DE3006010A1

DE3006010A1 - DAMPING OF CONSTRUCTIONS

Info

Publication number: DE3006010A1
Application number: DE19803006010
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. 8000 München Bschorr
Original assignee: Individual
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-02-18
Filing date: 1980-02-18
Publication date: 1981-08-20
Also published as: EP0037884A1; JPH0236743B2; JPS56135675A

Description

Dr. rer. nat. O. BschorrDr. rer. nat. O. Bschorr

Keplerstraße 11 D - 8000 München 80Keplerstrasse 11 D - 8000 Munich 80

27. Januar 1980January 27, 1980

DÄMPFUNG VON BAUWERKENCUSHIONING OF BUILDINGS

Gegenstand der Erfindung ist Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung von Bauwerken gegenüber Erschütterungen, insbesondere Erdbeben, Verkehrserschütterungen und Trittschall.The invention relates to a method and device for damping structures against vibrations, in particular Earthquakes, traffic vibrations and impact noise.

Während sich zur Dämpfung von Maschinenschwingungen weitgehend sekundäre Dämpfungsmittel durchgesetzt haben, sind im Bauwesen derartige Möglichkeiten unbekannt. Eine Ausnahme bilden lediglich die bei Stahlarmierungen vorgesehenen Fließgelenke, wo es zu plastischen Verformungen des umgebenden Betons kommt. Die dadurch verursachte Dämpfung wird bei der Dimensionierung von erdbebensicheren Bauten eingeplant. Diese Dämpfung setzt jedoch erst bei relativ großen Belastungen ein und hat irreversible Verformungen zur Folge. Unterhalb dieser Belastungsgrenze wirkt lediglich die relativ geringe Eigendämpfung der Baustoffe.While secondary damping means have largely prevailed for damping machine vibrations, im Such possibilities are unknown to the construction industry. The only exception are the plastic hinges provided for steel reinforcements, where there is plastic deformation of the surrounding concrete. The attenuation caused by this is used in the Dimensioning of earthquake-proof buildings planned. However, this damping only sets in with relatively high loads and results in irreversible deformations. Below this load limit, only the relatively low internal damping is effective the building materials.

Aufgabe der Erfindung ist Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Dämpfung von Bauwerken. Damit wird einmal die Erdbebensicherheit erhöht, als auch Bauwerkschwingungen durch Maschinen, Verkehrserschütterungen und Trittschall herabgesetzt,The object of the invention is a method and device for increasing the damping of buildings. This will make earthquake security one day increased, as well as structural vibrations caused by machines, traffic vibrations and impact noise reduced,

Die Aufgabe der Erfindung wird durch -bedampfte Stahleinlagen in Beton erreicht. Die Dämpfungseinlagen sind in Segmente der Länge 1 unterteilt (Fig. 1). Im Optimum besteht dabei zwischen Segmentlänge 1, dem Querschnitt F, dem Umfang U und demThe object of the invention is achieved by vapor-deposited steel inserts achieved in concrete. The damping inserts are divided into segments of length 1 (Fig. 1). In the optimum there is between Segment length 1, the cross section F, the circumference U and the

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

.ψ..ψ.

Elastizitätsmodul E der Stahlsegmente und der Dicke d und dem Schubmodul G des Dämpfungsmaterials die Berechnung:Modulus of elasticity E of the steel segments and the thickness d and the shear modulus G of the damping material the calculation:

² G" ² G "

