Grundlagen der Fundamentsteifigkeit

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Definition: Was ist Fundamentsteifigkeit?

Fundamentsteifigkeit ist der Widerstand der tragenden Struktur einer Maschine (einschließlich Grundplatte, Betonfundament, Sockel und Boden) gegen Durchbiegung bei statischen oder dynamischen Kräften. Er wird als Kraft pro Durchbiegungseinheit (normalerweise in N/mm, lbf/in oder N/m) angegeben und stellt dar, wie stark sich das Fundament durch die Belastung durch rotierende Maschinen verbiegt.

Die Fundamentsteifigkeit ist ein kritischer Parameter in Rotordynamik weil es Teil der Gesamtsystemsteifigkeit ist, die bestimmt kritische Geschwindigkeiten, Vibration Amplituden und dynamisches Verhalten. Eine unzureichende Fundamentsteifigkeit kann die kritischen Drehzahlen in den Betriebsbereich senken, Vibrationen verstärken, Ausrichtungsprobleme verursachen und die Zuverlässigkeit der Ausrüstung beeinträchtigen.

Warum die Fundamentsteifigkeit wichtig ist

Auswirkungen auf kritische Geschwindigkeiten

Die Fundamentsteifigkeit wirkt sich direkt auf das System aus Eigenfrequenzen:

• Gesamtsystemsteifigkeit = Reihenkombination aus Rotor-, Lager- und Fundamentsteifigkeiten
• Weiches Fundament reduziert die Gesamtsteifigkeit und senkt die kritischen Geschwindigkeiten
• Kann kritische Geschwindigkeiten aus sicheren Zonen in den Betriebsbereich verschieben
• Kritische Geschwindigkeit ∝ √(Gesamtsteifigkeit), daher haben weiche Fundamente erhebliche Auswirkungen

Schwingungsamplitudenregelung

• Bei Resonanz: Steifere Fundamente erzeugen im Allgemeinen geringere Spitzenschwingungsamplituden
• Unterhalb der Resonanz: Sehr steife Fundamente können die übertragenen Vibrationen erhöhen (keine Isolierung)
• Optimales Design: Balance zwischen Steifigkeit und Isolation je nach Frequenzbereich

Ausrichtungsstabilität

• Flexible Fundamente ermöglichen die Verschiebung der Ausrüstung unter Betriebslasten
• Die Wärmeausdehnung von Maschinen kann flexible Fundamente verformen
• Präzision Ausrichtung schwierig zu pflegen auf weichen Untergründen
• Die Fundamentdurchbiegung durch Prozesslasten (Rohrleitungskräfte) beeinflusst die Ausrichtung

Komponenten, die zur Fundamentsteifigkeit beitragen

1. Betonfundamentblock

• Materialsteifigkeit: Elastizitätsmodul von Beton (~25–40 GPa)
• Geometrie: Dicke, Breite und Verstärkung beeinflussen die Gesamtsteifigkeit
• Masse: Größere Masse geht im Allgemeinen mit steiferer Struktur einher
• Zustand: Risse und Abnutzung verringern die Steifigkeit erheblich

2. Bodenunterstützung

• Der Boden unter dem Fundament bietet elastische Unterstützung
• Die Bodensteifigkeit variiert enorm (weicher Ton: 10 N/mm³; Fels: 1000+ N/mm³)
• Oft das weichste Element in der Supportkette
• Kann die Gesamtsteifigkeit des Systems bei schlechten Bodenverhältnissen dominieren

3. Maschinengrundplatte

• Strukturrahmen aus Stahl oder Gusseisen
• Verbindet Geräte mit Betonfundamenten
• Dicke, Rippen und Design beeinflussen die Steifigkeit
• Muss ausreichend mit dem Fundament verfugt werden

4. Sockel und Stützen

• Lagerböcke Verbindungslager zur Grundplatte
• Säulen- oder Konsolenkonstruktionen
• Kann bei hohen oder schlanken Sockeln erhebliche Flexibilität bieten

5. Fugenschicht

• Füllt die Lücke zwischen Grundplatte und Beton
• Richtiges Verfugen entscheidend für die Steifigkeit
• Beschädigter oder fehlender Mörtel verursacht weiche Stellen
• Typische Mörtelsteifigkeit geringer als bei Beton oder Stahl

Messung und Bewertung

Statische Steifigkeitsprüfung

• Verfahren: Bekannte Kraft anwenden, Auslenkung messen
• Berechnung: k = F / δ (Kraft geteilt durch Auslenkung)
• Typischer Test: Hydraulischer Wagenheber, der die Grundplatte belastet
• Messung: Messuhren oder Wegsensoren

Dynamische Steifigkeit (Modalprüfung)

• Schlagprüfung mit instrumentiertem Hammer
• Frequenzgangfunktion messen
• Extrahieren Sie modale Parameter (Eigenfrequenzen, Eigenformen, Steifigkeit)
• Repräsentativer für die tatsächlichen Betriebsbedingungen

