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Dokumentenidentifikation DE102006018614A1 25.10.2007
Titel Erdbebenschutz von Hochhäusern mit Beam-Tuned Mass Damper. (B-TMD)
Anmelder Bschorr, Oskar, Dr., 81679 München, DE
Erfinder Bschorr, Oskar, Dr., 81679 München, DE;
Raida, Hans-Joachim, Dr., 50767 Köln, DE
DE-Anmeldedatum 21.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018614
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse E04B 1/98(2006.01)A, F, I, 20060421, B, H, DE
Zusammenfassung Aufgabe ist die Bedämpfung von Gebäuderesonanzen, um die Bruchbelastung bei Erdbeben und ebenso die durch die seismische Unruhe und Windschwankungen verursachte Wöhler-Materialermüdung zu verringern. Ein weiteres Ziel ist die Vermeidung von Kinetosen. Während die bekannten, nach dem Tuned Mass Damper (TMD)-Prinzip arbeitenden Dämpfer nur eine einzige Dämpfungsfrequenz besitzen, haben eindimensionale Wellenleiter - im Folgenden als Beam-Tuned Mass Damper (B-TMD-Dämpfer) bezeichnet - dagegen eine ganze Serie von Eigenfrequenzen, die isoresonant auf das Eigentonnetz des zu dämpfenden Hochbaus abgestimmt sind. Außerdem wirken die TMD-Pendel nur in den beiden Horizontalrichtungen, während der B-TMD-Dämpfer auf alle 6 Bewegungsfreiheitsgrade ausgelegt werden kann. Werden alle Gebäude in einem Stadtgebiet mit B-TMD-Dämpfern versehen, kann für dieses Gebiet eine Bebauungsresistanz generiert und im Optimum ein sog. reflextionsfreier Abschluss geschaffen werden, der die Raumwellen an der Erdoberfläche halbiert und deren Transformation in Oberflächenwellen verhindert. Beide Effekte reduzieren a priori die auf dieses Baugebiet einwirkende Bebenintensität.

Beschreibung[de]

Gegenstand der Erfindung ist der Schutz von Hochhäusern gegen dynamische Lasten hervorgerufen durch Erdbeben und Wind. Durch Bedämpfung von Gebäuderesonanzen sollen die Bruchbelastung und ebenso die durch die seismische Unruhe verursachte Wöhler-Materialermüdung vermindert und Kinetosen vermieden werden.

Das gebräuchlichste Mittel zur Minderung von Erdbeben- und Windlasten ist der Tuned Mass Damper (TMD). Hierbei handelt es sich um mechanische, auf die kritischen Belastungsfrequenzen abgestimmte Resonatoren, bestehend aus Masse, Feder und Dämpfer. Wie aus den Patentschriften JP 63254247, JP 03113143, JP 11037212, JP 2001050335, EP 0525919, DE 69706019 und WO 2004/003306 ersichtlich, gibt es dazu verschiedene Ausführungsformen. Am bekanntesten ist die Pendelausführung. Das größte TMD-Pendel wurde im 508 m hohen Taipei-Tower realisiert. Es hat eine kugelförmige Pendelmasse von 660 Tonnen; dies entspricht 0,25% des Baugewichtes. Die Aufhängung an 8 Stahlseilen mit einer Länge von 15 m erstreckt sich über 5 der 101 Stockwerke. Die große Pendellänge ist erforderlich, um die Eigenfrequenz des Pendels auf die kritische, erste Resonanz des Taipei-Towers bei 0,15 Hz abzustimmen.

Nachteil all dieser dynamischen Schwingungsdämpfer – TMD – ist, dass sie einen großen Bauraum benötigen, nur bei einer Arbeitsfrequenz und nur auf die translatorischen horizontalen, nicht aber die – gleich viel Schwingungsenergie enthaltenden – rotatorischen Freiheitsgrade wirken. Außerdem haben diese keinen Dämpfungseffekt in vertikaler Richtung.

