DE102004045433B3 - Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk sowie Bauwerk mit einer oder mehrerer dieser Vorrichtungen - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dämpfervorrichtung zur Dämpfung einer Schwingungsbewegung bereitzustellen, die, besser als bekannte Vorrichtungen, bei hoher Betriebssicherheit mit einfachen Mitteln und möglichst geringem Energieeinsatz auftretende Schwingungszustände infolge selbst- und/oder fremdinduzierter Anregung dämpfen und unterdrücken und die Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Gebrauchsfähigkeit somit verbessern kann. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk, die folgendes aufweist: DOLLAR A - mindestens ein Paar von Massekörpern, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Dreh- oder Schwingungsachse angeordnet sind, um die die Dämpfung der Schwingungsbewegung erfolgt, DOLLAR A - wobei die Massekörper an den Enden eines Balkens befestigt sind, der um die Dreh- oder Schwingungsachse drehbar gelagert ist, wobei DOLLAR A - die Dreh- oder Schwingungsbewegung des Balkens aktiv mittels Aktuator und/oder passiv mittels Feder- und/oder Dämpferelementen vorgegeben oder beeinflußt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk, insbesondere bei einer Brücke. Ebenso betrifft die Erfindung ein Bauwerk mit einer oder mehrerer dieser Vorrichtungen.
• Es besteht das Bedürfnis nach immer größeren Spannweiten im Brückenbau. So besitzt beispielsweise die Ende der 90er Jahre in Japan errichtete Akashi Kaikyo Brücke eine Spannweite von fast 2000 m. Die für die Überquerung der Meerenge von Messina in Italien geplante Brücke soll eine Spannweite von über 3 km besitzen. Mit diesen extremen Brückenlängen rückt zunehmends die Problematik der Schwingungsanfälligkeit dieser Bauwerke in den Vordergrund. Bei der Auslegung weit gespannter Brücken träger ist ein besonders wichtiger Effekt die sogenannte Flatterstabilität der Brücke. Hierbei handelt es sich um ein aeroelastisches Phänomen, bei dem selbstinduzierte, gekoppelte Biege- und Torsionsschwingungen oder entkoppelte Torsionsschwingungen des Brückenträgers auftreten. Bei selbstinduzierten Schwingungen handelt es sich im Gegensatz zu sogenannten fremdinduzierten Schwingungen, die beispielsweise durch Windböen oder durch periodische Wirbelablösungen hervorgerufen werden, um Erregerkräfte, die durch eine Verschiebung der Brücke hervorgerufen werden. Die an dem Bauwerk angreifenden Luftkräfte beeinflussen die dynamischen Eigenschaften des aeroelastischen Gesamtsystems, also insbesondere Steifigkeit und Dämpfungsparameter. Diese Änderungen treten auch bei zeitlich konstanter Windgeschwindigkeit auf. Erreicht die Windgeschwindigkeit einen bestimmten kritischen Wert, wird die Dämpfung des Brückenträgers aufgehoben. Bei einem weiteren Anwachsen der Windgeschwindigkeit kann ein System mit negativer Gesamtdämpfung auftreten, bei der eine kleine Initialverschiebung zu einer anwachsenden Schwingung mit nahezu unbegrenzter Amplitude und so zum Versagen des Brückentragwerks führt. Die kritische Windgeschwindigkeit (Ucr) ist der strukturelle Kennwert für die Flatterstabilität von Brücken. Es ist bekannt, daß Ucr mit abnehmender Steifigkeit und Dämpfung der Brücke abnimmt. Gerade Brücken mit einer großen Spannweite besitzen jedoch eine geringe Steifigkeit, so daß für diese das Problem des Flatterns auftritt.
• Zur Stabilisierung flattergefährdeter Brückenträger können verschiedene schwingungsdämpfende Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden. Grundsätzlich lassen sich hierbei aktive und passive Verfahren unterscheiden. Die passive Schwingungsdämpfung bezieht sich im wesentlichen auf strukturelle Maßnahmen, wie beispielsweise die Erhö hung der Torsionssteifigkeit des Trägers oder das Hinzufügen von zusätzlichen Schrägseilen. Auch ist es bekannt, als passive Schwingungsdämpfung im engeren Sinne passiv schwingende Zusatzmassen, sogenannte Tilger, vorzusehen.