Im weiteren ist ein Dämpfungsstoff mit möglichst rein plastischem Verhalten G = i G" vorausgesetzt. Diese Eigenschaften erfüllen Stoffe mit Newton'sehen Reibungseigenschaften, wie Hochpolymere, Teere oder auch Festkörperschmierstoffe, z. B. Graphit.Furthermore, a damping material is as purely plastic as possible Behavior G = i G "provided. These properties meet substances with Newtonian frictional properties, such as High polymers, tars or solid lubricants such. B. graphite.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Dämpfungseinlagen nicht vollständig durchgetrennt, sondern erhalten im Abstand 1 Einschnitte, Kerbungen oder Bögen. Derartige Eingriffe bewirken eine Herabsetzung der Federsteifigkeit, so daß bei Schwingungsbelastung der Kraftfluß nicht innerhalb der Stahleinlage verläuft, sondern über die Dämpfungsschicht von einem Segmentteil'zum anderen"übertragen wird.According to a further feature of the invention, the damping inserts are not completely severed, but are retained in the Distance 1 cuts, notches or arcs. Such interventions cause a reduction in the spring stiffness, so that at Vibration load the power flow does not run within the steel insert, but through the damping layer of one Segment part 'to the other' is transferred.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird konventioneller Baustahl mit einem dämpfenden Kunststoffmantel umgeben. Bei einer Schwingungsbewegung kommt es zu plastischen Verformungen im Kunststoffmantel und dadurch zu einer Dämpfung von Bauwerkerschütterungen .Another feature of the invention becomes more conventional Structural steel surrounded by a damping plastic jacket. In the case of a vibratory movement, plastic deformations occur in a plastic jacket and thereby dampening structural vibrations .

Der Erfindungsgegenstand ist in einigen Ausführungsbeispielen detaillierter dargestellt. Es zeigen:The subject matter of the invention is shown in more detail in some exemplary embodiments. Show it:

Fig. 1 Dämpfungseinlage mit Stahlsegmenten,Fig. 1 damping insert with steel segments,

Fig. 2 Dämpfungseinlage mit teilweise unterbrochenen Stahlsegmenten, Fig. 2 damping insert with partially interrupted steel segments,

Fig. 3 Dämpfungseinlage mit bogenförmigen Unterbrechungen des Kraftflusses,Fig. 3 damping insert with curved interruptions in the power flow,

Fig. 4 Dämpfungseinlage mit bogenförmigen Kraftflußunterbrechern (ohne Schutzmantel),Fig. 4 damping insert with curved power flow interrupters (without protective jacket),

Fig. 5 Dämpfungseinlage mit konischen StahlSegmenten,Fig. 5 damping insert with conical steel segments,

Fig. 6 Dämpfungseinlage mit konischen Stahlsegmenten (ohne Schutzmantel),Fig. 6 damping insert with conical steel segments (without protective jacket),

- 3 130034/0571 - 3 130034/0571

Fig. 7 Dämpfungseinlage mit ummanteltem Baustahl, Fig. 8 Dämpfungseinlage aus Baustahl ohne Schutzmantelung, Fig. 9 a (b) Draufsicht (Querschnitt) durch plattenförmigeFig. 7 damping insert with coated structural steel, Fig. 8 damping insert made of structural steel without protective coating, Fig. 9 a (b) plan view (cross section) through plate-shaped

Dämpfungseinlage/
Fig. 10 Anordnung von Dämpfungseinlagen.Cushioning insert /
Fig. 10 arrangement of damping inserts.

Fig. 1 stellt eine Grundausführung der Dämpfungseinlage dar. Sie besteht aus Stahlsegmenten 1 mit der Länge I, dem Radius R und dem Elastizitätsmodul E. Diese wird mit einer Blechhülse 2 ummantelt. Zwischen Stahlsegment 1 und Blechhülse 2 befindet sich ein Dämpfungsstoff 3, z. B. Hochpolymere, Teere, Feststoffschmiermittel, mit einem Gleitmodul G und der Dicke d: Die Blechhülse 2 hat Kröpfungen 5 und ist an der Oberfläche aufgerauht, um eine kraftschlüssige Verbindung mit dem umgebenden Beton zu gewährleisten. - Ist der mit einer Dämpfungseinlage bewehrte Beton einer Schwingbelastung ausgesetzt, so wird die Schwingungskraft über die Blechhülse 2 und Dämpfungsstoff 3 auf die Stahlsegmente 1 übertragen. Durch die Unterbrechungen 4 kann der Kraftfluß nicht von Stahlsegment zu Stahlsegment übertragen werden, sondern tritt an den Unterbrechungen 4 über dem Dämpfungsstoff 2 wieder aus. Durch diesen Wechsel wird der Dämpfungsstoff optimal genutzt. Es läßt sich zeigen, daß eine solche Anordnung mit den 3 Optimumsbedingungen:Fig. 1 shows a basic version of the damping insert. It consists of steel segments 1 with the length I, the radius R. and the modulus of elasticity E. This is covered with a sheet metal sleeve 2. Located between steel segment 1 and sheet metal sleeve 2 a damping material 3, z. B. high polymers, tars, solid lubricants, with a sliding module G and the thickness d: The sheet metal sleeve 2 has cranks 5 and is roughened on the surface, to ensure a positive connection with the surrounding concrete. - Is the one with a cushioning insert If reinforced concrete is exposed to a vibration load, the vibration force is transmitted via the sheet metal sleeve 2 and the damping material 3 transferred to the steel segments 1. Due to the interruptions 4, the power flow cannot be transmitted from steel segment to steel segment but emerges again at the interruptions 4 above the damping material 2. With this change, the Optimal use of damping material. It can be shown that such an arrangement with the 3 optimum conditions:

