Wie misst man die Schwingungen eines Gebäudes?
Schwingungen in einem Bauwerk können direkt mit einem Beschleunigungsmesser, einem Wegaufnehmer oder einem Geschwindigkeitsaufnehmer erfasst werden. Das Maß ist eine Spitzenpartikelgeschwindigkeit, die der maximale absolute Wert des unbewerteten Signals (Partikelgeschwindigkeitssignal) während der gesamten Messung ist.
In Anlehnung an DIN 4150-3 ist für die Messung der Gesamtkonstruktion die oberste Bodenschwinggeschwindigkeit, gemessen in zwei horizontalen Richtungen, zugrunde zu legen. Alternativ zur Auswertung der horizontalen Schwingungen der obersten Geschossdecke können auch Messungen am Fundament durchgeführt werden.
Wie misst man Schwingungen auf den Gebäudeinhalt ?
Schwingungen, die auf empfindliche Objekte in Gebäuden einwirken, werden mit einem Beschleunigungsaufnehmer oder einem Geschwindigkeitsaufnehmer, der Wand- oder Bodenschwingungen misst, beurteilt. Gemäß der IEST-Norm wird der Effektivwert der Schwingungsgeschwindigkeit in 1/3-Oktavbändern verwendet, um die Auswirkungen von Bodenschwingungen auf empfindliche Geräte in Gebäuden zu messen.
Wie kann die menschliche Wahrnehmung von Vibrationen in Gebäuden gemessen werden?
Die Belastung des Menschen durch Bodenschwingungen wird mit einem Beschleunigungsmesser oder einem Geschwindigkeitsaufnehmer gemessen. In Anlehnung an die ISO-Normen sind gängige Messgrößen für die Reaktion des Menschen auf vibrierende Fußböden die PEAK- und RMS-Werte der Schwingungsbeschleunigung oder die Geschwindigkeit oder VDV der Schwingungsbeschleunigung.
Was sind für den Menschen wahrnehmbare Schwingungspegel?
Nach ISO 2631-1 ist die Schwingungs-Spitzenbeschleunigung von 0,015 m/s2 ein akzeptabler Schwingungspegel für die Bewohner eines Gebäudes. Wenn die Bodenschwingungen nur geringfügig über diesem Wert liegen, werden sich die Nutzer des Gebäudes wahrscheinlich beschweren. In der Praxis liegen die von den Gebäudenutzern wahrnehmbaren Schwingungen zwischen 0,01 m/s2 und 0,02 m/s2 PEAK.
Das amerikanische Institut der FTA (Federal Transit Administration) und die FRA (Federal Railroad Administration) nennen niedrige Amplitudengrenzen von 0,045 bis 0,08 für die menschliche Wahrnehmung der Schwingungsgeschwindigkeit.
Die deutsche Norm DIN 4150-2 legt den Grenzwert für den Menschen auf 0,1 KB fest, wobei 1 KB als 1 mm/s eines gewichteten Effektivwerts der wahrnehmbaren Schwingungsgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Normen für Bauwerksschwingungen
Die bekanntesten Normen für die Messung von Bauwerksschwingungen sind die ISO 4866, die britische BS 7385-2 und die deutsche DIN 4150-3. Alle drei Normen verwenden die Methode der Peak Particle Velocity (PPV) und die FFT zur Bestimmung der dominanten Frequenz.
Was sind PPV und die dominante Frequenz?
Die Methode für die PPV-Spitzenpartikelgeschwindigkeit und die dominante Frequenz (DF) ist in der deutschen Norm DIN 4150-3 beschrieben. Die PPV ist ein Maximalwert der Amplitude des Schwinggeschwindigkeits-Zeitbereichssignals. Um eine dominante Frequenz der PPV zu ermitteln, muss eine FFT-Analyse durchgeführt werden. Das Ergebnis einer solchen Analyse ist der PPV-Wert und die entsprechende dominante Frequenz für jede Achse (X, Y, Z). Jedes PPV-Paar und seine DF werden als Punktkoordinaten verwendet, die mit der Schwingungsgrenzkurve verglichen werden.
