Angewandte Baudynamik

Grundlagen und Praxisbeispiele
2. aktualisierte und erweiterte Auflage 2013
ISBN: 978-3-433-03028-8
Verlag: Ernst W. + Sohn Verlag

Buch, Deutsch, 344 Seiten, DVD-ROM, Format (B × H): 169 mm x 241 mm, Gewicht: 713 g

Reihe: Bauingenieur-Praxis

Obwohl Schwingungsprobleme in der Praxis zunehmend auftreten, werden sie von Tragwerksplanern gern umgangen. Statische Ersatzlasten, Stoßfaktoren oder Schwingbeiwerte werden angewendet, ohne sich der Anwendungsgrenzen bewusst zu sein. Dieses Buch weckt das Grundverständnis für die den Theorien zugrunde liegenden Modellvorstellungen und die Begrifflichkeiten der Dynamik. Die wichtigsten Kenngrößen werden beschrieben und mit Beispielen verdeutlicht. Darauf baut der anwendungsbezogene Teil mit den Problemen der Baudynamik - Stoßvorgänge, freie und erzwungene Schwingungen, Amplitudenreduktion durch Schwingungsdämpfer, menscheninduzierte Schwingungen, Einführung in die Baugrunddynamik und Maßnahmen des Erschütterungsschutzes - anhand von Beispielen auf. Mit diesem Rüstzeug kann sich der Nutzer in spezielle Fälle wie Glockentürme, dynamische Windlasten oder erdbebensicheres Bauen einarbeiten.
Dem Bedarf der Praxis folgend wurde die 2. Auflage korrigiert, erweitert und um folgende Abschnitte ergänzt:

- Eigenfrequenzen von Pfahlgründungen,
- Diskretisierung homogener Systeme infolge "stehender Wellen",
- Ermüdung bei schwingungsanfälligen Stahlbrücken,
- konstruktiver Explosionsschutz,
- dynamische Kräfte bei Kurbeltrieb,
- Abschirmung von Bodenwellen durch vertikale Schlitzkonstruktionen.

Autoren/Hrsg.

Kramer, Helmut

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Bauingenieurwesen Technische Dynamik (Modalanalyse), Erdbebensicherheit

Inhaltsverzeichnis

EINFÜHRUNG
Gliederung und Formelzeichen
Umrechnung von Dimensionen
BESONDERHEITEN DER BAUDYNAMIK
Baustatik und Baudynamik
Die "sichere Seite"
Schwingungsmessungen
Fernwirkung
Dämpfung und Duktilität
Die statische Ersatzlast
Maschinendynamik
Schäden
TECHNISCHE REGELN IN DER BAUDYNAMIK
Allgemeines
Hamburgische Bauordnung (Auszug)
Bundes-Immissionsschutzgesetz (Auszug)
Technische Baubestimmungen
Normen
Richtlinien und Empfehlungen
Internationale technische Regeln
Allgemein anerkannte Regeln der Technik
BEGRIFFE UND KENNGRÖSSEN
Allgemeines
Zeitabhängigkeit
Masse
Steifigkeit
Anwendungsbeispiele (Pfahlbock)
BEWEGUNGEN STARRER KÖRPER
Allgemeines
Reine Translation
Reine Rotation
Massenträgheitsmoment
Wuchtgüte von Maschinen
Anwendungsbeispiele (Krängungswinkel bei seitlicher Schiffsanfahrung, Stabilität eines schwimmenden Körpers)
STOßVORGÄNGE
Der harte Stoß
Der weiche Stoß
Konstruktiver Explosionsschutz
Anwendungsbeispiele (Elastischer Einpfahldalben, Plastischer Anfahrpoller, Bungee-Springen, Duktile Stahlbetontragwerke)
FREIE SCHWINGUNGEN
Allgemeines
Systeme mit einem Freiheitsgrad
Systeme mit mehreren Freiheitsgraden
Homogene Systeme
Anwendungsbeispiele
ERZWUNGENE SCHWINGUNGEN
Allgemeines
Systeme mit einem Freiheitsgrad
- Direkte konstante Anregung - kraftgesteuerte Vorgänge
- Direkte konstante Anregung - weggesteuerte Vorgänge
- Impedanzen
- Direkte quadratische Anregung -
Fliehkräfte
- Selbstzentreirung im überkritischen Bereich
- Passive Schwingungsisolierung - indirekte Anregung
- Aktive Schwingungsisolierung - direkte Anregung
- Aktive Schwingungsisolierung - indirekte Anregung
- Isolierwirkungsgrad
- Resonanzüberhöhung in dB
Der Zweimassenschwinger (Schwingungstilger/-dämpfer, Maschinenfundament)
Lösungswege der Baudynamik bei periodischer Anregung
Anwendungsbeispiele (Fußgängerbrücke, Schmelzofenschwingungen, Stahlbrücken)
AMPLITUDENREDUKTION
Allgemeines
Amplitudenreduktion an der Quelle
Amplitudenreduktion auf der Übertragungsstrecke
Amplitudenreduktion am Empfänger
Dissipative Dämpfung
Anwendungsbeispiele Dämpfungsberechnung
MENSCHENINDUZIERTE SCHWINGUNGEN
Allgemeines
Anregungsspektrum
Dimensionierungsfalle
Erzwungene Schwingungen
Zumutbare Amplituden
EINFÜHRUNG IN DIE BAUGRUNDDYNAMIK
Allgemeines
Wellenausbreitung
Boden-Bauwerk Wechselwirkung
Erschütterungsbedingte Sackungen
Anwendungsbeispiele (verankerte Spundwand, Windkraftanlage)
ANFORDERUNGEN AN DEN ERSCHÜTTERUNGSSCHUTZ
Allgemeines
Einwirkungen auf bauliche Anlagen
Einwirkungen auf Menschen
Einwirkungen auf empfindliche Geräte
SCHWINGUNGSMESSUNGEN
Motivation
Einleitung
Anregung von Schwingungen
Aufbau einer Messkette
Schwingungsaufnehmer
Durchführung von normgerechten Schwingungsmessungen
Beispiele für gemessene Freifeldschwingungen
Fazit
Literaturverzeichnis
Stichwortverzeichnis

