DE4109962A1

DE4109962A1 - Schwingungstilger zur verminderung von schwingungen an bauwerken

Info

Publication number: DE4109962A1
Application number: DE4109962A
Authority: DE
Inventors: Arnulf Dr Ing Traetner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-29
Filing date: 1991-03-22
Publication date: 1991-10-02
Also published as: DD293164A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Tilgung horizontaler wind erregter Schwingungen an schwingungsgefährdeten Bauteilen und Baukonstruktionen, wie z. B. Schornsteine, Fernseh-, Funk- oder Aussichtstürme. Die Lösung findet Anwendung bei Bauwerken mit größeren erforderlichen Tilgermassen.

Die Methode der passiven Schwingungskontrolle am Hauptsystem angekoppelter Zusatzsysteme gehört zum Stand der Technik. Es ist eine Vielzahl von Schwingungstilgern entwickelt worden, die insbesondere winderregte Schwingungen bei hohen schlanken Bauwerken, wie z. B. Schornsteine, Fernseh-, Funk- oder Aus sichtstürme, abmindern.

- DD-PS 69 191 (angependelte Masse mit verstellbarer Pendellänge und räumlich angeordneten Dämpfungselementen)
- DE-OS 28 06 757 (Drahtseil-Schraubenfedern dienen als Feder-Dämpfer-Elemente)
- DE-OS 25 09 001 (Federelement ist ein elastisches Trage glied)
- DE-AS 15 59 243 (Dämpfung erfolgt in einem mit Öl ge füllten Gefäß, das mit einer einstellbaren Heizung versehen ist)
- DE-AS 12 75 759 (Gefäß, das mit einer als Dämpfungsmasse vorhandenen viskosen Flüssigkeit teilweise gefüllt ist)
- DE-AS 12 27 633 (Dämpfermasse wird auf einem fest mit dem Bauwerk verbundenen Bauteil gegenüber die sem verschiebbar aufgelegt. Kopplung erfolgt im Bewegungszustand nur durch Reibungskräfte)
- DE-OS 27 18 962 (Gasfeder-Anordnung)

Über den erstmaligen erfolgreichen Einsatz eines passiven Zusatzsystems zur Abminderung der Rollbewegung eines Schiffes wurde von P. Watts berichtet (On a method of reducing the rolling of ships at Trans. Inst. Nav. Architekt, 1883). Dyna mische Schwingungsdämpfer wurden zunächst vor allem im Maschinenbau eingesetzt. Im Bauwesen fanden passive bzw. semi aktive Schwingungskontrollen unter Zuhilfenahme von Zusatz systemen in den Fällen CN-Tower, Toronto (Isyumov u. a. Fullscale and wind tunnel model wind-induce response of the CN tower, Toronto, Canada. Report from Boundary Layer Wind Tunnel Laboratorium, University of Western Ontario, London, Canada, 1985), Citicorp-Center New York (Petersen: Design of large scale tuned mass dampers) sowie im John Hancock Building, Boston (Tuned mass dampers steady sway of skyscrapers in wind. Ing. New Record, August 1977) Anwendung.

In der Bundesrepublik wurden Zusatzsysteme u. a. zur Beruhigung von Fußgängerbrücken eingesetzt (Hirsch: Kontrolle d. wind- und erdbebenerregten Schwingungen weitgespannter Schrägseil brücken. VDI-Berichte 419, 1981).

In zunehmendem Maße werden dynamische Schwingungstilger zur Beherrschung wirbelerregter Querschwingungen an hohen schlanken Bauwerken eingesetzt. Über Erfahrungen vom praktischen Einsatz von Dämpfersystemen berichteten:

Langer, W.:
Querschwingungen hoher schlanker Bauwerke mit kreisförmigem Querschnitt
IfL-Mitteilungen 8 (1969), Heft 5

Hirsch, G.:
Kritischer Vergleich von aktiven und passiven Dämpfungssystemen zur Unterdrückung winderregter Schwingungen schlanker Strukturen.
Beiträge zur Anwendung der Aeroelastik im Bauwesen, TU München, 1980, H. 11

Adler, P.; Hirsch, G.:
Dämpfung winderregter Schwingungen von Stahlschornsteinen in Gruppenanordnung.
Bautechnik 7/1986

Petersen, C.:
Windinduzierte Schwingungen und ihre Verhütung durch Dämpfer
Der Stahlbau 11/1982

Hagedorn, P.:
Tanzschwingungen in Freileitungen und ihre Unterdrückung
VDI-Verlag 1986

