In der Bachelorarbeit wird das Schwingungsverhalten eines 14-stöckigen Gebäudes untersucht. Das Ziel ist es, mit der bestehenden Berechnungsmethode akzeptable Lösungen der Frequenz zu erhalten. Das Wohngebäude wird anhand von zwei Ebener-Rahmensysteme für zwei unterschiedliche Richtungen modelliert. Das Rahmensystem ist aus Rahmen mit unterschiedlichen Höhen aufgebaut. Mithilfe des Weggrößenverfahrens lässt sich die Ersatzsteifigkeit jeder Etage berechnen. Die Ersatzsteifigkeiten der Etagen bilden zusammen die Steifigkeit des Gesamttragwerks. Der Eigenfrequenz entspricht das Verhältnis von Steifigkeit zu Masse.
Mit dem Rayleigh-Verfahren können Eigenfrequenzen ohne übermäßigen Aufwand ermittelt werden, wobei eine sinnvolle Schwingungsform für ein diskretes System abgeschätzt wird. Des Weiteren wurden zwei alternativen Schwingungsform eingesetzt, um die Anwendbarkeit des Rayleigh-Verfahrens weiterhin zu überprüfen, eine anhand der 1. Eigenform und eine auf Grundlage der 2. Eigenform. Die ermittelten Lösungen wurden anschließend per Iteration verbessert und auf diese Weise konnten mögliche Näherungslösungen erarbeitet werden.
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG
2. GRUNDLAGEN
2.1. Prinzip der virtuellen Arbeit
2.1.1. Verschiebungsarbeit
2.1.2. Prinzip der virtuellen Verschiebung
2.2. Weggrößenverfahren
2.2.1. Elementsteifigkeitsmatrix
2.2.2. Gesamtsteifigkeitsmatrix
2.3. Grundlage der Dynamik
2.3.1. Bewegungsgleichung
2.3.2. Eigenwertgleichung
2.3.1. Schwingungsform
2.3.2. Modalanalyse mit Rayleigh-Verfahren
3. MODELLBILDUNG
3.1. Festlegung der Koordinaten
Ebenes Rahmensystem des Tragwerks
3.2. Berechnungsmodell für Gesamttragwerk
3.3. Berechnungsmodell für eine Etage
4. ERMITTLUNG DER STEIFIGKEIT MIT DEM WEGGRÖßENVERFAHREN
4.1. Herleitung des Verfahrens
4.2. Steifigkeit des Erdgeschosses
4.2.1. Deckenverschiebung als Gruppenfreiheitsgrad
4.2.2. Knotenverdrehung als Gruppenfreiheitsgrad
4.2.3. Deckenneigung als Gruppenfreiheitsgrad
4.2.4. Ersatzsteifigkeit des Erdgeschosses
4.3. Steifigkeit des ersten Obergeschosses
4.3.1. Deckenverschiebung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.3.2. Knotenverdrehung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.3.3. Deckenneigung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.3.4. Ersatzsteifigkeit des ersten Obergeschosses
4.4. Steifigkeit des zweiten Obergeschosses
4.4.1. Deckenverschiebung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.4.2. Knotenverdrehung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.4.3. Deckenneigung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.4.4. Ersatzsteifigkeit des zweiten Obergeschosses
4.5. Steifigkeit des dritten Obergeschosses
4.5.1. Deckenverschiebung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.5.2. Knotenverdrehung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.5.3. Deckenneigung als Gruppen-Freiheitsgrade
4.5.4. Ersatzsteifigkeit des dritten Obergeschosses
5. BERÜCKSICHTIGUNG DER SCHUBSTEIFIGKEIT DER WÄNDE
5.1. Schubaussteifungswände
5.2. Schubsteifigkeit der Wände des steifen Kernes
6. ERMITTLUNG DER STEIFIGKEITSMATRIX
6.1. Steifigkeit einer Etage
6.2. Gesamtsteifigkeitsmatrix
7. ERMITTLUNG DER MASSENMATRIX
8. MODALANALYSE MIT HILFE DES RAYLEIGH-VERFAHRENS
8.1. Berechnung der Eigenfrequenz
8.2. Vergleich des Ergebnisses
9. ALTERNATIVE LÖSUNGSANSÄTZE
9.1. Erster alternativer Lösungsansatz
9.2. Zweiter alternativer Lösungsansatz
10. ANALYSE DER ERGEBNISSE
11. LITERATURVERZEICHNIS
A1 BERECHNUNG DER MITWIRKENDEN PLATTENBREITE
A2 BERECHNUNG DES FLÄCHENTRÄGHEITSMOMENTS
A2.1 Schwerpunkt des Querschnittes
A2.2 Flächenträgheitsmomente
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht das Schwingungsverhalten eines 14-stöckigen Wohngebäudes, um mit einer bestehenden Methode akzeptable Lösungen für dessen Eigenfrequenzen zu erzielen. Dabei liegt der Fokus auf der Modellierung des Gebäudes als Ebenes-Rahmensystem sowie der Anwendung des Rayleigh-Verfahrens zur Modalanalyse, ergänzt um eine iterative Validierung der Ergebnisse.
