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Schlankes, durch Biegeschwingungen gefährdetes Bauwerk, insbesondere
Kamin Die Erfindung betrifft ein schlankes, durch Biegeschwingungen gefährdetes
Bauwerk, insbesondere Kamin, mit lotrechter Längsachse und mindestens einem Schwingungsdämpfer
mit einer gegenüber dem Bauwerk beweglichen Dämpferinasse.
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Kamine werden ebenso wie andere schlanke Bauwerke neben der statischen
Beanspruchung durch Winddruck in der Ebene des Windangriffs auch noch durch von
der Wirbelablösung herrührende periodische Kräfte quer zur Windrichtung beansprucht,
die sie zum Schwingen bringen. Die Schwingungsbewegungen werden kritisch, sobald
die Frequenz der Wirbelablösungen mit der Eigenfrequenz des Bauwerkes übreinstimmt.
Bei gemauerten Kaminen und genieteten Blechkaminen ist im allgemeinen die innere
Dämpfung so groß, daß die Anregungsenergie schon bei verhältnismäßig kleinen Schwingungsausschlägen
absorbiert wird. Bei geschweißten Blechkaminen ist dies jedoch meist nicht der Fall.
Es müssen dann besondere Vorkehrungen getroffen werden, damit die gefährliche Resonanz
nicht auftreten kann.
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Zur Erreichung dieses Zieles ist es bekannt, die Eigenfrequenz des
Bauwerkes zu verändern. Dies führt jedoch dazu, daß oft von der vorteilhaftesten
Dimensionierung des Bauwerkes abgewichen werden muß und z. B. unwirtschaftlich große
Blechstärken verwendet werden müssen.
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Weiterhin ist es bekannt, die Schwingungen von Kaminen durch Drahtseile
zu dämpfen, die entweder als Abspannseile dienen oder locker mit dem Kamin verbunden
werden.
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Da die Dämpfungswirkung bei locker herabhängenden Seilen gering ist,
wird eine große Anzahl solcher Seile benötigt, um eine ausreichende Dämpfung zu
erhalten, wodurch die Anlagekosten erhöht werden. Ebenso wie gespannte Seile haben
auch die zur Schwingungsdämpfung an einem Kamin locker aufgehängten Seile einen
erheblichen Raumbedarf, da sie, um ihre Wirksamkeit nicht zu stark abzuschwächen,
mindestens um 30' gegen die Kaminachse geneigt sein müssen. Weiterhin werden
Seilschwingungsdämpfer sehr häufig auch aus architektonischen Gründen abgelehnt,
da sie eine erhebliche Störung des Landschaftsbildes ergeben. Darüber hinaus können
sie bei sehr hohen Kaminen in der Nähe von Flugplätzen die Flugsicherung vermindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile von Schwingungsdämpfern,
die aus locker gespannten Seilen bestehen, zu vermeiden, ohne daß ihre Vorteile
der Unabhängigkeit von der Eigenfrequenz des schwingenden Systems und von der Richtung,
aus der die Schwingungen angeregt werden, beeinträchtigt werden.
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Dies wird bei einem Bauwerk der eingangs beschriebenen Art dadurch
erreicht, daß die Dämpfermasse auf einem fest mit dem Bauwerk verbundenen Bauteil
gegenüber diesem verschiebbar aufliegt und im Bewegungszustand mindestens zeitweise
nur durch Reibungskräfte mit dem Bauteil gekoppelt ist.
