Schwingungstilger gegen Erschütterungen aus ... - imb-dynamik

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Schwingungstilger gegen Erschütterungen aus Pressenbetrieb
Dr.-Ing. Frank H. Müller-Boruttau, Dipl.-Ing. H. Molzberger, Dr.-Ing. Norbert Breitsamter,
imb-dynamik, D-82266 Inning-Buch
Zusammenfassung
Großpressen und vertaktete Pressenstraßen verursachen Erschütterungen z.B. im Frequenzbereich
5 – 15 Hz, die sich bis in weite Entfernungen störend auswirken. Gleichzeitig
werden die Neubauten in Automobilwerken mit immer weiter gespannten Decken mit minimierten
Materialdicken errichtet.
Wenn nun Anregungsfrequenz und Eigenfrequenz zusammenfallen, ist mit starken Resonanzüberhöhungen
zu rechnen. Konstruktive Modifikationen sind schwierig zu realisieren,
weil der Baudynamiker häufig erst bei einem weit fortgeschrittenen Planungsstand zugezogen
wird bzw. weil die Randbedingungen größere Eingriffe sowieso nicht zulassen, oder die
beeinträchtigten Gebäude bereits vorhanden sind. Dann bleibt als Abhilfemöglichkeit meist
nur der Einbau von Schwingungstilgern.
An zwei Praxisbeispielen bei der AUDI AG in Ingolstadt mit ingenieurmäßig entworfenen und
dimensionierten Tilgern (1. Produktionsgebäude, 18 Deckenfelder 11x11m² mit jeweils 2 Tilgern
á 1,5 to; 2. Repräsentationsgebäude mit „Minitilgern“ innerhalb des Doppelbodens) wird
gezeigt, welche Erschütterungen auf die Gebäude einwirken und auf den Decken vor und
nach dem Einbau von Schwingungstilgern vorhanden waren. Konstruktion, Montage und
technische Daten der Tilger werden erläutert. Nachmessungen belegten Tilgerwirksamkeiten
von ca. 30 bis 60 % gegen die transienten Einwirkungen aus dem Pressenbetrieb.
1 Einführung
Automobilwerke besitzen in der Regel ein oder mehrere Presswerke. Abhängig davon, welche
Pressen betrieben werden und wie diese gelagert sind, werden Erschütterungen erzeugt,
die sich aufgrund der hohen Quellstärke weit in die Umgebung ausbreiten können.
Im Fall der AUDI AG, Ingolstadt, ist die wichtigste Erschütterungsquelle das Presswerk A1.
Dort gibt es Einzelpressen, vertaktete Pressenstraßen, Stufen- und Großteilstufenpressen.
Teilweise sind die Pressen auf Betonfundamenten starr aufgestellt. Alle in jüngerer Zeit installierten
Pressen sind elastisch gelagert. Das Presswerk gibt hauptsächlich Erschütterungen
im Frequenzbereich um ca. 5 Hz und um ca. 12 Hz nach außen ab. Je weiter man vom
Widmung
Diese Veröffentlichung widmen die Autoren dankbar ihrem verehrten baudynamischen
Lehrer Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Harry Grundmann, Lehrstuhl für Baumechanik der Technischen
Universität München, aus Anlass der Vollendung seines 65. Lebensjahres
Seite 1