Kriterien und Grenzwerte
Die Norm DIN 4150-3 definiert die Werte, die eingehalten werden müssen, um Schäden und Auswirkungen auf Bauwerke zu vermeiden. Es gelten je nach Bauwerkstyp unterschiedliche PPV-Grenzwerte im Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 Hz :
- von 20 mm/s bis 50 mm/s – für Gebäude, die für gewerbliche und industrielle Zwecke genutzt werden
- von 4 mm/s bis zu 20 mm/s für Wohngebäude,
von 3 mm/s bis 10 mm/s für schwingungsempfindliche Gebäude, die einen hohen Eigenwert haben
Britische Norm BS 7385-2
Die Norm BS 7385-2 ist ein Leitfaden für die Bewertung möglicher vibrationsbedingter Schäden an Gebäuden, die auf eine Vielzahl von üblichen Quellen zurückzuführen sind. Zu den üblichen Vibrationsquellen, die berücksichtigt werden, gehören Sprengungen, Abbrucharbeiten, Rammarbeiten, Bodenbehandlungen (z. B. Verdichtung), Baumaschinen, Tunnelbau, Straßen- und Schienenverkehr sowie durch Industriemaschinen verursachte Vibrationen. Sie gibt Hinweise zu den Schwingungspegeln, bei deren Überschreitung Gebäudestrukturen beschädigt werden könnten. Es werden nur die direkten Auswirkungen von Schwingungen auf Gebäude berücksichtigt. Die indirekten Auswirkungen auf die Gebäudestruktur aufgrund von Bodenbewegungen, die Bewegung loser Gegenstände innerhalb von Gebäuden, die Möglichkeit der Beschädigung empfindlicher Geräte und die Auswirkungen von Schwingungen auf Personen liegen außerhalb des Anwendungsbereichs dieser Norm. Die niedrigste Frequenz, die von herkömmlichen, vom Menschen verursachten Quellen ausgeht, beträgt 1 Hz, und die höchste Frequenz, die von Maschinen oder Sprengungen in der Nähe von Gebäuden auf hartem Boden zu erwarten ist, liegt bei 1 000 Hz; zur Auswahl von Richtwerten wird jedoch ein begrenzterer Bereich von 4 Hz bis 250 Hz berücksichtigt. Die BS-Normen geben zwei Arten von Gebäuden an:
- -verstärkte oder gerahmte Gebäude Industrielle und schwere gewerbliche Gebäude,
- unbewehrte oder leichte Fachwerkbauten Wohngebäude oder leichte Gewerbebauten.
Kurzzeit- und Langzeitschwingungen
Die Norm DIN 4150-3 unterteilt Schwingungen in:
- Kurzzeitige Schwingungen, die nicht häufig genug auftreten, um Ermüdungserscheinungen hervorzurufen, und die keine Resonanz in den bewerteten Strukturen verursachen,
- Langzeitschwingungen sind dagegen alle Schwingungsarten, die nicht den Kurzzeitschwingungen zugeordnet werden können.
Was sind VC-Kurven für Schwingungen?
VC-Schwingungskurven, ausgedrückt als 1/3-Oktavband der Effektivschwingungsgeschwindigkeit, sind Schwingungsgrenzwerte, die von der amerikanischen Norm IEST für die Messung von schwingungsempfindlichen Geräten verwendet werden.
Um die amerikanischen Normen (IEST) zu erfüllen, die 1/3-Oktavband VC Vibration Criterion-Kurven, ausgedrückt in der Effektivschwingungsgeschwindigkeit, verwenden, werden bei der 1/3-Oktavband-Methode die Effektivwerte in jedem Band mit der Grenzkurve verglichen. Im Gegensatz zur FFT-Methode, bei der der Punkt (PPV, DF) gegen die Kurve gesetzt wird, wird also das gesamte Spektrum zum Vergleich herangezogen.
Was sind Schwingungsmoden?
Eine Schwingungsform ist eine Art der Schwingung oder ein Schwingungsmuster, das auf ein System oder eine Struktur mit vielen Punkten und unterschiedlichen Bewegungsamplituden angewendet wird. Die beiden Elemente einer Schwingungsform sind zum einen eine zeitliche Variation der Schwingung und zum anderen eine räumliche Variation der Amplitude der Bewegung über die Struktur.
