Baudynamik

 

Die Aufgaben unseres Fachbereichs BAUDYNAMIK betreffen die Erfassung dynamischer Einwirkungen, deren Beurteilung und den daraus resultierenden Maßnahmen. Baudynamische Messungen und Prognoseberechnungen sind dabei ein wesentlicher Bestandteil dieses Engineerings.

Leistungsbild der Baudynamik

Dynamische Einwirkungen können durch Erdbeben, Baustellenbetrieb, Verkehrserschütterungen, Sprengungen, Maschinen oder Personen induziert werden. Häufig werden diese Einwirkungen unterschätzt und bleiben bei der Konstruktion unberücksichtigt, sodass es immer wieder zu immensen Kosten bei erforderlichen Sanierungsmaßnahmen kommt.

Im Fachbereich Baudynamik befasst sich unser qualifiziertes Team mit der Berechnung und Beurteilung dynamisch belasteter Bauwerke. Dazu zählen einerseits numerische Simulationen von schwingungsgefährdeten Bauwerken mit den erforderlichen Nachweisen, andererseits die Schwingungsmessungen vor Ort zur Ermittlung des tatsächlichen Schwingungsverhaltens. Für die numerischen Untersuchungen stehen verschiedene Finite-Elemente-Programme und speziell entwickelte Software zur Verfügung. Die Messungen werden mit modernen Messsystemen mit einer Vielzahl anwendungsbezogener Auswertungsmöglichkeiten durchgeführt.

Eine hohe Bearbeitungsqualität wird auch durch die Zusammenarbeit mit den anderen Fachbereichen der KEMPEN KRAUSE INGENIEURE erreicht.

 


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Profilbild Dr.-Ing. Hans-Jürgen Krause
Ihr Ansprechpartner für die Baudynamik:
Dr.-Ing. Hans-Jürgen Krause

Schwingungsschutz

Das Ziel des Schwingungsschutzes ist es, das dynamische Verhalten der untersuchten Bauwerke infolge bestimmter Einwirkungen zu erfassen, zu bewerten und falls erforderlich Maßnahmen zur Schwingungsreduktion zu erarbeiten. Hierbei sind Bauwerke, Menschen in Gebäuden und schwingungsempfindliche Geräte zu schützen.

Im Zuge der baudynamischen Bearbeitungen führen wir in der Regel Schwingungsmessungen durch. Besteht nicht die Möglichkeit, Messungen durchzuführen, z. B. wenn sich das untersuchte Bauwerk noch in der Planungsphase befindet, ergänzen wir die fehlenden Informationen durch Prognoseberechnungen oder wir ersetzen sie gegebenenfalls komplett. Wenn sich bei der Bewertung herausstellt, dass die Schutzziele nicht erreicht werden, so verbessern wir die baudynamischen Eigenschaften des untersuchten Bauwerks durch eine Optimierung der Tragstruktur oder durch geeignete Maßnahmen der Schwingungsentkopplung.

 

Ermittlung der Erschütterungen auf der Basis von Schwingungsmessungen

Seit vielen Jahren führen wir messtechnisch basierte Untersuchungen durch, die z. B. zur Überprüfung von Grenzwerten benötigt werden. Die Messungen zeigen das Verhalten am untersuchten Bauwerk infolge einer oder verschiedener Einwirkungen auf. Sie sind dann sinnvoll und erforderlich, wenn eine analytische Bestimmung baudynamischer Kenngrößen nicht oder nur mit großem Aufwand möglich oder mit großen Unsicherheiten behaftet ist.

Baustellen (Neubau, Abriss, Umbau oder Rückbau) werden erforderlichenfalls durch Dauererschütterungsmessungen überwacht. Dieses Monitoring ermöglicht eine unmittelbare Rückkopplung an die Baustelle bei Überschreitung von Grenzwerten. Diese Rückkopplung kann durch E-Mail, SMS oder durch eine optisch und akustisch wirkende Alarmbox geschehen. Die Ergebnisse der Überwachung können auch zur Beweissicherung verwendet werden. Gegebenenfalls werden bei kritischen Maßnahmen vorab Probemessungen durchgeführt, um z.  B. die geeigneten Baumaschinen auszuwählen.

 

 
Messungen unter Baustellenbetrieb

 

Ermittlung der Erschütterungen auf der Basis von Erschütterungsprognosen

Hierbei ist das Ziel, die Reaktionen infolge der zu betrachtenden Einwirkungen so genau wie möglich zu bestimmen. Die Ergebnisse z. B. Terzspektren können dann für die Bewertung herangezogen werden.
Für die Prognoseberechnungen werden Informationen zur Einwirkung (Emission), zu den Bodeneigenschaften und zu dem Abstand zur Emissionsquelle (Transmission) sowie zu der dynamischen Reaktion des betrachteten Bauwerks und/oder der betrachteten Komponente (Immission) benötigt. Wenn möglich, können diese Informationen teilweise auch aus Messungen gewonnen werden.

 


Erschütterungsprognose

 

Beurteilung der Erschütterungsimmission

Bewertungen von Einwirkungen auf Bauwerke können nach DIN 4150-3 erfolgen. Die Anforderungen hängen u. a. von der Bauwerkskategorie ab. Beispielsweise sind die Anforderungen für denkmalgeschützte Gebäude höher als bei Wohn- oder Bürogebäuden.