1)
2)1)
2)

3)3)

wie ein homogener Stab behandelt werden kann mit einem Verlustmodul can be treated like a homogeneous rod with a loss modulus

■ρ" — 3 -p,
ü. - ₈ ü.■ ρ "- 3 -p,
ü. - ₈ o.

Bekanntlich ist dieser maßgebend für eine irreversible Vernichtung von Schwingungsenergie. Gegenüber den im Maschinenbau üblichen organischen Antidröhnbelägen hat eine derartige Dämpfungseinlage eine um 2-4 Zehnerpotenzen höhere Dämpfüngswirkung. As is well known, this is decisive for irreversible destruction of vibrational energy. Compared to the organic anti-drumming coverings customary in mechanical engineering, such a damping insert has a damping effect that is 2-4 powers of ten higher.

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30Q6Q1030Q6Q10

Eine verbesserte Dämpfungswirkung bis zum maximal höchsten Wert E" = 1/2 E ergibt sich, wenn nur die Enden der Stahlsegmente 1 mit Dämpfungsstoff 3 versehen sind.An improved damping effect up to the maximum Value E "= 1/2 E results if only the ends of the steel segments 1 are provided with damping material 3.

Fig. 2 ist im wesentlichen analog zu Fig. 1. Hier besteht die Dämpfungseinlage aus Stahlsegmenten 11, die nicht vollständig getrennt sind, sondern lediglich durch Einschnitte 14 eine verringerte Federkonstante gegenüber Zug aufweisen und ebenso eine Unterbrechung des Kraftflusses bewirken. Im weiteren hat die Dämpfungseinlage eine Blechummantelung 12 mit Kröpfungen und Dämpfungsstoff 13. Dieser ist vorzugsweise an den Enden der Stahlsegmente angebracht. Eine solche Anordnung ergibt den maximal möglichen Verlustmodul E" = 1/2 E.FIG. 2 is essentially analogous to FIG. 1. Here there is the Damping insert made of steel segments 11 that are not completely are separated, but only have a reduced spring constant with respect to tension by incisions 14 and likewise cause an interruption of the power flow. In addition, the damping insert has a sheet metal casing 12 with crankings and damping material 13. This is preferably attached to the ends of the steel segments. Such an arrangement gives the maximum possible loss module E "= 1/2 E.

In Fig. 3 ist durch Bögen 24 eine Unterteilung in Stahlsegmente erreicht. Diese sind wieder von einem Dämpfungsbelag 23 und einem Blechmantel 22 mit Kröpfungen 25 umgeben.In Fig. 3 a subdivision into steel segments is achieved by arches 24. These are again from a damping lining 23 and surrounded by a sheet metal jacket 22 with bends 25.

