Werden Gebäude von Erdbeben erschüttert, kann dies zu Rissen, Instabilitäten in der Tragstruktur und im schlimmsten Fall zum Einsturz führen. Um die enormen Kräfte effizient abzufangen und dadurch sowohl Mensch als auch Material zu schützen, stehen heutzutage ausgeklügelte Techniken zur Verfügung.
Nicht alle Schäden die ein großes Erdbeben verursachen wird, können vermieden werden. Mit Reibungsfedern besteht aber eine sehr große Wahrscheinlichkeit, dass Gebäude Erdbeben – wie die in Christchurch 2010 und 2011 – überstehen und immer noch bewohnbar und funktionsfähig sind.
Reibungsfedern in der Realität
Es gibt bereits einige große Gebäude in Neuseeland, die mit Reibungsfedern ausgestattet sind und die in der Realität getestet wurden.
Ein Beispiel: Das Te Puni Village Studentenwohnheim in Wellington. Es war bereits fertiggestellt, als das Erdbeben am 21. Juli 2013 mit Stärke 6,5 auf der Momenten-Magnituden-Skala (MMS) und Nachbeben der Stärke 5,8 aufgetreten ist. Ziel war es, im Falle eines Erdbebens die Bodenbeschleunigung auszugleichen. Die Reibungsfedern arbeiten hier zusammen mit einer bestimmten Art von Verbindung zwischen den Stützen und Traversen des Stahltragrahmens des Gebäudes.
Diese sind als Gleitgelenke (Sliding Hinge Joint - SHJ) ausgeführt und haben die Aufgabe Energie zu absorbieren und dem Gebäude Flexibilität zu verleihen. Dies alleine führt zwar dazu, dass ein Teil Energie verzehrt wird, aber das Gebäude wird nach dem Erdbeben nicht mehr die ursprüngliche Position haben sondern schräg stehen.
An diesem Punkt kommt die Reibungsfeder zum Einsatz. Durch Sie entsteht das „Self Centering Sliding Hinge Joint“. Das bedeutet, die Reibungsfeder entzieht in Verbindung mit dem SHJ zusätzlich einen Großteil der eingebrachten Energie und bringt das Gebäude zurück in die Ausgangslage. Das Gebäude überstand das Erdbeben ohne nennenswerte Schäden. Das innovative Konzept wurde von der British Institution of Structural Engineers mit dem Healthcare-Structure-Award ausgezeichnet.
Vorteile einer Reibungsfeder
Langlebigkeit
Reibungsfedern sind so konstruiert, dass sie viele Zyklen durchlaufen können und wiederverwendbar sind. Wenn einer der Ringe in der Feder bricht, verliert man ein Stück Federweg und die Steifigkeit wird leicht ansteigen – die Reibungsfeder funktioniert aber weiterhin. Zum Vergleich: Wenn eine Schraubenfeder bricht, bedeutet dies einen Totalausfall der Funktion und Sie haben keinen Schutz mehr.
Dämpfung
Mit dem Fett F-S1, werden 2/3 der eingeleiteten Energie verzehrt. Wenn Sie weniger Dämpfung benötigen, kann man leicht eine maßgeschneiderte, und auf Ihre Bedürfnisse zugeschnittene Lösung entwerfen. Damit erzielt man eine reduzierte Dämpfung von bis zu ca. 1/3 der eingebrachten Energie. Diese einfache Lösung, kann die Eigenschaften der Reibungsfeder verändern. In bestimmten seismischen Anwendungen benötigen Sie für die Reibungsfeder eine höhere Kraft beim Entlasten der Feder, um die Gebäudestruktur wieder in die vertikale Position zu bringen.
Feuer und hohe Temperaturen
Reibungsfedern werden aus speziellem Federstahl gefertigt und mit Fett beschichtet. Falls ein Feuer oder hohe Temperaturen entstehen, wird eine Reibungsfeder diesen besonderen Umgebungseigenschaften standhalten. Im Gegensatz zu Gummi, Elastomeren oder Hydraulikdämpfern – diese werden im Feuer zerstört. Die Reibungsfeder muss lediglich neu gefettet werden.
Rückstellkraft
Für jede Anwendung findet man die beste Rückstellkraft der Feder. Dies ist mit herkömmlichen Federtypen nicht möglich. Man kann durch die Verwendung eines anderen Fettes, die Änderung der Dicke der Ringe oder die Änderung des Kegelwinkels das gewünschte Ergebnis erzielen.
Wiederverwendbarkeit
Nach einem seismischen Ereignis können Reibungsfedern wiederverwendet werden. Sie sind dafür konstruiert, viele Zyklen zu durchlaufen und dabei ihre guten Eigenschaften zu behalten. Nebenbei sind sie auch noch wartungsfrei. Das erspart Ihnen Zeit und Kosten.
Geschwindigkeit
Reibungsfedern reagieren schneller auf einwirkende Kräfte als alle anderen Federtypen.
Einbauraum
Reibungsfedern können sehr hohe Kräfte in Bezug auf ihren Durchmesser aufnehmen.
Reibungsfedern werden immer öfter ein Teil der künftigen Konstruktionen zum Schutz von Wohngebäuden und Hochspannungs-Leistungsschaltern (zur elektrischen Energieübertragung) sein. In einem unserer letzten Artikel, lesen sie wie eine Reibungsfeder funktioniert. Laden Sie sich auch unser Whitepaper herunter für mehr technische Informationen oder kontaktieren Sie unsere Experten für Dämpfungstechnik.
Quelle: Clifton, C. et al., "Experimental Study of Full-Scale Self-Centering Sliding Hinge Joint Connections with Friction Ring Springs", Journal of Earthquake Engineering, 17:972-997, 2013
Kommentieren