DE102020107196A1

DE102020107196A1 - Anordnung und Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks

Info

Publication number: DE102020107196A1
Application number: DE102020107196.5A
Authority: DE
Inventors: Achim Bleicher; Thomas Schauer; Yangwen Zhang; Wulf Wulff; Laurenz Wernicke
Original assignee: Technische Universitaet Berlin; Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Technische Universitaet Berlin De; Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2021-09-16
Also published as: WO2021185414A1; EP4121667A1; US20230109693A1

Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks (1), mit einem aufrecht zu montierenden Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d); einem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) und einer Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d), die sowohl mit dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) als auch mit dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) verbunden ist, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) auf die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragen wird. Die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) ist eingerichtet, eine Schwingungsbewegung des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) entlang einer Dämpfungsrichtung zu dämpfen, und derart angeordnet, dass die Dämpfungsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) ausgerichtet ist. Ferner ist ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks.
Hintergrund
Aufgrund der innerstädtischen Konzentration werden Hochhäuser, insbesondere sogenannte Wolkenkratzer, immer höher und schlanker, womit sie aber auch anfälliger für Schwingungen werden, welche beispielsweise durch Wind oder Erbeben induziert sein können. Üblicherweise werden Systeme installiert, die auf dominante Eigenfrequenzen des Hochhauses abgestimmt sind und den Eigenschwingungen entgegenwirken. Platziert werden derartige Systeme primär in der Spitze des Hochhauses, wo die Amplitude der ersten Eigenfrequenz effizient reduziert werden kann. Wenn nötig, können derartige Systeme auch in tieferen Etagen installiert werden.
Zur Dämpfung können Tilger zum Einsatz kommen, welche auch als Schwingungstilger bezeichnet werden können. Derartige Tilger bestehen aus einer Feder-Masse-Anordnung. Ein Tilger wirkt der Systemschwingung entgegen und beruhigt das System durch eine stetige Gegenschwingung mit minimaler Eigendämpfung. Alternativ können Schwingungsdämpfer zum Einsatz kommen, welche aus einer Feder-Masse-Dämpfer-Anordnung bestehen. Ein Schwingungsdämpfer verhält sich selbst schwingend, sodass er der Schwingung des Systems entgegenwirkt und die zugeführte Schwingungsenergie aufnimmt. Hierzu ist der Schwingungsdämpfer auf das Schwingungsverhalten des zu dämpfenden Systems abgestimmt.
Zur Dämpfung einer Gebäudeschwingung können Pendelmassen, rollengelagerte Massen oder eine hydrodynamische Dämpfung über kommunizierende Röhren vorgesehen sein. Hierbei ist es üblich, für die Schwingungsdämpfung eine zusätzliche Masse zu installieren, die mehrere Hundert Tonnen betragen kann und über die Tragstruktur abgetragen werden muss. Damit verbunden ist ein großer Bauraum, der sich oft über mehrere Stockwerke erstreckt. Bekannt sind beispielsweise an einer Gebäudespitze aufgehängte Kugelpendel im Inneren des Gebäudes oder flächig und parallel zu Boden beziehungsweise Decke zwischen den Geschossen angeordnete Massen, welche parallel zum Boden und senkrecht zu den Wänden schwingen.
Um schon vorhandene Masse und deren Bauraum zu nutzen, kann eine beweglichen Doppelfassade eingesetzt werden, bei der Gebäudeschwingungen dadurch gedämpft werden, dass sich die Fassade von der Gebäudekonstruktion weg- und auf diese zubewegt. Somit ergibt sich ein variabler Flächen-Abstand von Gebäudestruktur zu schwingungsdämpfendem Bewegungselement. Im Falle einer Anregung durch Wind werden die anregenden Kräfte von der orthogonal zum Gebäude beweglichen Außenhaut der Doppelfassade absorbiert und ihre Übertragung auf das Gebäude somit reduziert.
Für solche Systeme ist eine aufwändige lastabtragende Lösung notwendig. Die Kinematik muss hohe statische Vertikallasten aufnehmen und gleichzeitig horizontal sehr dynamisch beweglich sein, um das Ziel einer Schwingungsdämpfung zu erreichen. Damit ist auch die dynamisch wirksame Masse der beweglichen Elemente, die das Massenverhältnis von beweglichen Elementen und Masse der Gebäudestruktur vorgibt mit einer unvorteilhaft hohen Vertikallast verbunden und deshalb konstruktiv limitiert. Durch die hohe statische Belastung der dynamisch wirksamen Element-Anordnung ergeben sich hohe Kosten für die technische Realisierung, beispielsweise durch eine Mehrpunktlagerung einer abstandsveränderlichen Führung unter hoher Vertikallast. Hierdurch ist auch die Massensteigerung der Schwingungsdämpfungs-Elemente begrenzt, welche für ein günstiges dynamisches Verhalten wünschenswert ist. Für den Fall einer wind induzierten Schwingung liegen zudem die beweglichen Elemente, die zur Schwingungsdämpfung erforderlich sind, mit ihrer großen Fläche genau in Richtung der Windanregung, sodass eine Schwingungsdämpfung nur unter Berücksichtigung dieser direkten Anregung möglich ist. So ist die Schwingungsdämpferwirkung für passive Dämpfung reduziert und zusätzlich semiaktive oder aktive Schwingungsdämpfer und eine besondere Regelung der aktiven Elemente sind nötig.
Zusammenfassung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Anordnung sowie ein Verfahren zum Dämpfen einer Schwingung eines Bauwerks bereitzustellen, bei der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden und insbesondere eine effiziente Dämpfung von Schwingungen des Bauwerks unter Nutzung vorhandener Massen und mit einer verbesserten Tragkonstruktion und Lasteinleitung realisiert ist.
Zur Lösung der Aufgabe sind eine Anordnung zum Dämpfen einer Schwingung eines Bauwerks nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Dämpfen einer Schwingung eines Bauwerks nach den Anspruch 15 geschaffen.
Nach einem Aspekt ist eine Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks, mit einem aufrecht zu montierenden Wandelement, einem Verkleidungselement und einer Dämpfungseinrichtung bereitgestellt. Die Dämpfungseinrichtung ist sowohl mit dem Verkleidungselement als auch mit dem Wandelement verbunden, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement auf die Dämpfungseinrichtung übertragen wird. Die Dämpfungseinrichtung ist eingerichtet, eine Schwingungsbewegung des Wandelements zu dämpfen, und derart angeordnet, dass die Dämpfungsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Wandelements ausgerichtet ist.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks geschaffen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Bauwerks, das Anordnen eines Wandelements aufrecht an oder in dem Bauwerk, das Anordnen eines Verkleidungselements an dem Wandelement, das Anordnen einer Dämpfungseinrichtung an dem Wandelement und dem Verkleidungselement derart, dass eine Dämpfungsrichtung der Dämpfungseinrichtung parallel zu einer Oberfläche des Wandelements ausgerichtet ist, das Verbinden der Dämpfungseinrichtung mit dem Verkleidungselement und mit dem Wandelement derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement auf die Dämpfungseinrichtung übertragen wird, und das Dämpfen einer auf die Dämpfungseinrichtung übertragenen Schwingungsbewegung des Wandelements entlang der Dämpfungsrichtung.
