Michael KAWRZA

Abschätzung der Kapazität und des Einsatzbereiches eines einaxialen Schwingtisches für baudynamische Modellversuche

Neben Simulations- und Rechenmethoden stehen im Erdbebeningenieurwesen experimentelle Methoden zur Abschätzung der Schwingungsantwort von Bauwerken zur Verfügung. Im Experiment wird dabei die Anregung über einen Schwingtisch auf das Gebäudemodell eingeprägt.

Da solche Versuche aus Kosten- und Platzgründen vor allem an kleinmaßstäblichen Modellen durchgeführt werden, wird im ersten Teil dieser Arbeit eine Dimensionsanalyse für einen an das Gebäude der Fakultät für Technischen Wissenschaften der Universität Innsbruck angelehnten Prototypen vorgenommen. Die mit dem Finite Elemente (FE)-Programm Abaqus simulierte Schwingungsantwort des Prototyps wird an einer Stütze im obersten Stockwerk ausgewertet. Dimensionsanalysen liefern zwei unterschiedliche Varianten eines kleinmaßstäblichen Modells. Die Vor- und Nachteile dieser Varianten werden diskutiert und anschließend wird überprüft, ob die berechnete dynamische Antwort des realistischen kleinmaßstäblichen Modells mit der des Prototyps übereinstimmt.

Mit Hilfe einer FE-Analyse wird der Effekt unterschiedlicher Strategien zur Verankerung der Grundplatte am Betonfundament auf das dynamischen Verhalten des Schwingtisches untersucht. Der Hydraulikzylinder, der die Bewegung der Schwingplatte induziert, arbeitet verschiebungsgesteuert. Da ein Erdbebenschrieb im Allgemeinen in Form von Beschleunigungszeitverläufen vorliegt, muss dieser zweimal integriert werden bevor dieser als Eingangssignal für den Zylinder verwendet werden kann. Es werden im Rahmen dieser Arbeit unterschiedliche Integrationsalgorithmen bewertet sowie die numerisch berechnete Beschleunigung der Schwingplatte mit der Beschleunigung des ursprünglichen Erdbebenschriebs verglichen. Aufgrund der daraus gewonnenen Erkenntnisse wird eine Nachbearbeitung des Anregungssignals vorgeschlagen damit ein Filtern des ausgegebenen Signals nur noch im hochfrequenten Bereich notwendig ist.  

Nach Validierung der eingeprägten Beschleunigung der Schwingplatte wird das Gesamtsystem, zusammengesetzt aus Fundament, Schwingplatte und dem zuvor gefundenen kleinmaßstäblichen Testobjekt, im FE-Programm Abaqus modelliert, die inelastische dynamische Antwort des Objekts berechnet und diese mit der Antwort des Prototyps im Originalmaßstab verglichen. Die detaillierte Modellierung des Testobjekts führt in Zusammenhang mit den inelastischen Deformationen zu mehrtägigen Rechenzeiten. Zur Reduktion der Rechenzeit wird daher im nächsten Schritt das Testobjekt als äquivalenter Einmasseschwinger aufgefasst.

Der Schwingtisch, bestehend aus Fundament und Schwingplatte, sowie das Untersuchungsobjekt werden anschließend vereinfacht mit einem analytischen Dreifreiheitsgradsystem beschrieben. Die Lösung der Bewegungsgleichungen erfolgt in Matlab. Mit diesem Dreimassenschwinger ist es möglich in umfangreiche Parameterstudien die Kräfte am Zylinder, Verschiebungen der Schwingplatte und Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen des Fundaments rasch für Versuchsobjekte unterschiedlichster Masse und Eigenfrequenz abzuschätzen. Dabei werden die existierenden Beschränkungen bezüglich der maximal aufbringbaren Zylinderkraft sowie des maximalen Zylinderhubs berücksichtigt.

Abschließend folgt eine Zusammenfassung der Erkenntnisse, die aus der Dimensionsanalyse, den numerischen Berechnungen am Schwingtisch und kleinmaßstäblichen Gebäudemodell und den Parameterstudien am zugehörigen vereinfachten analytischen Modell gewonnen werden konnten.

 

zurück