Betriebsbewertung

• Vergleichen Sie die Vibration am Lager mit der Vibration am Fundament
• Hohe Durchlässigkeit weist auf ein steifes Fundament hin
• Geringe Durchlässigkeit deutet auf Flexibilität oder Isolation des Fundaments hin
• Bode-Diagramme vom Start/Ausrollen werden die Grundmodi angezeigt

Designanforderungen

Allgemeine Richtlinien

• API-Standards: Die Eigenfrequenz des Fundaments sollte > 2× maximale Maschinengeschwindigkeit sein
• Alternative: Fundament-Eigenfrequenz < 0,5× Mindestmaschinengeschwindigkeit (isoliertes Fundament)
• Vermeiden: Fundamentresonanzen zwischen 0,5-2,0× Betriebsdrehzahl
• Ziel: Fundamentsteifigkeit > 10× Lagersteifigkeit für minimalen Einfluss

Gerätespezifische Anforderungen

• Turbinen: Sehr steife Fundamente (Betonmasse 3-5× Rotormasse)
• Kolbenkompressoren: Massive Fundamente zur Aufnahme pulsierender Belastungen
• Hochgeschwindigkeitsmaschinen: Steif, um den kritischen Geschwindigkeitsabstand einzuhalten
• Präzisionsgeräte: Extrem steif, um eine Ausrichtungsabweichung zu verhindern

Probleme durch unzureichende Steifigkeit

Geringere kritische Geschwindigkeiten

• Kritische Drehzahlen fallen in den Betriebsbereich
• Hohe Vibrationen bei eigentlich sicheren Geschwindigkeiten
• Kann das Erreichen der vorgesehenen Betriebsdrehzahl verhindern
• Erfordert Fundamentversteifung oder Geschwindigkeitsbegrenzung

Übermäßige Vibration

• Fundamentbewegung verstärkt die Gesamtvibration
• Resonanz der Gründungsstruktur
• Auf benachbarte Geräte übertragene Vibrationen
• Strukturschäden durch wiederholtes Biegen

Ausrichtungsinstabilität

• Ausrüstung verschiebt sich auf flexiblem Fundament
• Ausrichtung nach anfänglicher Präzisionsarbeit verloren
• Thermische Wachstumseffekte verstärkt
• Änderungen der Prozesslast verursachen Ausrichtungsabweichungen

Verbesserungsmethoden

Betonfundamentverbesserung

• Masse hinzufügen: Erhöhen Sie die Größe/Dicke des Fundaments
• Verstärken: Stahlbewehrung oder Vorspannung hinzufügen
• Risse reparieren: Epoxidharzinjektion oder Betonreparatur
• Auf Grundgestein erweitern: Pfähle oder Senkkästen zu kompetenten Bodenschichten

Grundplattenversteifung

• Fügen Sie dem Strukturrahmen Knotenbleche oder Rippen hinzu
• Erhöhen Sie die Dicke der Grundplatte
• Verbessern Sie die Abdeckung und Qualität des Fugenmörtels
• Verstrebungen zwischen den Sockeln hinzufügen

Bodenverbesserung

• Bodenstabilisierung oder Verpressung
• Tiefgründungen (Pfähle) unter Umgehung von schlechtem Boden
• Verdichtung
• Geotechnische Beratung bei Großfragen

Betriebsunterkünfte

• Geschwindigkeitsänderung: Betrieb ohne Fundamentresonanzen
• Schwingungsisolierung: Fügen Sie Isolatoren hinzu, um die Maschine vom Fundament zu entkoppeln
• Ausgleichen: Engere Unwuchttoleranzen zur Reduzierung der Anregung
• Dämpfung: Fügen Sie der Fundamentstruktur Dämpfungsmaßnahmen hinzu

Best Practices für die Fundamentgestaltung

Neuinstallationen

• Durchführung geotechnischer Untersuchungen der Bodenverhältnisse
• Berechnen Sie die erforderliche Fundamentmasse und -geometrie
• Dynamische Analyse einbeziehen (Eigenfrequenzen, Reaktion auf Unwucht)
• Design für ausreichende Steifigkeit und Masse
• Sorgen Sie für eine Isolierung von angrenzenden Strukturen
• Vorkehrungen für Verfugung und Ausrichtung einschließen

Bewertung bestehender Fundamente

• Messen Sie die Vibration am Fundament und vergleichen Sie sie mit der Lagervibration
• Führen Sie Modaltests durch, um die Eigenfrequenzen des Fundaments zu ermitteln
• Auf Risse, Abnutzung, Setzungen prüfen
• Überprüfen Sie die Integrität des Mörtels unter den Grundplatten
• Vergleichen Sie die tatsächlichen Spezifikationen mit den Designspezifikationen

Die Fundamentsteifigkeit wird oft übersehen, ist aber ein grundlegender Parameter, der die Leistung rotierender Maschinen beeinflusst. Eine ausreichende Fundamentsteifigkeit gewährleistet die richtige Trennung der kritischen Drehzahlen, erhält die Ausrichtungsstabilität und verhindert Resonanzprobleme. Eine unzureichende Steifigkeit kann hingegen zu einer schlechten und unzuverlässigen Leistung ansonsten guter Geräte führen.

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