DE1937619C3

DE1937619C3 - Anordnung zum Dämpfen von an einem Bauwerk auftretenden Schwingungen

Info

Publication number: DE1937619C3
Application number: DE19691937619
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1968-07-19
Filing date: 1969-07-18
Publication date: 1976-12-09

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Dämpfen von an einem Bauwerk auftretenden, unterhalb des Schallbereichs liegenden Schwingungen, z. B. infolge von Windbelastung, unter Verwendung von Dämpfungseinheiten mit mindestens zwei starren Gliedern, die durch mindestens eine elastische Schicht miteinander verbunden sind.

Große Bauwerke werden durch Windeinwirkung in unterhalb des Schallbereichs liegende Schwingungen versetzt. Es ist erwünscht, diese Schwingungen so gering wie möglich zu halten, so daß solche Schwingungen nicht wahrgenommen werden und daß die Einrichtungen in den Bauwerken nicht beschädigt werden.

In der französischen Patentschrift 13 83 463 ist eine Anordnung vorgesehen, die eine viskoelastische Schicht zwischen zwei im wesentlichen starren Elementen vorsieht, um mit Hilfe der viskoelastischen Schicht Schwingungen zu absorbieren, die zwischen den starren Elementen auftreten. Der Zweck der Anordnung gemäf. der genannten französischen Patentschrift besteh darin, Schallschwingungen an der Ausbreitung zi hindern. In ähnlicher Weise offenbart die Zeitschrif »Building Materials« vom August 1964 auf den S. 16 bi; 18 eine Gummilagerung, die einen großen Kompres sionswiderstand besitzt und schwere, in senkrechte: Richtung wirkende Lasten aufnimmt. In der Zeitschrif »Boden, Wand und Decke« vom Juli 1966 ist auf S. 6Oi ebenfalls ein Gummilager gezeigt, mit dem Schall Schwingungen daran gehindert werden sollen, vor einem Teil eines Bauwerks zu einem anderen zi gelangen.

Der obengenannte Stand der Technik kann jedocr nicht zur Lösung des Problems beitragen, wie in sehi hohen Bauwerken etwa durch Wind erzeugte Schwin gungen unterhalb des Schallbereichs gedämpft werder könnten. Die Verwendung von Gummilagern dei bekannten Art würde ganz im Gegensatz zungewünschten Effekt ein hohes Bauwerk bezüglich dei genannten Schwingungen im Unterschallbereich noch viel anfälliger machen.

Bisher wurde im wesentlichen versucht, solche Schwingungen dadurch zu beherrschen, daß hohe Bauwerke steifer gemacht wurden, d. h. indem stärkere Stützen bzw. Verstrebungen zwischen den Stützer verwendet wurden. Derartige Versteifungen trager jedoch dazu bei. die Kosten für ein Bauwerk in die Höhe zu treiben, und zwar sowohl wegen der zusätzlicher Kosten für die hinzugefügten Verstrebungen als auch wegen der Tatsache, daß das Bauwerk dadurch insgesamt schwerer wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Unterschallbereich liegende Schwingungen an hohen Bauwerken zu verringern ohne das Gebäude an sich massiger ausführen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die elastische Schicht aus viskoelastischem Materia; besteht und daß die starren Glieder der Dämpfungseinheiten mit zwei Punkten des Bauwerkes, die infolge der zu dämpfenden Schwingungen einer Relativbewegung unterworfen sind, derart verbunden sind, daß zwischen ihnen eine Scherbewegung entsteht, der die elastische Schicht Widerstand leistet, wobei die-,e im wesentlichen frei von statischer Beanspruchung ist.

Die starren Glieder sind mit Befestigungsmitteln versehen, mit denen eine Verbindung zwischen zwei Punkten des Bauwerks hergestellt werden kann, bei denen als Folge der genannten Schwingungen eine relative Bewegung auftritt. Am Bauwerk ist an einem der Punkte das eine starre Glied der Dämpfungseinheil befestigt, während das benachbarte starre Glied am anderen Punkt befestigt ist, so daß die Schwingungen durch Scherkräfte innerhalb der viskoelastischen Schicht gedämpft werden.

Die Dämpfungseinheit nach der Erfindung verbindet die Träger oder Querglieder eines Bauwerkes mit den Pfeilern im wesentlichen in der Ebene der Decke oder des darüberliegenden Fußbodens. Bei einem derartigen Einbau werden die Schwingungen unterhalb des Schallbereiches, die in Gebäuden eine relative Bewegung zwischen Pfeilern und Trägern in der Ebene der Decken verursachen, von den in den viskoelastischen Schichten auftretenden Scherkräften wesentlich gedämpft. Bei einer Anordnung der Dämpfungseinheiten in dem R3um zwischen der Decke und dem Fußboden des darüberliegenden Stockwerkes sind sie zudem noch leicht zugänglich, so daß sie periodisch überwacht und

gegebenenfalls ersetzt werden können.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinheit aus drei starren Gliedern besteht, die durch zwei viskoelastischen Schichten miteinander verbunden sind, wobei die zwei äußeren Glieder, die das dritte Glied zwischen sich aufnehmen, mit dem gleichen Punkt des Bauwerks verbunden sind und das dritte Glied mit einem entgegengesetzt liegenden Punkt des Bauwerks verbunden ist

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll die viskoelastische Schicht einen Verlustfaktor von mindestens 0,5 aufweisen.

