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Forschungsbericht: Schwingungsanfälligkeit für den Geschoßbau - eine Studie zur Klassifizierung der Gebrauchseigenschaften für den Eurocode 1. Abschlußbericht

Schwingungsanfälligkeit für den Geschoßbau - eine Studie zur Klassifizierung der Gebrauchseigenschaften für den Eurocode 1. Abschlußbericht

Bauforschung, Band T 2736
G. Sedlacek, B. Hoffmeister
Hrsg.: TH Aachen, Lehrstuhl für Stahlbau
TH Aachen, Lehrstuhl für Stahlbau
1995, 86 S., Abb.,Tab.,Lit.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

Größer werdende Spannweiten und immer schlankere Bauteile führen dazu, dass neuere Sportstätten, Bürogebäude und mehrgeschossige Hallen empfindlicher auf impulsartige Belastungen reagieren als frühere Bauten. Auch die beim Tanzen und Springen, Laufen und Gehen sowie bei gymnastischen Übungen auftretenden Schwingungen müssen beim Bemessen der Tragwerke heutzutage berücksichtigt werden. Die Rechenansätze zu diesen dynamischen Einwirkungen auf Hochbaukonstruktionen stimmen weitgehend miteinander überein. Mit ihnen läßt sich die Gebrauchstauglichkeit der Bauwerke verhältnismäßig zuverlässig überprüfen.

Inhaltsverzeichnis

1 Allgemeines 1
2 Klassifizierungsmöglichkeiten 1
3 Klassifizierung der Belastungsarten 2
3.1 Allgemeines 2
3.2 Beschreibung der wichtigsten Belastungsarten 3
3.2.1 Rhythmische Hüpfübungen, Laufen 3
3.2.2 Gehbelastung 5
3.2.3 Impulsartige Belastung 6
3.2.4 Fahrzeuginduzierte Schwingungen 6
4 Klassifizierung von Beurteilungs- und Bewertungskriterien 7
4.1 Allgemeines 7
4.2 Beurteilung der Schwingungsanfälligkeit anhand von Durchbiegungen oder Eigenfrequenzen 8
4.3 Vorgabe von einzuhaltenden Höchstbeschleunigungen 9
4.4 Ingenieurmäßige Abschätzung der Schwingungsanfälligkeit anhand einer Näherungsberechnung 10
4.5 Beurteilung der Gebrauchsfähigkeit mi Hilfe von Bewertungsgrößen und -diagrammen 10
4.6 Zusammenstellung der Vorschriften, Richtlinien und Empfehlungen 12
5 Klassifizierung nach Bauwerkskategorie 13
5.1 Allgemeines 13
5.2 Klassifizierung entsprechend der Bauwerksnutzung 13
5.3 Klassifizierung entsprechend der Bauwerksausführung 14
6 Überprüfung der Gebrauchstauglichkeit mittels Zeitschrittberechnung 15
7 Frequenzmessungen an vorhandenen Decken 15
8 Schlussfolgerungen 16

Publikationslisten zum Thema:
Hochbau, Ingenieurhochbau, Belastung(dynamisch), Berechnung, Tragwerk, Schwingung, Bürogebäude, Sporthalle, Turnhalle, Messehalle, Geschossbau, Impuls, Gebrauchstauglichkeit,