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Presswerk entfernt ist, desto mehr dominieren die 5 Hz-Schwingungen, da die höherfrequenten
12 Hz-Schwingungen vom Boden stärker bedämpft werden.
Bei zwei Neubauten – ca. 50 m bzw. 200 m entfernt vom Presswerk A1 – waren auf dem
Baugrundstück keine fühlbaren Schwingungen vorhanden. Die benachbarten, älteren Gebäude
wiesen ebenfalls keine besonderen Probleme im Zusammenhang mit Schwingungen
auf. Daher ging man zu Beginn der Planung davon aus, dass auch die Neubauten keiner
besonderen baudynamischen Betrachtung bedürften. Allerdings waren die bestehenden Gebäude
von deutlich anderer Baukonstruktion als die modernen Neubauten:
� Bestand: kurze Spannweiten, steife jedoch leichte Betondecken mit Unterzügen, massive
Trennwände, geringe Geschosshöhen
� Neubauten: weite Spannweiten, sehr dünne Betonflachdecken (nachgiebig und schwer)
bzw. Π-Platten, Stahlbetonskelettbau, große Geschosshöhen
Während der Planungsphasen wurde daher mit Untersuchungen begonnen, welche Erschütterungen
auf die späteren Nutzer der Gebäude einwirken würden. Es zeigte sich
schnell, dass aufgrund der Resonanzüberhöhungen Decke / Fundament aus nicht fühlbaren
Bodenschwingungen stark spürbare Deckenschwingungen werden konnten. Seitens der
AUDI AG wurde - aus Gründen des Arbeitsschutzes und um störende Einwirkungen von den
Mitarbeitern fernzuhalten - vorgegeben, dass eine Dauererschütterungseinwirkung von KB =
0,5 nicht überschritten werden sollte.
Da die Planungen bereits weit fortgeschritten waren, mussten Maßnahmen ergriffen werden,
die nachträglich integriert werden konnten. Hierfür sind Schwingungstilger hervorragend geeignet.
Da diese jedoch am günstigsten bei stationären Schwingungen wirken und bei transienten
(= zeitlich veränderlichen) Einwirkungen schlechtere Wirkungsgrade zeigen, war durch
Detailuntersuchungen zu klären, ob eine ausreichende Wirksamkeit auch für diese Einsatzfälle
gegeben war. Über den Ablauf dieser Untersuchungen, Prognosen und Nachmessungen
wird im Folgenden berichtet.
2 Beispiel 1: AUDI AG Ingolstadt, Neuer Werkzeugbau S40,
Tilger: Betonfertigteile auf GERB-Stahlfedern
2.1 Situation
Situation: Abstand Gebäude S40 zum Presswerk ca. 200 m
Gebäudedaten: Stahlbetonskelettkonstruktion, aufgeständerte „Stange“ von Büro- und anderen
Räumen im 1.OG, Gesamtlänge 18 Deckenfelder, gesamt ca. 200 m, Deckenfeldgrößen
ca. 11 x 11 m², Π-Platten in Hauptträger eingehängt
Seite 2

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Bild 1 zeigt Terzspektren der Schwingschnelle, die auf den Π-Platten im Rohbauzustand
gemessen wurden. Die herausragende Spitze wird durch die Eigenfrequenzen der Deckenplatten
von ca. 6 Hz definiert.
Bild 1 Terzspektren der Schwingschnelle [mm/s eff, Fast Max Hold] auf der Rohdecke (Messung)
Die Schwingungseinwirkungen wären nach den geltenden Normen und Richtlinien zu akzeptieren
gewesen, tragen jedoch nicht der AUDI-Forderung nach qualitativ besonders hochwertigen
Arbeitsplätzen Rechnung.
2.2 Lösungsweg
Es wurde eine rechnerische Modellierung mit vereinfachenden Ersatzmodellen durchgeführt,
die v.a. aufgrund ihrer Flexibilität bzgl. schneller Parameterstudien vorteilhaft ist, vgl. [1].
Ergebnis: Prognostizierte Wirksamkeit ca. 50 %
Seite 3

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Nachfolgende Abbildung enthält exemplarisch die frequenzabhängigen dynamischen Steifigkeiten
(= Schwingwiderstände) einiger relevanter Bauteile. Der Gesamtschwingwiderstand
eines Bauteils setzt sich jeweils aus Massen-, Dämpfungs- und Steifigkeitswiderständen zusammen.
In der Abbildung ist ein auf die zunächst prognostizierte Deckeneigenfrequenz von 4,3 Hz
abgestimmter Tilger enthalten, der die maßgebende erste Deckeneigenfrequenz in zwei
niedrigere „Peaks“ umformt (Decke schwingt bei 4 Hz gleichphasig, bei 4,6 Hz gegenphasig
zur Tilgermasse).
Dynamische Steifigkeit [N/m]
1 10 8
1 10 7
1 10 6
Tilgersteifigkeit bei
geringer Dämpfung
1 10 5
Tilgerwirkung, 2 Peaks
1 10 100
Dynamische Steifigkeiten (= Schwingwiderstände)
gegenüber vertikaler Bewegung
Frequenz [Hz]
Bild 2 Exemplarische Berechnungsgrundlage, Tilgerabstimmung im Frequenzbereich
Im imb-Prognosemodell iSEG (imb-dynamik Simulation für Erschütterungseinwirkungen auf
Gebäude) [2] sind alle wesentlichen Bauteile in möglichst einfacher Form enthalten, z.B.
Dach auf Stützen, Decke mit Primär- und Sekundärträgern, Stützen, Fundamente und der
Boden vereinfachend als elastischer homogener Halbraum.
Seite 4