Mit der Anordnung kann insbesondere eine durch Windanregung oder Erdbeben induzierte Schwingung eines Bauwerks, beispielsweise eines Gebäudes, insbesondere eines Hochhauses, gedämpft werden. Hierzu kann die Anordnung in, beziehungsweise an oberen Stockwerken eines Hochhauses zum Einsatz kommen. Insbesondere ist eine Relativ-Schwingungsbewegung des Verkleidungselements zu dem Wandelement entlang der Dämpfungsrichtung ermöglicht, wodurch eine Schwingung des Wandelements durch die Dämpfungseinrichtung gedämpft wird. Hierdurch kann eine Schwingung eines Bauwerks, insbesondere eines Gebäudes gedämpft werden, an oder in dem die Anordnung zum Einsatz kommt. Insbesondere kann hierzu das Wandelement ein Teil des Bauwerks oder fest mit diesem verbunden sein. Beispielsweise kann für die Relativbewegung zwischen dem Verkleidungselement und dem Wandelement entlang der Dämpfungsrichtung ein Maximalhub zwischen 0,1 m und 2 m, vorzugsweise zwischen 0,2 m und 1 m, weiter vorzugsweise zwischen 0,3 m und 0,7 m, beispielsweise von 0,5 m vorgesehen sein.
Die Oberfläche des Wandelements ist die Oberfläche, welche sich über die Hauptausdehnung des Wandelements erstreckt. Somit wird bei der Betrachtung des Wandelements die Oberfläche des Wandelements als Wand wahrgenommen. Hierbei ist das Wandelement aufrecht zu montieren, so dass die Oberfläche des Wandelements nicht horizontal verläuft. Die Oberfläche des Wandelements kann im Wesentlichen orthogonal zu einer Grundfläche eines Bauwerks, insbesondere eines Gebäudes verlaufen, an oder in dem das Wandelement angeordnet ist oder angeordnet wird. Alternativ kann das Wandelement in einer zumindest teilweise schrägen Ausrichtung montiert bleiben, wobei eine generelle aufrechte Ausrichtung des Wandelements erhalten bleibt. Insbesondere ist das aufrecht zu montierende Wandelement kein Bodenelement oder Deckenelement.
Das Wandelement kann eine Wand eines Bauwerks, beispielsweise eines Gebäudes sein. Hierbei kann ein Montieren des Wandelements beim Bau des Bauwerks erfolgen, indem die Wand des Bauwerks errichtet wird. Hierbei kann die Wand durch eine Struktur gebildet sein, welche einen Freiraum umgibt, der durch das Wandelement begrenzt wird. Die Wand kann Elemente, beispielsweise Glasscheiben, umfassen, welche den Freiraum verschließen. Beispielsweise kann die Wand durch ein Tragwerk oder eine Tragstruktur, beispielsweise mit vertikal, horizontal und / oder diagonal verlaufenden Elementen, gebildet sein, zum Beispiel durch die Stirnseiten einer Boden- und einer Deckenstruktur eines Stockwerks eines Bauwerks und vertikal verlaufende Trägerelemente, welche einen durch eine Fassade zu schließenden Freiraum umschließen. In diesem Fall wird das Wandelement aufrecht montiert, indem die Wand aufrecht errichtet wird. Alternativ kann das Wandelement ein Element sein, welches auf einer Wand eines Bauwerks angeordnet, bzw. montiert, werden kann, um eine Schwingung des Bauwerks zu dämpfen. Beispielsweise kann das Wandelement eine innere Verkleidung einer Doppelverkleidung sein, während das Verkleidungselement eine äußere Verkleidung der Doppelverkleidung ist. Die Dämpfungseinrichtung kann direkt oder indirekt mit dem Wandelement verbunden sein, beispielsweise über eine Tragstruktur. Das Verkleidungselement kann gegenüber dem Wandelement federnd und / oder pendelnd gelagert sein.
Die Dämpfungseinrichtung kann derart angeordnet sein, dass die Dämpfungsrichtung weiterhin im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Die Dämpfungsrichtung ist in diesem Fall sowohl parallel zu der Oberfläche des Wandelements als auch horizontal ausgerichtet. Insbesondere kann eine horizontal Ausrichtung der Dämpfungsrichtung eine Ausrichtung parallel zu einer Grundfläche eines Bauwerks bedeuten, an oder in dem das Wandelement angeordnet ist oder angeordnet wird, sodass die Dämpfungsrichtung eine seitliche Bewegungsrichtung der Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement angibt. Gegebenenfalls kann die Grundfläche des Bauwerks hierbei gegenüber einer Umgebung des Bauwerks eingeebnet sein.
Eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement kann entlang einer senkrecht auf die Oberfläche des Wandelements stehenden Richtung unterbunden sein. Hierbei kann ein Unterbinden einer Relativbewegung ein Verhindern einer solchen Bewegung bedeuten, welche über ein für eine entsprechende Konstruktion notwendiges Spiel zwischen Komponenten hinausgeht. Beispielsweise kann das Verkleidungselement an dem Wandelement oder an einem Bauwerk geführt sein, etwa mittels eines Schienensystems, welches eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement entlang einer senkrecht auf die Oberfläche des Wandelements stehenden Richtung bis auf ein notwendiges Spiel nicht zulässt. Alternativ kann die Dämpfungseinrichtung an dem Wandelement oder an dem Bauwerk geführt sein, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement entlang einer senkrecht auf die Oberfläche des Wandelements stehenden Richtung bis auf ein notwendiges Spiel nicht ermöglicht ist.
Die Dämpfungseinrichtung kann mit dem Verkleidungselement oder mit dem Wandelement fest verbunden sein. Hierbei ist unter einer festen Verbindung eine Verbindung zu verstehen, welche eine Relativbewegung zwischen den fest verbundenen Elementen nicht zulässt. Die feste Verbindung kann lösbar, beispielsweise durch Schrauben, Einhaken, oder Einhängen, oder nicht (ohne Weiteres) lösbar, beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben, bereitgestellt sein. Die feste Verbindung kann unmittelbar zwischen den Elementen oder mittelbar über Verbindungselemente bereitgestellt sein.
Die Dämpfungseinrichtung kann (gleichzeitig) sowohl mit dem Verkleidungselement als auch mit dem Wandelement fest verbunden sein. Hierbei können die beiden festen Verbindungen jeweils lösbar oder nicht (ohne Weiteres) lösbar bereitgestellt sein, oder eine der Verbindungen kann lösbar und die andere der Verbindungen nicht (ohne Weiteres) lösbar bereitgestellt sein. In diesem Fall kann das Verkleidungselement über die Dämpfungseinrichtung an dem Wandelement oder an einem Bauwerk geführt sein, derart, dass das Verkleidungselement ausschließlich über die Dämpfungseinrichtung mit dem Wandelement oder dem Bauwerk verbunden ist. Beispielsweise kann die Dämpfungseinrichtung mittels eines Schienensystems mit dem Wandelement oder dem Bauwerk verbunden sein.
Alternativ zu einer festen Verbindung kann eine nicht-feste Verbindung vorgesehen sein, bei welcher eine Relativbewegung zwischen den verbundenen Elementen nicht (vollständig) unterbunden ist, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement auf die Dämpfungseinrichtung übertragen wird. Die Dämpfungseinrichtung kann mit dem Verkleidungselement und/oder mit dem Wandelement derart verbunden sein, dass eine Relativbewegung zwischen den verbundenen Elementen in wenigstens einer Richtung unterbunden ist und in wenigstens einer weiteren Richtung ermöglicht ist. Beispielsweise kann eine Verbindung durch Einführen eines Stifts in eine Öffnung hergestellt sein, derart, dass eine Relativbewegung in einer axialen Richtung des Stifts ermöglicht ist und in hierzu senkrechten Richtungen nicht ermöglicht ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Verbindung durch Aufliegen hergestellt ist, sodass eine Bewegung entlang der Dämpfungsrichtung im positiven Bewegungssinn durch Druck übertragen wird und im dem positiven Bewegungssinn entgegengesetzten negativen Bewegungssinn nicht übertragen wird, da sich die verbundenen Elemente voneinander entfernen.