Vorwort VII
1 Einführung 1

1.1 Gliederung und Formelzeichen 1

1.2 Umrechnung von Dimensionen 4

2 Besonderheiten der Baudynamik 5

2.1 Baustatik und Baudynamik 5

2.2 Die „sichere Seite“ 6

2.3 Schwingungsmessungen 6

2.4 Fernwirkung 7

2.5 Dämpfung und Duktilita¨ t 7

2.6 Die statische Ersatzlast 7

2.7 Maschinendynamik 8

2.8 Schäden 8

3 Technische Regeln in der Baudynamik 9

3.1 Allgemeines 9

3.2 Hamburgische Bauordnung (Auszug) 9

3.3 Bundes-Immissionsschutzgesetz (Auszug) 10

3.4 Technische Baubestimmungen 10

3.5 Normen 11

3.6 Richtlinien und Empfehlungen 11

3.7 Internationale technische Regeln 12

3.8 Allgemein anerkannte Regeln der Technik 13

4 Begriffe und Kenngro¨ßen 15

4.1 Allgemeines 15

4.2 Zeitabhängigkeit 15

4.2.1 Periodische Einwirkungen 15

4.2.2 Harmonische Einwirkungen 16

4.2.3 Nichtharmonische Einwirkungen 20

4.2.4 Nichtperiodische Einwirkungen 24

4.3 Masse 25

4.3.1 Schwere Masse 25

4.3.2 Träge Masse 27

4.3.3 Allgemeines Gravitationsgesetz 28

4.4 Steifigkeit 32

4.4.1 Allgemeines 32

4.4.2 Stahlfedern 34

4.4.3 Stützen 35

4.4.4 Pfahlgründungen 36

4.4.5 Statisch bestimmter Balken 37

4.4.6 Elastische Matten 38

4.4.7 Luftfedern 40

4.4.8 Federkombinationen 42

4.4.9 Vorgespannte Schrauben 44

4.5 Anwendungsbeispiele 45

4.5.1 Pfahlbock aus zwei Pfählen mit gleicher Neigung 45

4.5.2 Pfahlbock aus einem geneigten und einem lotrechten Pfahl 47

5 Bewegungen starrer Körper 49

5.1 Allgemeines 49

5.2 Reine Translation 49

5.2.1 Schwerpunktsatz 49

5.2.2 Impulssatz 50

5.2.3 Impulserhaltungssatz 51

5.3 Reine Rotation 51

5.3.1 Drallsatz 51

5.3.2 Drallerhaltungssatz 53

5.4 Massenträgheitsmoment 53

5.5 Wuchtgüte von Maschinen 56

5.6 Anwendungsbeispiele 59

5.6.1 Krängungswinkel bei seitlicher Schiffsanfahrung 59

5.6.2 Stabilität eines schwimmenden Körpers 62

6 Stoßvorgänge 63

6.1 Der harte Stoß 63

6.1.1 Allgemeines 63

6.1.2 Aufprall 63

6.1.3 Anprall 68

6.1.4 Zusammenstoß zweier Körper 71

6.2 Der weiche Stoß 77

6.3 Konstruktiver Explosionsschutz 78

6.3.1 Allgemeines 78

6.3.2 Stoßfunktion infolge Explosion 79

6.3.3 Vorgehensweise 81

6.3.4 Traglastverfahren 82

6.3.5 Dynamisches Modell zur Berechnung plastischer Verformungen 83

6.3.6 Bemessung und Ausführung 85

6.3.7 Beispiel Fassadenstütze 86

6.4 Anwendungsbeispiele 88

6.4.1 Elastischer Einpfahldalben 88

6.4.2 Plastischer Anfahrpoller 93

6.4.3 Bungee-Springen 98

6.4.4 Duktile Stahlbetontragwerke 101

7 Freie Schwingungen 105

7.1 Allgemeines 105