Pacht, H.:
Schwingungsuntersuchungen an stählernen Turmbauwerken wie Maste und Schornsteine aus der Sicht der Praxis
In: VDI-Berichte 221

Narnse, T.; Hirashima, Y.:
Entwicklung eines passiven dynamischen Schwingungsdämpfers
Stahlbau 7/1987

Die gebräuchlichste konstruktive Ausbildung von Schwingungs dämpfern besteht in einer angependelten Masse und einem Dämpfer element. Die Rückstellkraft wird dabei nicht aus einer Feder, sondern aus der Gravitation bezogen. Als Dämpferelemente dienen zum Beispiel Stoßdämpfer oder Reibelemente. Die konstruktive Beschränkung ergibt sich aus der erforderlichen Pendellänge. Für f ≧ 0,8 bis 0,9 Hz wird die Pendellänge zu kurz, für f ≦ 0,4 bis 0,5 Hz wird sie zu lang. Neben dem Pendeldämpfer system existieren noch weitere Systeme wie Flüssigkeitstanks mit viskosem Fluid. Die Dimensionierung dieser Systeme ist schwieriger und unsicherer.

Ziel der Erfindung ist es, einen Schwingungstilger mit einer dauerhaften Funktionstüchtigkeit, einer weitgehenden Witterungs unabhängigkeit und Wartungsfreiheit zu entwickeln. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schwingungs tilger mit einer bestimmten Tilgermasse in eine gegenüber der Schwingung des Bauwerkes phasenverschobene Bewegung zu bringen, sobald die durch Schwingungen ausgeübte Beschleunigung einen bestimmten Wert übersteigt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die aus einem fest mit dem Bauwerk verbundenen kreiszylindri schen oder kreisringförmigen Gehäuse besteht. Auf der Grund platte des Gehäuses sind gleichmäßig über den gesamten Umfang verteilt mindestens drei auswechselbare Kugelkalotten befestigt, auf denen sich je eine Kugel in jeder beliebigen Richtung bewegt. Erfindungswesentlich ist hierbei, daß, wenn die Kugel kalotte die Form einer Zykloide besitzt, eine konstante Tilger frequenz vorhanden ist. Die Rückstellkraft wird durch das Rollen der Kugel in der Kugelkalotte erzeugt. Erfindungswesentlich ist weiterhin, daß direkt über den unteren Kugelkalotten, auf den Kugeln aufliegend, auswechselbare Kugel kalotten angeordnet sind, die mit dem Behälter der Tilgermasse starr verbunden sind.

Erfindungsgemäß ist eine Ringanordnung oder eine Zylinderan ordnung des Schwingungstilgers am Bauwerk möglich. Bei der Ringanordnung sind in dem kreisringförmigen Gehäuse außerdem mit der Tilgermasse starr verbundene Dämpfungszylinder vor handen. Das Dämpfergehäuse ist teilweise mit einer Dämpfungs flüssigkeit, vorzugsweise hochviskoses Silikonöl, gefüllt. Die Dämpfungswirkung wird durch die Bewegung der Dämpfungs zylinder in der hochviskosen Dämpfungsflüssigkeit erzielt. Bei der Zylinderanordnung wird die Dämpfungswirkung durch die Bewegungen des Behälters der Tilgermasse in der Dämpfungs flüssigkeit erreicht.

Erfindungswesentlich ist weiterhin, daß bei großen Relativbe wegungen zwischen Bauwerk und Tilgermasse ein auf der Grund platte des Gehäuses bzw. des Dämpfergehäuses aufliegender Dämpfungsring wirksam wird.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Draufsicht auf das Bauwerk mit kreiszylindrischem Gehäuse (Innenanordnung),

Fig. 2 den Vertikalschnitt durch den Schwingungstilger (Zylinderanordnung),

Fig. 3 die Draufsicht auf das Bauwerk mit kreisringförmigen Gehäuse (Außenanordnung),

Fig. 4a, b den Vertikalschnitt durch den Schwingungstilger (Ringanordnung).