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
2.3 Technische Daten Tilger
� Masse: Je Deckenfeld durchschnittlich 2 x 1,5 to (teilweise lokal angepasst, nahezu beliebige
Formgebung möglich, z.B. für Integration der Beleutung)
� Massenverhältnis: ca. 4 %
� Abstimmfrequenz: 5,5 Hz bis 7 Hz, je nach Deckenfeld
� Dämpfung: lokal mittels Messungen zu optimieren
2.4 Realisierung
Tilger „von der Stange“ für eine solche Größenordnung sind nicht unaufwändig. Daher
schlug imb-dynamik vor, die Tilger in eigener Regie zu planen, zu erstellen und einbauen zu
lassen. Als kostengünstigste Lösung ergab sich die Realisierung der Tilger als:
� Stahlbetonfertigteile, aufgelagert auf
� 4 GERB-Standard-Stahlfederelemente Typ S3Q-248, diese aufgelagert auf
� Stahlkonsolen, befestigt in
� Halfenschienen, die in die Fertigteil-Π-Platten eingelassen waren.
Die Betonfertigteile wurden mit einer Hubbühne über die Endlage gehoben, dann wurden die
Konsolen angeschraubt, die Feder-Elemente eingeschoben und der Tilger auf die Federn
abgesenkt. Auf den Bildern 3 und 4 ist zu erkennen, dass die Elemente nicht an allen vier
Ecken, sondern an zwei Ecken und in der Mitte der gegenüberliegenden (längeren) Seite
aufgelagert sind.
Bild 3 Ein Deckenfeld mit zwei Tilgern Bild 4 Übersichtsbild
Seite 5

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Damit wird praktisch eine Dreipunktlagerung erreicht. Eine Höhenjustierung, die für eine statisch
unbestimmte Vierpunktlagerung erforderlich gewesen wäre, kann entfallen.
Je Deckenfeld wurden zwei Tilger eingebaut. Es ergab sich ein Massenverhältnis der Tilgermasse
bezogen auf die anzurechnende mitschwingende Masse der Decke von ca. 4 %.
2.5 Technische Daten der realisierten Tilger
� Federelementtyp: GERB S3Q-248, ohne viskose Dämpfung
� Dämpfung: Materialdämpfung durch zusätzliche GETZNER Elastomerklötze (ohne tragende
Funktion), unter Simultanmessung abgestimmt
� Frequenzabstimmung: Über Gewichtsveränderung mittels aufgelagerter Betonplatten,
unter Simultanmessung exakt auf maximale Wirkung abgestimmt, zukünftige Ausbaumassen
berücksichtigend
2.6 Messergebnisse der Nachmessungen
Da die Erschütterungseinwirkungen sich zeitabhängig ändern, ist die Tilgerwirksamkeit am
besten an den Übertragungsfunktionen Deckenschwingungen : Fundamentschwingungen
abzulesen. Damit können praktisch „normierte“ Ergebnisse angegeben werden. Es wurden
Messungen der Fundamentschwingungen und der Deckenschwingungen vor und nach dem
Einbau der Tilger vorgenommen. Die gemessenen Übertragungsfunktionen sind in Bild 5
dargestellt. Der Tilger ist hierbei so ausgelegt, dass inkl. aller zukünftigen Ausbaumassen
und des Nachhärtens des Betons die maximale Wirksamkeit erzielt wird. Dies erfordert neben
einer Betrachtung der (sich ändernden) ersten Eigenfrequenz der Decke auch den Einbezug
des Anregungsspektrums.
Seite 6

dynamik
Übertragungsfunktionen
Decke : Fundament [-]
ohne Tilger
mit Tilger
Bild 5 Spektrale Übertragungsfunktion Decke : Fundament ohne / mit Tilger
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Als Resonanzüberhöhung Decke / Fundament ergab sich für die maßgebenden Frequenzen
um 6,3 Hz im Mittel für den Fall ohne Tilger ein Faktor von 20 - 25, mit Tilger dagegen nur
rund Faktor 10.
Die Nachmessungen ergaben einen Wirkungsgrad von 50 bis 60 %, damit waren die Anforderungen
eingehalten. Somit konnte gezeigt werden, dass trotz des transienten Charakters
der Anregung eine erhebliche Verringerung der Erschütterungseinwirkungen auf die Menschen
an ihren Arbeitsplätzen erzielt werden konnte.
Seite 7

