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Erdbebenschutz: Schwingungsdämpfung mit Kugelgewindetrieben

In den zahlreichen erdbebengefährdeten Regionen sind schwingungsdämpfende Konstruktionen gefragt, wenn Hochbauten errichtet werden. Traditionell kommen hier Masse-Feder-Dämpfungen oder Hydrauliksysteme zum Einsatz, die dynamische Druck- und Zugkräfte aufnehmen. Eine Alternative sind Schwingungstilger mit Schwerlast-Kugelgewindetrieben. Sie sparen Platz und lassen sich einfach an die individuellen Anforderungen anpassen.

Im Maschinenbau kommen Schwerlast-Kugelgewindetriebe zum Einsatz, wenn z.B. an Servopressen und Kunststoff-Spritzgießmaschinen sehr hohe und gleichmäßige Presskräfte aufgebracht werden müssen. Für diesen Aufgabenbereich hat NSK die breit gefächerte HTF-Baureihe entwickelt. Sie wandelt eine rotative in eine lineare Bewegung um und umgekehrt – mit hoher Präzision, auch bei sehr großen Kräften und unter hohen Belastungen.

Diese Antriebskomponenten kommen auch als Schwingungsdämpfer und –tilger in Hochbauten und Brücken zum Einsatz. Angestoßen wurde die Entwicklung in Japan, wo die Erdbebengefahr hoch ist und jedes Bauwerk entsprechend ausgelegt bzw. geschützt sein sollte.
Inzwischen haben mehrere Anbieter von Systemlösungen für den Erdbebenschutz dieses Konzept auf der Basis von NSK-Kugelgewindetrieben umgesetzt. Dabei wird ein Schwerlast-Kugelgewindetrieb mit einem rotierenden Gegengewicht an der Mutter zu einer Baueinheit verbunden und zwischen zwei tragenden Elementen des Gebäudes installiert.

Wenn kurzfristig eine hohe dynamische Last auftritt – bei einem Erdbeben, aber auch z.B. bei der Überfahrt schwerer Züge auf Eisenbahnbrücken –, und dabei eines der beiden tragenden Elemente in Bewegung versetzt, führt das zu einer Linearbewegung des Kugelgewindetriebs. Diese lineare Bewegung wird in eine rotative Bewegung des Dämpfungsgewichtes umgesetzt. Bei der Drehrichtungsänderung überlagern sich die Schwingungen mit entgegengesetzter Amplitude. Das Ergebnis: Die Schockbelastung wird wirkungsvoll gedämpft, wobei sowohl dynamische Druckkräfte als auch Zugkräfte aufgenommen werden können.

Ursprünglich für den Maschinenbau entwickelt, kommen die Schwerlast-Kugelgewindetriebe der Serie HTF auch beim Erdbebenschutz von Gebäuden und Brücken zum Einsatz.
Ursprünglich für den Maschinenbau entwickelt, kommen die Schwerlast-Kugelgewindetriebe der Serie HTF auch beim Erdbebenschutz von Gebäuden und Brücken zum Einsatz.

Die Lastaufnahmefähigkeit des Kugelgewindegetriebes lässt sich anwenderfreundlich an die individuellen Anforderungen anpassen. Üblicherweise werden Einheiten verwendet, die einen kleinen Axialhub in eine hohe Umdrehungszahl der Mutter umwandeln und damit eine hohe Dämpfungswirkung erreichen.

Im Vergleich zu den bislang eingesetzten Masse-Feder-Systemen und hydraulischen Dämpfern bieten Kugelgewindetriebe-Systeme in dieser Anwendung u.a. den Vorteil, dass sie sehr wenig Bauraum beanspruchen und einfach in die Umgebungskonstruktion zu integrieren sind. Üblicherweise werden sie im Keller des Gebäudes installiert.

Ein Zahlenvergleich demonstriert die hohe Effizienz des Systems: Eine Schwingungsdämpfung auf Basis von Kugelgewindetrieb und rotierendem Gegengewicht mit einem Gesamtgewicht von rund zwei Tonnen erreicht eine Dämpfungswirkung, für die man bei einem Masse-Feder-System 2.000 bis 3.000 Tonnen zusätzliches Gewicht benötigen würde. Weitere Vorteile: Das System erfüllt auch unter widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig seine Aufgabe. Außerdem ist der Wartungsaufwand minimal, weil nur mechanische und robuste Komponenten im Einsatz sind. Ein elektrischer Antrieb ist nicht notwendig.

Zu den Anwendungsmöglichkeiten dieser ebenso einfachen wie hoch wirksamen Schwingungsdämpfungseinheiten gehören der klassische Hochbau sowie kritische Rohrleitungssysteme z.B. in Kraftwerken, Chemieanlagen und Raffinieren. Die kompakten Einheiten können sowohl bei Neubauten als auch für die seismische Ertüchtigung und Verstärkung bestehender Bauwerken eingesetzt werden. Bei der Auslegung werden die Hersteller von Dämpfungssystemen für den Erdbebenschutz durch erfahrene NSK-Ingenieure unterstützt.