Die Dämpfungseinrichtung kann einen Dämpfer umfassen. Insbesondere kann in der Anordnung mittels der Dämpfungseinrichtung ein Feder-Masse-Dämpfer-System gebildet sein. Hierzu kann die Dämpfungseinrichtung ein Federelement umfassen. Die Anordnung kann somit einen Schwingungsdämpfer umfassen. Dämpfer sind als solche bekannt. Beispielsweise kann der Dämpfer ein viskoser Dämpfer oder ein magnetorheologischer Dämpfer sein.
In alternativen Ausgestaltungen kann die Dämpfungseinrichtung ein Federelement umfassen und frei von einem Dämpfer ausgebildet sein. Insbesondere kann somit in der Anordnung mittels der Dämpfungseinrichtung ein Feder-Masse-System gebildet sein. Die Anordnung kann somit einen Tilger umfassen.
Die Masse des Feder-Masse-Dämpfer-Systems beziehungsweise des Feder-Masse-Systems kann als separate Masse in der Anordnung ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Masse eine Masse des Verkleidungselements und/oder der Dämpfungseinrichtung sein. Insbesondere kann die Masse des Feder-Masse-Systems durch die Gesamtmasse der Massen des Verkleidungselements und einer separaten Masse sowie gegebenenfalls weiterer Elemente sein. Hierbei ist die Dämpfungseinrichtung durch Ihre Wirkung in dem Feder-Masse-System oder in dem Feder-Masse-Dämpfer-System eingerichtet, die Schwingungsbewegung des Wandelements zu dämpfen. Insbesondere kann das Wandelement fest mit einem Bauwerk verbunden sein und die Dämpfungseinrichtung kann zusammen mit dem Verkleidungselement einen Tilger oder Schwingungsdämpfer bilden, welcher eine auf das Wandelement übertragene Schwingungsbewegung des Bauwerks dämpft.
Die Dämpfungseinrichtung kann eine Antriebseinrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, eine Kraft zu erzeugen, welche für eine Dämpfung einer Schwingungsbewegung des Wandelements einer auf die Dämpfungseinrichtung übertragenen Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement entgegenwirkt oder eine auf die Dämpfungseinrichtung übertragene Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement verstärkt. Insbesondere kann eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement gedämpft (also dieser entgegengewirkt) oder verstärkt werden, um die Relativbewegung so zu beeinflussen, dass ein durch die Relativbewegung verursachter Energieaustausch zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement zu einer Dämpfung der Schwingung des Wandelements führt. Hierdurch kann eine aktive Dämpfung bereitgestellt sein. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, beispielsweise einen Schrittmotor oder einen Gleichstrommotor, oder einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb umfassen.
Die Dämpfungseinrichtung kann eine Generatoreinrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, eine Bewegungsenergie einer auf die Dämpfungseinrichtung übertragenen Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement in eine andere Energieform zu wandeln. Die Generatoreinrichtung kann hierbei als Dämpfer der Dämpfungseinrichtung wirken. Insbesondere kann die Generatoreinrichtung eine kinetische Energie der Relativbewegung in eine leicht nutzbare Energieform, beispielsweise elektrische Energie oder chemische Energie zur Speicherung in einem Akkumulator, umwandeln, anstatt diese in Wärme umzusetzen. Die Generatoreinrichtung kann einen elektrischen Generator umfassen, welcher beispielsweise als rotierende elektrische Maschine ausgeführt sein kann. Hierbei kann die Dämpfungseinrichtung einen Bewegungswandler umfassen, welche die lineare Bewegung entlang der Dämpfungsrichtung in eine für die Generatoreinrichtung geeignete Bewegung wandelt, beispielsweise in eine Rotation oder in eine Linearbewegung entlang einer anderen Richtung.
Die Dämpfungseinrichtung kann sowohl eine Generatoreinrichtung als auch eine Antriebseinrichtung umfassen. Zum Beispiel kann die Dämpfungseinrichtung eine kombinierte Generator-Antriebs-Einrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand eine Bewegungsenergie einer auf die Dämpfungseinrichtung übertragenen Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement in eine andere Energieform zu wandeln und in einem zweiten Betriebszustand eine Kraft zu erzeugen, welche für eine Dämpfung von Schwingungen des Wandelements einer auf die Dämpfungseinrichtung übertragenen Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement entgegenwirken oder diese verstärken kann. Beispielsweise kann die kombinierte Generator-Antriebs-Einrichtung eine elektrische Maschine umfassen, welche sowohl für den Motorbetrieb als auch für den Generatorbetrieb ausgelegt ist. Hierbei kann die Dämpfungseinrichtung einen Bewegungswandler umfassen, welcher für eine Wandlung zwischen der linearen Bewegung entlang der Dämpfungsrichtung und einer für die Generator-Antriebs-Einrichtung geeigneten Bewegung, insbesondere einer Rotation, eingerichtet ist.
Im Gegensatz zu einer kombinierten Generator-Antriebs-Einrichtung kann eine Generatoreinrichtung als elektrischer Generator ausgebildet sein, welcher nur für einen effizienten Generatorbetrieb ausgelegt ist, und eine Antriebseinrichtung kann einen Elektromotor umfassen, der nur für einen effizienten Motorbetrieb ausgelegt ist. Die Dämpfungseinrichtung kann eine Generatoreinrichtung und eine Antriebseinrichtung umfassen, welche getrennt voneinander ausgebildet sind.
Die Anordnung kann eingerichtet sein, eine von der Generatoreinrichtung bereitgestellte Energie für einen Betrieb der Anordnung zu nutzen. Eine mit dem Generator gewandelte Energie kann für einen autarken Betrieb der Anordnung genutzt werden. Beispielsweise kann die mit dem Generator gewandelte Energie genutzt werden, um eine Dämpfungswirkung der Dämpfungseinrichtung einzustellen. Hierbei kann ein Dämpfer der Dämpfungseinrichtung eingestellt werden, insbesondere ein Widerstand des Dämpfers, zum Beispiel in Abhängigkeit von einem Schwingungszustand von Wand- und Verkleidungselement. Hierdurch kann eine effiziente Schwingungsdämpfung des Wandelements bereitgestellt sein. In Ausführungen, in denen die Dämpfungseinrichtung sowohl eine Generatoreinrichtung als auch eine Antriebseinrichtung umfasst, kann eine mit dem Generator gewandelte Energie alternativ oder zusätzlich zum Antrieb der Motoreinrichtung genutzt werden. Hierbei kann die vom Generator gewandelte Energie zwischengespeichert und später für den Antrieb der Motoreinrichtung genutzt werden, insbesondere in Ausführungen mit einer kombinierten Generator-Antriebs-Einrichtung. Hierdurch kann ein autarker Betrieb der Anordnung ohne Zuführung zusätzlicher, über die Schwingungsenergie hinausgehender, Energie ermöglicht sein. Auf diese Weise kann eine effizientere Schwingungsdämpfung bereitgestellt sein.
