Optimale Parameter von passiven Schwingungsdämpfern und Basisisolierung für Baukonstruktionen in Abhängigkeit der Anregungscharakteristik

Abstract

Ziel dieser Untersuchung ist es, die Auswirkungen von kurzzeitigen Anregungen auf Baukonstruktionen, die mit passiven Schwingungsdämpfern bzw. Basisisolierungen ausgestattet sind, zu erfassen. Dabei werden die Schwingungsdämpfer mit optimalen Parametern in Abhängigkeit der Anregungsart ausgelegt. Ebenfalls wird der Effekt der Abweichung von den optimalen Parametern analysiert. Das erste Kapitel beschäftigt sich mit der Theorie und den Grundlagen der passiven Schwingungsdämpfer sowie der Basisisolierung. Dabei wird auf die Eigenschaften der Systeme sowie auf die Abstimmung der Parameter eingegangen. Ergänzend werden verschiedene Varianten von Schwingungsdämpfern und Basisisolierungen dargestellt. Im Kapitel 2 wird auf die Anregungscharakteristik eingegangen. Als kurzzeitige Einwirkung wird eine zeitlich harmonische Anregung definiert, welche nach einer bestimmten Belastungsdauer wieder endet. Aufgrund der speziellen Anregung werden numerische Integrationsverfahren zur Lösung der Schwingungsgleichungen herangezogen. Zudem wird für die gewählte Anregung die Fourier--Transformation durchgeführt, um diese mit anderen Belastungen im Frequenzbereich vergleichen zu können. Im dritten und vierten Kapitel werden die Auswirkungen von kurzzeitigen Kraft- und Weganregungen auf den Schwingungsdämpfer untersucht und die Ergebnisse für bestimmte Belastungsdauern aufgelistet. Bei sehr kurz einwirkenden Kraftanregungen kommt es zwar zu keiner großen Reduktion der Schwingungsamplitude, jedoch weist das System mit Dämpfer ein sehr gutes Nachschwingverhalten auf. Dadurch steigt die Behaglichkeit und Langlebigkeit des Tragwerkes, wodurch die Effektivität des Dämpfers bestätigt wird. Hingegen ergeben sich bei sehr kurzen Weganregungen beim Tragwerk mit Dämpfer etwas größere Schwingungsamplituden als beim System ohne Dämpfer. Grund dafür ist die zusätzliche Trägheit der Masse des Dämpfers. Die Wirksamkeit des Schwingungsdämpfers ergibt sich jedoch wieder, aus der guten Reduktion der Nachschwingungen. Im Kapitel 5 werden die Auswirkungen von kurzzeitigen Weganregungen untersucht, aber dieses Mal für das Tragwerk mit einer Basisisolierung, wodurch die Kräfte innerhalb des Tragwerkes effektiv reduziert werden. Auch das Nachschwingverhalten wird positiv beeinflusst. Nachteilig sind die großen Gesamtverformungen des Tragwerkes zu erwähnen, welche hauptsächlich von der Basisisolierung aufgenommen werden müssen. Abschließend werden die Effekte des Schwingungsdämpfers mit denen der Basisisolierung verglichen. Die Differenzverschiebungen innerhalb des Tragwerkes werden durch die Basisisolierung stärker reduziert. Jedoch treten bei der Basisisolierung auch bei kurzzeitigen Einwirkungen große Gesamtverformungen auf. Die Wirksamkeit des Schwingungsdämpfers besteht nicht nur in der Reduzierung der Gesamtverformung, sondern auch in der positiven Beeinflussung des Nachschwingverhaltens.

The aim of this study is to capture the effect of brief excitations on the passive vibration dampers and respectively on the base isolation for building structures. Hereby the passive vibration dampers are designed using the optimal parameter as a function of the type of excitation. Additionally, the effect the deviation from the optimal parameter is analyzed. The first chapter is concerned with the theory and the basics of passive vibration dampers as well as base isolation. Herewith the characteristics of the systems as well as the tuned parameters are outlined. In addition, various types of vibration dampers and base isolations are briefly illustrated. In chapter two, the excitation characteristics are introduced in detail. As a short time exposure, a temporal harmonic excitation is defined, which ends after a specific loading duration. Due to the specific excitation, numerical integration methods are used to calculate the solution to the equations of motion. Further, a Fourier transformation is performed for the selected excitation in order to enable a comparison with other loads in frequency domain. In the third and fourth chapter, the effects of short-term force excitation and ground motion on the vibration dampers are investigated, where the results for specific loading durations are listed. Very brief force excitations do not result in a remarkable reduction of the oscillation amplitude, however, the system using dampers shows a very good performance in the decaying behavior. Thereby the comfort for the people and the durability of the structure is increased which confirms the effectiveness of the damper. Very brief ground motions yield slightly higher oscillation amplitudes of the structure using dampers than systems without dampers. The reason for this is the additional inertial force resulting from the mass of the damper. The effectiveness of the vibration damper is shown again in the reduction of the decaying behavior. The effects of short-term support excitations are investigated in chapter 5, but this time for a structure with base isolation, whereby the dynamic loads of the structure are effectively reduced. Also the decaying behavior is positively affected. Adverse are the major total deformations of the structure, which have to be absorbed primarily by the base isolation. Finally, the effects of the vibration dampers are compared to those of the base isolation. The relative displacement of the structure is increasingly reduced by means of the base isolation. However, large total deformations can occur even due to short-term impacts. The effectiveness of the vibration damper does not only arise from the reduction in the total deformation but also from the positive influence on the decaying behavior.