Fig. 4 ist vergleichbar mit der Ausführung nach Fig. 3. Die Dämpfungseinlage ist wieder durch Bögen 34, die eine herabgesetzte Federkonstante gegenüber Zugbelastung aufweisen, in einzelne Stahlsegmente 31 unterteilt. Die Stahlsegmente 31 sind mit einem dämpfenden Kunststoff 33 umgeben. Wird die Dämpfungseinlage in Beton eingegossen, so kommt es in der Dämpfungsschicht 33 zu plastischen Verformungen. Für die Dimensionierung der Dämpfungsschicht 33 und Länge, Querschnitt und Elastizitätsmodul der Stahlsegmente 31 gelten analog die bei Fig. 1 angegebenen Formeln. Die Länge der Stahlsegmente 31 ist der Abstand zwischen den Bögen 34.Fig. 4 is comparable to the embodiment of Fig. 3. The The damping insert is again formed by arches 34, which have a reduced spring constant with respect to tensile load individual steel segments 31 divided. The steel segments 31 are surrounded by a damping plastic 33. If the damping insert is poured into concrete, it occurs in the damping layer 33 on plastic deformations. For the dimensioning of the damping layer 33 and the length, cross section and modulus of elasticity the formulas given in FIG. 1 apply analogously to the steel segments 31. The length of the steel segments 31 is the distance between the arches 34.

In Fig·. 5 ist die Dämpfungseinlage durch konische Verjüngungen in einzelne Stahlsegmente 41 unterteilt. Diese sind wieder mit einem dämpfenden Stoff 43 umgeben, während das Ganze von einem Blechmantel 42 umschlossen ist. Die Dämpfungseinlage wird, vergleichbar dem konventionellen Baustahl, in den Beton mit eingegossen. Um eine sichere Kraftübertragung zu gewährleisten, ist der Blechmantel 42 mit Noppen 45 versehen.In Fig. 5 is the cushioning insert with conical tapers divided into individual steel segments 41. These are again surrounded by a dampening material 43, while the whole of a Sheet metal jacket 42 is enclosed. Similar to conventional structural steel, the damping insert is cast into the concrete. In order to ensure reliable power transmission, the sheet metal jacket 42 is provided with knobs 45.

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3QUOUtU3QUOUtU

Für die optimale Dimensionierung der Dämpfungseinlage gelten analoge Beziehungen wie bei Fig. 1. Haben die Stahlsegmente den Elastizitätsmodul E, die Länge 1 (von Verjüngung zu Verjüngung) und den maximalen Radius R₇ und der Dämpfungsstoff die Dicke d und den Gleitmodul G, so ergibt sich mit den Einstellbedingungen For the optimal dimensioning of the damping insert, analogous relationships apply as in Fig. 1.If the steel segments have the modulus of elasticity E, the length 1 (from taper to taper) and the maximum radius R ₇ and the damping material has the thickness d and the sliding modulus G, then deal with the setting conditions

1) d « R1) d «R

o\ ι - JL d R
G _±2 o \ ι - JL d R
G _± 2

3) G = i G"
der maximal mögliche Verlustmodul E" = 1/2 E.3) G = i G "
the maximum possible loss module E "= 1/2 E.

Fig. 6 unterscheidet sich von Fig. 5 durch Verzicht auf einen schützenden Blechmantel. Durch Verjüngungen 54 ist die Dämpfungseinlage wieder in einzelne Stahlsegmente 51 unterteilt, die mit einem Dämpfungsstoff 53 umgeben sind. Die Dämpfungseinlage wird direkt in Beton eingegossen.FIG. 6 differs from FIG. 5 by dispensing with a protective sheet metal jacket. The damping insert is tapered 54 again divided into individual steel segments 51 which are surrounded by a damping material 53. The cushioning insert is poured directly into concrete.

