Schwingungen, die z. B. durch Straßenverkehr und durch Pressen, Maschinen oder durch Erdbeben hervorgerufen werden, können sich im Boden fortpflanzen und auf ein Gebäude, auf ein empfindliches Messgerät oder auf eine Messmaschine als Fußpunkterregung wirken. Diese Schwingungen beeinflussen die Qualität und Produktivität sowie Genauigkeit von Maschinen und belasten Menschen, die u. a. durch Schwingungsisolierung reduziert werden. Bei der Schwingungsisolation wird eine Maschine, von der Kräfte ausgehen, so auf elastische und dämpfende Elemente gelagert, dass diese Kräfte in die Umgebung reduziert übertragen werden. Diese Art der Schwingungsisolation wird als Quellenisolation (aktive Schwingungsisolation) bezeichnet. Wird ein Gebäude, ein empfindliches Gerät oder eine Messmaschine auf elastische und dämpfende Elemente gelagert, um die Bodenverschiebungen, die als eine Fußpunkterregung auf das zu schützende System wirken, reduziert zu übertragen, wird diese Art der Schwingungsisolation als Empfängerisolation (passive Schwingungsisolation) bezeichnet. Im folgenden Beispiel werden störende Schwingungen durch den Betrieb einer Schmiedepresse hervorgerufen, die durch den Boden weitergeleitet werden. Diese Schwingungen wirken auf das Gebäude als Fußpunkterregung. Zur Reduzierung kann die Schmiedepresse schwingungsisoliert gelagert werden. Da die Erregungen an der Quelle reduziert werden, wird von einer Quellenisolierung gesprochen. Zur Reduzierung der Schwingungsübertragung vom Boden auf das Gebäude kann dieses Gebäude auf bestimmten elastischen und dämpfenden Elementen gelagert werden. Diesmal spricht man von einer Empfängerisolierung.
Schwingungsisolation ist eine Massenkraftkompensation. Bei der Quellenisolation wird eine auf elastischen Elementen aufgestellte Maschine mit einer Kraft angeregt. Diese Maschine bewegt sich dann auf elastischen Elementen, so dass eine Massenkraft entsteht, die gegen die Erregerkraft wirkt. Im ungedämpften Fall ist die Summe aus der Erregerkraft und Massenkraft gleich null.
Ziel der Quellenisolation ist die Reduzierung der Kräfte, die von einer Maschine ausgehen. Dies bedeutet, dass die Fußpunktkraft Fu(t) kleiner als die Erregerkraft Fe(t) sein soll. Damit werden die Schwingungen kleiner, die durch die Fußpunktkräfte Fu(t) hervorgerufen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Amplituden der Schwingungen der elastisch gelagerten Maschine im zulässigen Toleranzbereich bleiben.
Ziel der Empfängerisolation ist die Reduzierung der Schwingungen eines schwingungsisoliert aufgestellten Systems. Durch eine Empfängerisolation müssen also die Schwingungen z(t) eines Gebäudes oder einer empfindlichen Maschine kleiner als die Fußpunktverschiebungen (Schwingungen der Unterlage) u(t) sein.
Zur Beurteilung einer Schwingungsisolation ist der sogenannte Amplitudenfrequenzgang (Betrag der Übertragungsfunktion) α4(f) zu ermitteln. Er beschreibt das Amplitudenverhältnis in Abhängigkeit der Frequenz f oder in Abhängigkeit des Frequenzverhältnisses zwischen der Erregerkraft Fe(t) und der Fußpunktkraft Fu(t) bei der Quellenisolation sowie zwischen den Schwingungen des zu schützenden Objektes und der Fußpunktschwingungen bei der Empfängerisolation. Bei beiden Arten der Schwingungsisolation ist der Amplitudenfrequenzgang gleich.
Es gibt zwei Bereiche bei der Schwingungsisolation, nämlich einen Verstärkungs- und einen Isolationsbereich:
α4(f) < 1 für f > √2 * f0 der Fall der Schwingungsisolation
α4(f) > 1 für f < √2 * f0 der Fall der Schwingungsverstärkung
Die Verstärkung entsteht nur dann, wenn eine breitbandige Erregung vorliegt. Die Schwingungsisolation beginnt ab einer Frequenz, die √2 * f0 entspricht. Aus dem Amplitudenfrequenzgang ist zu ersehen, dass die Verstärkung bei der Isolationseigenfrequenz mit zunehmendem Dämpfungsgrad reduziert wird, während der Isolationsgrad I(η) gemäß
I(η) = [1-α4(η)] * 100%
mit zunehmendem Dämpfungsgrad geringer wird. Daher ist die Dimensionierung einer Schwingungsisolation eine Optimierungsaufgabe für Ingenieure. Jedoch ist ein größerer Dämpfungsgrad erforderlich, damit der Einschwingvorgang kürzer wird.
Bei einer Schwingungsisolation wird vorausgesetzt, dass der Untergrund theoretisch unendlich steif sein soll. Praktisch soll die erste elastische Eigenfrequenz des Untergrundes, z. B. eines unterkellerten Untergrundes, außerhalb der betrachteten Frequenzen liegen. Diese Voraussetzung ist in der Praxis aufgrund der Gegebenheiten nicht zu erfüllen. In diesem Fall sind die dynamischen Eigenschaften des Untergrundes bei der Auslegung der Isolationselemente zu berücksichtigen. Sonst ist eine Schwingungsisolation unwirksam oder die Schwingungen können sogar verstärkt werden.
Das Grundprinzip, das oben kurz beschrieben ist, gilt auch für Körperschall-, Stoß- und Impulsisolation.
Zur Lösung Ihrer Schwingungsprobleme sprechen Sie uns bitte an; unsere Spezialisten stehen Ihnen gerne zur Verfügung.