• Die aktiven Schwingungsdämpfer lassen sich in aktive mechanische sowie aktive aerodynamische Schwingungsdämpfer unterscheiden. Die Letztgenannten beruhen auf dem Ansatz, das sich um den Brückenträger ausbildende Strömungsfeld geeignet zu modifizieren, um so eine stabilisierende Wirkung zu erzielen. Beispielsweise können an dem Brückenträger seitlich Klappen vorgesehen sein, die so in den Wind gestellt werden, daß durch die vorbeiströmende Luft eine stabilisierende Kraft ausgeübt wird. Bei der aktiven mechanischen Flatterkontrolle erfolgt eine Kontrolle beispielsweise der Torsionsschwingung des Brückenträgers durch ein zusätzlich aufgebrachtes Torsionsmoment. Zu einer Ausgestaltung wird durch horizontal verschiebbare Dämpfermassen im Brückenträger das zusätzliche Torsionsmoment erzeugt. Es gibt auch Überlegungen, durch eine im Zentrum des Brückenquerschnitts rotierende Massen ein stabilisierendes Drehmoment für die Brückenträger zu erzeugen. Die genannten Vorrichtungen haben u.a. den Nachteil eines verhältnismäßig großen Energiebedarfs und dadurch verminderter Betriebssicherheit.
• Neben dem vorbeschriebenen kritischen Phänomen des Flatterns bei Brücken treten ähnliche Schwingungsphänomene auch bei Gebäuden auf, wo diese dann als Galloping bezeichnet werden. Neben diesen die Standfestigkeit gefährdenden Schwingungsphänomenen, treten bei Bau- und Tragwerken auch durch Wind, Verkehr, Erdbeben und weitere äußere Einflüsse fremdinduzierte Schwingungen auf, die sowohl die Gebrauchs fähigkeit als auch die Standsicherheit beeinträchtigen können, und die ebenfalls zu dämpfen und zu unterdrücken sind.
• Aus DE 39 29 984 B4 ist ein Schwingungsdämpfungssystem zum Dämpfen der Schwingung eines Bauwerks bekannt. Das bekannte System besitzt eine Pendelmasse, die eine erzwungene Schwingung ausführt. Das Pendel bewegt sich hierzu im Schwerefeld und wird durch den Antrieb zu einer Schwingung angetrieben, die um π/2 phasenversetzt zu einer Bewegung des Bauwerks ist. Der Antrieb der Pendelmasse erfolgt über eine Zahnstange und ein Ritzel, wodurch Reibungsverluste entstehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dämpfervorrichtung zur Dämpfung einer Schwingungsbewegung eines Bauwerks bereit zu stellen, die, besser als bekannte Vorrichtungen, bei hoher Betriebssicherheit mit einfachen Mitteln und möglichst geringem Energieeinsatz auftretende Schwingungszustände infolge selbst- und/oder fremdinduzierter Anregung dämpfen und unterdrücken, und die Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Gebrauchsfähigkeit somit verbessern kann. Ebenfalls liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauwerk zu schaffen, bei dem besser als bei bekannten Bauwerken mit einfachen Mitteln und möglichst geringem Energieeinsatz auftretende Schwingungen infolge selbst- und/oder fremdinduzierter Anregung gedämpft und unterdrückt werden.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und durch ein Bauwerk mit den Merkmalen aus Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche 2 bis 8 sowie 10.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bau- und/oder Tragwerk besitzt mindestens ein Paar von Massekörpern, die auf gegenüberliegenden Seiten einer im Raum beliebig orientierten Dreh- oder Schwingungsachse angeordnet sind. Die Dreh- oder Schwingungsachse verläuft hier derart durch das Bau- und/oder Tragwerk, daß die zu dämpfende Schwingungsbewegung zumindest mit einem wesentlichen Teil um diese Achse erfolgt. Die Massekörper sind an den Enden eines Balkens befestigt, der um die Dreh- oder Schwingungsachse drehbar gelagert ist. Um den Balken um ein Lager zu bewegen, hierbei handelt es sich bevorzugt um eine Schwenk- oder Rotationsbewegung, ist ein Aktuator vorgesehen, der an dem Balken angreift. Bei einer Schwingungsbewegung des Bau- und/oder Tragwerks wird der Balken mit den Massekörpern durch den Aktuator in eine schwingende Schwenkbewegung oder in eine Rotationsbewegung versetzt. Bei einer geeigneten Abstimmung der Trägheitsmomente und der Bewegung tritt durch den Balken mit den Massekörpern eine schwingungsdämpfende Wirkung ein.
