Schockabsorber

Sog. Schockabsorber sind im Grunde einem normalen hydraulischen Dämpfer sehr ähnlich. Der wesentliche Unterschied besteht in der Art der Füllung des Zylinders, Bei Schockabsorbern ist dieser Raum z.B. mit einem zähplastischen Silikon oder einem Neopren gefüllt. Beide Stoffe sind unter hohem Druck plastizierfähig. Bei einer Kolbenbewegung drängen sie i.a. seitlich am Kolben, d.h. zwischen Kolben und Zylinderwand durch. Dabei wird sehr viel Arbeit vernichtet. Schockabsorber werden deshalb mit Vorzug dort eingesetzt, wo große Kräfte wirken.

3.5 Einsatz von Schock-Absorbern

Schock-Absorber dienen der Dämpfung sehr hoher Kräfte, die gelegentlich dynamisch auftreten können. Im Regelfall handelt es sich bei den Schock-Absorbern um Konstruktionen, die hydraulischen Dämpfern ähneln. Der Kolbendurchmesser hat ein planmäßiges Untermaß, verglichen mit dem lichten Zylinderdurchmesser. Durch diese Lücke bewegt sich das Silikon oder eine andere Füllung, wenn der Kolben bewegt wird. Hierbei werden große Arbeitsbeträge vernichtet.Bei sehr großen Kräften wird als Füllmaterial gelegentlich auch Neopren eingesetzt, das ebenfalls viscoplastisches Verhalten zeigt. Dabei wird sehr viel Energie vernichtet. Bild 1 zeigt eine Prinzipskizze. Man erkennt, dass der Absorber mit einem Silikon gefüllt ist und nicht, wie bei Stoßdämpfern sonst üblich, mit Öl.


Bild 1: Schock-Absorber

In Bild 2 ist das typische Verhalten solcher Schock-Absorber dargestellt [Pritchard, 1996].
Leider sind die einwirkenden Kräfte in der Literaturstelle nicht in kN angegeben, sondern in t, d.h. Tonnen. Da alle Literaturziate aus dem britischen Bereich stammen, kann man annehmen, dass es sich um britische Tonnen tn handelt. Hierfür gilt die Umrechnung 1 t = 0,984 tn. In guter Näherung kann der kleine Unterschied im Rahmen der im Bauwesen üblichen Genauigkeit vernachlässigt werden, d.h. 1 t entspricht 10kN.

  • Bild 2 a zeigt den Testaufbau.
  • Bild 2b zeigt die Verschiebungsgeschwindigkeits-Lastkurve. Man erkennt, wie mit steigender Geschwindigkeit die widerstehende Last größer wird, allerdings mit leicht abnehmender Tendenz.
  • Bild 2c zeigt die Bewegung des Kolbens - gemessen als Abstand der Belatungsbolzen in den Augen - während eines Lastzyklus' von +/- 5 t bei einer Frequenz von 1 Hz. Der Sprung im Bereich des Nullpunktes, also des Vorzeichenwechsels ist bedingt durch das Spiel der Bolzen in den Augen.
  • In Bild 2d schließlich wird das Verhalten gezeigt in Abhängigkeit der Frequenz, der absoluten Lastamplitude und der auftretenden Verschiebung. Man erkennt, dass die Verschiebungen etwa proportional zu den Lasten sind, die rechte Kurve für 5 t hat etwa den doppelten Abstand zur 2,5 t Kurve.

Schock-Absorber werden erfolgreich eingesetzt, um z.B. Brückenüberbauten an den Pfeilerköpfen so zu befestigen, dass ein großer Teil der dynamischen Energien (z.B. aus Erdbeben) vernichtet wird. Die folgende Tabelle 1 zeigt einige Haupt-Charakteristika von Schock-Absorbern.


Bild 2; Zyklischer Test einer Schock-Absorber Einheit

Diese Diagramm mag als Hilfe für die Vorbemessung auch bei anderen Parametern dienen. Extrapolationen in nicht zu großen Entfernungen scheinen in Anbetracht des relativ regulären Verhaltens erlaubt. Bei Extrapolationen in entferntere Parameterbereiche sind jedoch Eignungs-Versuche erforderlich. Größere Kräfte auch durch Parallelschaltung mehrerer bekannter Einheiten übertragen werden. Zur ersten Orientierung möge die Tabelle 1 dienen, die einige wesentlcihe Parameter enthält.

Tabelle 1: Charakteristika ausgewählter Schock-Absorber

Wenn größere Kräfte übertragen werden müssen, können, wie erwähnt, die o.a. Elemente durch Parallelschaltung leicht dazuherangezogen werden. Solche Schock-Absorber haben eine viskoelastisch-plastisches Verhalten, d.h. sie wirken geschwindigkeitsabhängig. Bei sehr langsamen Änderungen kriecht der Schock-Absorber relativ kraftfrei in eine neue Position. Bei sehr rasch einwirkenden Kräften überträgt er einen Großteil der Kraft. Solche System sind eingesetzt worden, um die horizontalen Erdbebenkräfte bei hoher Dämpfung in mehrere Pfeiler zu übertragen und gleichzeitig eine weitgehend kraftfreie Aufnahme sehr langsamer Temperatur-Wegänderungen zu gewährleisten und somit die Pfeiler von dieser hohen Zwangsbeanspruchung zu entlasten, siehe Bild 3.


Bild 3: Schock-Absorber bei einer Brücke im Erdbebengebiet

Ein anderer Typ von Shock Absorbern ist die sog. Ringfeder, die von der gleichnamigen Firma vertrieben wird.

Die bei der Stauchung erzeugte Ringdehnung ist elastisch. Durch die Ringdehnung und die dadurch verursachten Rutschungen wird über die aktivierte Reibung zwischen den Ringflächen Energie in hohem Maße dissipiert. Die Elemente können vorgespannt werden, so dass auch ein Einsatz bei Zugbeanspruchung möglich ist. Der Verfasser hat mit solchen Elementen schwere Innenliner (Rauchgasrohre in Stahlbetonschornsteinen) gedämpft. In Bild 4 ist eine solche (graphisch) aufgeschnittene Feder zu sehen. Die Einzelelemente bestehen aus keilartigen Ringen, die versetzt aufeinandergesetzt werden.


Bild 4: Ringfeder Elemente, die gleichzeitig federn und dämpfen

Referenzen

Klotter,K. (1955):Schwingungen. In: Hütte, Des Ingenieurs Taschenbuch. Berlin: W. Ernst&Sohn.
Peil,U. (1993): Baudynamik. In: Stahhlbau Handbuch,Band I Teil A. Stahlbau-Verlagsgesellschaft mbH, Köln.
Petersen,C. (1996): Dynamik der Baukonstruktionen. Friedr. Vieweg&Sohn, Braun-schweig, Wiesbaden, 1996.
Petersen,C. (2001): Schwingungsdämpfer im Ingenieurbau. Herausgeber: Firma Mauer und Söhne, GmbH und Co KG, München.
Pritchard, B.P.: The use of shock transmission units in bridging. Proc,. Instn. Civ. Engrs. Structs&Bldgs, 1996,116, p.82-95.