7.2 Systeme mit einem Freiheitsgrad 105

7.2.1 Der Einmassenschwinger 105

7.2.2 Differentialgleichung 106

7.2.3 Eigenfrequenz der freien ungeda¨mpften Schwingung 106

7.2.4 Reduzierte Massen 110

7.3 Systeme mit mehreren Freiheitsgraden 112

7.3.1 Der ungedämpfte Zweimassenschwinger 112

7.3.2 Elastisch gestützte starre Scheibe 114

7.4 Homogene Systeme 118

7.4.1 Allgemeines 118

7.4.2 Stehende Wellen 119

7.4.3 Eigenfrequenzen ungedämpfter Systeme 124

7.4.4 Näherungsverfahren 127

7.4.5 Biegeeigenfrequenz mit Normalkraft 128

7.5 Anwendungsbeispiele 130

7.5.1 Maschinenfundament auf einzelnen Federn 130

7.5.2 Nichtlinearität bei Stahlbetontragwerken 137

8 Erzwungene Schwingungen 143

8.1 Allgemeines 143

8.2 Systeme mit einem Freiheitsgrad 145

8.2.1 Direkte konstante Anregung – kraftgesteuerte Vorgänge 145

8.2.2 Direkte konstante Anregung – weggesteuerte Vorgänge 154

8.2.3 Dynamische Kräfte bei Kurbeltrieb 155

8.2.4 Impedanzen 158

8.2.5 Direkte quadratische Anregung – Fliehkräfte 162

8.2.6 Selbstzentrierung im überkritischen Bereich 164

8.2.7 Passive Schwingungsisolierung – indirekte Anregung 165

8.2.8 Aktive Schwingungsisolierung – direkte Anregung 168

8.2.9 Aktive Schwingungsisolierung – indirekte Anregung 170

8.2.10 Isolierwirkungsgrad 171

8.2.11 Resonanzu¨ berho¨ hung in dB 172

8.3 Der Zweimassenschwinger 175

8.3.1 Allgemeines 175

8.3.2 Der Zweimassenschwinger als Schwingungstilger/-dämpfer 176

8.3.3 Der Zweimassenschwinger als Maschinenfundament 181

8.4 Lösungswege der Baudynamik bei periodischer Anregung 192

8.5 Anwendungsbeispiele 192

8.5.1 Schwingungsdämpfer für eine Fußgängerbrücke 192

8.5.2 Ermüdungsfestigkeit bei Schmelzofenschwingungen 195

8.5.3 Schwingungsanfällige Stahlbrücken 201

9 Amplitudenreduktion 217

9.1 Allgemeines 217

9.2 Amplitudenreduktion an der Quelle 217

9.3 Amplitudenreduktion auf der ebertragungsstrecke 217

9.4 Amplitudenreduktion am Empfänger 217

9.4.1 Amplitudenreduktion im resonanzfernen Bereich 218

9.4.2 Amplitudenreduktion im resonanznahen Bereich 218

9.5 Dissipative Dämpfung 218

9.5.1 eberblick 218

9.5.2 Rheologische Modelle 219

9.5.3 Ausschwingversuch 221

9.5.4 Resonanzversuch 224

9.5.5 Hysterese-Kurve 225

9.5.6 Fluidreibung 230

9.6 Anwendungsbeispiele 231

9.6.1 Dämpfungsberechnung aus einem Ausschwingversuch 231

9.6.2 Dämpfungsberechnung aus einer Hysterese-Kurve 234

10 Menscheninduzierte Schwingungen 237

10.1 Allgemeines 237

10.2 Anregungsspektrum 237

10.3 Dimensionierungsfalle 239

