Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit schwingbelasteter Bauwerke

Transkript

1 Tanja Grießmann Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit schwingbelasteter Bauwerke Beispiele aus der Praxis 1 Titel

2 Gliederung 1) Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit bei dynamisch belasteten Strukturen - Normen und Literatur 2) Dynamisch belastete Strukturen in der FEM 3) Beispiele aus der Auftragsforschung des ISD 4) Einsatz faseroptischer Sensoren im Bauwesen zur verbesserten Validierung theoretischer Simulationen 5) Zusammenfassung 2 Gliederung

3 Normen und Literatur DIN 4150 Erschütterungen im Bauwesen Teil 2: Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden VDI 2057 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen ISO 4866 Mechanical vibration and shock - Vibration of buildings Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on buildings ISO 2631 Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration Kasperski, M.: Dynamische Probleme beim Stadionbau 3 Normen und Literatur

4 Dynamische Untersuchungen mit der FEM Räumliche Diskretisierung und Ansatzfunktionen Zeitliche Diskretisierung Wahl der Analyse (modal transient) Abbildung der Dämpfung im Modell Plausibilitätskontrollen Validierung 4 Dynamik und FEM

5 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Aufgabenstellung Schwingungsprognose Nachweis der Gebrauchstauglichkeit Arbeitsschritte FE-Modell mit/ ohne Boden-Bauwerk-Interaktion Modalanalyse Erregte Schwingung infolge Zugverkehr Bewertung der Ergebnisse - Vergleich mit Normen (Vorschläge für eine verbesserte Konstruktion) Validierung durch in-situ-messung 6 Beispiel 1 (1)

6 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Konstruktion Material: Beton C40/50 Sohlplatte: Gebäudehöhe: d = 80 cm h = 19,8 m FE- Modell Programm: Elemente: MSC.NASTRAN SOLID, QUAD4 BAR, DOF SPRING Modell 1 : Baugrund starr Modell 2 : Baugrund flexibel 6 Beispiel 1 (2)

7 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Modalanalyse Modell 2 Tanja Grießmann 1. Eigenform f = 1,43 Hz 7 Beispiel 1 (3)

8 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Modalanalyse Modell 2 4. Eigenform f = 5,43 Hz 8 Beispiel 1 (4)

9 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Modalanalyse Modell 2 5. Eigenform f = 5,70 Hz 9 Beispiel 1 (5)

10 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Modalanalyse Modell 2 - Ergebnisse Eigenfrequenzen Modell 1 Modell 2 Wesentliche Verformungsanteile in den Eigenformen f 0 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 Hz Hz 1,71 1,43 3,65 2,77 5,49 3,06 6,07 5,43 7,03 5,70 8,58 7,43 8,86 7,62 Verformungen des Gesamtsystems Biegung der Decken Modell 1 - Modell mit starrer Fundamentlagerung Modell 2 - Modell mit Boden-Bauwerk-Interaktion 10 Beispiel 1 (6)

11 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Messung der Erregung (1) Vorbeifahrt Güterzug x s 0.14 mm/s mm/s t mm/s 10: S10 MP2.1x Fundament 0.09 mm/s mm/s y mm/s 11: S11 MP2.1y Fundament 0.1 mm/s mm/s z -0.1 mm/s 12: S12 MP2.1z Fundament Hz BV Streitbörger-Gördes, Adenauerplatz in Bielefeld - Messung vom Güterzug - Zeitverlauf 11 Beispiel 1 (7)

12 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Messung der Erregung (2) Vorbeifahrt Güterzug mm/s s 9.89 Hz mm/s x Hz mm/s y 0 10: fft(s10) MP2.1x Fundament mm/s Hz mm/s z 0 11: fft(s11) MP2.1y Fundament mm/s Hz mm/s 0 12: fft(s12) MP2.1z Fundament Hz BV Streitbörger-Gördes, Adenauerplatz in Bielefeld - Messung vom Güterzug -Spektrum f 12 Beispiel 1 (8)

13 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Fazit aus Modalanalyse und Schwingungsmessung Güterzugverkehr maßgebend Energiekonzentrationen im Frequenzbereich von 5 bis 15 Hz Resonanz mit Biegeeigenfrequenzen der Decken möglich Simulation der Belastung Güterzug im Modell 2 Einlesen der Zeitschriebe der Messung in das FE- Programm Aufbringen der zeitlichen Belastung in x, y, z entlang der Fundamentknoten 13 Beispiel 1 (9)