Aufgabe der Erfindung sind nach dem TMD-Prinzip arbeitende Dämpfer gegen dynamische Wind- und Erdbebenlasten, die im Folgenden als Beam-Tuned Mass Damper (B-TMD-Dämpfer) bezeichnet werden. Diese sollen bei weniger Verbrauch an Bauraum nicht nur in zwei, sondern in allen 6 Bewegungsfreiheitsgraden wirken, gleichzeitig mehrere Arbeitsfrequenzen besitzen und eine inhärente Dämpfung haben. Über den Schutz des einzelnen Gebäudes hinaus, soll mit den gleichermaßen mit B-TMD-Dämpfern versehenen Nachbarbauten für das gesamte Baugebiet Erdbebenwellen a priori abgemindert werden.

Nach dem Hauptmerkmal wird der B-TMD-Dämpfer vorzugsweise durch eindimensionale Wellenleiter für mechanische Biege-, Transversal- und Longitudinalwellen realisiert. Diese sind kraft- und momentschlüssig und koaxial zur Trägerstruktur im oberen Bereich eines Hochhauses angebracht. Im Gegensatz zur Punktmasse beim konventionellen TMD-Dämpfer hat ein eindimensionaler Wellenleiter – wie auch ein Hochhaus – eine ganze Serie von Eigenfrequenzen. Im Abschnitt Auslegung ist gezeigt, wie die Resonanzserien des Wellenleiters auf die des Hochhauses abgestimmt werden können.

Um besonders die Dämpfung für die unteren Eigenfrequenzen eines B-TMD-Dämpfers aufzubringen werden hier als Sub-B-TMD-Dämpfer bezeichnete Wellenleiter benützt. Dabei handelt es sich wieder um – verkleinerte – Wellenleiter deren Resonanzserie wieder auf die des B-TMD-Dämpfers und des zu dämpfenden Hochhauses isoresonant abgestimmt ist.

Nach einem weiteren Merkmal soll durch B-TMD-Dämpfer innerhalb einer Stadtbebauung die dynamischen Erdbebenlasten global reduziert werden. Dazu wird die Impedanz der Bebauung an die des Untergrundes angepasst. Im Optimum eines sog. reflexionsfreien Abschlusses werden die auf eine Stadtbebauung einwirkenden Raumwellen halbiert und deren Transformation in Oberflächenwellen a priori ausgeschlossen.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand verschiedener Ausführungsbeispiele weiter spezifiziert:

1 und 2. Hochhäuser mit verschiedenen B-TMD-Dämpfern.

3 bis 9. Verschiedene Ausführungen der Wellenleiter in B-TMD-Dämpfer.

10 und 11. Hochhäuser mit gegenläufig montierten B-TMD-Dämpfern.

12 und 13. Mit Sub-B-TMD-Dämpfern bedämpfte B-TMD-Dämpfer.

Bezeichnungen: Zur Beschreibung wird folgende Zeichengebung vereinbart: Mit X als Figurennummer bedeutet X1 einen B-TMD-Dämpfer. Dieser besteht aus einem eindimensionalen Wellenleiter X2 für Biege-, Transversal- und Longitudinalwellen und hat einen Fußpunkt X3 und ein Kopfende X4. Mittel zur Dämpfung des Wellenleiter X2 sind mit X6 bezeichnet. Der B-TMD-Dämpfer X1 ist mit seinem Fußpunkt X3 im oberen Bereich des zu dämpfenden Hochhauses X9 kraft- und momentschlüssig und vorzugsweise koaxial zur tragenden Baustruktur angekoppelt. Die Bezeichnung X0 gilt für den Baugrund, die Zeichen X7 und X8 sind offen. Mit X1' werden Sub-B-TMD-Dämpfer bezeichnet. Diese dienen zur Dämpfung der B-TMD-Dämpfer X1 und sind analog und koaxial zu diesen aufgebaut.