10.4 Erzwungene Schwingungen 243

10.5 Zumutbare Amplituden 245

11 Einführung in die Baugrunddynamik 247

11.1 Allgemeines 247

11.2 Wellenausbreitung 248

11.2.1 Allgemeines 248

11.2.2 Fortlaufende Wellen 249

11.2.3 Wellenarten 253

11.2.4 Wellengleichung 256

11.2.5 Energietransport 257

11.2.6 Abschirmung durch vertikale Schlitzkonstruktionen 258

11.2.7 Ausbreitung von Rammerschütterungen 261

11.3 Boden-Bauwerk Wechselwirkung 263

11.3.1 Modellbildung 263

11.3.2 Federsteifigkeiten und Dämpfungen starrer Fundamente 263

11.3.3 Indirekte Anregung durch Bodenwellen 265

11.3.4 Abstimmungsregel für Fundamente 268

11.4 Erschütterungsbedingte Sackungen 270

11.5 Anwendungsbeispiele 272

11.5.1 Auswirkung einer Sprengung auf eine verankerte Spundwand 272

11.5.2 Auswirkung einer Sprengung auf eine Windkraftanlage 276

12 Anforderungen an den Erschütterungsschutz 281

12.1 Allgemeines 281

12.2 Einwirkungen auf bauliche Anlagen 282

12.3 Einwirkungen auf Menschen 283

12.3.1 Allgemeines 283

12.3.2 Menschen in Gebäuden 284

12.3.3 Menschen am Arbeitsplatz 287

12.3.4 Schädliche und heilende Humanschwingungen 288

12.4 Einwirkungen auf empfindliche Geräte 289

13 Schwingungsmessungen 293

13.1 Motivation 293

13.2 Einleitung 294

13.3 Anregung von Schwingungen 295

13.3.1 Anregung von Schwingungen für Schwingungsmessungen 295

13.3.2 Aktive Schwingungsbeeinflussung (Aktuatoren) 298

13.4 Aufbau einer Messkette 299

13.5 Schwingungsaufnehmer 300

13.5.1 Allgemeines 300

13.5.2 Zweck 300

13.5.3 Mechanisches Grundprinzip 300

13.5.4 Arbeitsweise 304

13.6 Durchführung von normgerechten Schwingungsmessungen 309

13.7 Beispiele für gemessene Freifeldschwingungen 312

Fazit 315

Literaturverzeichnis 317

Stichwortverzeichnis 321

DVD – Baudynamik erlebbar machen

Filmausschnitte der Experimente in der Versuchshalle des Instituts fu¨ r Massivbau, TU Hamburg-Harburg, zu den im Buch behandelten Beispielen.

1. Titel

2. Aufprall

3. Anprall

4. Eigenfrequenzen

5. Harmonische Anregung

6. Selbstzentrierung

7. Transiente Wellen

8. Rayleighwellen

9. Passive Isolierung

10. Anhang

Im Anschluss: Kollapssprengung Hochhaus am Millerntor. Hamburg (1995)

Über Autor(innen)

Prof. Dr.-Ing. Helmut Kramer lehrte Baudynamik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Er ist in der Firma baudyn GmbH als Sachverständiger für Schwingungstechnik tätig. In dieses Buch fließt der reiche Erfahrungsschatz aus 40jähriger Tätigkeit als Beratender Ingenieur und Prüfingenieur ein.