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Die Wirkung des erfindungsgemäß ausgebildeten Schwingungsdämpfers,
der im allgemeinen am oberen Ende des schlanken Bauwerkes angebracht ist, beruht
darauf, daß die frei auf dem Bauwerk aufliegende Dämpfermasse in eine gegenüber
der Schwingung des Bauwerkes phasenverschobene Bewegung gerät, sobald die durch
die Schwingung ausgeübte Beschleunigung einen bestimmten Wert übersteigt. Die zur
Anregung der Schwingung der Dämpfermasse notwendige Energie wird dabei der Schwingungsenergie
des Bauwerkes entzogen, wobei sowohl die Grenzamplitude, bei der die Dämpfermasse
zu schwingen beginnt, als auch die Größe der dem Bauwerk entzogenen Schwingungsenergie
im wesentlichen durch die Reibungskraft zwischen der Dämpfermasse und der Auflage
bestimmt sind. Durch eine Änderung des Reibungskoeffizienten können diese beiden
Größen daher auf einfache Weise verändert werden. Die Konzentrierung der Dämpfermasse
im oberen Teil des Bauwerkes erfordert weder einen zusätzlichen Raumbedarf, noch
tritt der Dämpfer in unschöner Weise störend in Erscheinung.
Bei
einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Bauteil und der Dämpfermasse
mindestens eine Puffereinrichtung angeordnet, die aus zwei durch eine zwischen ihnen
angeordnete Feder auseinandergedrückten Stempeln besteht. Die Dämpfermasse kann
auch an ihren senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung verlaufenden Seiten mit
je, einem gewellten, federnden Stahlband versehen sein.
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Um eine überall gleichmäßige Auflage der Dämpfermasse und damit eine
gleichmäßige Verteilung der Reibungskräfte zu erzielen, ist es zweckmäßig, daß die
Dämpfermasse aus mehreren festen Teilen besteht, die derart miteinander verbunden
sind, daß sie senkrecht zur Bewegungsrichtung der Dämpfermasse gegeneinander verschiebbar
sind.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der
fest mit dem Bauwerk verbundene Bauteil des Schwingungsdämpfers als Gefäß ausgebildet
ist, in welchem sich die Dämpfermasse befindet und das nündestens teilweise mit
einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist. Bei dieser Ausführungsform herrscht im Bewegungszustand
keine trockene Reibung zwischen Dämpfermasse und den sie abstützenden Teilen des
Dämpfergehäuses, sondern geruischte oder reine Flüssigkeitsreibung, was das Dämpfungsverhalten
in vorteilhafter Weise beeinflussen kann. Die Dämpfermasse kann auch als Kolben
und das Gefäß als den Kolben umgebendes, zylinderförmiges Gehäuse ausgebildet sein.
Hierbei wird durch die am Kolben vorbeiströmende oder durch den -Kolben hindurchtretende
Dämpfungsflüssigkeit dem Schwingungssystem Energie entzogen und dadurch eine dämpfende
Wirkung herbeigeführt. Der Dämpfer kann auch als Kugel und das Gefäß als die Kugel
umgebendes, zylinderförmiges Gehäuse ausgebildet sein; bei dieser Ausführungsforin
wird eine geringe Ruhereibung erzielt, und somit wird bei eventueller Verharzung
oder sonstiger Veränderung der Dämpfungsflüssigkeit der Dämpfer schon bei verhältnismäßig
kleinen Schwingungsamplituden wirkim sam. Der Schwingungsdämpfer kann auch durch
ein eine Flüssigkeit enthaltendes Gefäß gebildet sein, in dem die Flüssigkeit selbst
als Dämpfermasse wirkt. Diese Ausführungsform hat den weiteren Vorteil, daß die
Dämpfung bereits bei kleinsten Schwingungsausschlägen wirksam wird. Eine weitere
Ausgestaltung des Schwiftgungsdämpfers, bei dem die Dämpfermasse durch eine Flüssigkeit
gebildet wird, besteht darin, daß das Gefäß durch gelochte Trennwände in Räume unterteilt
ist, welche mit einem porösen Faserhaufwerk und etwa zur Hälfte mit Flüssigkeit
gefüllt sind, wodurch die Bewegungswiderstände für die Dämpfungsflüssigkeit wesentlich
erhöht werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform, die sich auf ein Bauwerk mit Mantel
und Futter bezieht, kann die Dämpfermasse durch das Futter und eine an diesem befestigte
Isolierschicht gebildet sein und an einer Stelle der Innenseite des Mantels mindestens