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Moderne Stahlkonstruktionen zeichnen sich durch ein geringes Eigengewicht und ebensolche Dämpfung aus, womit ihre Schwingungsanfälligkeit stark zunimmt. In diesem Zusammenhang stellen sich Fragen zum Schwingungsverhalten und zur Gebrauchstauglichkeit von stählernen Eisenbahnbrücken. Ein Ziel ist die Beurteilung der Einwirkungen mechanischer Schwingungen auf die sich auf einem Brückenbauwerk befindlichen Menschen, um Aussagen über die Wahrnehmbarkeit und Tolerierbarkeit der auftretenden Schwingungen zu treffen. Neben der Beurteilung von verkehrsinduzierten Schwingungen bei bestehenden Bauwerken sind auch Vorhersagen von zu erwartenden Schwingungen bei neuen Brückenbauwerken von Interesse. Um mögliche konstruktive Maßnahmen frühzeitig treffen zu können, werden Überfahrtsimulationen durchgeführt, deren Ergebnisse eine gute Einschätzung der zu erwartenden Brückenschwingungen liefern. Der zweite Teil der Diplomarbeit behandelt die Durchführung von Überfahrtsimulationen, sowohl über das Kreuzungsbauwerk Zangenberg, als auch über das Vergleichsbauwerk in Aachen, mit dem lehrstuhleigenen FE-Programm DYNACS. Um realistische Berechnungen der zu erwartenden Brückenschwingungen zu erhalten, und um die Vorhersagegenauigkeit des Programms DYNACS zu überprüfen, werden die Messergebnisse mit den Rechenergebnissen verglichen. In einem Ausblick werden weiter führende Maßnahmen zur Gestaltung der Richtlinie für die Beurteilung verkehrsinduzierter Brückenschwingungen und zur Weiterentwicklung des Programms DYNACS dargestellt.

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Im Bd.2 der Strukturdynamik werden kontinuierliche Schwinger und numerische Verfahren zu ihrer Diskretisierung behandelt. Nur in Spezialfällen, die dann aber prinzipielle Einsichten ermöglichen, gelingt eine analytische Lösung der Bewegungsgleichungen. Die in den meisten Fällen notwendigen Näherungsverfahren (Übertragungsmatrizen, Methode der finiten Elemente) werden eingehend erläutert und anhand von Beispielen aus der Ingenieurpraxis illustriert. Die Finite-Element-Methode führt bei praktischen Problemen (Turbosatz auf elastischem Fundament, Radsatz-Eigenschwingungen) sehr schnell auf 1000 und mehr Freiheitsgrade. Ein besonderer Schwerpunkt ist daher den Verfahren zur Reduktion der Zahl der Freiheitsgrade und der Substrukurtechnik gewidmet. Abschließend wird gezeigt, wie man die Bewegungsgleichungen von rotierenden elastischen Strukturen (Turbinenschaufeln) gewinnt und die Stabilität periodisch zeitvarianter Systeme untersucht. Das Buch ist als Lehrbuch für Hochschulen und Fachhochschulen konzipiert. Es enthält eine Vielzahl von Übungsaufgaben und Lösungen. Dadurch eignet es sich auch zum Selbststudium für Ingenieure in Forschung und Industrie. (-z-); Vol. 2 on structural dynamics deals with continuous pulse generators and numerical methods for their discretization. An analytic solution of the movement equations is obtained only in special cases. However, these afford basic insights. The methods of approximation (transfer matrices, finite element method) necessary in most cases are explained in detail and illustrated with examples from engineering practice. For practical problems (gener- ator) set on elastic foundation, natural wheel-set vibrations), the finite element method very quickly leads to 1000 degrees of freedom and more. Special attention is therefore given to the methods for reducing the number of degrees of freedom and to the substructure technique. An explanation is finally given of how the movement equations of rotating elastic structures (turbine blades) are obtained and the stability of periodi