• Für eine wirkungsvolle Ansteuerung des Aktuators ist mindestens ein mit der Steuerung verbundener Sensor erster Art vorgesehen, der Lage und/oder Bewegung des Bauwerks in den Translations- und Rotationsfreiheitsgraden erfaßt, insbesondere kann ein Sensor zur Erfassung der entsprechenden Beschleunigungen vorgesehen sein. Anhand der anliegenden Sensordaten kann die Steuerung dann sowohl Amplitude, als auch Frequenz und Phasenlage einer Bewegung des Balkens bestimmen oder diese direkt im Zeitbereich vorgeben.
• Für eine Regelung der Balkenbewegung können zusätzlich auch ein oder mehrere Sensoren zweiter Art vorgesehen sein, die die Lage und/oder Bewegung des Balkens erfassen und an die Steuerung weiterleiten. Auch hier können als Bewegungssensoren Beschleunigungssensoren vorgesehen sein.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zusätzlich ein Federelement und/oder ein Dämpferelement mit dem Balken gekoppelt, um die Bewegungen des Balkens und dessen Eigenfrequenzen auf die des Tragwerks bzw. des Bauwerks abzustimmen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Aktuator von dem zusätzlich mit Feder- und/oder Dämpferelement versehenen Balken entkoppelt werden, um beispielsweise bei einem Ausfall des Antriebs immer noch eine passive Dämpfungswirkung zu erzielen, oder um, in Zeiten kleiner schwingungsanregender Kräfte, Energie zu sparen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dann auch als Drehtilger angesehen werden und dementsprechend ausgelegt werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Balken mit den Massekörpern in einem Container angeordnet, der Befestigungsmittel zur Verbindung mit einem Bau- oder Tragwerk versieht. Eine solche „mobile" Dämpfereinrichtung erlaubt es insbesondere, auch während des Baus an dem Tragwerk bereits eine Schwingungsdämpfung zu erzielen. Entsprechend den Fortschritten beim Bau und der sich damit verändernden Statik kann die Position der Dämpfungsvorrichtung angepaßt werden.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich ebenfalls herausgestellt, Bau- oder Tragwerke mit mehreren der beschriebenen Vorrichtungen zur Schwingungsdämpfung zu versehen. Bevorzugt kann die Ansteuerung der Aktuatoren der Vorrichtungen koordiniert erfolgen, wobei hier das räumliche Schwingungsverhalten des Bau- oder Tragwerks berücksichtigt werden kann.
• Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
• 1 einen schematischen Schnitt durch eine Längsachse eines Brückenträgers,
• 2 eine weitere Ausgestaltung der Dämpfungsvorrichtung im Brückenquerschnitt und
• 3 die Dämpfungsvorrichtung in einem Container.
