Rainer FleSCh unter Mitarbeit von Horst Pacht BAUDYNAMIK. praxisgerecht. Bandl Berechnungsgrundlagen

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1 Rainer FleSCh unter Mitarbeit von Horst Pacht BAUDYNAMIK praxisgerecht Bandl Berechnungsgrundlagen BAUVERLAG GMBH WIESBADEN UND BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 1. Einführung in die Schwingungslehre Problemstellung Gliederung der Schwingungen Beschreibung der Bewegungen Fourierdarstellung Schwingungsfähige Systeme Der Einmassenschwinger Eigenschwingung des ungedämpften Einmassenschwingers Eigenschwingung des gedämpften Einmassenschwingers Harmonische Anregung des ungedämpften Einmassenschwingers Harmonische Anregung des gedämpften Einmassenschwingers Der Mehrmassenschwinger Eigenschwingungen des ungedämpften Mehrmassenschwingers Erzwungene Schwingungen des gedämpften Mehrmassenschwingers Literatur Dynamische Lasten und Auswirkungen Dynamische Lasten Gliederung der dynamischen Lasten Dynamische Lasten zufolge menschlicher Aktivitäten Gehen, Laufen Hüpfen Tanzen Dynamische Maschinenlasten Maschinen mit rotierenden Teilen Maschinen mit oszillierenden Teilen Maschinen mit stoßenden Teilen Dynamische Windlasten Böenerregte Schwingungen (Gust excited vibrations) 46

3 Wirbelresonanzschwingungen (Karman-Schwingungen, Vortex excited vibrations) Flatterschwingungen (Flutter) Bewegungsinduzierte Biegeschwingungen (Galloping) Schwingungen durch Interferenzeinfluß (Buffeting) Querschnittsdeformationsschwingungen (Ovalling) Dynamische Lasten infolge Sprengungen (Explosionen) Dynamische Lasten infolge Schienen-und Straßenverkehr Dynamische Lasten infolge Bauarbeiten Dynamische Lasten mit großer Schadwirkung Schwingungseinwirkungen Schwingungseinwirkungen auf den Menschen Schwingungseinwirkungen auf Maschinen und Einrichtungen Schwingungseinwirkungen auf Bauwerke Literatur Berechnungsverfahren I Übersicht über Berechnungsverfahren Die quasistatische Methode Die Antwortspektrenmethode Zeitverlaufsmethoden Methoden im Frequenzbereich Probabilistische Verfahren Ermittlung und Darstellung von Antwortspektren Erzwungene Schwingungen des Einmassenschwingers bei beliebigem Lastverlauf Bestimmung der Spektralwerte Darstellung von Antwortspektren für Erdbebenbelastung Beispiele von ermittelten Antwortspektren Grundsätze für die Erstellung von Strukturmodellen Ermittlung des Eigenschwingungsverhaltens von Bauwerken und Bauteilen Literatur Experimentelle Methoden Literatur Dynamische Eigenschaften von Baumaterialien Dynamische Materialkenngrößen Der dynamische E-Modul Die Poissonzahl Das Spannungs-Dehnungsdiagramm Zug-und Druckfestigkeit Dämpfung Arten der Dämpfungskraft beim Einmassenschwinger 116

4 Baustoffdämpfung Experimentelle Bestimmung der Dämpfungszahlen Dämpfungszahlen zur praktischen Anwendung Forschungsarbeiten Duktilität Querschnittsduktilitätsfaktor für Stahlbeton-Rechteckquerschnitte Duktilitätsanforderungen in mitteleuropäischen Erdbebengebieten Kapazitätsbemessung Oberer Fraktilwert der Biegefestigkeit (Überfestigkeit) Dauerschwingfestigkeit Zusammenfassung der wesentlichen dynamischen Eigenschaften einiger wichtiger Baumaterialien Spannbeton Stahl Holz Mauerwerk Das Verhalten von Befestigungselementen bei Erdbeben Literatur Bodendynamik Bodendynamische Problemstellungen Schwingungsausbreitung Eindimensionale Wellenausbreitung (Schubträgermodell) Wellenausbreitung im elastischen Raum Wellenausbreitung im elastischen Halbraum Dynamische Bodenkennziffern Bodenfestigkeit unter dynamischer Belastung Dynamische Boden-Bauwerk-Interaktion Modellierung der Bodensteifigkeit und der Bodendämpfung Ermittlung dynamischer Bettungszahlen aus statischen Werten Verwendung von Halbraum-Ersatzgrößen Lösung mit Impedanzfunktionen Literatur Erdbebeningenieurwesen Seismologische Grundlagen Grundlagen des erdbebensicheren Bauens Erdbebenwirkung auf Bauwerke Charakteristische Erdbebenschäden Erdbebengerechte Planung Grundrißgestaltung Verteilung der Massen und Steifigkeiten im Grundriß Aussteifung Gestaltung der Bauwerke über die Höhe 219