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Forschungsberichte

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Holzhäuser zeigen Pioniercharakter in Bezug auf Energieeinsparung und Nachhaltigkeit. Sie bestechen durch ihre Kombination von nachhaltiger Bauweise mit anspruchsvoller Ästhetik und moderner Architektur. Auf Grund dieser Vorteile nimmt die Anzahl der Holzbauten auch in der Geschossbauweise des urbanen Bereichs kontinuierlich zu. Gerade im Geschosswohnungsbau bieten sich moderne vorgefertigte Massivholzelemente wie Brettsperrholzelemente, Hohlkastenelemente oder Holz-Beton-Verbundelemente für eine baukonstruktiv kosteneffiziente Erstellung der Gebäude an. Verglichen mit Gebäuden in Mauerwerks- und Betonbauweise stellt jedoch die Planung eines Bauobjektes in Holzbauweise für den Architekten und die Fachplaner eine deutlich größere Herausforderung dar. Die Gründe hierfür liegen unter anderem im Mangel von bewährten Konstruktionen und Konstruktionswerkzeugen für den Schallschutz und die Gebrauchstauglichkeit (Schwingungsnachweis). Es besteht erheblicher Handlungsbedarf, zumal Holzbauten wesentliche Chancen hinsichtlich einer Verbesserung der (Lebenszeit)-CO2-Bilanz bieten. Die Folge des Mangels an geeigneter Konstruktionsunterstützung wird im Planungsprozess offensichtlich. Um die Anforderungen an den Schallschutz und an die Gebrauchstauglichkeit sicher erfüllen zu können, werden die Bauteile häufig durch Ersatzmodelle und vereinfachte konservative Ansätze überdimensioniert und dadurch unwirtschaftlich. Geeignete computergestützte Planungswerkzeuge, die eine Simulation der genannten bauphysikalischen und konstruktiven Eigenschaften bereits im frühen Planungsentwurf für das gesamte Bauwerk und nicht nur für einzelne Komponenten ermöglichen, können den Planungsaufwand nicht nur drastisch reduzieren, sondern auch zuverlässiger machen, die Qualität entscheidend erhöhen und damit letztendlich die Wettbewerbsfähigkeit von Holzbauten fördern. Notwendig hierzu ist eine geometrische, physikalische und mathematische Modellbildung sowie deren Validierung sowohl bzgl. einzelner Komponenten, der Kopplung von Bauteilen als auch b

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Nach derzeitigem Stand der Regelwerke (Eurocode 3) ist die Kerbe in der Nahtwurzel bei der nicht durchgeschweißten Schweißverbindung des T-Stoßes ausschlaggebend für die Einstufung in die Kerbfallklassen und damit für den Ermüdungsfestigkeitsnachweis der gesamten Verbindung. Die Beurteilung der Wurzelkerbe und die Einstufung in die niedrigste Kerbklasse erfolgte allerdings auf der Basis der am Kreuzstoß gewonnenen Versuchsergebnisse. Der grundsätzlich andere Kraftfluß des geschraubten T-Stoßes im Gegensatz zum Kreuzstoß gab Anlaß, die bisherige Bewertung der Nahtwurzel in Frage zu stellen. Unter Bezug auf die aktuellen Regelwerke wurde der Einfluß von gemessenen Imperfektionen in der Nahtgeometrie, wie z.B. die Überhöhung, Dickenüberschreitung und Ungleichschenkligkeit der Naht, im Hinblick auf die Ermüdungsfestigkeit bewertet. Für diese Verbindungsart waren drei mögliche Versagensarten -bezogen auf den Bruchausgangsort- zu untersuchen; der Übergang von der Schweißnaht zum Zugblech, der Übergang von der Schweißnaht zur Stirnplatte und die Nahtwurzel. Es wurden zwei Serien von jeweils 25 Dauerschwingversuchen an zwei im Schweißzustand belassenen Modellen mit unterschiedlicher Stirnplattendicke (25 und 30 mm) unter schwellender Zugbeanspruchung (R=0) durchgeführt. Sowohl die Dauerschwingversuche als auch die numerischen Berechnungen zeigten, daß für diesen Verbindungstyp nicht die Wurzelkerbe maßgebend für den Nachweis der Ermüdungsfestigkeit wird, sondern die Nahtübergänge.

