WO2023025780A1 - Flüssigkeitstilger zum tilgen und dämpfen von schwingungen an bauwerken - Google Patents

Flüssigkeitstilger zum tilgen und dämpfen von schwingungen an bauwerken Download PDF

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WO2023025780A1
WO2023025780A1 PCT/EP2022/073444 EP2022073444W WO2023025780A1 WO 2023025780 A1 WO2023025780 A1 WO 2023025780A1 EP 2022073444 W EP2022073444 W EP 2022073444W WO 2023025780 A1 WO2023025780 A1 WO 2023025780A1
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WO
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fluid
damping
liquid
container
damper
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PCT/EP2022/073444
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kersten Latz
Sebastian VÖLKEL
Thomas Bittermann
Hannah KLINNER
Anne SCHILDHAUER
Kay-Henning KRUSE
Original Assignee
Hochschule Wismar
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/1034—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect of movement of a liquid

Definitions

  • Fluid absorber for absorbing and dampening vibrations in buildings
  • the invention relates to a liquid absorber for absorbing and dampening vibrations in buildings, especially in slender, vertically oriented buildings.
  • Slim, vertically oriented structures such as high-voltage pylons (HSM), wind turbines (WKA) and high-rise buildings (HH) can be susceptible to vibration with a correspondingly slim design.
  • the dynamic effects such as wind, earthquakes (HH) and waves (offshore wind turbines) generally cover a wide frequency spectrum.
  • the supporting structure In order to avoid resonance vibrations, the supporting structure must either be stiffened or reinforced with complex damping and damping measures.
  • Fluid absorbing design are used to reduce the vibrations of chimneys, cables of cable-stayed bridges and hangers of arch bridges. "Skyscrapers" are occasionally equipped with pendulum and liquid absorbers.
  • the basic principle of this type of vibration cancellation or damping assumes that in a cell that is not completely filled with the fluid, the fluid sloshes in the form of a wave, hits an end wall of the cell and is reflected by it, and into the running back in the opposite direction.
  • the forces exerted by the fluid on the cell walls counteract the vibration and thus have a canceling effect.
  • the publication EP 0 686 733 B2 discloses an invention which relates to a vibration damper for components or buildings (B) that are at risk of vibration and consists of at least one container filled with a liquid (F), the mass, the sloshing frequency and the self-damping behavior of the liquid ( F) are tuned to a natural frequency to be damped of the structure (B) that is at risk of vibration.
  • each container wall (W) delimiting the liquid surfaces (O) from the center point (M) of the liquid surface (O) on the plane of the liquid surface (O) running perpendicular bisectors of the line of intersection (S) of the plane of the liquid surface (O) with the corresponding container wall (W) approximately the same size.
  • US-A-4 951 441 discloses a damping device having a liquid vessel into which a liquid having a ripple water surface is injected so that the ripple movement direction of the ripple water surface is in the longitudinal direction of the vessel.
  • Damping members are provided to dampen sloshing of liquid in the liquid vessel, and wave absorbing devices are arranged at a part that is not always soaked in liquid in the liquid vessel. Accordingly, the vibration of a structure that occurs due to wind, earthquake and the like becomes through the viscous drag occurring between the fluid and the damping elements is absorbed and the vibration is limited.
  • the damping performance can be exercised efficiently by providing various installation arrangements.
  • the document DE 3 640 479 A1 discloses an adjustment device for narrow structures with adjustable parts for active or passive deformation control with unhindered thermal expansion without additional damping composition. Via adjustable coupling functions, the excitation energy is converted or absorbed into dampening, supporting or stabilizing reaction energy for system optimization.
  • An omnidirectionally tuned fluid damper comprises an outer wall (10) which is circular in shape, an inner wall (20) which is circular in shape, a bottom component (30) which is annular in shape and connects the inner and inner walls, outer walls at the bottom and an annular A cover connecting the inner and outer walls at the top to close a space (40) formed between the inner and outer walls to contain liquid and reduce vibrations due to the sloshing action of the liquid.
  • the utility model CN 201 217 859 Y discloses an energy-dissipating shock-absorbing annular water tank, which relates to an energy-dissipating and shock-absorbing device.
  • the energy-dissipating shock-absorbing annular water tank of a building is mainly used for a building, and uses a liquid damping method.
  • the building's shock-absorbing annular water tank is provided with at least one annular water tank provided with a water inlet and a water outlet, and a water source is connected outside the water inlet and the water outlet.
  • the ring-shaped water tank When used, the ring-shaped water tank is placed horizontally on an upper layer or/and a device conversion layer of a building structure, and fire protection and life water can be used as liquid in the ring-shaped water tank connected to a water supply system.
  • the energy-dissipating shock-absorbing annular water tank can be used for shock-proof design of the building structure or to improve the existing building structure, necessary fire protection and living water are sufficiently used as a cushioning medium and placed at an appropriate height, no non-use load (extra mass) is added to the building structure, the center of gravity position of the building structure is not increased, the damping energy dissipation effect is increased, and a larger overturning moment of a reversed moment counterpart is formed.
  • an invention which relates to a hybrid vibration damping device with energy dissipation comprising a container, a particle system and a viscous fluid.
  • the particle system includes solid particles, the viscous liquid can be a single type of liquid, or multiple types of liquid are mixed together to form the viscous liquid, and the viscous liquid is housed in the container.
  • the particle system is arranged in the viscous liquid, can float in the viscous liquid, or be submerged at the bottom of the viscous liquid.
  • the viscous liquid can vibrate in the container.
  • a working mechanism of the vibration damping device for the hybrid energy dissipation is similar an operating mechanism of a tuned fluid damper, wherein the different types of fluids rub against each other to dissipate energy, a structural restoring force is provided for the lateral pressure of the container, and a structural amplitude is reduced.
  • the solid particles of the particle system collide with each other and rub against each other in the container to dissipate energy.
  • the viscous fluid rubs with the particle system or particles to dissipate energy.
  • the utility model CN 201 843 734 U discloses a tower vibration control system for generating wind power, which is based on an annular TLD (Tuned Liquid Damper), wherein the wind turbine comprises a foundation, a tower frame, a cabinet, a hub, blades and the annular TLD wherein the annular TLD is installed on the tower frame.
  • the TLD includes an annular tube, damping meshes and viscous fluid. The damping nets are evenly arranged in the ring-shaped tube. The viscous liquid is filled into the annular tube.
  • the annular tube is mounted at the top of the tower frame.
  • a tuned liquid damper (1) comprising a housing (2) with a cavity (3) within the housing and a first fluid (4) partially filling the cavity.
  • the inner surface of the cavity is essentially spherical.
  • the damper cell has an annular space (21) with an undivided annular shape with an inner ring height, with a horizontal base (25), circumferential Outer and inner walls (23, 24) and with the annular space in the annular height (H) from the bottom to the top terminating top wall (26).
  • annular space (21) with an undivided annular shape with an inner ring height, with a horizontal base (25), circumferential Outer and inner walls (23, 24) and with the annular space in the annular height (H) from the bottom to the top terminating top wall (26).
  • a large number of floating bodies (33) are provided, which float on the fluid surface. They enable effective and rapid damping of excited vibrations.
  • Liquid absorbers developed to date have shown non-linear effects in the operational state with slosh lengths of more than 80 cm (structures with natural frequencies ⁇ 1 Hz). It is also a disadvantage of the previous level of development that current absorbers have too low a damping level and allow only rough options for adjusting the degree of damping.
