Effektiv, einfach zu installieren, wirtschaftlich: Wenn die bei Erdbeben eingebrachte Energie von der Hauptstruktur abgeleitet werden soll, sind Schwingungsdämpfer ideal. Wir verraten, was die verschiedenen Dämpfungssysteme für das erdbebensichere Bauen leisten können.
Wie funktioniert ein Schwingungsdämpfungssystem?
Mit einem Schwingungsdämpfungssystem werden energieverbrauchende Vorrichtungen in der Gebäudestruktur installiert, die einen großen Teil der eingebrachten Energie ableiten können.
Diese Energieverzehrvorrichtungen sind in der Regel nicht die Hauptlastträger der Struktur. Aber die strukturelle Verformung oder Vibration führt zu einer Bewegung dieser Vorrichtungen, wodurch Energie abgeleitet werden kann. So lassen sich dynamische Reaktionen und damit Schäden an der Hauptstruktur effektiv verringern.
Viskose Flüssigkeitsdämpfer nutzen Energiedissipation
Viskose Flüssigkeitsdämpfer funktionieren nach dem Prinzip der Energiedissipation: Der Dämpfer besteht aus einem Kolben aus Stahl, der durch den Kolbenkopf in zwei Kammern unterteilt ist, einer komprimierbaren Hydraulikflüssigkeit (Silikonöl) und einem Druckspeicher zum reibungslosen Flüssigkeitsumlauf.
Die Flüssigkeit kann bei Bewegung des Kolbens durch die Öffnung von der einen in die andere Kammer fließen. Die Bewegung vom größerem zum kleinerem (Düse) und wieder zurück zum größerem Bereich (Zylinderkammer) führt aufgrund von Druckverlusten zu einem Verlust von Energie.
Flüssigkeitsviskose Dämpfer können bei einer Umgebungstemperatur von - 40°C bis 70°C arbeiten (Constantinou und Symans, 1992). Im Gegensatz zu anderen Dämpfern – wie etwa dem viskoelastischen Dämpfer – wirkt sich eine veränderte Temperatur nur gering auf das Verhalten aus (Constantinou und Symans, 1992).
Ein Nachteil ist allerdings, dass viskose Flüssigkeitsdämpfer über eine lange Betriebsdauer hinweg gegen den Verschleiß der Dichtungen gewartet werden müssen, um Ölaustritt zu verhindern (Sadek et al., 1996).
Metalldämpfer basieren auf Hysterese
Um Energie abzubauen, nutzen Metalldämpfer die Eigenschaft der plastischen hysteretischen Verformung eines bestimmten Metalls. Bekannte Vertreter dieser Dämpfungssysteme sind Weichstahldämpfer, Knickstabile Streben (BRB für buckling-restrained brace) und Bleidämpfer.
Dabei gibt es viele Arten von Weichstahldämpfern: Typisch sind etwa X-förmige Blechdämpfer und dreieckige Dämpfer. Sie werden durch Übereinanderlegen von X-förmigen Stahlplatten bzw. durch Übereinanderlegen mehrerer dreieckiger Stahlplatten hergestellt. Die Schwingungsenergie leiten sie von der Struktur durch eine seitliche Biegeverformung des Baustahls ab.
Weichstahldämpfer zeichnen sich vor allem durch ihre stabilen hysteretischen und guten Ermüdungseigenschaften bei niedrigen Zyklen und einer hohen Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen aus.
Knickstabile Streben und Bleidämpfer im Fokus
Knickstabile Streben zeigen sowohl auf Druck als auch auf Zug das gleiche Last-Verformungsverhalten. Zudem zeichnen sie sich durch ein höheres Energieabsorptionsvermögen bei einfacher Einstellbarkeit von Steifigkeit und Festigkeit aus. Bei einem leichten Erdbeben erhöht der BRB (buckling-restrained brace) somit die Steifigkeit des Bauwerks. Bei einem schweren Erdbeben erzeugt der BRB plastische hysteretische Verformungem, um die Energie abzuleiten.
Bleidämpfer bauen hingegen Schwingungsenergie ab, indem sie das Prinzip der Extrusion von Blei oder der scherhysteretischen Verformung von Blei nutzen. Wie Weichstahldämpfer auch, besitzen Bleidämpfer ausgezeichnete Stabilitäts- und Haltbarkeitseigenschaften. Dazu sind auch sie unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Ein Nachteil besteht wiederum darin, dass das das Blei im Dämpfer die Umwelt verschmutzen kann.
