Forschungsbericht 2009



Mechanische Flatterkontrolle von Brücken

Institut: Baustatik und Stahlbau
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Uwe Starossek
Stellvertretende Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Uwe Starossek
Mitarbeiter/innen: Dipl.-Ing. Jörn Scheller
Projektnummer: E.3-08.108
Laufzeit: 01.01.2005 - 31.10.0009
Finanzierung: DFG


 

Der anhaltende Trend zu immer weiter gespannten Brücken rückt die Problematik der Schwingungsanfälligkeit derartiger Tragwerke verstärkt in den Blickpunkt der Entwurfsingenieure und Forscher. Besonderes Gewicht fällt dabei auf den Nachweis der Flatterstabilität. Das Flattern des Brückenträgers ist ein aeroelastisches Instabilitätsphänomen, das beispielsweise 1940 zu dem spektakulären Einsturz der ersten Tacoma Narrows Brücke führte. Um Flatterschwingungen zu verhindern, ist es gängige Praxis, den Entwurfsschwerpunkt entweder auf eine möglichst hohe Torsionssteifigkeit oder auf eine aerodynamisch optimierte Querschnittsform des Trägers zu legen. Als jeweilige Beispiele seien die neue Tacoma Narrows Brücke in den USA und die Severn-Brücke in England genannt.
Im Bereich enormer Spanweiten führen diese Bauweisen neben hohen Kosten entweder zu extremen Bauhöhen mit entsprechend großen Windangriffsflächen oder zu einem nicht mehr akzeptablen Eigengewicht. Das Schwingungsverhalten kann alternativ durch zusätzliches, gezieltes Einleiten von Kräften günstig beeinflusst werden. Dies geschieht etwa durch das Ausnutzen von Massenträgheiten oder durch bewegliche aerodynamisch wirksame Kontrollflächen. Diese Kräfte generierende Systeme können dabei aktiv, semi-aktiv, passiv oder hybrid sein. Obwohl sich in der Literatur zahlreiche Vorschläge für derartige Vorrichtungen finden lassen, kommen sie kaum zur Anwendung. So ist eine aktive Schwingungskontrolle im Brückenbau bisher noch nicht realisiert worden.

Ziel der Forschung ist die Entwicklung solcher Vorrichtungen sowie der rechnerische und experimentelle Nachweis ihrer Funktionsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit.

Es werden verschiedene mechanische Vorrichtungen für unterschiedliche Arten der Schwingungserregung vergleichend untersucht. In der Literatur beschriebene mechanische Schwingungsdämpfer basieren meist auf dem direkten Beschleunigen von Hilfsmassen zur Generierung von Kontrollkraftgrößen. Als Beispiele solcher Vorrichtungen seien zentrische und exzentrische Rotationsaktuatoren sowie ein aktiv angetriebener, sich im Gleichgewicht befindender Waagebalken genannt. Die letztgenannte Vorrichtung wurde an unserem Institut entwickelt und wurde patentiert.
Andere aktive Systeme, bei denen die Erzeugung von Kontrollmomenten nicht durch das direkte Beschleunigen von Dämpfermassen erfolgt, werden ebenfalls untersucht. Dies sind beispielsweise aktive Gyroskopdämpfer und horizontal verschiebbare Dämpfermassen. Zur Schwingungskontrolle müssen die Kreisel aktiv gekippt, die Dämpfermassen periodisch verschoben werden. Beschleunigungsvorgänge spielen somit ebenfalls eine große Rolle. Es wurde ein neuartiger aktiver mechanischer Schwingungsdämpfer entwickelt, dessen Wirkungsprinzip nicht auf dem Beschleunigen von Massen durch Antriebe basiert. Vielmehr entstehen die Kontrollkraftgrößen durch eine gleichförmige Bewegung exzentrisch zur Antriebsachse angebrachter Massen. Da Beschleunigungsvorgänge nur eine untergeordnete Rolle spielen, hat das System gegenüber anderen aktiven Dämpfern einen sehr niedrigen Energiebedarf. Die entwickelte aktive Vorrichtung, bezeichnet als Dämpfer mit Doppelunwuchtrotoren, wurde als Patent eingereicht.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsprojekt können Sie hier bekommen.

 

Publikationen
  • 3-08.033.V

    Körlin, R.; Starossek, U. (2007).¿Wind tunnel test of an active mass damper for bridgedecks.¿ Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 95, No. 4, pp. 267-277, April 2007.

  • 3-08.034.V

    Starossek, U.; Aslan, H. (2008).¿Passive control of bridge deck flutter using tuned mass dampers and control surfaces.¿ Proceedings, 7th European Conference on Structural Dynamics ¿ Euro­dyn 2008, Southampton, U.K., July 7-9, 2008.

  • 3-08.035.V

    Starossek, U.; Scheller, J. (2008). "A novel active mass damper for vibration control of bridges." Proceed­ings, 4th International Conference on Bridge Maintenance, Safety, and Management (IABMAS¿08), Seoul, Korea, July 13-17, 2008.