Schwingungstilgung

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Der Schwingungstilger (oder auch kurz „Tilger“ oder „Tilgerpendel“ genannt, englisch Tuned Mass Damper, kurz TMD) ist ein schwingungsfähiges System, das aus Masse, Feder und Dämpfer besteht. Damit kann die Schwingung einer Frequenz gedämpft werden.

Im Gegensatz dazu ist ein Schwingungsdämpfer ein einzelnes Bauteil ähnlich einer Reibungsbremse, das zwischen zwei Kopplungspunkten agiert.

Funktionsprinzip

Der Begriff „Gegenschwingmasse“ deutet am besten auf die Funktionsweise hin, weil sich der Tilger immer gegenphasig zur Erregungsschwingung bewegt.

Die Tilgermasse bildet zusammen mit der Tilgerfeder (auf einer starr angenommenen Unterlage) ein Pendel, dessen Eigenfrequenz auf die zu eliminierende Frequenz (beispielsweise des Gebäudes) eingestellt wird. Bei dieser Frequenz kann der Tilger große Auslenkungen ausführen - die Kräfte am Federansatzpunkt (= Befestigungspunkt mit der zu beruhigenden Struktur) werden daher ebenfalls groß. Der Schwingungstilger entzieht bei dieser Frequenz der Struktur Schwingungsenergie, die durch Reibung in Wärme umgewandelt wird.

Der Dämpfer muss nicht explizit in Form eines Bauteils ausgeführt sein, es können auch Materialdämpfung oder Dämpfung durch eine Luftströmung herangezogen werden.

Durch die Kopplung der beiden schwingungsfähigen Gebilde entstehen unter- und oberhalb der Tilger-Eigenfrequenz neue Eigenfrequenzen, die aus der Kombination Struktur mit Tilger entstehen. Bei diesen beiden Frequenzen ergibt sich für die Struktur prinzipbedingt eine Verschlechterung der Situation (stärkere Schwingungen).

In wenigen einfachen Fällen lassen sich Tilger mittels einfacher Überschlagsformeln dimensionieren. Sobald jedoch die Anregung nicht monofrequent (also breitbandig) und nicht harmonisch (also z.B. transient) einwirkt, werden genauere Untersuchungen erforderlich, um das Optimum an Dämpfung zu ermitteln. Diese ist oft adaptiv, d. h. sie kann sich automatisch an die Bedingungen anpassen.

Es gibt aktive Hydraulik-Systeme an Tilgerpendeln, die in der Lage sind, die Schwingungen des Gebäudes auf Null zu bringen.

Zu unterscheiden sind:

• gewöhnliche (passive) Tilger,
• aktiv gesteuerte Tilger und
• semiaktive Schwingungstilger, bei welchen die im Bedarfsfall benötigte Energie üblicherweise in Form einer vorgespannten Feder gespeichert ist (Blockierung und Auslösung erst oberhalb eines bestimmten Schwellwertes)

Anwendungen

Schwingungstilger dienen zur Beruhigung einer schwingenden Struktur bei einer bestimmten Frequenz oder in einem Frequenzbereich.

Bauwesen

Weltgrößtes Tilgerpendel zur Dämpfung von Gebäudeschwingungen des Taipei 101

Tilgerpendel dienen dazu, die insbesondere von Wind, aber auch von Erdbeben und menschlichen Einflüssen erzeugten Gebäudeschwingungen aufzufangen. Klassische Anwendungsfälle sind z.B. Fußgängerbrücken, Brückenpylone, Stahlschornsteine oder weitgespannte (Stahl-)Treppen.

Das gegenwärtig größte Tilgerpendel der Welt (660 t) befindet sich im Hochhaus Taipeh 101. Ein anderes ist in der Spitze des Berliner Fernsehturmes eingebaut, um der Pendelbewegungen der Spitze entgegen zu wirken.

Auch Gebäude, die im Einzugsbereich von Industrieerschütterungen oder in Erdbebengebieten liegen, werden auf diese Weise ausgerüstet. Am bekanntesten sind die in hohen Gebäuden verwendeten Tilgerpendel, die ein Aufschaukeln der durch Wind verursachten Gebäudeschwingungen verhindern. Grund für deren Einsatz ist nicht nur die Gebäudesicherheit, sondern auch der Komfort.

Maschinenbau

Die Schwingungstilgung wird im Maschinenbau zur Schwingungsdämpfung und Lärmverringerung eingesetzt.

Schifffahrt

Schiffe werden vor allem durch Seegang zum Rollen gebracht, was man insbesondere auf modernen Passagierschiffen zu verhindern versucht, um den Passagieren eine komfortable Fahrt ohne Seekrankheit zu ermöglichen. Dazu wird beispielsweise Ballastwasser zwischen seitlich liegenden Tanks hin und her gepumpt. Geschieht das mit der richtigen Frequenz, entspricht das der dämpfenden Wirkung eines Tilgerpendels.

Bauwerke mit Schwingungstilgern

• Akashi-Kaikyō-Brücke, Japan, Tilger in den Brückenpylonen
• Berliner Fernsehturm, Berlin, in der Turmspitze aufgehängtes 1,5 t Tilgerpendel
• Burj al Arab, Dubai, 11 Schwingungstilger im Gebäude
• Comcast Center, Philadelphia, weltgrößter wassergefüllter Tilger (1300 t Gewicht; über 1200 m³ Wasser)
• Millennium Bridge, London, 58 Schwingungstilger in der Brückenstruktur
• Taipei 101, Taipei, Schwingungstilger gegen Erdbeben
• Sendemasten von DHO38, Schwingungstilger gegen windinduzierte Schwingungen, mit Granulat gefüllte zylinderförmige Verdickungen
• 171,5 Meter hoher Mittelwellensendemast Ismaning, Schwingungstilger in Höhe der Trennisolatoren in 56 und 117 Meter Höhe.
• 189 Meter hoher Mittelwellensendemast Hamburg-Billwerder, Schwingungstilger in Höhe des Trennisolators

Weblinks

• Informationen über Bauformen und Einsatzbereiche von Schwingungstilgern

• Schwingungstilger in Kraftfahrzeugen

Siehe auch

• Schwungrad, Schwingungstilgung mit Zweimassen-Schwungrädern