Vorzugsweise soll die Glasübergangstemperatur der viskoelastischen Schicht zwischen +5 und -5O⁰C liegen. Ferner soll die viskoelastische Schicht eine Scherfestigkeit von mindestens 14 kg/cm² und eine Bruchdehnung von mindestens 100 % aufweisen.

Das viskoelastische Material und der klebstoff sollen im normalen Gebrauch lange Zeit beständig und stabil bleiben, in erster Linie bei normalen Raumtemperaturen, da die Örtlichkeiten, in denen die Dämpfungseinheiten eingebaut werden sollen, im allgemeinen klimatisiert sind. Die vorstehend angeführten Anforderungen an die viskoelastische Schicht können erfüllt werden, wenn sie aus einem Copolymer acrylischer Monomere besteht, so etwa aus Akrylsäure, Methakrylsäure, Alkylakrylat, Akryiinitril. Methakrylonitril, Akrylamid und Methakryiamid. Das Alkylakrylat kann aus einem einzelnen Monomer bestehen mit ungefähr 6 bis 10 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe, die nicht stark verzweigt ist, d. h. mehr als die Hälfte der Alkyl-Kohlenstoffatome befindet sich in einer geraden Kette, die an einer Sauerstoffbrücke endet. Besteht das Alkylakrylat aus einem Gemisch von Monomeren, so sollen deren Alkylgruppen durchschnittlich ungefähr 6 bis 10 Kohlenstoffaiome aufweisen, und weniger als die Hälfte der Alkylgruppen soll hochverzweigt sein. Innerhalb des Bereiches von ungefähr 60 bis 85 Teilen Alkylakrylat und dementsprechend 15 bis 40 Teilen eines oder mehrerer der genannten kopolymerisierbaren akrylischen Monomere werden verwendungsfähige Copolymere erhalten, die auch bei langdauernder Einwirkung der Umgebungsluft und bei normalen Raumtemperaturen keine Zerfallserscheinungen oder Änderungen zeigen.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer Dämpfungseinheit nach der Erfindung,

F i g. 2 einen vergrößert gezeichneten Schnitt durch einen Teil der F i g. 1 nach der Linie 2-2,

Fig. 3 eine schematisch gezeichnete Seitenansicht eines Details der Dämpfungseinheit nach der F ig. 1,

Fig.4 eine schematische Darstellung einer in ein Bauwerk eingebauten Dämpfungseinheit nach der Erfindung,

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer Dämpfungseinheit, die einen Teil einer lasttragenden Einrichtung bildet,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer in ein Gebäude eingebauten anderen Ausführung der Dämpfungseinheit nach der Erfindung,

Fig. 7 einen Querschnitt nach der Linie 8-8 in der F i g. 6,

F i g. 8 eine Darstellung einer dritten Ausführungsforni einer in ein Bauwerk eingebauten Dämpfungseinheit nach der Erfindung.

Die in der F i g. 1 dargestellte Dämpfungseinheit ist aus drei starren Gliedern zusammengesetzt. Zwei dieser Glieder 11, 11' weisen die Flansche 12, 12' und die Platten 13, 13' auf. Das dritte Glied besteht aus einer flachen Schiene 14, deren breite Seiten zwischen den Flanschen 12,12' mit im wesentlichen gleichen geringen Abständen von diesen gelegen sind. In den Zwischenräumen zwischen den Flächen der Schiene 14 und den Flanschen 12, 12' befinden sich die viskoelastischen Schichten 15, 15' mit jeweils Klebstoffbelägen 16, 16'; wie in der F i g. 2 dargestellt.