• 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Brückenträgerhohlkasten 10, in dem mittig ein Lagersockel 12 angeordnet ist. Auf dem Lagersockel 12 ist ein Balken 14 über ein Lager 16 drehbar gelagert. An den Enden des Balkens 14 sind zwei Körper 18 mit einer Masse m befestigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Masse m der Körper 18 gleich groß. Dies ist jedoch keineswegs notwendig der Fall. Bei Bauwerken, bei denen nicht nur Rotationsschwingungen, sondern auch Translationsschwingungen auftreten, wie beispielsweise bei Gebäuden unter Erdbebeneinwirkung, ist es auch denkbar, Massekörper mit unterschiedlichem Gewicht einzusetzen. Ebenso ist es denkbar, die beiden Massekörper unterschiedlich weit vom Lagersockel anzuordnen, den Balken also asymmetrisch zum Lagersockel zu lagern. Um das Lager 16 werden die Massekörper 18 in Richtung 20 verschwenkt oder gedreht. Der Schwenk- oder Drehwinkel kann durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) beschränkt werden oder unbeschränkt groß sein, wobei im letzteren Fall auch eine Rotationsbewegung in Betracht kommt.
• 1 zeigt ferner einen Aktuator 22, der beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch arbeiten kann, um den Balken 14 zu bewegen. Im Falle einer Rotationsbewegung liegt der Aktuator in der Drehachse des Balkens.
• Angesteuert wird der Aktuator 22 von einer schematisch dargestellten Steuereinrichtung 24. Die Steuereinrichtung 24 ist mit zwei Sensoren 26 verbunden, die die Beschleunigung des Tragwerks messen. Die Beschleunigungswerte werden an die Steuerung 24 weitergeleitet und dienen dazu, die Schwingungszustände zu bestimmen und den Aktuator 22 mit einer entsprechenden Gegenphase anzusteuern.
• 2 zeigt eine Weiterbildung der Dämpfungsvorrichtung aus 1, wobei hier gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wurden.
• Zusätzlich zu dem Aktuator 22 ist der Waagebalken 14 noch mit einem Federelement 28 und einem Dämpferelement 29 gekoppelt. In 2 sind Feder- und Dämpferelement nur schematisch eingezeichnet. Selbstverständlich ist es möglich, auch zwei oder mehr Federn entlang dem Waagebalken zu verteilen, wobei sich dann die einzelnen Federnkonstanten in ihrer Dämpfungswirkung zu der in 2 dargestellten Federkonstanten addieren oder eine Drehfeder in der Drehachse anzuordnen. Ebenso können auch zwei oder mehr Dämpferelemente entlang dem Waagebalken verteilt werden.
• 3 zeigt im wesentlichen die Dämpfungsvorrichtung aus 2 in einem Container 30, der an dem Brückenträger 10 befestigt ist. Bei dem Container 30 kann es sich beispielsweise um einen 40'-Standardcontainer handeln, der lösbar mit dem Brückenträger 10 verbunden ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk, die folgendes aufweist: – mindestens ein Paar von Massekörpern (18), die auf gegenüberliegenden Seiten einer im Raum beliebig orientierten Drehachse angeordnet sind, um die die Dämpfung der Schwingungsbewegung erfolgt, – wobei die Massekörper (18) an den Enden eines Balkens (14) befestigt sind, der um die Drehachse drehbar gelagert ist, wobei – mindestens ein Aktuator (22) vorgesehen ist, der den Balken (14) um ein Lager (16) bewegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (22) über eine Steuerung (24) derart angesteuert ist, daß eine auftretende Schwingungsbewegung gedämpft oder getilgt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (26) erster Art vorgesehen ist, der Lage und/oder Bewegung des Bauwerks erfaßt und an die Steuerung (24) weiterleitet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor zweiter Art vorgesehen ist, der Lage und/oder Bewegung des Balkens (14) erfaßt und an die Steuerung (24) weiterleitet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens ein Federelement (28) und/oder ein Dämpferelement (29) mit dem Bauwerk und dem Balken (14) gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Massekörper auf ein Winkelintervall begrenzt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (22) von dem Balken (14) abkoppelbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken (14) mit den Massekörpern (18) in einem Gehäuse (30) angeordnet ist, das mit Befestigungsmitteln zur lösbaren Verbindung mit dem Bauwerk versehen ist.
9. Bauwerk, das mit einer oder mehreren Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1–8 versehen ist.
10. Bauwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Vorrichtungen einen Aktuator (22) aufweisen, deren Ansteuerung koordiniert erfolgt.