträgliche Pfahlgründungen für bereits erstellte schwingende Strukturen, wie Fundamente, anzubringen und diese mit den Fundamenten zu koppeln, um eine Verschiebung (ein Verstimmen) an dem Bauwerk zu erreichen.
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Eine Veränderung bei Betriebsfrequenzen, wie sie beispielsweise an Maschinen zwar theoretisch möglich sind, jedoch zur möglichst effektiven Nutzung der Maschine meist wirtschaftlich nicht sinnvoll sind, führt somit häufig nicht zur erhofften gesamtwirtschaftlichen Lösung. Ebenso dürfte der Aufwand für nachträgliche Pfahlgründungen an falsch dimensionierten Fundamenten ebenfalls wirtschaftlich kaum darstellbar sein. Ebenso ist eine Fundamentmassenveränderung, insbesondere Erhöhung der Masse meist nicht ohne erhebliche bauliche Veränderungen und damit Kosten möglich. Der Einbau von Schwingungsisolatoren ist für großtechnische Anlagen meist nicht möglich und somit auf wenige Anwendungsfälle begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Resonanzen am System aus schwingender Struktur und Baugrund möglichst effektiv und kostengünstig zu reduzieren.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem System gemäß Anspruch 5.
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Dadurch, dass in den die schwingende Struktur umgebenden Baugrund ein Injektionsmittel in den Porenraum des Baugrundes eingebracht wird, wird der die schwingende Struktur umgebende Baugrund gezielt „verstimmt“, womit bisher auftretende Resonanzen verschwinden. Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der die schwingende Struktur umgebende Baugrund ein abgebundenes Injektionsmittel im Porenraum des Baugrundes aufweist. Das im Porenraum des Baugrundes abgebundene Injektionsmittel verändert den Elastizitätsmodul des Baugrundes, womit sich die Eigenfrequenz des Baugrundes sowie die Dämpfungseigenschaften deutlich verändern. Aufgrund dieser veränderten dynamischen Baugrundeigenschaften reduzieren sich auch die an der schwingenden Struktur, beispielsweise einem Maschinenfundament, auftretenden Schwingungen.
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Wenn bei einem Fundament als schwingende Struktur das Injektionsmittel unterhalb des Fundamentes in den Baugrund eingebracht wird, verändert sich die Eigenfrequenz des Bauwerk-Baugrund-Systems besonders effektiv.
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Dadurch, dass mit der Injektion der Porenraum mit dem Injektionsmittel ohne Volumenveränderung aufgefüllt wird, wird eine Erhöhung der Verspannung der schwingenden Struktur im Baugrund vermieden, die zu einer unerwünschten, deutlichen Verstärkung der Schwingungsübertragung auf andere angrenzende Bauwerke führen würde. Grund der Injektion ist nämlich nur die Veränderung der dynamischen Steifigkeit des Bodens, um das System Bauwerk-Baugrund zu verstimmen und somit unerwünschte Resonanzen beim bestimmungsgemäßen Betrieb der schwingenden Struktur zu vermeiden.
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Wenn als Injektionsmittel ein zunächst niedrig viskoser, abbindender Kunststoff verwendet wird, wird eine schnelle und weitgehend vollständige Penetration des flüssigen Kunststoffs im zur Struktur angrenzenden Porenraum des Baugrundes erreicht. Durch Einstellung der Abbindezeit wird die Eindringtiefe des Injektionsmittels im Baugrund vorbestimmt.
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Wenn das Injektionsmittel ein mehr komponentiges Acrylatgel ist, wird ein sehr niedrig viskoser Flüssigkunststoff bereit gestellt, der bei Ausbildung als 3-Komponentengel eine genau definierte Abbindezeit zeigt, die wenig von weiteren Umwelteinflüssen abhängig ist, womit die Alltagstauglichkeit des Injektionsmittels gegeben ist.
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Um eine ausreichende Veränderung in den dynamischen Eigenschaften des Baugrundes zu erzielen, ist der Baugrund unterhalb der schwingenden Struktur, die eine horizontale Dimension von D hat, bis zu einer Tiefe von 1/10 D bis 1/1 D, insbesondere ¼ D bis ½ D mit dem Injektionsmittel versehen.