Die Dämpfungseinheit 10 wird geeigneterweise zusammengesetzt unter Verwendung vorgeformter Lagen des viskoelastischen Materials, wobei mit einer Unteranordnung nach der Fig.3 begonnen wird. An jedem Ende der viskoelastischen Schicht 15 werden mittels der eigenen klebenden Beläge zwei selbstklebende Streifen 21 befestigt, die sich über die gesamte Breite der viskoelastischen Schicht hinweg erstrecken und in einer kurzen Entfernung vom Ende der viskoelastischen Schicht einen Abstandshalter 18 zwischen sich aufnehmen. An der einen Seite der viskoelastischen Schicht 15 wird ein Klebstoffbelag 16 aufgetragen und an den Flansch 12 angelegt. Die andere Seite der viskoelastischen Schicht wird dann mit einem zweiten Klebstoffbelag 16 versehen, an den die Schiene 14 angelegt wird. Danach wird eine zweite viskoelastische Schicht 15' mit einem Klebstoffbelag 16' versehen und an die mit einem zweiten Klebstoffbelag 16' versehene freiliegende Seite der Schiene 14 angelegt, während der andere Flansch 12' an den offenen Klebstoffbelag 16' angelegt wird. Vier Schraubmuttern 17 werden dann über Federringe 23 gegen die Schraubbolzen 18 fest angezogen, deren Durchmesser so bemessen ist, daß der Klebstoff der Klebstoffbeläge 16, 16' am gesamten Umfang jeder viskoelastischen Schicht herausgepreßt wird. Die Schraubmuttern 17 werden so lange gespannt gehalten, bis die Klebstoffbeläge 16, 16' mit Sicherheit vollständig ausgehärtet sind, und bis die Dämpfungseinheit 10 an der Gebrauchsstelle angebracht worden ist, zu welchem Zweck die Befestigungsmittel in Form der Löcher 19', 19' an den Platten 13', 13' und der Löcher 20 an einer Verlängerung 22 der Schiene 14 verwendet werden.

Nach dem Heraussickern des Klebstoffes wird der überschüssige Klebstoff und das überschüssige viskoelastische Material an den Seiten abgeschnitten. Die selbstklebenden Streifen 21 verhindern eine gegenseitige Berührung der benachbarten viskoelastischen Schichten an den Enden.

Die Dämpfungseinheit 10 kann nach der Fig.4 zwischen einem tragenden Pfeiler 40 und einem Träger 41 ungefähr in der Höhe der Decke des unterhalb des Trägers gelegenen Raumes angeordnet werden. Mit Hilfe der durch die Löcher 20 an der Schiene hindurchgeführten Schraubbolzen 20a wird die Dämpfungseinheit 10 am Träger 41 befestigt, während die durch die Löcher 19,19' hindurchgeführten Schraubbolzen 19a die Platten 13,13' am Pfeiler 40 festhalten. Nach dem Anbringen der Dämpfungseinheit 10 können die Schraubbolzen 18 entfernt werden. Die Schraubbolzen 18 werden vorzugsweise nur so weit gelockert, daß mit Sicherheit eine freie relative Längsbewegung möglich wird, jedoch ohne die Federringe 23 vollständig zu entspannen, wodurch eine Trennung infolge einer nicht in der Längsrichtung wirkenden Kraft verhindert wird. Zu diesem Zweck sollen die Löcher an der Schiene 14 etwas weiter als erforderlich bemessen werden, so daß

genügend Spiel für die Schraubbolzen vorhanden ist, um die relative Längsbewegung zwischen der Schiene 14 und den Flanschen 12,12' nicht zu behindern.

Der Träger 41 ist am Pfeiler 40 ungefähr in der Höhe des darüberliegenden Fußbodens befestigt, so daß bei Schwingungen des Bauwerks die Flansche 12, 12' und die Schiene 14 sich relativ zueinander hin- und herbewegen und dabei auf die viskoelastische Schichten 15, 15' horizontale Scherkräfte ausüben. Auf diese Weise absorbieren die viskoelastischen Schichten 15, 15' die kinetische Energie der Schwingungen. Im vorliegenden Falle wirken die Dämpfungseinheiten 10 nicht als Lagermittel.

Die Dämpfungseinheit 10 nach der Erfindung kann in einer lasttragenden Einrichtung 50 eingebaut werden, wie in der Fig. 5 dargestellt, wobei die Last von einer Feder 51 getragen wird, während die Dämpfungseinheit 10 Schwingungen der Last abdämpft. An den Enden der Feder 51 und der Dämpfungseinheit 10 sind Befestigungsmittel 52 und 53 vorgesehen, mit denen die lasttragende Einrichtung 50 in ihrer Lage gehalten werden kann. Anstelle einer einzelnen Feder kann die Dämpfungseinheit 10 in der Mitte zwischen zwei oder mehr Federn angeordnet oder zusammen mit anderen Arten von lasttragenden Gliedern verwendet werden, die elastisch oder federnd gelagert sind und eine relative Bewegung in Richtung längs der Linie zwischen den Befestigungsmitteln 52 und 53 zulassen.