Auslegung: Weiter ist es zweckmäßig die Wirkungsweise eines B-TMD-Dämpfers auf das bekannte TMD-Prinzip zurückzuführen. Dazu werden nach der bekannten Modalanalyse die Eigenfrequenzen &ohgr;n, Verlustfaktoren &ggr;n, die modalen Massen mn und modalen Massenträgheitsmomente &phgr;n der n = 1, 2, 3... Moden des Wellenleiters X2 bestimmt. (Näherungsweise entspricht die modale Masse mn ~ S mGes der halben Gesamtmasse mGes des B-TMD-Dämpfers). Jede modale Masse mn kann als eine eigene Pendelmasse mit der Eigenfrequenz &ohgr;n aufgefasst und wie diese ausgelegt werden. Während die Masse mn auf die Translation wirkt, dämpft das Massenträgheitsmoment &phgr;n zusätzlich die Rotationsbewegung. Bei einem auf Biegewellen ausgelegten Wellenleiter X2 haben beide Mechanismen dieselbe Dämpferleistung.

Die Eigenfrequenzen &ohgr;n, die Verlustfaktoren &ggr;n, die modalen Massen mn und modalen Massenträgheitsmomente &phgr;n des B-TMD werden dabei nach den bekannten TMD-Vorschriften:

&ohgr;n = &OHgr;n und &ggr;n > &Ggr;n und mn >> Mn und zusätzlich &phgr;n << &PHgr;n an die Eigenfrequenzen &OHgr;n, die Verlustfaktoren &Ggr;n, modale Massen Mn und modale Massenträgheitsmomente &PHgr;n des zu schützenden Hochhauses angepasst. Mit n = 1, 2, 3... entsprechen die modalen Massen mn beim B-TMD insgesamt n konventionellen TMD-Pendel.

Die Anpassung eines Sub-B-TMD-Dämpfers an den zugeordneten B-TMD-Dämpfers ist dazu voll analog. Hat der B-TMD-Dämpfer wieder die Kennwerte &ohgr;n, &ggr;n, mn und &phgr;n und werden die entsprechenden Kennwerte des Sub-B-TMD-Dämpfers mit &ohgr;n', &ggr;n', mn' und &phgr;n' bezeichnet so gilt entsprechend &ohgr;n'= &ohgr;n und &ggr;n' > &ggr;n und mn' << mn und zusätzlich &phgr;n'<< &phgr;n. Falls notwendig, kann mit einem Sub-Sub-B-TMD-Dämpfer eine weitere Hierarchiestufe eingeführt werden.

Die Isoresonanz von Hochhaus, B-TMD-Dämpfer und Sub-B-TMD-Dämpfer mit der Konstruktionsforderung &OHgr;n = &ohgr;n = &ohgr;n' wird zunächst grob bestimmt. Dazu wird das zu dämpfende Hochhaus ebenfalls durch einen eindimensionalen, linienförmigen Wellenleiter approximiert. Seine Längenachse verlaufe in der vertikalen Z-Koordinate und habe die Höhe Zmax = H entsprechend der Haushöhe. Die transversalen, horizontalen Richtungen sind X und Y. Als nächstes werden aus den Konstruktionsdaten die lokalen Wellengeschwindigkeiten C(Z) für Biege- und Translationswellen in X- und Y-Richtung, für Longitudinal- und Torsionswellen über die gesamte Höhe von 0 bis Zmax = H bestimmt. Der koaxial zur Z-Achse angekoppelte B-TMD-Dämpfer habe das analoge z-, x- und y-Koordinatensystem und eine Höhe zmax = h.

Höhenverhältnis ist damit h/H, größenordnungsmäßig liegt h/H bei 0,1. Der &bgr;-TMD-Dämpfer habe die lokalen Wellengeschwindigkeiten c(z) für Biege- und Translationswellen in x- und y-Richtung, für Longitudinal- und Torsionswellen. Isoresonanz von Hochhaus und B-TMD-Dämpfer verlangt die Anpassung der Wellengeschwindigkeit c(z) nach der Vorschrift c(z)/C(Z) = h/H. Wie eingangs festgestellt, gilt dies für die Erstauslegung, die Feinapstimmung erfolgt über eine differentielle Modalanalyse und letztlich messtechnisch.