Die Anordnung kann eine Sensoreinrichtung umfassen, welche eingerichtet ist, eine Bewegung des Wandelements, eine Bewegung des Verkleidungselements oder eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement zu erfassen. Die Sensoreinrichtung kann Sensordaten erzeugen, welche die Bewegung des Wandelements, die Bewegung des Verkleidungselements oder die Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement angeben. Die Sensoreinrichtung kann eingerichtet sein, eine Bewegung des Wandelements und eine Bewegung des Verkleidungselements zu erfassen und jeweilige Sensordaten zu erzeugen. Alternativ können mehrere Sensoreinrichtungen vorgesehen sein, wobei eine Sensoreinrichtung eine Bewegung des Wandelements erfasst und entsprechende Sensordaten erzeugt und eine weitere Sensoreinrichtung eine Bewegung des Verkleidungselements erfasst und entsprechende weitere Sensordaten erzeugt. Anhand der Sensordaten kann eine Anpassung einer Dämpfungswirkung der Anordnung erfolgen, beispielsweise mittels einer semi-aktiven Regelung. Alternativ oder zusätzlich kann eine aktive Regelung anhand der Sensordaten vorgesehen sein, beispielsweise durch eine entsprechende.Ansteuerung einer Generatoreinrichtung und / oder einer Antriebseinrichtung.
Das Wandelement kann eine Außenwand eines Gebäudes sein und das Verkleidungselement kann ein Fassadenelement sein. Hierbei kann die Außenwand des Gebäudes durch eine Innenfassade einer Doppelfassade gebildet sein und das Verkleidungselement kann durch eine Außenfassade der Doppelfassade gebildet sein. Alternativ kann die Außenwand eine integrale Wand des Gebäudes sein und das Fassadenelement kann ein Einzelelement einer mehrteiligen Fassade des Gebäudes sein.
In alternativen Ausgestaltungen kann das Wandelement eine Innenwand eines Gebäudes sein und das Verkleidungselement kann ein zur Verkleidung der Innenwand dienendes Element sein. Hierbei kann die Innenwand des Gebäudes durch eine Innenverkleidung einer Doppelverkleidung gebildet sein und das Verkleidungselement kann durch eine Außenverkleidung der Doppelverkleidung gebildet sein.
Das Verkleidungselement kann ein Fassadenelement, ein Hüllelement, ein Wandvorbau oder integraler Bestandteil einer Doppelfassade sein. Hierbei kann das Verkleidungselement ein in einem Bauwerk statisch und / oder dynamisch wirksames Element sein.
Die Anordnung kann ein weiteres Verkleidungselement und eine weitere Dämpfungseinrichtung umfassen.
Die weitere Dämpfungseinrichtung kann sowohl mit dem weiteren Verkleidungselement als auch mit dem Wandelement verbunden sein, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem weiteren Verkleidungselement entlang der Dämpfungsrichtung auf die weitere Dämpfungseinrichtung übertragen und die Schwingungsbewegung des Wandelements mittels der weiteren Dämpfungseinrichtung gedämpft wird. Es können zusätzliche Verkleidungselemente und jeweils zugeordnete Dämpfungseinrichtungen vorgesehen sein. Hierdurch kann eine Wand eines Bauwerks flächig mit mehreren Verkleidungselementen verkleidet werden, welche alle zur Dämpfung einer Schwingung des Bauwerks beitragen.
Das Verkleidungselement und das weitere Verkleidungselement können fest miteinander verbunden sein. Hierbei ist unter einer festen Verbindung eine Verbindung zu verstehen, welche eine Relativbewegung zwischen den fest verbundenen Elementen nicht zulässt. Die feste Verbindung kann lösbar, beispielsweise durch Schrauben, Einhaken, oder Einhängen, oder nicht (ohne Weiteres) lösbar, beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben, bereitgestellt sein. Die feste Verbindung kann unmittelbar zwischen den Elementen oder mittelbar über Verbindungselemente bereitgestellt sein. Entsprechend kann auch eine feste Verbindung mit zusätzlichen Verkleidungselementen vorgesehen sein. Hierdurch kann eine Dämpfung einer Schwingung des Bauwerks durch eine Verkleidung einer Wand des Bauwerks mit mehreren Verkleidungselementen bereitgestellt sein, welche als Gesamtverkleidung schwingen.
Die weitere Dämpfungseinrichtung kann sowohl mit dem weiteren Verkleidungselement als auch mit einem weiteren aufrecht zu montierenden Wandelement verbunden sein, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem weiteren Wandelement und dem weiteren Verkleidungselement entlang einer weiteren Dämpfungsrichtung auf die weitere Dämpfungseinrichtung übertragen und eine Schwingungsbewegung des weiteren Wandelements mittels der weiteren Dämpfungseinrichtung gedämpft wird, wobei die weitere Dämpfungseinrichtung derart angeordnet ist, dass die weitere Dämpfungsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des weiteren Wandelements ausgerichtet ist. Hierbei kann das weitere Wandelement in einem Winkel, beispielsweise einem rechten Winkel, zu dem Wandelement ausgerichtet sein. Hierdurch kann eine Dämpfung von Schwingungen in verschiedenen Richtungen ermöglicht sein. Insbesondere kann eine Dämpfung von Torsionsschwingungen eines Bauwerks bereitgestellt sein, in oder an welchem die Anordnung eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Wandelement eine Außenwand sein und das weitere Wandelement kann eine Innenwand sein.
Es kann vorgesehen sein, jeweils mehrere Verkleidungselemente und Dämpfungseinrichtungen zur Schwingungsdämpfung auf unterschiedlichen Wandelementen anzuordnen. Es kann vorgesehen sein, mehrere Wände eines Bauwerks jeweils flächig mit mehreren Verkleidungselementen zu verkleiden, welche alle zur Dämpfung von Schwingungen des Bauwerks in verschiedenen Richtungen beitragen. Hierbei können die in Zusammenhang mit mehreren auf einem Wandelement angeordneten Verkleidungselementen und Dämpfungseinrichtungen sowie die in Zusammenhang mit auf mehreren Wandelementen angeordneten Verkleidungselementen und Dämpfungseinrichtungen vorgesehenen Ausgestaltungen einzeln oder in Kombination vorgesehen sein. Insbesondere können die Außenwände in oberen Stockwerken eines Bauwerks jeweils vollflächig mit mehreren Fassadenelementen und Dämpfungseinrichtungen versehen sein, um Schwingungen des Bauwerks effektiv zu dämpfen.
Vorzugsweise ist eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement nur in der Dämpfungsrichtung ermöglicht. In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement und dem Verkleidungselement in einer oder mehreren weiteren Richtungen ermöglicht ist. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Dämpfungseinrichtung eingerichtet ist, eine Schwingungsbewegung des Wandelements in einer oder mehreren weiteren Dämpfungsrichtungen zu dämpfen. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere weitere dem Verkleidungselement zugeordnete Dämpfungseinrichtungen vorgesehen sein, welche jeweils eingerichtet sind, eine Schwingungsbewegung des Wandelements in einer oder mehreren weiteren Dämpfungsrichtungen zu dämpfen, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Wandelements ausgerichtet sein können.