  • the object of the invention is to realize the possibility of fine adjustment with regard to the degree of damping and to develop a vibration absorber with optimal damping properties ("Den Hartog"), which significantly improves the response behavior in a wide frequency spectrum.
  • the solution is a liquid damper to absorb and dampen vibrations, in particular to avoid resonance vibrations and to increase the structural safety for slim, vertically oriented structures, such as high-voltage pylons, wind turbines, skyscrapers, floodlight masts or the like.
  • the liquid damper according to the invention has the following components: a container for accommodating a fluid and for accommodating floating bodies, the floating bodies being arranged in and/or on the fluid in such a way that they form a Reduce the surface wave of the fluid.
  • the liquid absorber has a load application system, which is designed to apply a force or pressure to the floating body.
  • a surface wave is a wave-like unsteady movement of the surface of the fluid.
  • a resulting surface wave of the fluid prevents a linear stationary damping behavior.
  • Structural vibrations can usually be described very well by linearized equations of motion.
  • a damper usually a spring-mass
  • the linearized vibration system can be manipulated in such a way that the response amplitude is identical to 0 when the resonance frequency of the original system is excited harmonically.
  • Two new resonant frequencies with associated eigenmodes arise. Neglecting the damping, there would be two poles in the frequency range. With the damping, the frequency response contains two local maxima at the new resonance points.
  • the absorber damping parameter can now be used to minimize the local maxima (the "den Hartog principle” or the "den Hartog damping”). This only works with a completely linear vibration behavior.
  • the added absorber damping must also behave approximately linearly. With a linear damping behavior, the damping force is linearly dependent on the speed and enables a precise setting of a damping level.
  • the floating bodies are arranged in layers in and/or on the fluid in order to avoid the formation of a surface wave.
  • the floating bodies are pellets and/or at least one buoyant, rigid plate. Other types of floats are conceivable. To better avoid the formation of a surface wave, at least one buoyant, rigid plate is arranged above the pellets. The pellets are preferably arranged in layers on the surface of the fluid.
  • the load application system is arranged on the at least one buoyant, rigid plate.
  • the buoyant, rigid plate is preferably arranged above the pellets.
  • the load application system has weights of different masses.
  • the load application system is designed in such a way that the degree of damping is finely adjusted by means of a variable selection of the weights. This takes place in that a force, in particular the inherent force of the weights, is applied to the floating bodies, as a result of which the floating bodies, in particular the pellets, are pressed into the fluid.
  • the selection of the weight to be applied has an influence on the friction between the floating bodies and thus on the degree of damping.
  • the load application system has a stamp with a drive unit, so that a force is applied to the floating body via the stamp by means of the drive unit if required.
  • the selection of the size of the force to be applied has an influence on the friction between the floating bodies and thus on the degree of damping.
  • the liquid absorber according to the invention has a control and regulation unit.
  • the control and regulation unit is designed to receive and process input variables in order to generate output variables based on the input variables.
  • the load application system can be based on the Input variables are controlled in such a way by the control and regulation unit that a weight force is applied to the floating body by means of the load application system.
  • a force is applied to the floating bodies, as a result of which the floating bodies, in particular the pellets, are pressed into the fluid.
  • This force can be adjusted to the current vibration situation by means of the control and regulation unit, from which continuous adaptability and/or fine adjustment of the degree of damping of the liquid damper is achieved.
  • the liquid absorber according to the invention has a device for adjusting a slosh length and/or for adjusting a fill level, with this device for adjusting a slosh length and/or for adjusting the fill level being designed in such a way that it has a slosh length in Container can change and / or this device for adjusting a sloshing length and / or for adjusting the filling level is designed such that it can change a filling level of the fluid in the container.
  • the corresponding device can have a pump system and/or an outflow and inflow system for filling the container with fluid and/or for emptying the container.
  • the corresponding device for changing the sloshing length can have a variably adjustable vertical wall in or on the container. Other means that can be used to change the fill level and/or to change the slosh length are conceivable.
  • the object is also achieved by means of a method for finely adjusted damping and damping of vibrations by means of a liquid damper, in particular to avoid resonance vibrations and to increase the structural safety for slim, vertically oriented buildings.
  • the method has the following method steps: a. recording of input variables, b. Calculation of a required damping measure based on the recorded input variables, c. Introduction of floating bodies in a liquid damper, d. Determining a force based on the required degree of damping and applying this force to floating bodies arranged in layers in the liquid absorber.
  • the input variables to be recorded are, for example, the acceleration of the structure, the amplitude of the vibration of the structure, the period of vibration of the structure, wind speeds and/or a change in the payload.
  • the required degree of damping is derived from the oscillating absorber mass, an absorber frequency and/or an absorber damping.
  • the floating bodies are dimensioned according to the degree of damping to be achieved using various parameters, such as size, shape, material, shape and quantity of the floating body.
  • the floating bodies can, for example, be in the form of pellets or be designed in the form of plates. It is conceivable to use different floating bodies.
  • the floating bodies are dimensioned in such a way that the desired/determined degree of damping is achieved together with the force to be applied.
  • the dimensioning takes place, for example, by means of calculation and/or experimentally.
  • the force to be applied is also determined by calculation, for example by means of CFD simulation, and/or experimentally.
  • the degree of damping increases by leaps and bounds.
  • damping levels of at least 10% can be achieved become.
  • the degree of damping can be finely adjusted by means of the application of force.
  • the object of the invention is achieved by improving the damping properties of the liquid damper. This is done, for example, by adding many small and buoyant bodies (“pellets”), e.g. made of Styrofoam or cork, to the liquid container in order to reduce the sloshing movements of the water surface very quickly and thus dampen the building vibrations. Non-linear effects are avoided, for example, by installing at least one floating, rigid plate over the pellets. Furthermore, the buoyant bodies are pressed against each other by the ballasting of the plate and thus the friction is increased, which is directly associated with an increase and/or manipulation of the degree of damping. This enables fine adjustment and a significant increase in damping.
  • pellets small and buoyant bodies
  • the user succeeds in greatly improving the response behavior (damping properties) for a wide frequency spectrum for the building to be created by using the fluid absorber according to the invention, as well as increasing the structural safety and usability and reducing the manufacturing costs of the building.
  • the effectiveness of the absorber is increased. As a result, the cost of materials and construction costs can be reduced. In the case of existing buildings, these can be saved and a new building avoided.
  • FIG. 1 shows liquid dampers according to the prior art
  • FIG. 2 shows liquid dampers with a layered arrangement of the floating bodies
  • liquid damper 1 In Figure 1 a) known in the prior art liquid damper 1 is shown. These liquid dampers have a container 2 with a liquid 3 on which floats 4, for example pellets 41 made of polystyrene, cork or similar materials float. By varying the amount of pellets, the degree of damping can be influenced and controlled. For buildings with an initial natural frequency of more than 1 Hz and correspondingly small containers in which a slosh length of less than 80 cm is achieved, a desired damping level can be set precisely. However, a linear damping behavior is only then possible if the surface of the fluid 3 remains flat.
  • FIG. 2 shows a liquid damper 1 with a container 2 which is designed to hold a liquid 3 .
  • Floating bodies 4 for example pellets 41
  • the pellets are arranged on the liquid 3.
  • the pellets are arranged in a single layer and achieve, for example, a damping rate (Lehr's damping) of 2% with defined dimensions of the container.
  • the pellets 41 are arranged in two layers, as a result of which an attenuation of 4% is achieved with the container having the same dimensions as in FIG. 2a).
  • the pellets 41 are arranged in three layers, as a result of which an attenuation of 6% is achieved with the container having the same dimensions as in FIGS. 2a) and 2b).