- Modellierung eines 14-stöckigen Gebäudes als Ebenes-Rahmensystem
- Anwendung des Weggrößenverfahrens zur Bestimmung der Ersatzsteifigkeiten der Etagen
- Durchführung der Modalanalyse mittels Rayleigh-Verfahren und ergänzenden Lösungsansätzen
- Analyse der Abweichungen zwischen berechneten Näherungswerten und Referenzmessungen
- Ermittlung und Einbeziehung der Schubsteifigkeit von Wänden in die Gesamtsteifigkeitsmatrix
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung
Eine typische Aufgabe der Bauingenieure besteht darin, das dynamische Tragverhalten eines existierenden Bauwerks zu untersuchen. Dabei ist die Kenntnis der Eigenfrequenzen und der zugehörigen Eigenformen eine unabdingbare Voraussetzung. Bei komplexen Konstruktionen mit einer unendlichen Anzahl der Freiheitsgrade ist ein Computerprogramm vorteilhaft, um baudynamische Probleme zu lösen. Das Verfahren von Lord Rayleigh bietet die Möglichkeit, die Modalanalyse eines Bauwerks mit Handrechnung und ohne Anwendung eines Computerprogrammes durchzuführen. Die Motivation dieser Arbeit besteht darin, dass das Schwingungsverhalten eines 14-stöckige Gebäudes mit Hilfe des Rayleigh-Verfahren für diskretes System ermittelt werden. Die potenziellen Ursachen der Abweichungen zwischen den Ergebnissen des Rayleigh-Verfahrens und der Schwingungsmessung sollen am Ende dieser Arbeit analysiert werden. Das zu untersuchende Bauwerk ist ein Wohnhaus in Bishkek- Kyrgyztan, und wird in der Abbildung 1.1 visualisiert.
Um eine gute Näherungslösung des dynamischen Verhaltens zu ermöglichen, ist es wesentlich, ein idealisiertes Modell zur Berechnung zu erstellen, das das Tragverhalten des zu untersuchenden Bauwerks realitätsnah abbildet. Der Abschnitt 3 dieser Arbeit stellt das Vorgehen bei der Modellbildung dar. Das in dieser Arbeit verwendete Modell ist ein ebenes Rahmensystem mit mehreren Stockwerken, wobei Letztere unterschiedlich hoch sind. Mit Hilfe des Weggrößenverfahrens lässt sich die Steifigkeit der jeweiligen Rahmen berechnen. Die Ersatzsteifigkeit einer Etage wird einzeln ermittelt; die Summe der Ersatzsteifigkeiten bildet die Gesamtsteifigkeit des Gebäudes. Dabei ist nicht zu vernachlässigen, dass die tragenden Wände ebenfalls zu der Schubsteifigkeit einer Etage beitragen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINLEITUNG: Einleitende Problemstellung zur Modalanalyse eines 14-stöckigen Gebäudes mittels Rayleigh-Verfahrens unter Verzicht auf Computerprogramme.
2. GRUNDLAGEN: Vermittlung der theoretischen Basis, einschließlich des Prinzips der virtuellen Arbeit, des Weggrößenverfahrens und dynamischer Grundlagen für Mehrmassenschwinger.
3. MODELLBILDUNG: Detaillierte Beschreibung der Idealisierung des Bauwerks in ein ebenes Rahmensystem zur Erfassung der notwendigen Steifigkeitsparameter.