Die Komponenten der Anordnung können für eine spezifische geplante Anwendung ausgelegt sein. Insbesondere können die Dämpfungseinrichtung und das Verkleidungselement, beispielsweise die Masse des Verkleidungselements, sowie gegebenenfalls weitere Komponenten auf ein bei einer geplanten Anwendung erwartetes Schwingungsverhalten ausgelegt sein. Hierbei kann das Wandelement fest mit einem Bauwerk verbunden oder Teil eines Bauwerks sein, dessen Schwingungen zu dämpfen sind. Beispielsweise können für die Auslegung einer oder mehrere der Faktoren Masse eines Bauwerks, dessen Schwingungen zu dämpfen sind, Steifigkeit des Bauwerks, Strukturdämpfung des Bauwerks, Eigenfrequenzen des Bauwerks, Schwingungsamplituden des Bauwerks, Höhe des Bauwerks, Querschnitt des Bauwerks, Quelle der zu erwartenden Schwingungsanregung, zu erwartende Intensität der Schwingungsanregung, Frequenz, insbesondere Frequenzspektrum, zu erwartender Schwingungen und Amplitude der zu erwartenden Schwingungen berücksichtigt sein. Bei den Faktoren, welche durch das Bauwerk bestimmt sind, können entsprechende Einflüsse der Anordnung oder von Teilen der Anordnung, insbesondere des Wandelements, Berücksichtigung finden.
Bei dem Verfahren zum Dämpfen einer Schwingung eines Bauwerks kann die Reihenfolge der Schritte in unterschiedlichen Ausführungen variieren. Beispielsweise kann das Wandelement eine Wand des Bauwerks sein und etwa beim Rohbau des Bauwerks an oder in diesem angeordnet werden. Als weitere Alternative kann das Anordnen des Wandelements an oder in dem Bauwerk erfolgen, nachdem das Verkleidungselement und/oder die Dämpfungseinrichtung an dem Wandelement angeordnet wurde, beispielweise können das Wandelement, das Verkleidungselement und die Dämpfungseinrichtung als montierte Doppelverkleidung mit dem Wandelement an einer Wand des Bauwerks angeordnet werden. In beiden Fällen kann die Dämpfungseinrichtung zuerst an dem Verkleidungselement angeordnet werden, um anschließend die Dämpfungseinrichtung und das Verkleidungselement an dem Wandelement anzuordnen. Alternativ kann die Dämpfungseinrichtung zuerst an dem Wandelement angeordnet werden, um anschließend das Verkleidungselement an dem Wandelement und der Dämpfungseinrichtung anzuordnen. Das jeweilige Verbinden der Dämpfungseinrichtung mit dem Wandelement und dem Verkleidungselement kann direkt nach dem entsprechenden Schritt des Anordnens oder später erfolgen, beispielsweise, nachdem das Verkleidungselement und die Dämpfungseinrichtung angeordnet wurden.
Im Zusammenhang mit dem Verfahren können die vorangehend in Verbindung mit der Anordnung zum Dämpfen einer Schwingung eines Bauwerks beschriebenen Ausgestaltungen entsprechend vorgesehen sein. Insbesondere kann das Verfahren das Anordnen und Verbinden von mehreren Wandelementen, mehreren Verkleidungselementen und / oder mehreren Dämpfungseinrichtungen umfassen.
Figurenliste
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Gebäudes mit einem bekannten System zur Schwingungsdämpfung;
2 eine schematische Darstellung eines weiteren bekannten Systems zur Schwingungsdämpfung;
3 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks;
4 eine schematische Darstellung der Dämpfung von windangeregten Schwingungen;
5 eine schematische Darstellung der Dämpfung von Torsionsschwingungen;
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks;
7 eine schematische Darstellung noch einer weiteren Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks;
8 eine schematische Darstellung einer Dämpfungseinrichtung; und
9 eine schematische Darstellung einer weiteren Dämpfungseinrichtung.

Die 1 zeigt ein Gebäude 1, nämlich ein schlankes Hochhaus, mit einem bekannten System zur Dämpfung von Schwingungen, welches eine beweglich federnd gelagerte Masse 2 in der Spitze des Gebäudes 1 umfasst. In dem in der 1 dargestellten Anwendungsfall wird das Gebäude 1 durch Wind zur Schwingung angeregt. Die Windrichtung 3 des anregenden Windes zeigt hierbei in die Zeichnungsebene hinein. Die Windanregung erfolgt dabei primär durch Wirbelablösung des an dem Gebäude 1 vorbeistreifenden Windes, welche orthogonal zur Windrichtung 3 wirkende Kräfte verursacht. Diese Kräfte führen zu Schwingungen des Gebäudes 1 quer zur Windrichtung 3, was in der 1 durch Pfeile angedeutet ist. Die Gebäudeschwingung führt zu einer Relativbewegung der Masse 2 zu dem Gebäude 1 entlang der Richtung 4. Diese Bewegung der Masse 2 wirkt den Schwingungen des Gebäudes 1 entgegen und dämpft diese, wobei mit der federnd aufgehängten Masse ein Tilger gebildet ist.
Die 2 zeigt ein anderes System zur Dämpfung von Schwingungen. An Außenwänden 5a, 5b, 5c, 5d des in Draufsicht dargestellten Gebäudes 1 sind Fassadenelemente 6a, 6b, 6c, 6d abstandsveränderlich zu einer jeweiligen Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d federnd gelagert. Hierbei bilden die Außenwände 5a, 5b, 5c, 5d Innenfassanden einer Doppelfassade, während die Fassadenelemente 6a, 6b, 6c, 6d zugeordnete Außenwände der Doppelfassade bilden. Bei Schwingungen führen die Fassadenelemente 6a, 6b, 6c, 6d Relativbewegungen zum Gebäude 1 senkrecht zur Oberfläche der jeweiligen Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d aus, sodass sich ein Abstand 7 zwischen den Fassadenelementen 6a, 6b, 6c, 6d und der jeweiligen Außenwand Fassadenelemente 6a, 6b, 6c, 6d verändert. Dies ist in der 2 durch Pfeile angedeutet. Im Falle einer Schwingungsanregung durch Wind werden die anregenden Kräfte von den orthogonal zum Gebäude beweglichen Fassadenelemente 6a, 6b, 6c, 6d der Doppelfassade absorbiert und ihre Übertragung auf das Gebäude 1 somit reduziert.
Das System gemäß der 2 benötigt eine aufwändige lastabtragende Lösung. Die Kinematik muss sowohl hohe statische Vertikallasten aufnehmen und gleichzeitig horizontal sehr dynamisch beweglich sein, um das Ziel einer Schwingungsdämpfung zu erreichen. Damit ist auch die dynamisch wirksame Masse der beweglichen Fassadenelemente 6a, 6b, 6c, 6d, die das Massenverhältnis von beweglichen Elementen und Masse der Gebäudestruktur vorgibt, mit einer unvorteilhaft hohen Vertikallast verbunden und deshalb konstruktiv limitiert. Gleichzeitig liegen im Falle einer Schwingungsanregung durch Wind die beweglichen Fassadenelemente 6a, 6b, 6c, 6d, die zur Schwingungsdämpfung erforderlich sind, mit ihrer großen Fläche genau in Richtung der Windanregung, sodass eine Schwingungsdämpfung nur unter Berücksichtigung dieser direkten Anregung möglich ist. Insbesondere erfordert eine solche Anregung im Falle einer geregelten Schwingungsdämpfung eine aufwändige aktive Regelung.