Schließlich soll der emergente, gegenseitige Schutz benachbarter, B-TMD-bedämpfter Gebäude abgeschätzt werden: Hat ein solches Hochhaus eine Resistanz Rn und einen mittleren Abstand a zum Nachbargebäude, so kann dem Gebäudekollektiv eine spezifische Resistanz r = a2Rn zugeordnet werden. Bei einem Baugrund mit der charakteristische Resistanz &rgr;cT,L (&rgr; = Dichte und cT,L = transversale und longitudinale Wellengeschwindigkeit des Bodens) hängt die auf das Gebäudekollektiv einwirkende Bebenstärke entscheidend vom Verhältnis r/&rgr;cT,L ab. Im Optimum mit r/&rgr;cT,L = 1 besteht ein sog. reflexionsfreien Abschluss ohne die Amplitudenverdopplung und ohne Ausbildung von Oberflächenwellen. Dies entspricht einer um mehrere Mercalli-Klassen geringeren Bebenstärke. Bei einem Anteil r/&rgr;cT,L = 0,5 ergibt dies noch eine Reduktion um 1 Mercalli-Klasse.

Beschreibung: In dem Aufriss der 1 befindet sich ein B-TMD-Dämpfer 11 an der Spitze eines Hochhauses 19. Das Hochhaus 19 steht auf den Baugrund 10. Der B-TMD-Dämpfer 11 besteht aus einem Wellenleiter 12, hier als Stahlsäule ausgebildet, der mit seinem Fußpunkt 13 kraft- und momentschlüssig und koaxial am Hochhaus 19 angebracht ist. Die Eigenfrequenzen des Wellenleiters 12 sind isoresonant auf die des Hochhauses abgestimmt. Im Auslegungsteil ist gezeigt, wie eine solche Abstimmung realisiert und wie der B-TMD-Dämpfer bei diesen Resonanzfrequenzen durch das bekannte TMD-Pendel ersetzt gedacht werden kann. In den 3 bis 9 sind verschiedene Wellenleiter im Querschnitt gezeigt.

Das Ausführungsbeispiel in 2 ist weitgehend analog zu 1. Ein auf dem Baugrund 2fl stehendes Hochhaus 29 ist hier mit einer Vielzahl gleicher B-TMD-Dämpfer 21 versehen. Die B-TMD-Dämpfer 21 und das Hochhaus 29 sind wieder isoresonant abgestimmt. Damit ergibt sich wieder das konventionelle TMD-Prinzip.

In den 3 bis 9 sind Wellenleiter im Querschnitt gezeigt. Der Wellenleiter 31 in 3 besteht aus einem einheitlichen Material 36 z.B. aus Stahl, Kupfer, dämpfenden Legierungen, Kompositstoffen, wie glasfaserverstärkten Kunststoffen und hat hier einen kreisförmigen Querschnitt. In 4 wird der Wellenleiter 41 aus einem Stahlzylinder 46 mit einem Betonkern 47 gebildet. Der Querschnitt des Wellenleiters 51 in 5 ist rechteckig. Eine solche Auslegung hat in x- und y-Richtung unterschiedliche Resonanzen, damit kann in einfacher Weise Isoresonanz auch für Hochhäuser mit einem rechteckigen Grundriss hergestellt werden. In 6 sind 4 viereckige Wellenleiter 62 zu einem TBMD-Dämpfer 61 gebündelt. In den Zwischenräumen befindet sich ein Dämpfungsstoff 65. Im Ausführungsbeispiel der 7 besteht der Wellenleiter 72 aus Stahlbeton, mit den Stahlstäben 76 und der Betonfüllung 77. Mit eingegossen sind die aus EU 0 037 884 A1 bzw. aus US 4 417 427 bekannten Dämpfungsstäbe 75. In 8 sind Dämpfungsstäbe 85 außen am Wellenleiter 82 angebracht. In 9 ist der Wellenleiter 92 aus einer aus Stahl bestehenden Wendel 98 gebildet. Über die Wendelgeometrie – Wendeldurchmesser D, Materialdurchmesser d und Ganghöhe G – besteht eine hohe Gestaltungsvielfalt um die für den Wellenleiter 92 die Wellengeschwindigkeiten für die relevanten Wellenarten und die Massenbelegung einzustellen. Eine solche Ausführungsform kann nicht nur die Horizontal- sondern auch die Vertikal- und Torsionsschwingungen eines Hochhauses dämpfen.

