ISOTILDAM - Isolation, Tilgung, Dämpfung - Die Lösung von Schwingungsproblemen von Maschinen, Anlagen, Gebäuden
ISOTILDAM - Isolation, Tilgung, Dämpfung - Die Lösung von Schwingungsproblemen von Maschinen, Anlagen, Gebäuden

Entwicklung eines optimierten Erdbebenschutzes für Gebäude und Maschinen

Die Bodenerschütterungen infolge von Schienenfahrzeugen, Straßenverkehr oder Maschinen, Anlagen, Pressen und insbesondere infolge Erdbeben sind breitbandige Erregungen, die alle Eigenfrequenzen eines schwingungsfähiges System gleichzeitig anregen. Erdbeben sind die Bodenerschütterungen, die durch geologische Vorgänge in der Erdkruste ausgelöst werden. Die so entstehenden tektonischen Beben werden Dislikationsbeben oder im Allgemeinen  Erdbeben genannt. Erdbeben gehören zu den Naturerscheinungen, die für den Menschen völlig unerwartet auftreten und im Allgemeinen zu großen Katastrophen führen. Es kommt durch die Erdbebeneinwirkungen zu Personenschäden und Sachschäden an Gebäuden und Einrichtungen. Gebäudeschäden treten infolge von Überschreitungen zulässiger Beanspruchungen auf. Denn die Eigenfrequenzen von Gebäuden, die meist aus Stahlbeton und Mauerwerke erstellt werden und die Eigenfrequenzen von Maschinen liegen im Bereich des Frequenzinhaltes von Erdbeben und können deshalb resonanzartig angeregt werden. Daher kommt der Reduzierung von Erdbebenbeanspruchungen eine zunehmend größere Bedeutung zu. Ein Erdbebenschutz ist eigentlich auch eine Massenkraftkompensation wie die Schwingungsisolation. Daher werden die Schwingungsamplituden eines elastisch gelagerten schwingungsfähigen Systems (eine Maschine oder ein Bauwerk) auch  mit der Eigenfrequenz der Schwingungsisolierung verstärkt. Die Verstärkungen der Schwingungen mit der Lagerungsfrequenz sind unvermeidbar. Jedoch können sie mit relativ großen Dämpfungen begrenzt werden. Durch Erhöhung der Dämpfung wird aber Schwingungsisolation schlechter. Die ausgeprägten Erregerfrequenzen beim Erdbeben liegen im Bereich 0,5 Hz bis 20 Hz. Daher ist ein Erdbebenschutz für Gebäude und für Maschinen eine Optimierungsaufgabe.

In unserer Forschungs- und Entwicklungsabteilung soll ein räumlich wirksamer Erdbebenschutz für die verschiedenen  Regionen unter Berücksichtigung der regionalen Eigenschaften der Erdbeben durch Verwendung von ISOTILDAM Elementen und durch Kombination mit speziellen Lagern entwickelt werden. Denn Erdbeben zeigen regional unterschiedliche Amplituden- und Frequenzeigenschaften. Dabei werden die Schwingbewegungen und dynamischen Beanspruchungen eines zu schützenden Gebäudes oder einer zu schützenden Maschine durch Verwendung der FE-Methode berechnet.

Ein Gebäude oder eine Maschine wird in erster Linie auf vertikale Belastungen berechnet.  Daher kann dieses Gebäude die dynamischen Zusatzlasten in vertikaler Richtung besser verkraften. Ein Erdbeben ist aber eine Belastung räumlicher Natur, die in horizontalen Richtungen stärker als die vertikaler Richtung ist. Deshalb sind beim Nachweis der Standsicherheit von Gebäuden die räumlichen Einwirkungen von Erdbeben zu berücksichtigen. Die Wirksamkeit des zu entwickelnden Erdbebenschutzes wird dann an einem Versuchsmodell experimentell nachgewiesen.

Ziel der Forschung

Die Entwicklung eines optimierten Erdbebenschutzes für ein Gebäude oder für eine Maschine in den verschiedenen Regionen is Ziel unserer Forschung. Die räumliche Wirksamkeit dieses Erdbebenschutzes soll messtechnisch nachgewiesen werden. Ferner wird ein Isolationselement mit den frequenzabhängigen dynamischen Eigenschaften entwickelt werden, da solche frequenzabhängigen Elemente beim Erdbebenschutz verwendet werden. Durch Entwicklung neuartiger Isolierungselemente mit frequenzabhängigen Eigenschaften soll erreicht werden, dass die Verstärkungen bei der Isolationseigenfrequenz möglichst klein bleiben, während die Wirksamkeit der Schwingungsisolation mit zunehmendem Dämpfungsgrad nicht negativ beeinflusst wird. Damit sollen folgende Ziele erreicht werden:

Durch die Optimierung der oben genannten Schutzmaßnahmen sollen unzulässige Festigkeitswerte für das Gebäude vermieden werden.

Bei der Dimensionierung der Empfängerisolation des zu schützenden Gebäudes sollen die maximalen Relativverschiebungen zwischen dem Fundament und dem Gebäude bei einem erwarteten Erdbeben mit berücksichtigt und diese Relativverschiebungen reduziert werden, damit bei einer großen Relativverschiebung die Isolationselemente nicht blockiert werden. Sonst entsteht eine starre Verbindung des Gebäudes mit dem Untergrund.

Die Schwingungsbelastungen des sich im Gebäude mit Schutzeinrichtungen aufhaltenden Menschen sollen kleiner sein als ohne Schutzeinrichtungen.

Die durch die Erdbodenbewegungen verursachten Beschleunigungen am Gebäude rufen an den Einrichtungen im Gebäude und an einer Maschine größere  Massenkräfte und -momente hervor, so dass diese beschädigt werden können. Um das zu vermeiden, sollen die Maximalwerte der Absolutbeschleunigung des Gebäudes unter Einwirkung eines Erdbebens reduziert werden.