Dynamische und seismische Auslegung von Maschinenfundamenten mit STAAD.Pro

Die dynamische Berechnung von Maschinenfundamenten stellt ein Sondergebiet des Bauingenieurwesens dar, da neben den üblicherweise statisch wirkenden Belastungen auch zeitlich veränderliche Einwirkungen berücksichtigt werden müssen. Während früher aufwendige Handrechnungen erforderlich waren, um zuverlässige Aussagen über das Schwingungsverhalten einer dynamisch belasteten Konstruktion treffen zu können, lassen sich heute durch den Einsatz leistungsfähiger FEM-Programme in vergleichsweise kurzer Zeit verschiedene Varianten einer Struktur berechnen. Somit werden auch Optimierungsmöglichkeiten in dynamischer und statischer Hinsicht erreicht. Ziel einer dynamischen Berechnung eines Maschinenfundaments ist, primär einen resonanzfreien Lauf der auf dem Fundament montierten Maschinenkomponenten zu garantieren. Dazu gehören die Ermittlung der Eigenfrequenzen des Fundamentes sowie die Berechnung der Betriebsamplituden unter Betriebsunwuchtanregung, Generatorkurzschluss und seismischer Belastung.

Als Material für Maschinenfundamente wird in der Regel Stahlbeton verwendet. Jedoch kommen mitunter auch Stahlfundamenten in Hohlkastenbauweise zum Einsatz. Die Fundamente werden entweder direkt auf dem Baugrund aufgelagert (Blockfundamente), stehen auf Stützen (Tischfundamente) oder werden schwingungsisoliert auf Federelementen gelagert (Federfundamente). Stellvertretend für eine Vielzahl ausgeführter Fundamente wird nachfolgend die dynamische Berechnung für das Tischfundament eines Turbosatzes mit einer Leistung von ca. 100 MW erläutert.

Das Fundament (Aufstellungsort Indien) hat Abmessungen von 16.50/8.00 m bei einer mittleren Dicke von 2.00 m. Die vier Eckstützen haben die Abmessungen 90/90 cm, die beiden Mittelstützen 90/110 cm. Die Stützenlänge beträgt 8.40 m. Das Gewicht der Tischplatte beträgt ca. 6600 kN. Zusätzlich sind noch die Eigengewichtslasten aus Turbine und Generator mit ca. 2600 kN zu berücksichtigen. Die Betriebsdrehzahl beträgt n = 3000 min-1 (50 Hz). Die Idealisierung der Struktur erfolgt mit dreidimensionalen Stab- und Schalenelementen mit sechs Freiheitsgraden der Verformung je Knoten. Die erforderlichen dynamischen Berechnungen wurden mit dem Programm STAAD.Pro durchgeführt. Sie umfassen die Ermittlung der Eigenfrequenzen des Fundamentes und der Schwingungsgeschwindigkeiten unter Unwuchtanregung. Weiterhin werden die Antworten des Feder-Masse-Systems unter Erdbebeneinfluss ermittelt, wobei auf vorliegende indische Antwortspektren zurückgegriffen wird. Die sich aus den unterschiedlichen dynamischen Belastungen ergebenden Schnittgrößen werden mit den entsprechenden Werten aus der statischen Berechnung überlagert und für die Bemessung des Fundamentes mitberücksichtigt. Durch die volldynamische Schnittkraftermittlung lässt sich die Eigenfrequenzcharakteristik des Fundamentes genauer erfassen als mit den üblicherweise verwendeten Ersatzlastverfahren.

Bauingenieur, Band 78, November 2003