  • the disadvantage here is that the damping rate is increased by the layered arrangement of the floating bodies, but the damping rate increases only in leaps and bounds.
  • the "Den Hartog damping" for optimizing a damper requires a precise setting of the damping level, but intermediate steps, for example (based on the damping levels mentioned in Figure 2) 3%, 2.5% or 5% are not possible.
  • the increase in the degree of damping due to the layered arrangement of the floating bodies (pellets) is limited: for tanks with large sloshing lengths above a certain quantity of pellets, further increasing the number of layers no longer leads to an increase in damping. As a result, a required degree of damping of more than 6% cannot be achieved in this example.
  • the problems explained in FIG. 1 and FIG. 2 can be eliminated by the liquid absorber 1 according to the invention (shown in FIG. 4).
  • the liquid damper 1 according to the invention for absorbing and damping vibrations, in particular to avoid resonance vibrations and to increase the structural safety for slim, vertically aligned buildings has the following components: a container 2 for holding a fluid 3 and for holding floating bodies 4, the Floating bodies 4 are arranged in and/or on the fluid 3 in such a way that they reduce the formation of a surface wave of the fluid 3. Furthermore, the liquid damper has a load application system 5 for applying a force to the floating bodies 4 .
  • the floating bodies 4 are arranged in layers in and/or on the fluid 3 in order to avoid the formation of a surface wave.
  • the floating bodies 4 of the liquid absorber according to the invention are pellets 41 and/or at least one buoyant, rigid plate 42.
  • the buoyant, rigid plate 42 is arranged above the pellets 41 according to various embodiments.
  • the load application system 5 is preferably arranged on the at least one buoyant, rigid plate 42, wherein the buoyant, rigid plate 42 is preferably arranged above the pellets 41.
  • the buoyant, rigid plate 42 is preferably arranged above the pellets 41.
  • the load application system 5 has weights 51 of different masses, wherein, according to various embodiments, the load application system 5 is designed in such a way that a variable selection of the weights 51 is used to fine-tune the degree of damping, such that the adjustment of the weight 51 has an influence on the Friction between the Pelites 4 has and thus takes place to an increase and / or manipulation of the degree of damping.
  • load application system 5 of the liquid damper 1 has a stamp with a drive unit (not shown in the figures).
  • the load is not applied here by selecting different weights, but by the force application of the stamp, which is pressed onto the floating body with the drive unit.
  • the liquid damper according to the invention can have a control and regulation unit which is designed in such a way to receive and process input variables in order to then generate output variables based on the input variables.
  • the control and regulation unit can then use the generated output variables to control the load application system (based on the input variables) in such a way that a force is applied to the floating body 4 by means of the load application system.
  • the force applied which acts on the floating bodies, for example the pellets 4, these are pressed into the fluid 3. It is conceivable that the force is regulated in feedback to the current vibration situation, from which a continuous adjustability of the degree of damping of the liquid absorber 1 is made possible.
  • the liquid absorber 1 has a device for adjusting a slosh length and/or for adjusting a filling level, with this device for adjusting a sloshing length and/or for adjusting the filling level being designed in such a way that it has a sloshing length can change in the container 2 and/or wherein this device for adjusting a sloshing length and/or for adjusting the fill level is designed in such a way that it can change a fill level of the fluid in the container 2.
  • the corresponding device can have a pump system and/or a drain and feed system for filling the container 2 with fluid and/or for emptying the container 2 .
  • the corresponding device for changing the sloshing length can have a variably adjustable wall in or on the container 2 .
  • Other means that can be used to change the fill level and/or to change the slosh length are conceivable. Reference sign

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitstilger zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken, insbesondere an schlanken, vertikal ausgerichteten Bauwerken. Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Flüssigkeitstilger bereitzustellen, welcher eine Schwappwirkung eines Fluids im Flüssigkeitstilger vermindert. Ferner ist es Aufgabe einen Flüssigkeitstilger bereit zu stellen, welcher eine Erhöhung des Dämpfungsgrades bei Behältern mit Schwapplängen von mehr als 80 cm realisiert. Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung darin die Möglichkeit der Feinjustierung hinsichtlich des Dämpfungsgrades zu realisieren und einen Schwingungstilger mit optimalen Dämpfungseigenschaften („Den Hartog") zu entwickeln, der in einem breiten Frequenzspektrum das Antwortverhalten erheblich verbessert. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.

Description

Flüssigkeitstilger zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitstilger zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken, insbesondere an schlanken, vertikal ausgerichteten Bauwerken.
[0002] Schlanke, vertikal ausgerichtete Bauwerke wie Hochspannungsmaste (HSM), Windkraftanlagen (WKA) und Hochhäuser (HH) können bei entsprechend schlanker Bauweise schwingungsanfällig sein. Die dynamischen Einwirkungen wie Wind, Erdbeben (HH) und Wellenschlag (Offshore-WKA) decken im Allgemeinen ein breites Frequenzspektrum ab. Um Resonanzschwingungen zu vermeiden muss das Tragwerk entweder versteift oder mit aufwändigen Tilgungs- und Dämpfungsmaßnahmen verstärkt werden.
[0003] Flüssigkeitstilger Bauart werden zur Reduzierung der Schwingungen von Schornsteinen, Seilen von Schrägseilbrücken und Hängern von Bogenbrücken eingesetzt. „Wolkenkratzer“ werden gelegentlich mit Pendel- und Flüssigkeitstilgern ausgestattet. Das Grundprinzip dieser Art von Schwingungs-Tilgung bzw. -Dämpfung geht davon aus, dass in einer mit dem Fluid nicht vollständig gefüllten Zelle das Fluid in Form einer Welle schwappt, auf eine Stirnwand der Zelle trifft, und von dieser reflektiert wird, und in die Gegenrichtung zurückläuft. Infolge der Abstimmung mit der Eigenschwingungsfrequenz eines Bauwerks wirken jeweils die von dem Fluid auf die Zellwandungen ausgeübten Kräfte der Schwingung entgegen und wirken so tilgend. Wichtig ist jedoch eine optimale Dämpfung, um ein rasches Abklingen der Schwingung zu bewirken, insbesondere, wenn eine kontinuierliche oder periodische Schwingungsanregung vorhanden ist, wie sie beispielsweise durch Wind, bei Windkraftanlagen auch durch die Rotorblätter etc. vorkommt. [0004] Herkömmlichen Tilgern gelingt es zwar die erste Eigenfrequenz durch die Tilgermasse zu neutralisieren. Jedoch entstehen zwei neue Resonanzfrequenzen, die mit den bereits bekannten Verfahren nur schwach, aufwändig und ineffektiv bedampft werden können.
[0005] Um die Wirkung von Umwelteinflüssen und ihre daraus resultierenden dynamisch einwirkenden Kräfte zu regulieren und um Resonanzschwingungen zu vermeiden offenbart der Stand der Technik folgende Lösungen:
[0006] Die Druckschrift EP 0 686 733 B2 offenbart eine Erfindung, welche einen Schwingungsdämpfer für schwingungsgefährdete Bauteile oder Bauwerke (B) aus mindestens einem mit einer Flüssigkeit (F) gefüllten Behälter betrifft, wobei die Masse, die Schwappfrequenz und das Eigendämpfungsverhalten der Flüssigkeit (F) auf eine zu dämpfende Eigenfrequenz des schwingungsgefährdeten Bauwerks (B) abgestimmt sind. Um mit geringem Aufwand und niedriger Masse ein quasirotationssymmetrisches Schwingungsverhalten zu schaffen, ist der Abstand (A) jeder die Flüssigkeitsoberflächen (O) begrenzenden Behälterwand (W) vom Mittelpunkt (M) der Flüssigkeitsoberfläche (O) auf der in der Ebene der Flüssigkeitsoberfläche (O) verlaufenden Mittelsenkrechten der Schnittlinie (S) der Ebene der Flüssigkeitsoberfläche (O) mit der entsprechenden Behälterwand (W) etwa gleich groß.