ein ringförmiger Körper befestigt sein, auf dem ein das Futter mit geringem Abstand
umgebender Ring verschiebbar aufliegt, der bei Relativbewegungen zwischen Mantel
und Futter von diesem mitgenommen wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei
der die Dämpfermasse durch das Futter und durch die an diesem befestigte Isolierschicht
gebildet wird, sind an einer Stelle am Futter an der zum Mantel gelegenen Seite
Konsolen befestigt, auf denen mindestens zwei Ringe verschiebbar aufliegen, von
denen der eine das Futter mit geringem Abstand umgibt und bei Bewegungen von diesem
mitgenommen wird und der andere mit geringem Abstand von dem Mantel angeordnet
ist und von diesem bei Bewegungen mitgenornmen wird. Durch diesen Aufbau werden
vor allem unzulässige Verformungen infolge unterschiedlicher Temperaturänderungen
an der Stelle vermieden, an der die Konsolen und Ringe angeordnet sind.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen erfindungsgemäßen
Kamin mit Schwingungsdämpfer in Ansicht, F i g. 2 einen Schnitt durch den
Schwingungsdämpfer gemäß F i g. 1 in vergrößerter Darstellung, F i
g. 3 die Dämpfermasse des Schwingungsdämpfers gemäß F i g. 2, von
oben gesehen, F i g. 4 ein Detail der Verbindung der einzelnen Teile der
Dämpfermasse im Aufriß, F i g. 5 einen Schnitt durch eine andere Ausführung
des Schwingungsdämpfers, F i g. 6 ein Detail zu F i g. 5,
F i
g. 7, 8, 9, 10, 11 und 12 weitere Ausführungen von Schwingungsdämpfern im
Schnitt.
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In F i g. 1 ist ein Kamin 1 aus Stahlblech an seinem
oberen Ende mit einem Schwingungsdämpfer 2 versehen. In F i g. 2 ist dieser
Schwingungsdämpfer zusammen mit dem oberen Ende des Kamins im Schnitt dargestellt.
Der Kamin 1 besteht aus einem Mantel 10 und einem Futter
11, zwischen welchen sich eine Wärmeisolierung 12 befindet. Der Mantel
10 trägt Konsolen 13, auf welchen eine ringförmige Bodenplatte 14
befestigt ist. Ein zylindrischer Mantel 15 schließt den Schwingungsdämpfer
nach außen ab. Auf der Platte 14 liegt ein die Dämpfermasse bildender Ring
16 frei auf, welcher mit Stempeln 17 und 18
versehen ist. Die
Stempel 17 und 18 sind in radial zum Ring verlaufenden Bohrungen 20
angeordnet und werden durch eine Feder 19 auseinandergedrückt. Die Bohrungen
20 sind durch Platten 21 abgeschlossen. Der Schwingungsdämpfer ist durch einen Deckel
22 vor Witterungseinflüssen geschützt.
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Gerät der Kamin, z. B. durch Wirbelablösung, bei Wind ins Schwingen,
so beginnt nach dem überschreiten einer gewissen Grenzamplitude die Dämpfermasse
auf der Platte 14 zu gleiten. Es wird dabei eine Energie absorbiert, die gleich
ist dem Produkt aus Reibungskraft und Relativbewegung. Die Stempel 17 und
18 haben dabei die Aufgabe, die Dämpfermasse in einem Abstand von den abschließenden
Wänden zu halten und einen eventuellen Anstoß der Dämpfermasse gegen diese Wände
aufzufangen.
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Um die Reibungskräfte möglichst gleichmäßig auf den Umfang der Dämpfermasse
zu verteilen, ist diese zweckmäßig, wie in den F i g. 3 und 4 dargestellt
ist, in einzelne Abschnitte 24 unterteilt, die durch in Öff-
nungen
25 lose eingreifende Stifte miteinander verbunden sind. Die einzelnen Abschnitte
24 können sich *in vertikaler Richtung gegeneinander verschieben, und jeder von
ihnen liegt nur mit seinem Eigengewicht auf der Platte 14 auf. In F i
g. 3 ist zugleich eine andere Ausführung der radialen Abfederung der Dämpfermasse
dargestellt. Diese erfolgt in diesem Fall nicht durch radiale Stempel
17 und 18, sondern durch Blattfedern 27, welche jeweils durch
Schrauben 28 auf einem der Abschnitte 24 befestigt sind. Bei der in F i
g. 2 dargestellten Ausführung des Schwingungsdämpfers
schließt
der Boden die die Dämpfermasse umgebende Kammer nicht vollständig ab. Es
sind Spalte 29 vorgesehen, welche ein Durchfallen von Abriebteilchen gestatten.