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In weiterer Ausbildung ist auch die seitliche Ausdehnung des durch Injektionsmittel modifizierten Baugrundes dadurch definiert, dass der Baugrund neben der schwingenden Struktur, die eine vertikale Dimension von T hat, bis zu einer Breite von 1/10 T bis 1/1 T, insbesondere ¼ T bis ½ T mit dem Injektionsmittel versehen ist. Die hiermit gegebene Ausbildung des modifizierten Baugrundes lateral neben der schwingenden Struktur ist insbesondere für pfahlartige Strukturen, die veränderlichen Querkräften ausgesetzt sind, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, von besonderer Bedeutung.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Darin zeigt:
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1 eine schwingende Struktur in Form eines Maschinenfundamentes auf einem Baugrund und
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2 eine pfahlartige schwingende Struktur in einem Baugrund.
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Die 1 und 2 zeigen in einem Vertikalquerschnitt zwei unterschiedliche schwingende Strukturen 1, schematisch vereinfacht.
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In 1 ist auf einem Baugrund 2 eine schwingende Struktur 1 in Form eines Maschinenfundaments 11 angeordnet. Auf dem Maschinenfundament 11 ist eine hier nicht näher dargestellte Maschine befestigt, die in einem bestimmten Drehzahlbereich und damit einhergehenden dynamischen Krafteinflüssen, die abhängig von der Maschinendrehzahl sind, ausgesetzt ist. Die dynamischen Kräfte wirken insbesondere in vertikaler Richtung, wie der Pfeil Fdyn darstellt.
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Das Maschinenfundament 11 war auf Grundlage einer dynamischen Ermittlung von Systemeigenfrequenzen dimensioniert und entworfen, wobei sich später im Betrieb herausstellte, dass die Ermittlungen unzutreffend waren und nicht tolerierbare Resonanzen auftreten. Auf Dauer würden diese Resonanzen die Maschine schädigen und das Fundament sowie umliegende bauliche Anlagen beeinträchtigen und/oder beschädigen.
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Erfindungsgemäß wird nun eine Injektion von 3-komponentigem Acrylatgel 3, beispielsweise das Produkt mit dem Markennamen „Ecocryl“ oder „Rubbertite“ des Herstellers TPH Bausysteme GmbH, 22848 Norderstedt, das über Bohrungen entweder durch das Maschinenfundament 11 oder durch entsprechende umgelenkte Bohrungen um das Maschinenfundament 11 unterhalb des Maschinenfundamentes 11 in den Baugrund 2 eingebracht. Dabei kann die niedrig viskose Flüssigkeit einfach schwerkraftbedingt in den Porenraum im Baugrund 2 unterhalb des Maschinenfundamentes 11 laufen und dort penetrieren oder unter Druck injiziert werden.
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Nach dem Abbinden des Injektionsmittels 3 hat sich durch Ausfüllen des Porenraums mit dem eingebrachten Injektionsmittel das Schwingungsverhalten des Baugrundes 2 deutlich geändert. Der Baugrund 2 ist quasi durch die Injektion verstimmt worden, womit die ursprünglich festgestellten Resonanzen nicht mehr autreten.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist eine schwingende Struktur 1 in Form eines Pfahls 12 dargestellt. Der Pfahl 12 kann beispielsweise die Gründung für einen Windenergieturm sein. Da bei einer Windkraftanlage insbesondere windinduzierte dynamische Kräfte an der Pfahlstruktur wirken, wie mit Doppelpfeil F(t) dargestellt ist, ist hier insbesondere der Baugrund 2, der den Pfahl 12 umgibt, für die Frage der Resonanzvermeidung entscheidend.
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Im dargestellten Beispiel handelt es sich um eine Windkraftanlage, die durch sog. „Repowering“ mit einer erheblich größeren und leistungsfähigeren Windkraftanlage ausgestattet wird. Dabei besteht die Gefahr, dass durch die Bestandsänderung der schwingenden Struktur andere dynamische Eigenschaften, also ein geändertes F(t) zu Resonanzen im System Pfahl-Baugrund führen könnten. Treten solche Resonanzschwingungen auf, könnte nun mit einer entsprechenden Injektion im Umgebungsbereich 22 um den Pfahl 12 im Baugrund 2 eine Veränderung der dynamischen Eigenschaften des Baugrundes 2 und damit eine Vermeidung von Resonanzen erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- schwingende Struktur
- 11
- Maschinenfundament
- 12
- Pfahl, Windkraftanlagenfundament
- 2
- Baugrund
- 21
- erster injizierter Bereich
- 22
- zweiter injizierter Bereich
- 3
- Injektionsmittel
- Fdyn
- dynamische Kräfte
- F(t)
- zeitlich veränderliche Kräfte