[0007] Die US-Schrift US 4 951 441 A offenbart eine Dämpfungsvorrichtung, welche ein Flüssigkeitsgefäß hat, in welches eine Flüssigkeit mit einer Wellenbewegungswasseroberfläche injiziert wird, so dass die Wellenbewegungsrichtung der Wellenbewegung der Wasseroberfläche in der länglichen Richtung des Gefäßes liegt. Dämpfungselemente sind vorgesehen, um das Schwappen von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsgefäß zu dämpfen, und Wellenableitungsvorrichtungen sind an einem Teil angeordnet, der nicht immer in Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsgefäß eingeweicht ist. Dementsprechend wird die Schwingung einer Konstruktion, die durch Wind, Erdbeben und dergleichen auftritt, durch den zwischen der Flüssigkeit und den Dämpfungselementen auftretenden Viskositätswiderstand absorbiert, und die Schwingung wird begrenzt. Darüber hinaus kann die Dämpfungsleistung effizient ausgeübt werden, indem verschiedene Installationsanordnungen vorgesehen werden.
[0008] Die Druckschrift DE 3 640 479 A1 offenbart eine Einstellvorrichtung für schmale Strukturen mit einstellbaren Teilen zur aktiven oder passiven Verformungskontrolle mit ungehinderter Wärmeausdehnung ohne zusätzliche Dämpfungszusammensetzung. Über einstellbare Kopplungsfunktionen wird die Anregungsenergie zur Systemoptimierung in dämpfende, unterstützende oder stabilisierende Reaktionsenergie umgewandelt oder absorbiert.
[0009] Die Druckschrift KR101210847B1 offenbart, einen omnidirektional abgestimmten Flüssigkeitsdämpfer und ein schwimmendes Offshore- Windkraftsystem mit demselben System, um die Schwingungsdämpfungseffizienz, die strukturelle Stabilität und die Erzeugungseffizienz durch Dämpfung von Schwingungen und Schütteln in alle Richtungen zu verbessern. Ein omnidirektional abgestimmter Flüssigkeitsdämpfer umfasst eine Außenwand (10), die kreisförmig ausgebildet ist, eine Innenwand (20), die kreisförmig ausgebildet ist, eine Bodenkomponente (30), die ringförmig ausgebildet ist und die Innen- und die Innenwand verbindet Außenwände unten und eine ringförmige Abdeckung, die die Innen- und Außenwände oben verbindet, um einen Raum (40) zu schließen, der zwischen der Innen- und Außenwand ausgebildet ist, um Flüssigkeit aufzunehmen und Vibrationen durch Schwappwirkung der Flüssigkeit zu reduzieren.
[0010] Das Gebrauchsmuster CN 201 217 859 Y offenbart einen energiedissipierenden stoßdämpfenden ringförmigen Wassertank, der sich auf eine energiedissipierende und stoßdämpfende Vorrichtung bezieht. Der energiedissipierende stoßdämpfende ringförmige Wassertank eines Gebäudes wird hauptsächlich für ein Gebäude verwendet und verwendet ein Flüssigkeitsdämpfungsverfahren. Der energiedissipierende stoßdämpfende ringförmige Wassertank des Gebäudes ist mit mindestens einem ringförmigen Wassertank versehen, der mit einem Wassereinlass und einem Wasserauslass versehen ist, und eine Wasserquelle ist außerhalb des Wassereinlasses und des Wasserauslasses angeschlossen. Bei Verwendung ist der ringförmige Wassertank horizontal auf einer oberen Schicht oder / und einer Vorrichtungsumwandlungsschicht einer Gebäudestruktur angeordnet, und Brandschutz- und Lebenswasser können als Flüssigkeit in dem ringförmigen Wassertank verwendet werden, der mit einem Wasserversorgungssystem verbunden ist. Der energiedissipierende stoßdämpfende ringförmige Wassertank kann zur stoßfesten Gestaltung der Gebäudestruktur oder zur Verbesserung der bisherigen Gebäudestruktur verwendet werden, notwendiger Brandschutz und Lebenswasser werden ausreichend als Dämpfungsmedium eingesetzt und in entsprechender Höhe platziert, wird der Gebäudestruktur keine Nichtnutzungslast (zusätzliche Masse) hinzugefügt, die Schwerpunktposition der Gebäudestruktur wird nicht erhöht, der Dämpfungsenergiedissipationseffekt wird erhöht und ein größeres Umkippmoment eines Gegenstücks mit umgekehrtem Moment wird gebildet.
[0011] Ferner wird in der Druckschrift CN103291818A eine Erfindung offenbar, welche eine hybride Schwingungsdämpfungsvorrichtung mit Energiedissipation betrifft, die einen Behälter, ein Partikelsystem und eine viskose Flüssigkeit umfasst. Das Partikelsystem umfasst feste Partikel, die viskose Flüssigkeit kann eine einzelne Art von Flüssigkeit sein, oder mehrere Arten von Flüssigkeit werden miteinander gemischt, um die viskose Flüssigkeit zu bilden, und die viskose Flüssigkeit ist in dem Behälter untergebracht. Das Partikelsystem ist in der viskosen Flüssigkeit angeordnet, kann in der viskosen Flüssigkeit schwimmen oder am Boden der viskosen Flüssigkeit versunken sein. Die viskose Flüssigkeit kann im Behälter vibrieren. Ein Funktionsmechanismus der Vibrationsdämpfungsvorrichtung für die hybride Energiedissipation ähnelt einem Funktionsmechanismus eines abgestimmten Flüssigkeitsdämpfers, wobei die verschiedenen Arten von Flüssigkeiten miteinander reiben, um Energie abzuleiten, eine strukturelle Rückstellkraft für den seitlichen Druck des Behälters bereitgestellt wird und eine strukturelle Amplitude wird reduziert. Die festen Partikel des Partikelsystems kollidieren miteinander und reiben im Behälter miteinander, um Energie abzuleiten. Die viskose Flüssigkeit reibt mit dem Partikelsystem oder den Partikeln, um Energie abzuleiten.
[0012] Das Gebrauchsmuster CN 201 843 734 U offenbart ein Turmvibrationssteuersystem zur Erzeugung von Windkraft, das auf einem ringförmigen TLD (Tuned Liquid Damper) basiert, wobei die Windkraftanlage ein Fundament, einen Turmrahmen, einen Schrank, eine Nabe, Schaufeln und der ringförmige TLD umfasst, wobei der ringförmige TLD auf dem Turmrahmen installiert ist. Der TLD umfasst ein ringförmiges Rohr, Dämpfungsnetze und viskose Flüssigkeit. Die Dämpfungsnetze sind gleichmäßig im ringförmigen Rohr angeordnet. Die viskose Flüssigkeit wird in das ringförmige Rohr gefüllt. Das ringförmige Rohr ist am oberen Ende des Turmrahmens montiert.