Es ist zwar sinnfällig, die B-TMD-Dämpfer – wie in den 1 und 2 gezeigt – koaxial und gleichgerichtet zum Hochhaus anzubringen. In den 10 und 11 sind dazu die B-TMD-Dämpfer 101 und 111 auch koaxial aber in umgekehrter Wellenrichtung dargestellt. Beide Bauweisen haben identische Dämpfungswirkung. Mit der umgekehrten Anordnung verringert sich Bauhöhe der zu dämpfenden Hochhäuser 109 und 119. Am Hochhaus 119 werden die außen angebrachten B-TMD-Dämpfer 111' durch Halterungen 118 in Ruhestellung gehalten. Im Bebenfall wird die Halterung 118 selbsttätig über eine Sollbruchstelle oder ferngesteuert freigegeben und das Kopfende 114 des aktivierten B-TMD-Dämpfers 111 erhält einen größeren Abstand vom Hochhaus 119 um damit größere Schwingungsausschläge zu ermöglichen. Über eine elastische Vorspannung im B-TMD-Dämpfer 111' lässt sich eine solche Abstandsvergrößerung am einfachsten realisieren.

In den Beispielen von 12 und 13 geht es um die Bedämpfung der B-TMD-Dämpfer 121 und 131 durch Sub-B-TMD-Dämpfer 121' und 131'. In 12 sind Hochhaus 120, B-TMD-Dämpfer 121 und Sub-B-TMD-Dämpfer 121' gleichgerichtet angeordnet. In 13 sind Hochhaus 130 und B-TMD-Dämpfer 131 gleichgerichtet, der Sub-B-TMD-Dämpfer 131 aber entgegengesetzt angeordnet. Trotz unterschiedlicher Gestaltung haben beide Ausführungen wieder identische Dämpfung.


Anspruch[de]
Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) zur Reduktion von Schwingungen in Gebäuden, insb. Hochhäusern, Wohntürmen, Sendemasten, bestehend aus Stützmassen, Federelementen und Dämpfungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass Beam-Tuned Mass Damper (B-TMD-Dämpfer) X1 bestehend aus einem eindimensionalen Wellenleiter X2 für Biege-, Translations- und Longitudinalwellen der mit seinem Fußpunkt X3 kraft- und momentschlüssig an das zu dämpfende Hochhaus X9 angekoppelt ist und Wellenleiter X2 und Hochhaus X9 isoresonant aufeinander abgestimmt sind. Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter X2 koaxial zur Achse des zu dämpfenden Hochhauses X9 und bezüglich der Wellenrichtung gleich- oder auch entgegengerichtet angekoppelt ist. Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Hochhäusern X9 die zwei Hauptachsen (X;Y) mit ungleichen Biegesteifigkeiten und damit unterschiedlichen Resonanzserien Wellenleiter X2 mit ebenfalls unterschiedlichen Resonanzserien in den Hauptachsen (x,y) eingesetzt und isoresonant abgestimmt werden. Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der B-TMD-Dämpfer X1 aus zwei oder mehreren Wellenleitern X2 besteht, die durch ein Dämpfungsmaterial X5 miteinander verbunden sind. Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) nach den Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter X2 aus Stahlbeton besteht in den aus US 4417427 bekannte Dämpfungsstäbe eingegossen sind. Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenmantel der Wellenleiter X2 aus US 4417427 bekannte Dämpfungsstäbe angekoppelt sind. Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter X2 aus einer Wendel besteht. Mechanische Resonatoren (TMD, Tuned Mass Damper) nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der -B-TMD-Dämpfer X1 mit einem am Kopfteil X4 koaxial angebrachten und auf Isoresonanz ausgelegten Sub-B-TMD-Dämpfer bedämpft wird.






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