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
3 Beispiel 2: AUDI AG Ingolstadt, Bürogebäude A51,
Tilger: Stahlplatten auf GETZNER Elastomer
3.1 Situation
Situation: Abstand Geb. A51 zum Presswerk ca. 50 m
Gebäudedaten: 6-geschossige Stahlbetonskelettkonstruktion mit auskragenden Gebäudeekken
(im Grundriss ist das Gebäude ein Dreieck), Deckenfeldspannweite Flachdecken bis
8,10 m
Je nach Betriebsstärke des Presswerkes hätten sich für dieses Gebäude ohne baudynamische
Maßnahmen so hohe KB-Werte ergeben, dass eine Nutzung in weiten Bereichen nicht
bzw. nur stark eingeschränkt möglich gewesen wäre.
Der Einbau von Schwingungstilgern wurde daher zusätzlich zu weiteren Maßnahmen der
Schwingungsreduktion (insb. erhebliche Erhöhung der Stützensteifigkeit) erforderlich.
In Bild 6 ist ein grafisch aufbereiteter Überblick über die umfangreichen Erschütterungsmessungen
des Geb. A51 vor dem Einbau der Schwingungstilger enthalten:
Bild 6 Messtechnische Analyse der Erschütterungssituation
Das Gebäude wurde in die erschütterungsintensiven Bereiche A (Gebäudespitze, linke Spitze
des Dreiecks) und B (Riegel, vordere Längsseite) eingeteilt.
Seite 8

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
3.2 Lösungsweg
Analog zum Neuen Werkzeugbau S40 wurden rechnerische Modellierungen mit dem imb-
Programm iSEG [2] durchgeführt.
Es zeigte sich, dass es im vorliegenden Fall extrem wichtig war, eine direkte Kopplung zwischen
Messsoftware und dem Rechenmodell herzustellen, sodass die gemessenen Daten
phasenecht auf die Modellierung aufgebracht werden konnten.
Die Ausgangsbasis für die Auslegung der Tilger stellte sich anhand der Messergebnisse folgendermaßen
dar (exemplarisch):
1.5
1.25
0.75
0.5
0.25
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1
Zeit [sek]
Bild 6 Schwingschnelle [mm/s] am Stützenfußpunkt
1.5
1.25
0.75
0.5
0.25
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1
Zeit [sek]
Bild 7 Schwingschnelle [mm/s] am Deckenmesspunkt, Bereich A, 5. OG (ohne Tilger)
Die Prognose mit iSEG ergibt bei korrekt abgestimmten Tilgern für dieselbe Einwirkung:
1.5
1.25
0.75
0.5
0.25
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1
Bild 8 Schwingschnelle [mm/s], am Deckenmesspunkt mit Tilger in Funktion
Seite 9