[0013] In der Druckschrift EP 1820 922 A1 wird ein abgestimmter Flüssigkeitsdämpfer (1) offenbart, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Hohlraum (3) innerhalb des Gehäuses und einem ersten Fluid (4), das den Hohlraum teilweise füllt. Die Innenfläche des Hohlraums ist im Wesentlichen kugelförmig. Auf diese Weise wird ein abgestimmter Flüssigkeitsdämpfer bereitgestellt, der eine Reaktion aufweist, die konstant und unabhängig von der Ausrichtung des abgestimmten Flüssigkeitsdämpfers ist.
[0014] In der Druckschrift WO2016037958 ist eine Einrichtung (12) zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken, insbesondere schlanken Bauwerken, wie Türmen, Masten, Windkraftanlagen (13) o.dgl. offenbart, welche wenigstens eine Dämpferzelle (20) enthält, die teilweise mit einem darin schwappenden, die Dämpferzelle nur zu einer vorgegebenen Füllhöhe (h) ausfüllenden Fluid (22) gefüllt ist. Um eine solche Einrichtung zu schaffen, die auch bei schlanken Bauwerken baulich vorteilhaft unterzubringen ist und eine wirkungsvolle Dämpfung von angeregten Schwingungen ermöglicht, weist die Dämpferzelle einen Ringraum (21) mit unaufgeteilter Ringform mit einer inneren Ringhöhe, mit einem horizontalen Boden (25), umlaufenden Außen- und Innenwandungen (23, 24) und mit den Ringraum in der Ringhöhe (H) vom Boden nach oben abschließender Deckwandung (26) auf. In dem zwischen Fluidoberfläche (34) und Deckwandung gebildeten fluidfreien Ringraum (32) sind eine Vielzahl von Schwimmkörpern (33) vorgesehen, die auf der Fluidoberfläche schwimmen. Sie ermöglichen eine wirkungsvolle und schnelle Dämpfung angeregter Schwingungen.
[0015] Die Druckschrift US 5 560 161 A1 betrifft die Verwendung von aktiv abgestimmten Flüssigkeitsdämpfern zur Dämpfung von Schwingungen in großen Bauwerken. Die effektive Länge des Flüssigkeitsdämpfertanks bestimmt die Eigenfrequenz der Flüssigkeit und damit die Wirksamkeit des Dämpfers bei bestimmten Anregungsfrequenzen. Der hier vorgestellte Flüssigkeitsdämpfer wird durch rotierende Leitbleche abgestimmt, um die wirksame Länge des Flüssigkeitsdämpfertanks zu regulieren.
[0016]
[0017] Nachteilig im Stand der Technik ist, dass es herkömmlichen Tilgern zwar gelingt die erste Eigenfrequenz durch die Tilgermasse zu neutralisieren. Jedoch entstehen dabei zwei neue Resonanzfrequenzen, die mit den bereits bekannten Verfahren nur schwach, aufwändig und ineffektiv bedämpft werden können.
[0018] Bisher entwickelte Flüssigkeitstilger zeigten bei Schwapplängen von mehr als 80cm (Bauwerken mit Eigenfrequenzen < 1 Hz) nichtlineare Effekte im Gebrauchszustand. Es ist ferner Nachteil des bisherigen Entwicklungsstandes, dass aktuelle Tilger ein zu geringes Dämpfungsmaß und nur grobe Möglichkeiten zur Einstellung des Dämpfungsgrades ermöglichen.
[0019] Im Stand der Technik ist kein Flüssigkeitstilger oder Dämpfer offenbart, welcher nichtlineare Effekte in der Anwendung vermeidet und/oder einen Dämpfungsgrad bei Behältern mit Schwapplängen > 80 cm erhöht und/oder eine technisch einfache Feinjustierung des Dämpfungsgrades ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
[0020] Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Flüssigkeitstilger bereitzustellen, weicher eine Schwappwirkung eines Fluids im Flüssigkeitstilger vermindert.
[0021] Ferner ist es Aufgabe einen Flüssigkeitstilger bereit zu stellen, welcher eine Erhöhung des Dämpfungsgrades bei Behältern mit Schwapplängen von mehr als 80 cm realisiert.
[0022] Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung darin die Möglichkeit der Feinjustierung hinsichtlich des Dämpfungsgrades zu realisieren und einen Schwingungstilger mit optimalen Dämpfungseigenschaften („Den Hartog“) zu entwickeln, der in einem breiten Frequenzspektrum das Antwortverhalten erheblich verbessert.
[0023] Es ist zudem die Aufgabe der Erfindung die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit stark zu erhöhen. Als auch die Herstellungskosten dieser Bauwerke deutlich zu reduzieren und bestehende Bauwerke mit Schwingungsproblemen zu erhalten.
[0024] Ferner ist es Aufgabe ein Verfahren bereit zu stellen, mittels welchem eine optimale Dämpfungseigenschaft eines Flüssigkeitstilgers genau einstellbar ist.
[0025] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale.
[0026] Die Lösung erfolgt durch einen Flüssigkeitstilger zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen, insbesondere zur Vermeidung von Resonanzschwingungen und zur Erhöhung der Tragsicherheit für schlanke, vertikal ausgerichtete Bauwerke, wie beispielsweise Hochspannungsmaste, Windkraftanlagen, Hochhäuser, Flutlichtmasten oder dergleichen. Der erfindungsgemäße Flüssigkeitstilger weist folgende Komponenten auf: einen Behälter, zur Aufnahme eines Fluids und zur Aufnahme von Schwimmkörpern, wobei die Schwimmkörper derart im und/oder auf dem Fluid angeordnet sind, dass diese eine Ausbildung einer Oberflächenwelle des Fluides verringern. Ferner weist der Flüssigkeitstilger ein Lastaufbringungssystem auf, welches für eine Aufbringung einer Kraft bzw. eines Drucks, auf die Schwimmkörper ausgebildet ist.
[0027] Eine Oberflächenwelle ist eine wellenartige instationäre Bewegung der Oberfläche des Fluids. Eine entstehende Oberflächenwelle des Fluids verhindert ein lineares stationäres Dämpfungsverhalten.
Bauwerksschwingungen lassen sich in der Regel sehr gut durch linearisierte Bewegungsgleichungen beschreiben. Durch das Hinzufügen eines Tilgers (üblicherweise Feder-Masse) kann das linearisierte Schwingungssystem so manipuliert werden, dass bei harmonischer Anregung mit der Resonanzfrequenz des Ausgangssystems die Antwortamplitude identisch 0 ist. Zwei neue Resonanzfrequenzen mit zugeordneten Eigenformen entstehen. Bei Vernachlässigung der Dämpfung gäbe es also im Frequenzbereich zwei Polstellen. Mit der Dämpfung enthält der Frequenzgang an den neuen Resonanzstellen zwei lokale Maxima. Lineares Verhalten vorausgesetzt kann man den Tilgerdämpfungsparameter nun heranziehen um die lokalen Maxima zu minimieren (das „den-Hartog-Prinzip“ bzw. die „den-Hartog-Dämpfung“). Das funktioniert nur bei einem vollständig linearen Schwingungsverhalten. Dazu muss auch die hinzugefügte Tilgerdämpfung sich annähernd linear verhalten. Bei einem linearem Dämpfungsverhalten ist die Dämpfungskraft linear von der Geschwindigkeit abhängig und ermöglicht eine präzise Einstellung eines Dämpfungsmaßes.
[0028] Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind zur Vermeidung der Ausbildung einer Oberflächenwelle die Schwimmkörper lagenartig im und/oder auf dem Fluid angeordnet.