14 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Erregte Schwingung - Ergebnisse FE- Berechnung LF Güterzug Zulässige Werte nach Norm v mittel v max DIN 4150 Teil 2 VDI- Richtlinie 2057 ISO 2631 Teil 2 Knoten (Decke 6. OG) Bewertung v mittel mm/s mm/s mm/s v mittel / v max v mittel mm/s mm/s 0,3 0,8 0,29 0,88 / 2,64 0,56 Normen eingehalten Nachweis der Gebrauchstauglichkeit erbracht aber: spürbare Schwingungen nicht auszuschließen 14 Beispiel 1 (10)

15 Beispiel 1: Bielefeld / Adenauerplatz Validierung FE- Berechnung LF Güterzug Modell 2 Schwingungsmessung 11/ 2003 v mittel v max v mittel v max Knoten (Decke 2. OG) Knoten (Decke 6. OG) mm/s mm/s mm/s mm/s 0,24 0, 60 0,22 0, 36 0,3 0,8 0,26 0,44 15 Beispiel 1 (11)

16 Beispiel 2: Vordach der Becks-Brauerei Aufgabenstellung Schwingungsprognose Nachweis der Tragfähigkeit unter Windlasten Arbeitsschritte Modalanalyse Erregte Schwingung infolge Wind Bewertung (Norm) Validierung des Rechenmodells durch in-situ-messung 16 Beispiel 2 (1)

17 Beispiel 2: Vordach der Becks-Brauerei Konstruktion V2 L2 C1 Material: G2 Stahlprofile S 235 JR Querschnitt: Kastenprofil 1,50 x 0,50 + auskragende Rechteckhohlprofile Kragträger l = 29,70 m V2 L2 C1 Y Z X p t r z t FE- Modell Programm: MSC.NASTRAN Y p t r z t Elemente: QUAD4, BAR X Z 17 Beispiel 2 (2)

18 Beispiel 2: Vordach der Becks-Brauerei Modalanalyse - Ergebnisse 1. Eigenform f = 2,65 Hz 2. Eigenform f = 2,80 Hz 18 Beispiel 2 (3)

19 Beispiel 2: Vordach der Becks-Brauerei Winderregte Schwingungen Kritische Windgeschwindigkeit nach BRITISH STANDARDS Kritische Windgeschwindigkeit Becks Dach Galloping u krit m δ s d 2,0 ρ d = f B 2 u krit = 249,3 m/s u krit >u vorh Flattern u krit f m r = ft b b 4 B,0 1 3 f T ρ 0,5 u krit = 137,2 m/s u krit >u vorh Wirbelablösung u krit = fe d S u krit = 8,8 m/s 19 Beispiel 2 (4)

20 Beispiel 2: Vordach der Becks-Brauerei Winderregte Schwingungen Ergebnisse Biegetorsionsflattern kann ausgeschlossen werden Keine Gefahr des Gallopings Wirbelerregte Schwingungen möglich, zulässige Spannungen in der Konstruktion aber eingehalten (FE- Berechnung) 20 2 (5) Beispiel

21 Beispiel 3: Hannover/AWD-Arena Biegeträger der Osttribüne Tribünenträger Stufenplatten 21 Beispiel 3 (1)

22 Beispiel 3: Hannover/AWD-Arena Biegeträger Hüpfende Zuschauer [ f = 2,5 Hz ] 20 Beschleunigungen [m/s 2 ] Zeit [s] Beschleunigung Az [m/s2] Belastung (qualitativ) 2,00 m 7,50 m 7,92 m 1,60 m 1,86 m 8 7 2,32 m 30,65 8,72 m Feld I 9,21 m Feld II Beschleunigung [m/s 2 ] Frequenz [Hz] KZ = 100 Panik unerträglich störend KZ = 6,3 Schnitt durch die Osttribüne Grenzwerte nach Kasperski und VDI-Richtlinie Beispiel 3 (2)

23 Faseroptische Sensoren Verbesserte Validierung splice 3 db SLD single mode fibre splice MO Michelson interferometer M 1 M 2 concrete T-bar front view side view F max = kn ε λ 1 λ 2 λ 3 optical-fibre λ 4 Bragg grating array λ 5 λ 6 λ 7 400m multimode fibre λ 1 -λ 7 L D BS carbon fibre lamellas bottom view light in loop RSG BG 26 cm Betonbalken: Messungen mit faseroptischen- Sensoren Schema einer Messung mit Bragg-Gitter-Sensoren 23 Faseroptische Sensoren