In Fig. 7 besteht die Dämpfungseinlage aus einem konventionellen, durchgehenden Baustahlstab 61. Dieser ist von einem Dämpfungsstoff 63 umgeben und von einem Blechmantel 62 eingeschlossen. - In FIG. 7, the damping insert consists of a conventional, continuous structural steel rod 61. This is surrounded by a damping material 63 and enclosed by a sheet metal jacket 62. -

Setzt man die halbe Wellenlänge λ/2 einer Schwingung mit der Segmentlänge 1 nach den Fig. 1-4 gleich, so bestehen die gleichen Dimensionierungsvorschriften für optimale Dämpfungseigenschaften. Um eine für alle Wellenlängen maximale Dämpfung zu erreichen, ist es zweckmäßig, einen Dämpfungsstoff 63 zu verwenden, dessen Schubmodul mit der Frequenz v*> zunimmt. Viskose Stoffe mit Newton'scher Flüssigkeitsreibung erfüllen diese Forderung. Der Schubmodul eines solchen Stoffes mit der Zähigkeit /u hat den Schubmodul G = i G" = i t^yu.If one sets half the wavelength λ / 2 of an oscillation with the segment length 1 according to FIGS. 1-4, the same dimensioning rules for optimal damping properties. A maximum attenuation for all wavelengths To achieve, it is expedient to use a damping material 63 use whose shear modulus with the frequency v *> increases. Viscous materials with Newtonian fluid friction meet this requirement. The shear modulus of such a material with toughness / u has the shear modulus G = i G "= i t ^ yu.

In Fig. 8 ist die Dämpfungseinlage analog zu Fig. 7 durch einen im wesentlichen konventionellen Baustahlstab 71 gebildet, der filmartig von einem Dämpfungsstoff 73 umgeben ist.In Fig. 8, the damping insert is formed analogously to FIG. 7 by an essentially conventional structural steel rod 71, the is surrounded by a damping material 73 in the manner of a film.

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Dieser besteht aus einem gegenüber· Beton beständigen Kunststoff bzw. einer Bitumenschicht.This consists of a plastic that is resistant to concrete or a bitumen layer.

Während in den oben genannten Ausführungsbeispielen jeweils streifenförmige Dämpfungseinlagen beschrieben wurden, stellt die Ausführung nach Fig. 9 ein fiächenhaftes Dämpfungselement dar. Es besteht aus Blechquadraten 81, die durch Kröpfungen gegenüber Zugspannungen entkoppelt sind. Die Blechquadrate sind mit einem Dämpfungsstoff 83 versehen und befinden sich an der Unter- oder Oberseite an der zu dämpfenden Wand. Durch Haken 86 ist eine feste Verbindung gewährleistet. In dieser Form kann das Dämpfungselement als "Antidröhnbelag" aufgefaßt werden. Die Dimensionierung ist analog zu Fig. 1, wobei sich die Segmentlänge 1 und die Seitenlänge der Blechquadrate 81 entsprechen. -While strip-shaped damping inserts were described in each of the above-mentioned exemplary embodiments, represents the embodiment according to FIG. 9 is a flat damping element. It consists of sheet metal squares 81, which are cranked are decoupled from tensile stresses. The sheet metal squares are provided with a damping material 83 and are located on the bottom or top of the wall to be dampened. A firm connection is ensured by hooks 86. In this Shape, the damping element can be understood as "anti-drumming covering". The dimensioning is analogous to FIG. 1, whereby the segment length 1 and the side length of the sheet metal squares 81 correspond. -

Mit entsprechend reduzierten Längen lassen sich neben den quadratischen auch drei- und sechseckige Grundrißformen der Blechquadrate 81 einsetzen.With correspondingly reduced lengths, in addition to the square also use triangular and hexagonal outlines of the sheet metal squares 81.

Die Dämpfungseinlagen nach Fig. 1 -·8 werden analog der Baustahlbewehrung in den Beton mit eingegossen. Für eine Verdoppelung der Eigendämpfung ist dabei ein Bewehrungsgrad von 1 - 3 %o ausreichend. Die Dämpfungswirkung ist am höchsten, wenn die Dämpfungseinlage möglichst weit von der neutralen Faser entfernt in den Randpartien und an Spannungskonzentrationen in Ecken angeordnet werden. Außerdem ist es möglich, die Dämpfungseinlagen - auch nachträglich - außen anzubringen. Hierbei ist lediglich für eine gute kraftscnlüssige Verbindung Sorge zu tragen.The damping inserts according to FIGS. 1-8 are analogous to the structural steel reinforcement poured into the concrete. A degree of reinforcement of 1 - 3% o. Is required to double the internal damping sufficient. The damping effect is greatest when the damping insert is as far away as possible from the neutral fiber in the edge areas and at stress concentrations in corners. It is also possible to use the damping inserts - also afterwards - to be attached outside. It is only necessary to ensure a good non-positive connection.