Viskoelastische Dämpfer nutzen scherhysteretische Verformung
Viskoelastische Dämpfer (VE-Dämpfer) bestehen aus viskoelastischen Schichten, die durch Schwefelung mit Stahlplatten verbunden sind. Indem VE-Dämpfer das Prinzip der scherhysteretische Verformung von viskoelastischen Materialien nutzen, leiten sie strukturelle Schwingungsenergie ab.
Die Hysteresekurven von VE-Dämpfern zeigen volle Ellipsen. Das deutet darauf hin, dass sie eine ausgezeichnete Energiedissipationskapazität besitzen. Dazu kommen die Vorteile, dass VE-Dämpfer einfach zu konstruieren, leicht herzustellen, haltbar und kostengünstig sind.
VE-Dämpfer lassen sich sowohl bei Neubauten, zur seismischen Nachrüstung als auch bei Sanierungsprojekten nach Erdbeben einsetzen. Der Nachteil von VE-Dämpfern besteht allerdings darin, dass die Dämpfungseigenschaften durch Temperaturschwankungen beeinflusst werden.
Passiv abgestimmte Dämpfer schwächen dynamische Reaktionen
Zur Gattung der passiv abgestimmten Dämpfer gehören der Massendämpfer (TMD für tuned mass damper) und der Flüssigkeitsdämpfer (TLD für tuned liquid damper).
Sie übertragen die Energie der Hauptstruktur auf die Dämpfer, indem sie die Frequenzen der kontrollierten Hauptstruktur abstimmen und so die dynamischen Reaktionen abschwächen.
Das TMD-System besteht aus einer festen Masse, Federn und Dämpfern, die in der Regel auf der Oberseite der Hauptstruktur installiert sind. Masse, Steifigkeit und Dämpfung lassen sich so einstellen, dass die Eigenperiode gleich oder ähnlich der Eigenperiode der Hauptstruktur ist. Wenn sich die Hauptstruktur also in Bewegung setzt, erzeugt das TMD-System eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung der Hauptstruktur. Die dynamischen Reaktionen der Hauptstruktur werden damit wirksam reduziert. Dazu sind Massendämpfer einfach konstruiert und leicht zu fertigen.
TMD-Systeme bieten hervorragende Dämpfungswirkung
Da TMD-Systeme nur geringe Auswirkungen auf die Funktion der Hauptstruktur haben, werden sie häufig zum Verringern von durch Erdbeben oder Wind verursachten Strukturreaktionen eingesetzt.
Kein Wunder: Wenn die Erregung schmalbandig ist oder die Schwingung durch die Grundschwingung kontrolliert wird, ist die Dämpfungswirkung hervorragend – andernfalls ist die Dämpfungswirkung schlechter. Das heißt, dass das TMD-System dynamische Reaktionen der Hauptstruktur nur in einem engen Bereich der Anregungsfrequenz unterdrücken kann.
TLD-System nutzt Flüssigkeit als bewegliche Masse
Das TLD-System nutzt Wasser oder andere Flüssigkeiten als bewegliche Masse. Das Grundprinzip zur Ableitung der Energie aus der Hauptstruktur ist das gleiche wie beim TMD-System.
Aufgrund seiner praktischen Anwendung und Wirtschaftlichkeit wird das TLD-System gerne und häufig eingesetzt. Ein wichtiger Aspekt ist dabei das Schwapp-Verhalten von Flüssigkeiten mit freier Oberfläche in Tanks. Selbst kleine Bewegungen des Gefäßes können relativ starke Flüssigkeitsbewegungen zur Folge haben, da beim Auftreffen der Flüssigkeit auf die Tankwände sehr hohe Druckbelastungen entstehen können. Zur Vermeidung von Beschädigungen und Verminderung von Schwapp-Effekten werden häufig Schlagschotte bzw. Schwellbleche eingebaut, so dass das Flüssigkeitsniveau nach einer Vibration schnell wieder die ursprüngliche Höhe erreicht.
Insgesamt sind passiv abgestimmte Dämpfer einfach zu installieren und zu warten. Dazu lassen Sie sich nicht nur in neuen, sondern auch in bestehenden Bauwerken einsetzen, um die seismische Leistung zu verbessern.
So weit, so erdbebensicher. Und im nächsten Teil unser Beitragsserie verraten wir Ihnen, welche RINGFEDER® Lösungen dazu beitragen, den Erdbebenschutz von Gebäuden und Bauwerken nachhaltig zu erhöhen.
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