Vibrationen sind nicht nur für Gebäude, sondern auch für Menschen eine Belastung. Personen können dadurch sowohl physische als auch psychische Schäden erleiden. Dabei gibt es diverse Erschütterungsursachen wie beispielsweise Schienen-, Straßen-, Baustellen- und Personenverkehr oder schwingungsinduzierende Maschinen. Die Beurteilung der Erschütterungen erfolgt hierbei unter anderem mittels DIN 4150-2 und VDI-Richtlinie 2038-2 auf der Basis der Berechnung von bewerteten Schwingstärken (KB-Werten).

Erschütterungen können auch bei schwingungsempfindlichen Geräten zu Störungen des Betriebs führen. Die Beurteilung erfolgt hierbei im Allgemeinen durch die sogenannten „VC- und Nanolinien“. Anhaltswerte für verschiedene typische Nutzungen sind z. B. in der VDI 2038-2 angegeben. Die Nutzungen reichen von einfachen Mikroskopen (z. B. VC-A) bis hin zu REM und TEM der Nanotechnik (Nano-E-F).

 


Bewertung schwingungsempfindlicher Geräte

 

Maßnahmen zur Schwingungsreduktion

Wenn möglich, sollte eine baudynamische Beratung schon in der Planungsphase eines Bauprojektes erfolgen. So kann der Bauwerksentwurf von Anfang an begleitet werden. Die Beratung beginnt bei der Standortevaluierung und der Evaluierung der Aufstellungsflächen im Gebäude für schwingungstechnisch hochempfindliche Anlagen und Geräte. Sie setzt sich fort bei der baudynamischen Optimierung der Tragstruktur. Bei dieser Optimierung können in Abstimmung mit der Tragwerksplanung die relevanten Bauwerksteile (Fundamente, Decken, Wände) so ausgelegt werden, dass die dynamischen Anforderungen (Massen- und Steifigkeitsverteilung) erfüllt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Schwingungsentkopplung. Hierbei wird eine möglichst große Reduzierung mechanischer Schwingungen angestrebt. Zur Entkopplung können z. B. Feder-Dämpfer-Elemente oder Isoliermatten verwendet werden. Bei der Schwingungsentkopplung wird unterschieden zwischen Quellenisolierung und Empfängerisolierung.  Bei der Quellenisolierung wird eine Minimierung der Erschütterungen am Emissionsort angestrebt. Im Gegensatz dazu hat die Empfängerisolierung die Unterdrückung von außen einwirkenden Erschütterungen als Ziel.

 


Beispiele für Schwingungsentkopplung einer Maschine und Gebäude-Baugrund-Isolierung

 

 

Erdbeben-Engineering

Erdbebenuntersuchungen sind für eine Vielzahl verschiedener Bauwerke erforderlich. Die Tätigkeitsfelder der KEMPEN KRAUSE INGENIEURE reichen dabei von gewöhnlichen Hochbauten über Brücken, Talsperren und Türmen bis hin zu Tragwerken aus dem Anlagenbau.

Neben der Berechnung und der Bemessung geplanter Bauwerke sind zudem vermehrt Überprüfungen der Erdbebensicherheit bestehender Bauwerke erforderlich (z. B. bei Umbauten, Anbauten oder Umnutzungen). Die Nachweise können sowohl nach nationalen als auch nach internationalen Normen oder Standards geführt werden. In Deutschland ist für die Erdbebenbemessung der Eurocode 8 (DIN EN 1998) mit den entsprechenden Anwendungsdokumenten zu verwenden.

Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Erdbebeneinwirkung ist das Modale Antwortspektrumverfahren. Dies ist ein Verfahren, mit dem auch komplexe Bauwerke relativ genau berechnet werden können. Für die Modellierung und Berechnung verwenden wir professionelle Finite-Elemente-Software.

 


Erdbebenuntersuchungen

 

 

Glockentürme

KEMPEN KRAUSE INGENIEURE verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Untersuchung und Bewertung des dynamischen Verhaltens von Hunderten von Glockentürmen.

Aus baudynamischer Sicht ist das Verhalten von Glockentürmen im Zusammenspiel mit dem Glockengeläut ein hochkomplexer Vorgang. Hier ist zum einen der Glockenturm mit seinem Frequenz- und Dämpfungsverhalten. Zum anderen befinden sich die Glocken, die beim Geläut mit unterschiedlichen Schwingfrequenzen und Klöppelanschlagzahlen angeregt werden, mit ihren verhältnismäßig hohen Massen an oberster Stelle des Turms. Auf der Basis von Schwingungsmessungen oder durch Prognoseberechnungen überprüfen wir, ob die Standsicherheit und die Gebrauchstauglichkeit des untersuchten Glockenturms nach DIN 4178 eingehalten werden. Bei Überschreitung entwickeln wir Maßnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens. Für die rechnerische Erfassung der Maßnahmen (z. B. Gegengewichte am Geläut, Veränderung der Läutewinkel und Anschlagzahlen, …) steht uns eigens hierfür entwickelte Software zur Verfügung.

 

        

Glockentürme des St. Paulus Doms, Münster 

 

 

Messtechnik

KEMPEN KRAUSE INGENIEURE hat in vielen Jahren Erfahrung und Kompetenz im Bereich baudynamischer Messungen gesammelt. Unser Fachbereich Baudynamik verfügt über ein umfangreiches Repertoire aus Messequipment bestehend aus Geschwindigkeitssensoren, Beschleunigungssensoren, Impulshammer und den zugehörigen Messwerterfassungssystemen. Unsere Messtechnik entspricht den Anforderungen der DIN 45669.

 

         

Beispiele unserer Messtechnik (Bild 1 & 2: Geschwindigkeitssensoren / Bild 3: Impulshammer)