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In F i g. 5 ist eine andere Ausführung des Schwingungsdämpfers
dargestellt. Die Dämpfermasse besteht hier aus einem starren Ring 31 und
aus kurzen, ringsegmentartigen Dämpfungselementen 32 mit U-förmigern Querschnitt,
welche lose über den Ring 31 gelegt sind. Der Boden, auf welchem die Dämpfennasse
gleitet, ist als Rost 33 ausgebildet. Um ein Festhaken der Dämpfermasse zu
verhindern, sind die Dämpfungselemente mit Abschrägungen 35 versehen. Ein
Anschlagen der Dämpfungselemente gegen die Außenwand wird bei dieser Ausführung
durch gewellte Stahlbänder 34 verhindert (F i g. 6).
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In F i g. 7 ist ein Schwingungsdämpfer mit Dämpfung durch mechanische
Reibung und Flüssigkeitsreibung dargestellt. In einem am Kamin befestigten Gehäuse
40 ist ein ringförmiger Dämpfungsteil 41 angeordnet, wobei der Innenraum des Gehäuses
40 entweder teilweise oder ganz mit einer Flüssigkeit, z. B. Öl, gefüllt
ist. Durch die bei den Schwingungen des Kamins auftretende Relativbewegung zwischen
Dämpfermasse und Gehäuse 40 entsteht nicht nur, wie im vorangehenden Beispiel, mechanische
Reibung, sondern es entstehen durch die Flüssigkeitsfüllung hydraulische Kräfte,
welche eine Dämpfung der Schwingungsbewegung hervorrufen. Vorteilhafterweise ist
dabei der Dämpfungsteil 41 an seiner unteren und oberen Seite mit Ausnehmungen 42
versehen, welche eine Verkleinerung der Berührungsfläche mit dem Gehäuse bewirken.
Dadurch wird bei einem Verharzen des im Gehäuse 40 enthaltenen öles die Haftkraft
zwischen Dämpfungsteil und Gehäuse klein gehalten.
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In F i g. 8 ist ein Schwingungsdämpfer, welcher mit reiner
Flüssigkeitsreibungsdämpfung arbeitet, dargestellt. Ein auf dem Mantel
10 des Kamins befestigtes ringförmiges Gefäß 50 ist mit radial verlaufenden
gelochten Blechplatten 51 versehen, und die dadurch entstandenen Sektoren
sind mit einem porösen Haufwerk, z. B. Stahlspänen, aufgefüllt. Das Gefäß
50 ist etwa zur Hälfte mit einer Flüssigkeit aufgefüllt, welche hier die
Dämpfermasse bildet. Als Flüssigkeit wird vorzugsweise ein Öl mit flachem
Viskositätstemperaturverlauf und niederem Stockpunkt, etwa Silikonöl, verwendet.
Die Ausführung nach F i g. 8
hat den Vorteil, daß die Dämpfung bereits bei
kleinsten Schwingungsausschlägen wirksam ist. Die im Gefäß 50 enthaltene
Flüssigkeit kann durch suspendierte Teilchen beschwert sein. Es können der Flüssigkeit
jedoch auch gröbere, nicht suspendierbare Teilchen, wie z. B. Sand, Steine oder
Metallschrot, beigefügt werden, welche sich bei Schwingungen des Kamins zusammen
mit der Flüssigkeit bewegen können. Bei einer solchen Füllung des Gefäßes
50 können die Blechplatten 51 und das Faserhaufwerk entfallen.