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Deutlich zu sehen ist der Zeitpunkt des „Anspringens“ des Tilgers zu Beginn einer Erschütterungseinwirkung.
Die Tilgermasse selbst führt bei diesem Vorgang wesentlich größere Bewegungen
aus:
1.5
1
0.5
0
0.5
2
3
2.5
1.5
2
2.5
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1
Bild 9 Schwingschnelle [mm/s] der Tilgermasse
Die bauliche Situation war in diesem Gebäudebereich schwieriger, da keine Tilger unterhalb
der Decken eingehängt werden konnten. Daher musste eine Lösung angewandt werden, die
oberhalb der Deckenoberkante unsichtbar installiert werden konnte. Hierfür standen nur ungenutzte
Flächen im sowieso vorgesehenen Doppelboden zur Verfügung. Daher musste die
Tilgermasse aus einem Material mit höherem spezifischen Gewicht gewählt werden. Als
technisch realisierbar und noch hinreichend kostengünstig wurde Stahl gewählt.
Prognostizierte Wirksamkeit: ca. 50 % im Gebäudebereich A, bzw. ca. 30% im Bereich B
Im Gebäudebereich B liegt aufgrund des komplizierteren Stützenrasters ein diffuseres Antwortspektrum
der Decke vor, woraus sich der geringere Wirkungsgrad ergibt.
3.3 Technische Daten der Tilger
Masse: 150 kg je Rasterquadrat des Hohlraumbodens
Abstimmfrequenz: ca. 9 Hz bis 11,5 Hz
Federelementtyp: GETZNER Sylomer
Dämpfung: Materialdämpfung des Sylomers, ca. 10 %
3.4 Realisierung
Auch diese Tilger wurden komplett von uns entworfen, getestet und realisiert. Sie bestanden
aus
� Stahlplatten, aufgelagert auf
� 4 Sylomerklötzchen (Sylomer von GETZNER, die fertig zugeschnitten geliefert wurden),
diese aufgelagert auf der
� Rohdecke.
Die Teile konnten von Hand in den bereits vorhandenen Doppelboden eingebracht werden.
Seite 10

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Bild 10 Tilger im Doppelboden Bild 11 Einbau von Hand
Je Deckenfeld wurden 4 bis 8 Tilger eingebaut. Damit ergab sich ein Massenverhältnis der
Tilgermasse bezogen auf die anzurechnende mitschwingende Masse der Decke von ca.
2,5 % bis 4 %.
3.5 Messergebnisse der Nachmessungen
Es wurden Messungen analog zu den in Abschnitt 2 beschriebenen vorgenommen. Die gemessenen
Übertragungsfunktionen sind in Bild 12 für den Bereich A und Bild 13 für den Bereich
B dargestellt:
ohne Tilger
mit Tilger
Seite 11

dynamik
Ing.-Büro Dr.-Ing. Müller-Boruttau
Beratende Ingenieure BYIK
§26 BImSchG-Messstelle
Bild 12 Übertragungsfunktion Bereich A Bild 13 Übertragungsfunktion Bereich B
Als Resonanzüberhöhung Decke / Fundament ergab sich für die maßgebenden Frequenzen
um 12 Hz im Mittel für den Fall ohne Tilger ein Faktor von ca. 45 im Bereich A (bzw. 18 im
Bereich B), mit Tilger dagegen rund Faktor 15 im Bereich A (bzw. 10 im Bereich B).
Diese Nachmessungen ergaben im Arbeitsbereich der Tilger einen Wirkungsgrad von ca.
65 % Bereich A bzw. ca. 35 % Bereich B, damit waren die Vorgaben ebenfalls eingehalten.
4 Beurteilung und Schlußfolgerungen
� Auch für transiente Schwingungen ist eine Tilgerwirkung von z.B. bis zu 65 % bei sehr
gut akzeptablen Massenverhältnissen erreichbar.
� Mit geeigneten Werkzeugen kann ihre Wirksamkeit sehr gut prognostiziert werden. Ein
entsprechend ausgelegtes Impedanzmodell wie etwa iSEG macht eine aufwändige FEM-
Berechnung überflüssig.
� Der nachträgliche Einbau von Tilgern in vorhandene Hohlräume – z.B. Doppelböden –
kann erheblich zur Verringerung von Erschütterungseinwirkungen auf Menschen in Gebäuden
beitragen. Die absolute Wirkung richtet sich danach, was der Decke an zusätzlicher
statischer Last zugemutet werden kann, nach dem zeitlichen Charakter der Schwingungen
und dem Zusammenfall von Bauteilresonanzen und Anregungsfrequenzen.
5 Literatur
[1] Breitsamter, Norbert, „Ersatzmodelle zur Bestimmung der Schwingungsantwort von
Gebäuden unter Anregung durch Bodenerschütterungen“, TU-München, Lehrstuhl für
Baumechanik, August 1996
[2] www.imb-dynamik.de
[3] www.gerb.com
[4] www.getzner.com
[5] imb-dynamik Berichte zu den zitierten Untersuchungen im Auftrag der AUDI AG, unveröffentlicht
6 Originalbeitrag
Ein Version dieses Aufsatzes mit farbigen Abbildung ist unter www.imb-dynamik.de, Baudy-
namik-Fachinformationen downloadbar.
Seite 12