[0029] Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind die Schwimmkörper Pellets und/oder zumindest eine schwimmfähige, biegesteife Platte. Andere Arten von Schwimmkörpern sind denkbar. [0030] Zur verbesserten Vermeidung der Ausbildung einer Oberflächenwelle ist mindestens eine schwimmfähige biegesteife Platte oberhalb der Pellets angeordnet. Die Pellets sind bevorzugt lagenartig auf der Oberfläche des Fluids angeordnet.
[0031] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist das Lastaufbringungssystem auf der zumindest einen schwimmfähigen, biegesteifen Platte angeordnet. Bevorzugt ist die schwimmfähige, biegesteife Platte oberhalb der Pellets angeordnet ist.
[0032] Ferner weist gemäß verschiedener Ausführungsformen das Lastaufbringungssystem Gewichte unterschiedlicher Massen auf. Das Lastaufbringungssystem ist gemäß verschiedener Ausführungsvarianten derart ausgestaltet, dass mittels einer variablen Auswahl der Gewichte eine Feinjustierung des Dämpfungsgrades erfolgt. Dies erfolgt dadurch, dass eine Kraft, insbesondere die Eigenkraft der Gewichte, auf die Schwimmkörper aufgebracht wird, wodurch die Schwimmkörper, insbesondere die Pellets, in das Fluid eingedrückt werden. Die Auswahl des aufzubringenden Gewichtes hat einen Einfluss auf die Reibung zwischen den Schwimmkörpern und somit auf das Dämpfungsmaß.
[0033] Das Lastaufbringungssystem weist gemäß einer alternativen Ausführungsform einen Stempel mit einer Antriebseinheit auf, so dass bei Bedarf eine Kraft über den Stempel mittels der Antriebseinheit auf die Schwimmkörper aufgebracht wird. Die Auswahl der aufzubringenden Größe der Kraft hat einen Einfluss auf die Reibung zwischen den Schwimmkörpern und somit auf das Dämpfungsmaß.
[0034] Ferner weist der erfindungsgemäße Flüssigkeitstilger gemäß verschiedener Ausführungsvarianten eine Steuer- und Regelungseinheit auf. Die Steuer- und Regelungseinheit ist derart ausgestaltet, Eingangsgrößen zu empfangen und zu verarbeiten, um basierend auf den Eingangsgrößen Ausgangsgrößen zu generieren. Mittels der Ausgangsgrößen kann das Lastaufbringungssystem basierend auf den Eingangsgrößen derart von der Steuerungs- und Regelungseinheit angesteuert werden, dass mittels des Lastaufbringungssystems eine Gewichtskraft auf die Schwimmkörper aufgebracht wird. Hierdurch wird eine Kraft auf die Schwimmkörper aufgebracht, wodurch die Schwimmkörper, insbesondere die Pellets, in das Fluid eingedrückt werden. Diese Kraft kann angepasst an die aktuelle Schwingungssituation mittels der Steuerungs- und Regelungseinheit geregelt werden, woraus eine kontinuierliche Anpassbarkeit und/oder Feinjustierung des Dämpfungsmaßes des Flüssigkeitstilgers erreicht wird.
[0035] Ferner ist es denkbar, dass der erfindungsgemäße Flüssigkeitstilger eine Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung einer Füllhöhe aufweist, wobei diese Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung der Füllhöhe derart ausgestaltet ist, dass diese eine Schwapplänge im Behälter verändern kann und/oder wobei diese Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung der Füllhöhe derart ausgestaltet ist, dass diese eine Füllhöhe des Fluids im Behälter verändern kann. Für die Änderung der Füllhöhe kann die entsprechende Vorrichtung ein Pumpsystem und/oder ein Ablaufund Zulaufsystem für das Befüllen des Behälters mit Fluid und/oder für das Entleeren des Behälters aufweisen. Ferner kann die entsprechende Vorrichtung für das Verändern der Schwapplänge eine variabel verstellbare vertikale Wand im oder am Behälter aufweisen. Andere Mittel, welche zur Veränderung der Füllhöhe und/oder zur Veränderung der Schwapplänge eingesetzt werden können, sind denkbar.
[0036] Die Aufgabe wird auch gelöst mittels eines Verfahrens zum feinjustierten Tilgen und Dämpfen von Schwingungen mittels eines Flüssigkeitstilgers, insbesondere zur Vermeidung von Resonanzschwingungen und zur Erhöhung der Tragsicherheit für schlanke, vertikal ausgerichtete Bauwerke. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: a. Aufnahme von Eingangsgrößen, b. Berechnung eines erforderlichen Dämpfungsmaßes basierend auf den aufgenommenen Eingangsgrößen, c. Einbringen von Schwimmkörpern in einen Flüssigkeitstilger, d. Ermitteln einer Kraft basierend auf dem erforderlichen Dämpfungsmaß und Aufbringen dieser Kraft auf lagenförmig angeordnete Schwimmkörper in dem Flüssigkeitstilger.
[0037] Die aufzunehmenden Eingangsgrößen sind beispielsweise Bauwerksbeschleunigung, Amplitudengröße der Bauwerksschwingung, Periodendauer der Bauwerksschwingung, Windgeschwindigkeiten und/oder einer Änderung der Nutzlasten. Das erforderliche Dämpfungsmaß leitet sich ab von der mitschwingenden Tilgermasse, einer Tilgerfrequenz und/oder einer Tilgerdämpfung. Ein Teil der Eingangsgrößen können beispielsweise mittels Sensoren und/oder anhand von aktuellen Wetterdaten aufgenommen werden.
[0038] Die Schwimmkörper werden entsprechend des zu erreichenden Dampfungsmaßes dimensioniert anhand verschiedener Parameter, beispielsweise Größe, Gestalt, Material, Form und Menge der Schwimmkörper. Die Schwimmkörper können beispielsweise die Form von Pellets aufweisen oder Plattenförmig ausgestaltet sein. Es ist denkbar voneinander verschiedene Schwimmkörper zu verwenden. Die Dimensionierung der Schwimmkörper erfolgt derart, dass zusammen mit der aufzubringenden Kraft das gewünschte/ermittelte Dämpfungsmaß erreicht wird. Die Dimensionierung erfolgt beispielsweise mittels Berechnung und/oder experimentell. Auch die Ermittlung der aufzubringenden Kraft erfolgt mittels Berechnung, beispielsweise mittels CFD-Simulation, und/oder experimentell.
[0039] Mittels einer lagenartigen Anordnung der Schwimmkörper steigt das Dämpfungsmaß sprunghaft an. Durch die Kraftaufbringung, beispielsweise mittels Gewichte, können Dämpfungsmaße bis mindestens 10% erreicht werden. Ferner kann das Dämpfungsmaß mittels der Kraftaufbringung feinjustiert werden.
[0040] Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst indem die Dämpfungseigenschaften der Flüssigkeitstilger verbessert werden. Dies erfolgt beispielsweise durch die Hinzugabe von vielen kleinen und schwimmfähigen Körpern („Pellets“) z.B. aus Styropor oder Kork in die Flüssigkeitscontainer, um die Schwappbewegungen der Wasseroberfläche sehr schnell zu reduzieren und damit die Bauwerksschwingungen zu bedämpfen. Nichtlineare Effekte werden beispielsweise durch den Einbau zumindest einer schwimmenden, steifen Platte über den Pellets vermieden. Ferner werden durch das Ballastieren der Platte die schwimmfähigen Körper aufeinandergedrückt und damit die Reibung erhöht, was direkt mit einer Erhöhung und/oder Manipulierung des Dämpfungsgrades einhergeht. Hierdurch werden eine Feinjustierung und eine signifikante Erhöhung der Dämpfung ermöglicht.