Fig. 1 zeigt eine fixierte Stellung der Zylinderanordnung des Schwingungstilgers. Das kreiszylindrische Gehäuse 1 des Schwingungstilgers ist fest mit der Konsolplatte 4 und dem Bauwerk 5 verbunden. Unter der Grundplatte des Gehäuses 1 sind gleichmäßig über den Umfang verteilt auswechselbare Kugel kalotten 3 angeordnet, zwischen denen sich je eine Kugel 2 (Masse einer Kugel m) bewegt. Zu diesem Zweck besitzen die Kugelkalotten 3 die Form von Kreisbögen oder von Zykloiden. Die auswechselbaren Kugelkalotten 3 sind fest verbunden mit dem Behälter 9 bzw. dem Gehäuse 1 (Fig. 2). Als Anschlagpuffer dienen die neben den unteren Kugelkalotten 3 befindlichen Ver gußteile 8 oder spezielle Anordnungen der Anschlagpuffer 13. Der Behälter 9 enthält die Tilgermasse 10. Die Kugeln 2 gewähr leisten die Bewegung des Behälters 9 mit der Tilgermasse 10 in jeder beliebigen Richtung.

Die Frequenz des Tilgers kann durch unterschiedliche Radien R der Kugelkalotten 3 und des Kugelhalbmessers r der Kugeln 2 verändert werden.

Die Dämpfung erfolgt durch die Bewegung der Tilgermasse 9, 10 in der Dämpfungsflüssigkeit 6. Als Dämpfungsflüssig keit 6 wird hochviskoses Silikonöl verwendet. Zur Dämpfungser höhung bei großen Relativbewegungen zwischen Gehäuse 1 und Behälter 9 ist zusätzlich ein Dämpfungsring 7 angeordnet. Die Dämpfung kann durch unterschiedliche Viskositäten bzw. die Menge der Dämpfungsflüssigkeit 6 variiert werden. Zur optimalen Tilgung von Schwingungen sowohl in der Grundfrequenz als auch in höheren Eigenfrequenzen können mehrere Schwingungsdämpfer übereinander angeordnet werden.

Fig. 3 zeigt die Außenanordnung des kreisförmigen Gehäu ses 1 des Schwingungstilgers. Analog zur Zylinderanordnung sind auch hier gleichmäßig verteilt auswechselbare Kugel kalotten 3 angeordnet, die ebenfalls die Form von Kreisbögen oder Zykloiden besitzen und auf denen Kugeln 2 in Bewegung geraten.

Wie aus Fig. 4a ersichtlich, sind über den Kugeln 2 aus wechselbare Kugelkalotten 3 angeordnet, die mit dem Be hälter 9 der Tilgermasse 10 fest verbunden sind.

Zwecks Einsparung von Silikonölen ist bei Ringanordnung des Schwingungstilgers die Dämpfungsflüssigkeit 6 in gesonderten Dämpfungsgehäusen 12 enthalten (Fig. 4b), in die die Dämpfungs zylinder 11 eintauchen. Die Tilgermasse ist als Ringmasse ange ordnet. Die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers f_o beträgt:

Es bedeuten:
m = Masse einer Kugel in kg

g = Erdbeschleunigung = 981 cm/s²
D = Dämpfungsmaß des Tilgers

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Gehäuse
2 Kugel
3 Kugelkalotte
4 Konsolplatte
5 Bauwerk
6 Dämpfungsflüssigkeit
7 Dämpfungsring
8 Vergußteil
9 Behälter der Tilgermasse
10 Tilgermasse
11 Dämpfungszylinder
12 Dämpfergehäuse
13 spezielle Anordnung für Anschlagpuffer

Claims

1. Schwingungstilger zur Verminderung von Schwingungen an Bauwerken, bestehend aus einem starr am Bauwerk befestig ten kreiszylindrischen oder kreisringförmigen Gehäuse, da durch gekennzeichnet, daß gleichmäßig über den Umfang ver teilt auswechselbare Kugelkalotten (3) auf der Grund platte des Gehäuses (1) befestigt sind, auf denen sich je eine Kugel (2) befindet und über den Kugeln (2) auswechsel bare Kugelkalotten (3) angeordnet sind, die mit dem Behälter (9) der Tilgermasse (10) starr verbunden sind.

2. Schwingungstilger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ringanordnung des Schwingungstilgers zusätzlich drei Dämpfergehäuse (12) mit Dämpfungszylinder (11) und Tilgermasse (10) angeordnet sind.

3. Schwingungstilger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kugelkalotte (3) die Form eines Kreis bogens oder einer Zykloide besitzt.

4. Schwingungstilger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gehäuse (1) bzw. das Dämpfergehäuse (12) teilweise mit einer Dämpfungsflüssigkeit, vorzugsweise hochviskoses Silikonöl, gefüllt ist.

5. Schwingungstilger nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß auf der Grundplatte des Gehäuses (1) bzw. des Dämpfergehäuses (12) ein Dämpfungsring (7) aufliegt.