Die 3 zeigt eine offenbarungsgemäße Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks, nämlich eines Gebäudes 1 in einer Draufsicht des Gebäudes 1. An Wandelementen des Gebäudes 1 sind Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d angeordnet. In der Ausführung der 3 sind die Wandelemente Außenwände 5a, 5b, 5c, 5d des Gebäudes 1. Die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d können somit als Fassadenelemente verstanden werden. Die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d sind derart gelagert, dass eine Schwingungsbewegung gegenüber und parallel zu der jeweiligen Wand 5a, 5b, 5c, 5d ermöglicht ist, was in der 3 durch Pfeile angedeutet ist. In der Ausführung der 3 sind die Wandelemente senkrecht ausgerichtet. In alternativen Ausgestaltungen können die Wandelemente eine zumindest teilweise schräge Ausrichtung aufweisen, wobei eine generelle aufrechte Ausrichtung der Wandelemente an dem Gebäude 1 erhalten bleibt. Bei einer Schwingung des Gebäudes 1 bewegen sich die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d parallel zu der jeweiligen Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d, wobei der jeweilige Abstand 9 zwischen den Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d und der entsprechenden Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d konstant bleibt. In dem Beispiel der 2 ist die Relativbewegung jeweils eine horizontale Bewegung. In alternativen Ausgestaltungen kann eine Relativbewegung in einer anderen zu der entsprechenden Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d parallele Bewegungsrichtung vorgesehen sein, beispielsweise senkrecht oder schräg.
Durch die Relativbewegung zwischen Gebäude 1 und den Außenwänden 5a, 5b, 5c, 5d einerseits und den Verkleidungselementen 8a, 8b, 8c, 8d andererseits wird eine schwingungsdämpfende Wirkung auf das Gebäude erzielt. Hierzu können die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d federnd gelagert sein, um mit jedem der Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d einen Schwingungstilger zu bilden. Zusätzlich kann ein jeweiliger Dämpfer vorgesehen sein, um mit jedem der Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d einen Schwingungsdämpfer zu bilden.
Durch die zu der jeweiligen Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d parallele Bewegung der Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d kann ein gleichbleibender geringer Abstand der beweglichen Schwingungsdämpfungselemente zur Tragstruktur während der Bewegung ermöglicht sein, sodass während der Bewegung eine sicherere Abtragung von vertikalen Lasten möglich ist.
Hierdurch ist das Bereitstellen einer leichtgängigen dynamischen Verschiebungsbewegung parallel zur Gebäudestruktur durch eine Kinematik ermöglicht, wodurch eine konstruktive Erleichterung und Kostenersparnis erreicht sein kann. Zudem kann es ermöglicht sein, sowohl ein hohes Massenverhältnis von beweglichen Elementen zu der Masse der Gebäudestruktur als auch einen großen Bewegungsweg bereitzustellen, wodurch die Schwingungsdämpfung positiv beeinflusst sein kann. Im Falle einer Schwingungsanregung durch Wind liegen die beweglichen Elemente, die zur Schwingungsdämpfung erforderlich sind, mit ihrer großen Fläche nicht mehr in Richtung der Windanregung, wodurch eine Entlastung der beweglichen Strukturen erreicht sein kann.
Gemäß der Ausführung der 3 sind die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d jeweils in auf die Oberfläche der betreffenden Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d senkrechter Richtung arretiert. Beispielsweise können die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d auf einem jeweiligen Schienensystem an der betreffenden Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d geführt sein, welches eine Relativbewegung zu dem Gebäude 1 in der in der 3 durch Pfeile veranschaulichten jeweiligen Richtung zulässt und in anderen Richtungen unterbindet.
Die 4 zeigt die Anordnung gemäß der 3 im Falle einer Schwingungsanregung durch Wind. Der an dem Gebäude 1 vorbeistreichende Wind 3 führt durch Wirbelablösung zu einer Anregung quer zur Windrichtung 3, wobei auf den Verkleidungselementen 8b, 8d eine Lastverteilung 10 entsteht. Diese Last wird - durch die Fixierung der Verkleidungselemente 8b, 8d in auf die jeweilige Außenwand 5b, 5d senkrechter Richtung - auf das Gebäude 1 übertragen, welches zu Schwingungen angeregt wird, deren Richtung durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Schwingungen des Gebäudes 1 führen zu einer Relativbewegung zu den Verkleidungselementen 8a, 8c in Schwingungsrichtung, wie durch Pfeile angedeutet. Der durch diese Bewegung verursachte Energieaustausch zwischen dem Wandelement und somit dem Gebäude einerseits und dem Verkleidungselement sowie gegebenenfalls mit dem Verkleidungselement beweglichen Elementen andererseits führt zu einer Dämpfung der Gebäudeschwingung.
In der 5 ist eine Dämpfung von Torsionsschwingungen mit der Anordnung gemäß 3 gezeigt. Durch die Anordnung der Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d führt eine gegenläufige Bewegung der gegenüberliegenden Elemente zu einem Torsionsmoment auf die Gebäudestruktur, welches als Gegenmaßnahme eingekoppelt werden kann, beispielsweise selbstständig schwingungserregt und / oder durch eine aktive Bewegung der entsprechenden Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d. Gemäß der 5 wird eine Dämpfung von Lateralschwingungen des Gebäudes 1 durch eine gleichläufige Relativbewegung der Verkleidungselemente 8a und 8c erreicht. Gleichzeitig bewegen sich die Verkleidungselemente 8b und 8d gegenläufig, so dass eine in der 5 durch einen runden Pfeil angedeutete Torsionsschwingung des Gebäudes 1 gedämpft wird.
6 zeigt schematisch eine weitere Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks, nämlich eines Gebäudes 1. Hierbei bildet das Verkleidungselement 8a eine abgeschlossene Funktionseinheit, deren Außenseite 11 als Fassadenaußenseite des Gebäudes 1 wahrgenommen wird. Zur Montage des Verkleidungselements 8a an dem Gebäude 1 dient ein Führungssystem 12, welches an der Element-Unterseite und an der Element-Oberseite des Verkleidungselements 8a eingehängt wird. An dem Verkleidungselement 8a ist in einem Hohlraum des Verkleidungselements 8a eine Dämpfungseinrichtung angeordnet und mit dem Verkleidungselement 8a fest verbunden. Die Dämpfungseinrichtung ist mittels eines Bewegungsübertragers 13 in Form eines am Gebäude 1 zu befestigenden Zapfens mit der Außenwand 5a verbunden. Der Zapfen überträgt eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement 5a des Gebäudes 1 und dem Verkleidungselement 8a auf die Dämpfungseinrichtung. In Ausgestaltungen der Anordnung kann eine Verbindung der Dämpfungseinrichtung mit dem Wandelement und / oder mit dem Verkleidungselement 8a über das Einhängen eines Hakens der Dämpfungseinrichtung an einem entsprechenden Element, beispielsweise einem weiteren Haken, des Wandelements beziehungsweise des Verkleidungselements 8a erfolgen.