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Bei der Ausführungsfonn nach F i g. 9 enthält der Schwingungsdämpfer
keine besondere Dämpfermasse, sondern es wird zu diesem Zweck ein Teil des Kamins
selbst ausgenutzt. Normalerweise hat nämlich bei aus Mantel und Futter bestehenden
Kaminen der Kaminmantel eine andere, und zwar meist höhere Eigenfrequenz als das
durch die Isolationsschicht beschwerte Kaminfutter. Bei der Ausführung nach F i
g. 9 sind im Kaminmantel 10 Blechringe 61 eingeschweißt, auf
welchen das Kaminfutter mit einem kleinen Spiel umfassende Blechringe
62 aufliegen. Bei Schwingungen des Kamins entsteht eine gegenseitige Reibung
der Ringe 61 und 62, wodurch eine Schwingungsdämpfung bewirkt wird.
Das Kaminfutter 11
zusammen mit der Isolierschicht 12 wird dabei als Dämpfermasse
für den anderen Teil benutzt.
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In F i g. 10 ist eine andere Ausführung des Schwingungsdämpfers
nach F i g. 9 dargestellt. Auf dem Kaminfutter 11 sind Konsolen
70 befestigt, auf welchen mehrere abwechselnd angeordnete Ringe
71 und 72 liegen. Die Ringe 71 haben ein kleines Spiel gegenüber
dem Kaminfutter 11 und ein großes Spiel gegenüber dem Kaminmantel
10. Die Ringe 72 haben umgekehrt ein geringes Spiel gegenüber dem
Kaminmantel und ein großes Spiel gegenüber dem Kaminfutter. Bei auftretenden Schwingungen
des Kamins bewegen sich die Ringe 71 zusammen mit dem Kaminfutter
11 und die Ringe 72 mit dem Kaminmantel 10. Dadurch entsteht
eine gegenseitige Reibung, welche ebenfalls zur Schwingungsdämpfung des Kamins führt.
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In F i g. 11 sind auf einem Kaminmantel Schwingungsdämpfer
80 befestigt. Die Schwingungsdämpfer bestehen aus Zylindern 81, in
welchen sich Kolben 82
lose bewegen. Die Zylinder 81 sind ganz oder
teilweise mit einer Flüssigkeit, z. B. einem Öl, gefüllt. Die Zylinder
81 sind mit die Bewegung des Kolbens 82 begrenzenden Federn
83 versehen. Bei Schwingungen des Kamins werden die Kolben 82 durch
ihre Trägheit gegenüber den Zylindern 81 verschoben. Dabei strömt die Flüssigkeit
durch den zwischen Kolben und Zylinder befindlichen Spalt und bewirkt eine Reibung,
welche zur Dämpfung der Schwingungen führt. Es versteht sich, daß der Kolben
82 bzw. der Zylinder 81 mit die beiden Zylinderräume verbindenden
Kanälen versehen sein kann. In an sich bekannter Weise können in diesen Kanälen
Ventile oder Klappen angeordnet sein, die ein Strömen der FlüssigkeitsfüHung in
der einen oder in der anderen Richtung erschweren bzw. begünstigen.
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Die Schwingungsdämpfer 80 nach F i g. 11 haben den Vorteil,
daß sie in einer einheitlichen Ausführung auf Lager gehalten werden können und
je nach Bedarf in der erforderlichen Anzahl angebracht werden können. Es
können, wie in der Zeichnung dargestellt, zwei Schwingungsdämpfer mit zueinander
senkrechten Bewegungsrichtungen der Dämpfungsmasse zur Anwendung kommen. Es kann
jedoch auch eine größere Anzahl von Schwingungsdämpfern, z. B. gleichmäßig um die
Achse des Kamins verteilt, zur Anwendung kommen.
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In F i g. 12 ist eine andere Ausführung des Schwingungsdämpfers
80 nach F i g. 11 dargestellt. Bei dieser Ausführung ist der Kolben
durch eine Kugel 84 ersetzt. Auf diese Weise wird die unter Umständen störende mechanische
Reibung zwischen dem Zylinder 81 und der Dämpfermasse ganz besonders gering
gehalten.