Über diese konventionellen Anordnungen hinaus ist in Fig. 10 eine weitere Einbringung dargestellt. Hierbei wechselt die Dämpfungseinlage von Ober- zu Unterseite der Wand. Eine solche Anordnung ergibt höhere Belastungen und damit auch höhere Dämpfungen.In addition to these conventional arrangements, FIG further introduction shown. The damping insert changes from the top to the bottom of the wall. Such an arrangement results in higher loads and thus also higher attenuation.

Herstellungsmäßig am einfachsten ist es, die als Schutz vorgesehenen Ummantelungen aus Blechstreifen zu bilden und die EndenIn terms of production, the easiest way is to use those provided as protection Form sheaths from sheet metal strips and the ends

,.■.■■·■:.■,:,■ v. V-:: - 7 -,. ■. ■■ · ■:. ■,:, ■ v. V- :: - 7 -

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: -^: l· 3UU0U ΐυ: - ^: l · 3UU0U ΐυ

zusammenzubördeln. Die Bördelnaht kann dabei gleichzeitig als Formschlußverbindung zwischen Blechmantel und Beton ausgebildet werden. Dazu kann auch ein spiraliger Umlauf der Bördelnaht vorteilhaft sein. Bei diesem Herstellungsverfahren ist es auch zweckmäßig, den Dämpfungsstoff an den Blechstreifen aufzutragen.beaded together. The flanged seam can be used at the same time Form-fitting connection between sheet metal jacket and concrete are formed. This can also be done by spiraling the flanged seam around be beneficial. In this manufacturing process, it is also expedient to apply the damping material to the sheet metal strip.

Designation key ·;

1 Stahlsegment1 steel segment

2 Mantel2 coat

3 Dämpfungsstoff3 damping material

4 Segmentunterbrechung4 segment interruption

5 Mantelkröpfungen5 cuffs

6 .Sonstiges (Haken Fig. 9)6. Miscellaneous (hook Fig. 9)

BAD ORIGINAL - 8 -BATHROOM ORIGINAL - 8 -

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L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

PROTECTION CLAIMS

.J Method and device for damping structures, in particular concrete elements, characterized in that damping inserts, consisting of steel segments (1, 11, 21, 31, 41, 51), which are force-locked by interruptions (4), incisions (14), arches ( 24, 34), cross-sectional tapers (44, 54) are decoupled from one another, and which are surrounded in a film-like manner with a damping material (3, 13, 23, 33, 43, 53) and for protection with a sheet metal jacket (2, 12, 22, 42) are to be poured into the concrete or attached to the component to be damped in a non-positive manner.

2. damping insert according to claim 1, characterized in that the cross-sectional area F, the length 1, the circumference U. and the modulus of elasticity E of the steel segments and film thickness d and sliding modulus G of the damping material according to the Optimization conditions

DD. G =G = ii G"G" dd FF. 2)2) 22 EE. I² I ² UU G"G"

are matched.

3. damping insert according to claims 1 and 2, characterized in that that continuous steel rods (61, 71) are surrounded by a damping film (63, 73), the sliding module of which accordingly the Newton's see friction characteristics with increasing Vibration frequency becomes larger.

4. damping inserts according to claims 1 to 3, characterized in that that when using a concrete-resistant damping material such. B. Plastic and bitumen, the protective coating is saved with a sheet metal jacket.

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5. damping inserts according to claims 1 to 4, characterized in that that this is preferred in the range of stress concentrations, e.g. B. corners, edge areas or wavy can be attached from the top to the bottom.

6. damping inserts according to claims 1, 2 and 4, thereby characterized / that a sheet metal surface is subdivided into sheet metal squares (81) by crankings (84) and these are coated with damping material (83) and attached to the component to be damped will.

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