Über den Bewegungsübertrager 13 wird die Relativbewegung an ein innenliegendes Federelement 14 der Dämpfungseinrichtung gekoppelt, wodurch ein Feder-Energiefluss für das somit schwingungsfähige System von Federelement 14 und Masse des Verkleidungselements 8a erreicht ist. Weiterhin erfolgt über den Bewegungsübertrager 13 eine Weiterleitung eines Dämpfungs-Energieflusses zu einem Bewegungswandler 15 der Dämpfungseinrichtung. Beispielsweise kann der Bewegungswandler 15 ein Linear-Rotations-Wandler-Getriebe sein. Mit dem Bewegungswandler 15 wird die Linearbewegung so gewandelt, dass eine Bewegung entsteht, welche optimal zu einer elektrischen Maschine 16 passt. Beispielsweise wird durch den Bewegungswandler 15 eine Rotationsbewegung bereitgestellt, deren Drehzahl an die elektrische Maschine 16 angepasst ist, welche als rotierende elektrische Maschine ausgeführt ist. Die elektrische Maschine 16 kann als Motor oder Generator betrieben werden. Hierbei wirkt die elektrische Maschine 16 als Dämpfer. Im Generatorbetrieb wandelt die elektrische Maschine 16 die kinetische Energie der Relativbewegung in eine elektrische Energie. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine durch Wandlung bereitgestellter elektrischer Energie eine Kraft oder ein Moment, welches zur Dämpfung der Schwingungen des Wandelements und somit des Gebäudes der Relativbewegung entgegenwirkt oder diese verstärkt. Eine Leistungselektronik 17 liefert die notwendige Energie für den Motorbetrieb oder verändert die elektrische Last im Generatorbetrieb, welche das Dämpfungsverhalten maßgeblich bestimmt. Die dafür erforderlichen Steuersignale werden zu diesem Zweck in einer Steuerungseinheit 18 in Echtzeit, beispielsweise mittels Schätz- und Regelalgorithmen berechnet und an die Leistungselektronik 17 übertragen. Eine durch die elektrische Maschine 16 erzeugte elektrische Energie wird geregelt in einen elektrischen Energiespeicher 19 geleitet und steht beispielsweise anschließend für den autarken Betrieb der Steuereinheit 18 und der Leistungselektronik 17 sowie für den Motorbetrieb zur Verfügung. Eine jeweilige Inertialsensorik 20, 21 in dem Verkleidungselement 8a und dem Gebäude 1 dient der Ermittlung des zeitlich variablen Systemzustandes. Die Inertialsensorik 21, welche die Gebäudebeschleunigung erfasst, ist über eine Datenverbindung, beispielsweise eine Funkverbindung, mit der Steuereinheit 18 verbunden.
In verschiedenen Ausführungen der Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks kann das Bauwerk, insbesondere ein Gebäude 1 mit einer Doppelfassade ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine sogenannte Zweite-Haut-Fassade (ZHF) vorgesehen sein, welche als Außenfassade das Verkleidungselement 8a, 8b, 8c, 8d als eine äußere Prallscheibe und deren Anbindungskonstruktion umfasst, um das als Innenfassade ausgebildete Wandelement 5a und einen dazwischenliegenden Sonnenschutz vor Wind und Wetter zu schützen. Eine solche Doppelfassade kann auch als Open-Cavity-Fassade (OCF) bezeichnet werden. In der Innenfassade können raumhohe Fensterflügel integriert sein, die für Lüftungszwecke begrenzt und für Revisions- und Reinigungsarbeiten vollständig geöffnet werden können.
Alternativ kann die Doppelfassade mit einer sogenannten Closed-Cavity-Fassade (CCF) ausgeführt sein, welche auf einer geschlossenen zweischaligen Fassade basiert, welche das Verkleidungselement 8a, 8b, 8c, 8d bereitstellt. Zur Innenseite hin kann die CCF zweifach oder dreifach verglast sein. Es kann ein größerer Zwischenraum folgen, der den Sonnenschutz aufnimmt und nach außen durch eine Einfachverglasung begrenzt wird. Der Zwischenraum kann außerdem aktiv von gefilterter Trockenluft durchströmt werden, wodurch ein Beschlagen der Scheiben verhindert sein kann. Aufgrund eines solchen mehrfachverglasten, luft- dichten Aufbaus kann sowohl eine hohe Wärmeisolierung als auch eine hohe Schallisolierung erreicht sein. Darüber hinaus kann durch den geschlossenen Aufbau eine Verschmutzung des Sonnenschutzes und dessen Steuerungskomponenten vermieden und eine wartungsfreie Auslegung erreicht werden. Vor der Montage an dem Wandelement 5a, 5b, 5c, 5d können die Fassaden-Elemente im Werk komplett vorgefertigt werden, wodurch eine gleichbleibend hohe Qualität sichergestellt sein kann.
In beispielhaften Ausführungen kann ein Gebäude 1 mit Seitenlängen von 20 m bis 30 m und einer Höhe von 200 m bis 300 m bereitgestellt sein. Beispielsweise kann ein Gebäude mit einem quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 12 m bereitgestellt sein. Jedes Geschoss des Gebäudes kann eine Höhe von 3,8 m aufweisen. Bei diesen Abmessungen können 3 bis 4 Fassadenelemente mit einer jeweiligen Breite von 3 m bis 4 m pro Geschoss und pro Seite platziert werden. Es kann vorgesehen sein, dass alle Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d je Geschoss und Seite fest verbunden sind und sich gemeinsam bewegen. Alternativ oder zusätzlich kann eine vertikale Verbindung von Verkleidungselementen 8a, 8b, 8c, 8d über zwei oder mehr Geschosse vorgesehen sein. Hierbei kann vorgesehen sein, dass für derart verbundene Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d nur eine Dämpfungseinrichtung bereitgestellt ist. Somit kann ein Verkleidungselement 8a, 8b, 8c, 8d mit mehreren Unterelementen gebildet sein. Hierdurch kann eine Einsparung mechatronischer Komponenten erreicht sein. Alternativ ist für jedes der verbundenen Verkleidungselementen 8a, 8b, 8c, 8d eine Dämpfungseinheit vorgesehen. Hierbei können die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d bei der Herstellung im Werk vollständig vorgefertigt werden können, wodurch eine anschließende einfache und sichere Montage gewährleistet sein kann.
In der 7 ist noch eine weitere Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks dargestellt. Die Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d der jeweils fest mit einer Dämpfungseinrichtung 22a, 22b, 22c, 22d verbunden, wobei jede der Dämpfungseinrichtungen 22a, 22b, 22c, 22d mehrere Schwingungsdämpfer 23 umfasst, welche jeweils fest mit dem zugehörigen Verkleidungselement 8a, 8b, 8c, 8d verbunden sind. Jeder der Schwingungsdämpfer 23 umfasst ein Federelement 14 und einen Dämpfer 24. Die Dämpfungseinrichtungen 22a, 22b, 22c, 22d sind jeweils fest mit einer Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d eines Gebäudes 1 verbunden, indem jeder der Schwingungsdämpfer 23 fest mit der betreffenden Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d verbunden ist. Durch die feste Verbindung der Schwingungsdämpfer 23 sowohl mit den Verkleidungselementen 8a, 8b, 8c, 8d als auch mit den Außenwänden 5a, 5b, 5c, 5d wird eine jeweilige Relativbewegung zwischen den Verkleidungselementen 8a, 8b, 8c, 8d und den Außenwänden 5a, 5b, 5c, 5d auf die Dämpfungseinrichtungen 22a, 22b, 22c, 22d, nämlich auf die Schwingungsdämpfer 23, übertragen. Die Schwingungsdämpfer dämpfen hierbei jeweils eine Relativbewegung der Verkleidungselemente 8a, 8b, 8c, 8d parallel zu der entsprechenden Außenwand 5a, 5b, 5c, 5d und somit eine Schwingung des Gebäudes.
Die 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Dämpfungseinrichtung. Die Dämpfungseinrichtung ist über einen Bewegungsübertrager 13 mit einem Wandelement eines Gebäudes (nicht dargestellt) verbunden. Weiterhin ist die Dämpfungseinrichtung mittels eines Verbindungselements 25 eines Verkleidungselements mit dem Verkleidungselement verbunden. Das Verkleidungselement ist über ein Führungssystem 12 an der Außenwand des Gebäudes befestigt und geführt, so dass das Verkleidungselement nur eine zu der Außenwand parallele, horizontale Bewegung ausführen kann. In der dargestellten Ausführung umfasst das Führungssystem 12 mehrere Rollen und eine Führungsschiene, um das Verkleidungselement über das Verbindungselement 25 leichtgängig und sicher gegenüber allen Lasten parallel-verschieblich an dem Wandelement zu führen.