[0041] Dem Anwender gelingt es für das zu erstellende Bauwerk durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Fluidtilgers das Antwortverhalten (Dämpfungseigenschaften) für ein breites Frequenzspektrum stark zu verbessern, sowie die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit zu erhöhen und die Herstellungskosten des Bauwerkes zu reduzieren. Die Wirksamkeit des Tilgers wird erhöht. Dadurch können der Materialaufwand und die Baukosten gesenkt werden. Im Falle von Bestandsbauwerken können diese gerettet und ein Neubau vermieden werden.
Ausführung der Erfindung
[0042] Die Erfindung wird anhand eines/mehrerer Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen Figur 1 Flüssigkeitsdämpfer nach dem Stand der Technik Figur 2 Flüssigkeitsdämpfer mit einer lagenweisen Anordnung der Schwimmkörper
Figur 3 Flüssigkeitstilger mit biegesteifer Platte auf Pellets Figur 4 Flüssigkeitstilger zur Feinjustierung einer Dämpfung mit Pellets, biegesteifer Platte und Lastaufbringungssystem
[0043] In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die erfindungsgemäße Anordnung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“ usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Zeichnungen verwendet. Die Richtungsterminologie dient der Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.
[0044] Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen, verschiedenen und beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
[0045] In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
[0046] In Figur 1 a) ist ein im Stand der Technik bekannter Flüssigkeitstilger 1 dargestellt. Diese Flüssigkeitstilger weisen einen Behälter 2 mit einer Flüssigkeit 3 auf, auf welchen Schwimmkörper 4, beispielsweise Pellets 41 aus Styropor, Kork oder ähnlichen Materialien schwimmen. Mittels der Variation der Menge der Pellets kann der Dämpfungsgrad beeinflusst und gesteuert werden. Für Bauwerke mit einer ersten Eigenfrequenz von über 1 Hz und entsprechend kleinen Behältern in denen eine Schwapplänge unter 80 cm erreicht wird kann ein angestrebtes Dämpfungsmaß präzise eingestellt werden. Jedoch ist ein lineares Dämpfungsverhalten nur dann möglich, wenn die Oberfläche des Fluids 3 eben bleibt. Wenn jedoch die erste Eigenfrequenz des zu schützenden Bauwerkes unter 1 Hz liegt, aber die Behälter eine Schwapplänge von mehr als 80 cm aufweisen müssen, entsteht beim Schwappen der Flüssigkeit 3 eine Oberflächenwelle (Figur 1b). Hierdurch entsteht ein instationärer und nichtlinearer Vorgang, welcher nicht zu den gewünschten und/oder erforderlichen Dämpfungsverhalten führt.
[0047] Figur 2 zeigt einen Flüssigkeitstilger 1 mit einem Behälter 2, welcher zur Aufnahme einer Flüssigkeit 3 ausgebildet ist. Auf der Flüssigkeit 3 sind Schwimmkörper 4, beispielsweise Pellets 41 angeordnet. In Figur 2a) sind die Pellets einlagig angeordnet und erreichen beispielsweise bei definierten Maßen des Behälters ein Dämpfungsmaß (Lehrsche Dämpfung) von 2%. In Figur 2b) sind die Pellets 41 zweilagig angeordnet, wodurch bei gleichen Maßen des Behälters wie in Figur 2a) ein Dämpfungsmaß von 4% erreicht wird. In Figur 2c) sind die Pellets 41 dreilagig angeordnet, wodurch bei gleichen Maßen des Behälters wie in Figur 2a) und 2b) ein Dämpfungsmaß von 6% erreicht wird. Nachteilig hierbei ist, dass durch die lagenweise Anordnung der Schwimmkörper das Dämpfungsmaß zwar erhöht wird, aber das Dämpfungsmaß nur sprunghaft ansteigt. Die „Den Hartog Dämpfung“ zur Optimierung eines Tilgers verlangt jedoch eine präzise Einstellung des Dämpfungsmaßes, jedoch sind Zwischenschritte, beispielsweise (bezogen auf die in Figur 2 erwähnten Dämpfungsmaße) 3%, 2,5% oder 5% nicht möglich. Ferner ist die Erhöhung des Dämpfungsmaßes mittels der lagenartigen Anordnung der Schwimmkörper (Pellets) begrenzt: für Behälter mit großen Schwapplängen führt ab einer bestimmten Menge der Pellets die weitere Erhöhung der Anzahl der Lagen nicht mehr zu einer Steigerung der Dämpfung. Dadurch kann in diesem Beispiel ein erforderliches Dämpfungsmaß von mehr als 6% nicht erreicht werden.
[0048] Durch die Anordnung einer schwimmfähigen biegesteifen Platte 42 oberhalb der Pellets 41 wird die Oberflächenwelle (wie in Figur 1b) unterdrückt und damit ein lineares Schwappverhalten erzwungen (schematisch dargestellt in Figur 3).
[0049] Durch den erfindungsgemäßen Flüssigkeitstilger 1 (dargestellt in Figur 4) können die in Figur 1 und Figur 2 erläuterten Probleme behoben werden. Der erfindungsgemäße Flüssigkeitstilger 1 zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen, insbesondere zur Vermeidung von Resonanzschwingungen und zur Erhöhung der Tragsicherheit für schlanke, vertikal ausgerichtete Bauwerke, weist folgende Komponenten auf: einen Behälter 2 zur Aufnahme eines Fluids 3 und zur Aufnahme von Schwimmkörpern 4, wobei die Schwimmkörper 4 derart im und/oder auf dem Fluid 3 angeordnet sind, dass diese eine Ausbildung einer Oberflächenwelle des Fluides 3 verringern. Ferner weist der Flüssigkeitstilger ein Lastaufbringungssystem 5 zur Aufbringung einer Kraft auf die Schwimmkörper 4 auf.
[0050] Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind die Schwimmkörper 4 zur Vermeidung der Ausbildung einer Oberflächenwelle lagenartig im und/oder auf dem Fluid 3 angeordnet.
[0051] Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind die Schwimmkörper 4 des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstilgers Pellets 41 und/oder zumindest eine schwimmfähige, biegesteife Platte 42.
[0052] Zur Vermeidung der Ausbildung einer Oberflächenwelle ist die schwimmfähige biegesteife Platte 42 gemäß verschiedener Ausführungsformen oberhalb der Pellets 41 angeordnet.
[0053] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist das Lastaufbringungssystem 5 bevorzugt auf der zumindest einen schwimmfähigen, biegesteifen Platte 42 angeordnet, wobei die schwimmfähige, biegesteife Platte 42 bevorzugt oberhalb der Pellets 41 angeordnet ist. Es ist aber auch denkbar, mehrere schwimmfähige, biegesteife Platten 42 mit oder ohne einer Verwendung von Pellets 41 zu verwenden.
[0054] Ferner weist das Lastaufbringungssystem 5 Gewichte 51 unterschiedlicher Massen auf, wobei gemäß verschiedener Ausführungsformen das Lastaufbringungssystem 5 derart ausgestaltet ist, dass mittels einer variablen Auswahl der Gewichte 51 eine Feinjustierung eines Dämpfungsgrades erfolgt, derart dass die Anpassung des Gewichts 51 einen Einfluss auf die Reibung zwischen den Pelites 4 hat und somit zu einer Erhöhung und/oder Manipulation des Dämpfungsmaßes erfolgt.