Die F i g. 6 bis 8 zeigen verschiedene andere Ausführungsformen und Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Dämpfungseinheit. Die in den F i g. 6 und 7 dargestellte Dämpfungseinheit 70 besteht aus zwei starren Gliedern 71, 72, in Form von Schienen, die durch eine viskoelastische Schicht 73 voneinander getrennt sind. Mit den Schraubbolzen 74 wird das verhältnismäßig breite Glied 71 an der Unterseite eines Trägers 75 befestigt, der an der Obersehe an einem Pfeiler 76 befestigt ist. Das Glied 72 ist mittels Schraubbolzen 77 am Pfeiler 76 befestigt. Wenn gewünscht, kann das starre Glied 71 weggelassen werden, wobei der Träger 75 mit einer ebenen Unterseite versehen wird, an der die viskoelastische Schicht direkt angeklebt wird. In diesem Falle wird da> Glied 72 an den Träger 75 angeschraubt bis zwischcr der viskoelastischen Schicht 73 und der Fläche de> Trägers 75 eine feste Verbindung hergestellt ist. Die verwendeten Schraubbolzen können dann gelockert jedoch in gelockertem Zustand belassen werden, um zi verhindern, daß die Dämpfungseinheit 70 vom Traget 75 getrennt wird, wobei vorausgesetzt wird, daß die

ίο Löcher für die Schraubbolzen etwas weiter ah erforderlich bemessen werden.

Nach F i g. 8 kann ein Träger 80 mit einem Pfeiler 81 durch zwei Dämpfungseinheiten 82, 83 verbunder werden, von denen jede Einheit gleich der Dämpfungseinheit 70 ausgestaltet und am Träger 80 angebracht isi mit der Ausnahme, daß Mittel vorgesehen werder müssen, die ein Zusammenpressen der viskoelastischer Schicht 85 durch das Gewicht des Trägers 8C verhindern, wobei die Mittel 84 z. B. aus Rollenlager bestehen können, die eine Längsbewegung des Tragen 80 ermöglichen. Der Träger 80 kann am anderen Ende an einem anderen Pfeiler fest angebracht oder in der ir der F i g. 6 dargestellten Weise befestigt werden. Wenr gewünscht, können beide Enden des Trägers 80 sr verbunden werden, wie in der Fig.8 dargestellt, ohne daß eine starre Verbindung mit den Pfeilern besteh! Eine solche freischwebende Anordnung bewirkt eine hochgradige Dämpfung von unterhalb des Schallberci ches liegenden Schwingungen im Träger 80 und in darüberliegenden Fußboden. Solche Schwingunger waren bisher bei Fußböden, die über ausgedehnter pfeiierfreien Bezirken angeordnet waren, lästig.

Die in der F i g. 8 dargestellte Anordnung kann in det Weise abgeändert werden, daß der Träger 80 in dei Trägermitte 86 am Pfeiler 81 zusätzlich starr befestig wird. Dabei bewirken die Dämpfungseinheiten 82, 8: eine Dämpfung der Biegekräfte im Pfeiler, während die Anordnung nach der F i g. 8 auch eine Dämpfung dei Hin- und Herbewegung des Trägers 80 in bezug auf der Pfeiler 81 bewirken würde.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Dämpfen von an einem Bauwerk auftretenden, unterhalb des Schallbereichs liegenden Schwingungen, i. B. infolge von Windbelastung, unter Verwendung von Dämpfungseinheiten mit mindestens zwei starren Gliedern, die durch mindestens eine elastische Schicht miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Schicht (15, 15'; 73) aus viskoelasiischem Material besteht und daß die starren Glieder (11, 1Γ; 14; 71, 72) der Dämpfungseinheiten (10; 70) mit zwei Punkten des Bauwerks, die infolge der zu dämpfenden Schwingungen einer Relativbewegung unterworfen sind, derart verbunden sind, daß zwischen ihnen eine Scherbewegung entsteht, der die elastische Schicht (15, 15'; 73) Widerstand leistet, wobei diese im wesentlichen frei von statischer Beanspruchung ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinheit (10) aus drei starren Gliedern (11, 11' und 14) besteht, die durch zwei viskoelastische Schichten (15 und 15') miteinander verbunden sind, wobei die zwei äußeren Glieder (11 und 1Γ), die das dritte Glied (14) zwischen sich aufnehmen, mit dem gleichen Punkt des Bauwerks verbunden sind und das dritte Glied (14) mit einem entgegengesetzt liegenden Punkt des Bauwerks verbunden ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis Z dadurch gekennzeichnet, daß die viskoelastische Schicht (15, 15'; 73) eine Scherfestigkeit von mindestens 14 kg/cm² und eine Bruchdehnung von mindestens 100 % aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die viskoelastische Schicht (15, 15'; 73) einen Verlustfaktor von mindestens 0,5 aufweist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasübergangstemperatur der viskoelastischen Schicht (15, 15'; 73) 5 bis -50⁰C beträgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die viskoelastische Schicht (15, 15'; 73) aus einem Copolymer acrylischer Monomere besteht.