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Zunehmender Optimierungs- und Ausnutzungsgrad moderner Stahl- und Verbundkonstruktionen haben zur Folge, daß die Schlankheiten und die Spannweiten von Deckenkonstruktionen immer größer werden. Diese Tendenz kann zu einer erhöhten Empfindlichkeit der Bauwerke gegenüber dynamischen Anregungen führen, was wiederum eine starke Beeinträchtigung der Gebrauchsfähigkeit nach sich ziehen kann. Soll die Gebrauchsfähigkeit hinsichtlich menscheninduzierter Schwingungen sichergestellt werden, müssen die dynamische Belastung, die Bauwerksreaktion und die Auswirkung des dynamischen Verhaltens aufeinander abgestimmt werden. Der Bericht liefert einen Überblick über den gegenwärtigen Kenntnis- und Normungsstand zu dem Thema menscheninduzierte Schwingungen, deren Ursachen und Auswirkungen. Es konnte festgestellt werden, daß hinsichtlich der anzusetzenden Belastung (Laufen, Gehen, Hüpfen) die in allen herangezogenen Quellen gewählten Ansätze weitgehend ähnlich sind. Der Vergleich der Normen, die eine Bewertung und Beurteilung der Schwingungseinwirkungen auf den Menschen ermöglichen, zeigt zum Teil deutliche Unterschiede auf.

G. Valtinat, I. Hadrych
Messung der Vorspannkräfte von Nieten in Altbrücken. Entwicklung der Meßtechnik
Bauforschung, Band T 2709
1995, 84 S.,
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Die Schwingfestigkeit von Lochstäben mit Nieten und von Nietverbindungen alter Brückenbauwerke wird durch die Vorspannkräfte in den Nieten positiv beeinflußt, weil die Vorspannung einen gewissen Schutz um das Loch herum aufbaut und so die Spannungskerbe am Lochrand mildert. Die Höhe der Vorspannkräfte in den Nieten kann durch implantierte Dehnungsmeßstreifen (DMS) gemessen werden. Für die Ergebnistauglichkeit ist die Kenntnis des Kriechverhaltens dieser DMS erforderlich. Feindehnungsmessungen an 11 vorgespannten Testschrauben mit implantierten DMS und Vergleichsmeßinstrumenten ergaben, daß sich die Kriecheinflüsse der implantierten DMS und ihrer Kleber noch nach 360 Monaten unter 1% des Anfangswerts der Vorspannkraft halten.

Günther Valtinat
Low-cycle-fatigue-Beanspruchung von auf Abscheren beanspruchten Schrauben mit Gewinde in der Scherfuge
Bauforschung, Band T 2743
1995, 23 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

Nach der Stahlbau-Norm DIN 18800 Tl.1 November 1990 darf in Scher-Lochleibungs-Verbindungen das Gewinde der Schraube in der Scherfuge liegen. Für eine solche Verbindung ist ein Betriebsfestigkeitsnachweis nicht erforderlich, wenn eine bestimmte Lastspielzahl bzw. Spannungsschwingbreite nicht überschritten wird. Nichständige Lasten (Wind oder Erdbeben) verursachen eine Low-cycle-Beanspruchung im Gewindeteil der Schraube. Hierzu sind Untersuchungsergebnisse nicht bekannt. Ziel war daher, nachzuweisen, daß nichtständige Lasten mit niedrigen Lastwechselzahlen die Beanspruchbarkeit von Scher-Lochleibungs-Verbindungen mit Gewinde in der Scherfuge nicht beeinträchtigen. Ergebnisse sind: Es werden die Betriebsfestigkeitsergebnisse aus 79 Low-cycle-fatigue Versuchen an Schrauben mitgeteilt. In zweischnittigen Druck-Scherkörpern lag der Gewindeabschnitt der Schrauben in den beiden Scherfugen. Für den Gebrauchszustand kann man etwa damit rechnen, daß bei 5.6-Schrauben 140000 Lastwechsel und bei 10.9-Schrauben 53000 Lastwechsel ertragen werden.

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Zeitschriftenartikel

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Jansen, Andreas; Geißler, Karsten
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Karki, Dheeraj; Far, Harry
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