Die Dämpfungseinrichtung umfasst zwei Federelemente 14 und einen Dämpfer 24. Somit ist mittels der Dämpfungseinrichtung und der Masse der beweglichen Komponenten ein Schwingungsdämpfer für die Dämpfung von Schwingungen an dem Gebäude bereitgestellt. In der gezeigten Ausführung ist der Dämpfer als ein Zylinderdämpfer 26 bereitgestellt, welcher eine viskose Dämpfung bewirkt. Der Dämpfer wirkt hierbei rein passiv, wobei die Dämpfungskraft geschwindigkeitsabhängig ist.
Die 9 zeigt eine weitere Dämpfungseinrichtung. Im Gegensatz zu der Dämpfungseinrichtung gemäß der 8 weist die Dämpfungseinrichtung gemäß der 9 als Dämpfer 24 eine elektrische Maschine 16 auf. Die elektrische Maschine 16 umfasst eine Motor-Generator-Anordnung, welche Schwingungen eines Bauwerks sowohl im Generatorbetrieb als auch, unter Aufwendung zusätzlicher Energie, motorisch aktiv dämpfen kann. In der gezeigten Ausführung ist die elektrische Maschine 16 eine rotierende elektrische Maschine.
Die Dämpfungseinrichtung umfasst weiterhin einen Bewegungswandler 15 (nicht dargestellt), welcher als Getriebe ausgebildet ist, welches eine lineare Schwingungsbewegung in eine Rotationsbewegung wandelt. Beispielsweise kann das Getriebe hierfür ein formschlüssig arbeitendes Getriebe, zum Beispiel ein Zahnstangengetriebe, ein Kugelgewindetrieb oder ein Zahnriemengetriebe sein. Das Getriebe kann für eine sehr leichtgängige Funktion ausgelegt sein. Hierdurch kann insbesondere eine Verlustenergie minimiert sein, welche für die Bewegungswandlung erforderlich ist. Eine solche Verlustenergie kann als Dämpfungsenergie betrachtet werden, welche nicht für eine Energieernte mittels des Generators zur Verfügung steht.
Anstatt eines konventionellen viskosen Dämpfers ist somit ein elektrischer Generator vorgesehen, der an eine Leistungselektronik (nicht dargestellt) angebunden ist. Durch diese Kombination kann eine Dämpfung elektrisch eingestellt werden, während gleichzeitig Energie aus der Bewegung gewonnen und in einem Energiespeicher zwischengespeichert werden kann. Hiermit kann ein autarker Betrieb der Dämpfungseinrichtung ermöglicht sein. Der Generator kann für sehr kleine Nenndrehzahlen ausgelegt sein. Beispielsweise kann der Generator auch für die Verwendung bei sehr niedrigen ersten Eigenschwingungen eines Gebäudes eingerichtet sein. Der Generator kann eingerichtet sein, bei sehr geringen Drehzahlen bereits Spannungen im unteren einstelligen bis zweistelligen Volt-Bereich zu liefern. Beispielsweise kann als Generator ein Schrittmotor im Generator- Betrieb oder eine Gleichstrommaschine vorgesehen sein.
Allgemein kann für die Auslegung einer Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks vorgesehen sein, eine Modellgleichung einer elektrischen Maschine herzuleiten, mit der sich im elektrischen Kreis verschiedene Dämpfungsgrade realisieren lassen. Es können unterschiedliche, leistungselektronische Schaltungskonzepte vorgesehen sein, welche den passiven und semi-aktiven Betrieb eines mechatronischen Schwingungsdämpfers ermöglichen. Es können verschiedene Technologien zur Energiespeicherung zum Einsatz kommen. Es kann eine mit einem Energiespeicher verbundene, regelbare Leistungselektronik vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Regelung durch Pulsweitenmodulation (PWM) bereitgestellt sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Anordnung zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks (1), mit - einem aufrecht zu montierenden Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d); - einem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) und - einer Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d), die - sowohl mit dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) als auch mit dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) verbunden ist, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) auf die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragen wird; - eingerichtet ist, eine Schwingungsbewegung des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) entlang einer Dämpfungsrichtung zu dämpfen; und - derart angeordnet ist, dass die Dämpfungsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) ausgerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) derart angeordnet ist, dass die Dämpfungsrichtung weiterhin im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) entlang einer senkrecht auf die Oberfläche des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) stehenden Richtung unterbunden ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) mit dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) oder mit dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) fest verbunden ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) einen Dämpfer (24) umfasst.
Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) eine Antriebseinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, eine Kraft zu erzeugen, welche für eine Dämpfung einer Schwingungsbewegung des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) - einer auf die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragenen Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) entgegenwirkt, oder - eine auf die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragene Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) verstärkt.
Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) eine Generatoreinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, eine Bewegungsenergie einer auf die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragenen Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) in eine andere Energieform zu wandeln.
Anordnung nach Anspruch 7, eingerichtet eine von der Generatoreinrichtung bereitgestellte Energie für einen Betrieb der Anordnung zu nutzen.
Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Sensoreinrichtung (20, 21), welche eingerichtet ist, eine Bewegung des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) oder eine Bewegung des Verkleidungselements (8a, 8b, 8c, 8d) zu erfassen.
Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) eine Außenwand eines Gebäudes ist und das Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) ein Fassadenelement ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem weiteren Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) und einer weiteren Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d).
Anordnung nach Anspruch 11, wobei die weitere Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) sowohl mit dem weiteren Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) als auch mit dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) verbunden ist, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem weiteren Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) entlang der Dämpfungsrichtung auf die weitere Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragen und die Schwingungsbewegung des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) mittels der weiteren Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) gedämpft wird.
Anordnung nach Anspruch 12, wobei das Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) und das weitere Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) fest miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei die weitere Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) sowohl mit dem weiteren Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) als auch mit einem weiteren aufrecht zu montierenden Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) verbunden ist, derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem weiteren Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem weiteren Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) entlang einer weiteren Dämpfungsrichtung auf die weitere Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragen und eine Schwingungsbewegung des weiteren Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) mittels der weiteren Dämpfungseinrichtung gedämpft wird, wobei die weitere Dämpfungseinrichtung derart angeordnet ist, dass die weitere Dämpfungsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des weiteren Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) ausgerichtet ist.
Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Bauwerks (1), umfassend: - Bereitstellen eines Bauwerks (1); - Anordnen eines Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) aufrecht an oder in dem Bauwerk (1); - Anordnen eines Verkleidungselements (8a, 8b, 8c, 8d) an dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d); - Anordnen einer Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) an dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) derart, dass eine Dämpfungsrichtung der Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) parallel zu einer Oberfläche des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) ausgerichtet ist; - Verbinden der Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) mit dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) und mit dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) derart, dass eine Relativbewegung zwischen dem Wandelement (5a, 5b, 5c, 5d) und dem Verkleidungselement (8a, 8b, 8c, 8d) auf die Dämpfungseinrichtung (22a, 22b, 22c, 22d) übertragen wird; und - Dämpfen einer auf die Dämpfungseinrichtung übertragenen Schwingungsbewegung des Wandelements (5a, 5b, 5c, 5d) entlang der Dämpfungsrichtung.