[0055] Eine alternative Ausführungsvariante des Lastaufbringungssystem 5 des Flüssigkeitstilgers 1 ist, dass das Lastaufbringungssystem 5 einen Stempel mit einer Antriebseinheit (nicht in den Figuren dargestellt) aufweist. Die Lastaufbringung erfolgt hierbei nicht durch die Auswahl verschiedener Gewichte, sondern durch die Kraftauftragung des Stempels, welcher mit der Antriebseinheit auf die Schwimmkörper gedrückt wird.
[0056] Ferner kann der erfindungsgemäße Flüssigkeitstilger gemäß verschiedener Ausführungsformen eine Steuer- und Regelungseinheit aufweisen, welche derart ausgestaltet ist, Eingangsgrößen zu empfangen und zu verarbeiten, um dann basierend auf den Eingangsgrößen Ausgangsgrößen zu generieren. Die Steuerungs- und Regelungseinheit kann dann mittels der generierten Ausgangsgrößen das Lastaufbringungssystem (basierend auf den Eingangsgrößen) derart ansteuern, dass mittels des Lastaufbringungssystem eine Kraft auf die Schwimmkörper 4 aufgebracht wird. Durch die aufgebrachte Kraft, welche auf die Schwimmkörper wirkt, beispielsweise die Pellets 4, werden diese in das Fluid 3 eingedrückt. Es ist denkbar, dass die Kraft rückgekoppelt an die aktuelle Schwingungssituation geregelt wird, woraus eine kontinuierliche Anpassbarkeit des Dämpfungsgrads des Flüssigkeitstilgers 1 ermöglicht wird. [0057] Durch die Aufbringung einer Kraft, beispielsweise mittels Gewichten 51 , auf die Schwimmkörper 4, wird die Reibung zwischen den Schwimmkörpern 4 erhöht und damit das Dämpfungsmaß erhöht. Durch die spezielle Anordnung der Schwimmkörper 4, wobei die Pellets 41 lagenartig auf der Flüssigkeit 3 angeordnet sind und zumindest eine biegesteife schwimmfähige Platte 42 auf den Pellets 41 angeordnet ist, können die Probleme, welche in Figur 1 und 2 beschrieben wurden, gelöst werden: Es können durch die Krafteinwirkung auch höhere Dämpfungsmaße bis mindestens 10% erreicht werden und eine Feinjustierung des Dämpfungsmaßes ist möglich, wie in Figur 5 dargestellt.
[0058] Ferner ist es denkbar, dass der erfindungsgemäße Flüssigkeitstilger 1 eine Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung einer Füllhöhe aufweist, wobei diese Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung der Füllhöhe derart ausgestaltet ist, dass diese eine Schwapplänge im Behälter 2 verändern kann und/oder wobei diese Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung der Füllhöhe derart ausgestaltet ist, dass diese eine Füllhöhe des Fluids im Behälter 2 verändern kann. Für die Änderung der Füllhöhe kann die entsprechende Vorrichtung ein Pumpsystem und/oder ein Ablauf- und Zulaufsystem für das Befüllen des Behälters 2 mit Fluid und/oder für das Entleeren des Behälters 2 aufweisen. Ferner kann die entsprechende Vorrichtung für das Verändern der Schwapplänge eine variabel verstellbare Wand im oder am Behälter 2 aufweisen. Andere Mittel, welche zur Veränderung der Füllhöhe und/oder zur Veränderung der Schwapplänge eingesetzt werden können, sind denkbar. Bezugszeichen
1. Flüssigkeitstilger
2. Behälter
3. Fluid
4. Schwimmkörper
4.1. Pellets
4.2. Schwimmfähige, biegesteife Platte
5. Lastaufbringungssystem
5.1. Gewichte
5.2. Stempel

Claims

Ansprüche
1. Flüssigkeitstilger (1) zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken, insbesondere schlanke, vertikal ausgerichtete Bauwerke, aufweisend einen Behälter (2), Schwimmkörper (4), ein Fluid und ein Lastaufbringungssystem (5) wobei der Behälter (2) zur Aufnahme des Fluids und zur Aufnahme der Schwimmkörper (4) ausgestaltet ist, wobei die Schwimmkörper (4) derart im und/oder auf dem Fluid angeordnet sind, dass diese eine Ausbildung einer Oberflächenwelle des Fluides (3) verringern, und wobei das Lastaufbringungssystem (5) auf den Schwimmkörpern (4) angeordnet ist, um eine Kraft auf die Schwimmkörper (4) auszuüben.
2. Flüssigkeitstilger (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (4) lagenartig im und/oder auf dem Fluid (3) angeordnet sind.
3. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmkörper (4) Pellets (41) sind.
4. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwimmkörper (4) eine schwimmfähige, biegesteife Platte (42) ist.
5. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmfähige biegesteife Platte (42) oberhalb der Pellets (41) angeordnet ist. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastaufbringungssystem (5) Gewichte (51) unterschiedlicher Massen aufweist. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastaufbringungssystem (5) derart ausgestaltet ist, dass mittels einer variablen Auswahl der Gewichte (51) eine Feinjustierung eines Dämpfungsgrades erfolgt. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastaufbringungssystem (5) auf der schwimmfähigen, biegesteifen Platte (42) angeordnet ist, wobei die schwimmfähige, biegesteife Platte (42) oberhalb der Pellets (41) angeordnet ist. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastaufbringungssystem (5) einen Stempel mit einer Antriebseinheit aufweist. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufweisend eine Steuer- und Regelungseinheit, welche ausgestaltet ist, um Eingangsgrößen zu empfangen und zu verarbeiten, um basierend auf den Eingangsgrößen Ausgangsgrößen zu generieren, und wobei die Steuerungsund Regelungseinheit mittels der Ausgangsgrößen das Lastaufbringungssystem (5) basierend auf den Eingangsgrößen derart ansteuert, dass mittels des Lastaufbringungssystems (5) eine Kraft auf die Schwimmkörper (4) aufgebracht wird. Flüssigkeitstilger (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufweisend eine Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung einer Füllhöhe, wobei diese Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung der Füllhöhe derart ausgestaltet ist, dass diese eine Füllhöhe des Fluids im Behälter verändert und/oder eine Schwapplänge des Fluids im Behälter (2) verändert. Flüssigkeitstilger gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassung der Füllhöhe die Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung der Füllhöhe ein Pumpsystem und/oder ein Ablauf- und Zulaufsystem für ein Befüllen des Behälters (2) mit Fluid und/oder für ein Entleeren des Behälters (2) aufweist und/oder dass für das Anpassen der Schwapplänge die Vorrichtung zur Anpassung einer Schwapplänge und/oder zur Anpassung der Füllhöhe eine variabel verstellbare Wand im oder am Behälter (2) aufweisen. Verfahren zum Tilgen und Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken, insbesondere schlanken, vertikal ausgerichteten Bauwerken, mittels eines Flüssigkeitstilgers, wobei der Flüssigkeitstilger einen Behälter und ein darin befindliches Fluid aufweist, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a. Aufnahme von Eingangsgrößen, b. Berechnung eines erforderlichen Dämpfungsmaßes basierend auf den aufgenommenen Eingangsgrößen, c. Einbringen von Schwimmkörpern (4) in den Flüssigkeitstilger, derart, dass diese lagenförmig im Behälter (2) des Flüssigkeitstilgers im und/oder auf dem Fluid angeordnet sind, d. Ermitteln einer Kraft basierend auf dem erforderlichen Dämpfungsmaß und Aufbringen dieser Kraft auf die Schwimmkörper (4) in dem Flüssigkeitstilger (1).
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