5 Verteilung der Massen und Steifigkeiten über die Höhe Gründung und Untergeschoß Geschoßdecken Erdbebengerechte Konstruktion und Detailausbildung Einfluß der Steifigkeit auf das Schwingungsverhalten Kraftübertragung Duktilität Konstruktionsdetails für Wände und Decken Literatur Maßnahmen zur Herabsetzung der Schwingungsbeanspruchung Schwingungsisolierung Lagerungselemente für die Schwingungsisolierung Schwingungsisolierung zur Erdbebensicherung von Bauwerken (base-isolation) Schwingungsisolierung im Eisenbahnwesen Frequenzverstimmung von Bauwerken Die Verwendung von Schwingungsdämpfern Die Verwendung von Schwingungstilgern Der dynamische Federtilger Die Anwendung des Tilgers auf MDOF-Systeme Behinderung der Schwingungsausbreitung auf dem Übertragungsweg Literatur Schwingungsprobleme von Hochbauten Grundlegende Einflüsse auf das Schwingungsverhalten von Hochbauten Bestimmung von Eigenfrequenzen und Eigenformen Näherungsformeln Ersatzstabverfahren Näherungsberechnung nach dem Energieverfahren Das Verfahren von Stodola Bemessung auf Erdbeben Generelle Probleme von Erdbebennormen Erdbebenlasten Berücksichtigung eines nichtlinearen Verhaltens Berücksichtigung der Wechselwirkung Bauwerk - Baugrund Die Duktilität von Hochbauten Nichttragende Elemente Bemessung der Fundamente, insbesondere Pfahlgründungen Erfahrungen mit Fertigteilbauten, insbesondere Großtafelbauweise Menscheninduzierte Schwingungen Schwingungen von Türmen, Schloten und Masten, insbesondere winderregte Schwingungen Literatur 302

6 10. Schwingungsprobleme von Brücken Verkehrserregte Schwingungen Menscheninduzierte Schwingungen von Fußgängerbauwerken Modellierung der Schwingungsanregung durch Fahrzeuge Schwingungen von Straßenbrücken Schwingungen von Eisenbahnbrücken Erdbebeneinwirkungen auf Brücken Windeinwirkung auf Brücken Literatur Schwingungsprobleme von Talsperren Problemstellung Hydrodynamische Interaktion Interaktion Staumauer-Untergrund Untersuchungen von Betonsperren Untersuchungen von Erd-und Steinschüttdämmen Literatur Schwingungsprobleme im Eisenbahnwesen Problemstellung Mechanismen der Schwingungserregung Das Eigenschwingungsverhalten des Oberbaus Schwingungsausbreitung Auswirkungen der Schwingungen Generelle Übersicht Hörbare Wirkung auf den Menschen Wirkung auf Bauwerke, Einbauten und empfindliche Geräte Minimierung der Schwingungsbeanspruchung Grundsätzliche Ansatzpunkte Maßnahmen am Fahrzeug Maßnahmen am Oberbau Maßnahmen am Zwischenmedium (Tunnel und Untergrund) Maßnahmen am Zielobjekt (Bauwerk) Die Schwingungsdämpfung spezieller Oberbausysteme Die Schwingungsdämpfung von Unterschottermatten Literatur Schwingungsprobleme von Industrieanlagen, Rohrleitungen, Tunnels und Kraftwerken Maschinenfundamente Schwingungsisolierung von Maschinenfundamenten Berechnung der Eigenfrequenzen und Fundamentverschiebungen Schwingungsprobleme von Industriebauten, insbesondere Erdbebeneinwirkung Erdbebeneinwirkung auf Flüssigkeitsbehälter 418

7 13.4 Schwingungsprobleme von Rohrleitungen Erdbebenwirkung auf im Boden verlegte Rohrleitungen Berechnung nach der quasistatischen Methode Berechnung nach der dynamischen Methode Sonstige Schwingungsprobleme Erdbebenwirkung auf Tunnelröhren und unterirdische Anlagen Schwingungsprobleme bei Kraftwerken Literatur Schwingungsgefährdung von Altbauten - Verstärkungs- und Reparaturmaßnahmen Erfassung der Schwingungsgefährdung Verstärkungs- und Reparaturmaßnahmen Literatur Berechnungsverfahren II Konzepte zur Aufstellung der Bewegungsgleichungen Die Elementmatrizen für Berechnungen nach der FK-Methodc Die statische Kondensation Zeitverlaufsberechnungen Verfahren der numerischen Integration Probabilistische Methoden Problemstellung Erzwungene Schwingungen bei stochastischer Erregung Die Generierung künstlicher Zeitverläufe Torsion Freie ungedämpfte Schwingung des unsymmetrischen Einmassenschwingers Erdbebenbeanspruchung von Systemen mit einer Symmetrieachse Annahme einer konstanten Erdbebenlast Einfluß der Schwingungskoppelung auf die Erdbebenlast Einfluß der Schwingungskoppelung auf die Eigenfrequenz Gesamtwert von Erdbebenlast und Torsionsmoment Ein Verfahren zur Näherungsberechnung der Torsionsbeanspruchung Mehrpunktanregung an der Basis Impulsartige Belastungen Literatur Systemidentifikation Problemstellung Die direkte Systemidentifikation Die indirekte Systemidentifikation Die Anwendung der Systemidentifikation zur Bauwerksinspektion Direkte Ermittlung von Steifigkeiten durch dynamische insitu- Versuche Literatur 532 Stichwortregister 533