4. ERMITTLUNG DER STEIFIGKEIT MIT DEM WEGGRÖßENVERFAHREN: Schrittweise Herleitung der Steifigkeitswerte für die einzelnen Geschosse unter Verwendung von Gruppenfreiheitsgraden.
5. BERÜCKSICHTIGUNG DER SCHUBSTEIFIGKEIT DER WÄNDE: Einbeziehung zusätzlicher Tragglieder wie Schubwände und der Kerne in die Gesamtsteifigkeitsbetrachtung.
6. ERMITTLUNG DER STEIFIGKEITSMATRIX: Zusammenführung der Einzelsteifigkeiten aus Rahmen und Wänden zur finalen Gesamtsteifigkeitsmatrix des Gebäudes.
7. ERMITTLUNG DER MASSENMATRIX: Bestimmung der konzentrierten Massen der einzelnen Etagen zur Vorbereitung der dynamischen Analyse.
8. MODALANALYSE MIT HILFE DES RAYLEIGH-VERFAHRENS: Durchführung der Modalanalyse mittels Annahme einer Schwingungsform und Energiebilanzierung.
9. ALTERNATIVE LÖSUNGSANSÄTZE: Untersuchung weiterführender Approximationen und iterativer Verbesserungen zur Erhöhung der Genauigkeit der Eigenfrequenzen.
10. ANALYSE DER ERGEBNISSE: Kritische Bewertung der Abweichungen zwischen berechneten und gemessenen Freuqenzwerten unter Berücksichtigung von Modellannahmen.
Schlüsselwörter
Modalanalyse, Rayleigh-Verfahren, Weggrößenverfahren, Gebäudedynamik, Eigenfrequenz, Schwingungsverhalten, Mehrmassenschwinger, Steifigkeitsmatrix, Massenmatrix, Schubsteifigkeit, Tragwerksmodellierung, Bauingenieurwesen, dynamisches Tragverhalten, Iterationsverfahren, Baudynamik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht das dynamische Schwingungsverhalten eines 14-stöckigen Wohngebäudes, indem sie Eigenfrequenzen mit dem Rayleigh-Verfahren berechnet, ohne auf computergestützte Finite-Elemente-Programme angewiesen zu sein.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der baustatischen Modellbildung mittels Stabmodellen, der Anwendung des Weggrößenverfahrens zur Steifigkeitsermittlung sowie der Anwendung der Energiebilanzmethode von Lord Rayleigh zur Frequenzanalyse.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist der Nachweis, dass durch die Anwendung des Rayleigh-Verfahrens in Kombination mit einer etagenweisen Idealisierung des Tragwerks hinreichend genaue Näherungslösungen für die Frequenz des Gebäudes erzielt werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf der klassischen Baustatik, insbesondere dem Weggrößenverfahren zur Steifigkeitsmatrixbildung und der energetischen Modalanalyse nach dem Rayleigh-Verfahren zur Eigenfrequenzbestimmung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil erfolgen die Modellbildung des Tragwerks, die detaillierte Berechnung der Steifigkeiten unter Berücksichtigung von Rahmen und Wänden sowie die iterative Berechnung und Optimierung der Eigenfrequenzen durch verschiedene Schwingungsform-Ansätze.
Wodurch zeichnet sich die Arbeit aus?
Sie zeichnet sich durch einen methodischen, handrechnungsbasierten Ansatz zur Baudynamik aus, der zeigt, wie komplexe Strukturen durch Reduktion auf diskrete Systeme für eine analytische Untersuchung zugänglich gemacht werden.
Wie gehen die Autoren mit den Abweichungen der Ergebnisse um?
Die Abweichungen werden mittels iterativer Verbesserungen der Schwingungsform-Annahme reduziert, wobei der Autor systematisch analysiert, welche Material- und Modellannahmen die verbliebenen Effekte beeinflussen.
Warum wird das Gebäude als Ersatzstabmodell vereinfacht?
Dies dient dazu, die Vielzahl der Freiheitsgrade der komplexen 14-stöckigen Struktur auf eine handhabbare Anzahl zu reduzieren, um so eine Modalanalyse ohne spezialisierte Software durchführen zu können.
- Quote paper
- Thanh Vinh Pham (Author), Modalanalyse eines 14-stöckigen Gebäudes mithilfe des Rayleigh-Verfahrens, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1266444
