DE102004053898A1

DE102004053898A1 - Device for damping oscillatory motion in a building

Info

Publication number: DE102004053898A1
Application number: DE102004053898A
Authority: DE
Inventors: Uwe Prof. Dr.-Ing. Starossek
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-11
Also published as: WO2006050802A1; KR20070085873A; EP1815068B1; EP1815068A1; KR101353281B1; DK1815068T3

Abstract

Vorrichtung zur Dämpfung oder Unterdrückung von Schwingungen an einem Bauwerk, die folgendes aufweist: DOLLAR A - mindestens eine aerodynamische Kontrollfläche, die drehbar und/oder verschieblich gelagert ist, DOLLAR A - mindestens einen mechanischen Tilger mit einem Federelement, der relativ zum Bauwerk zu Drehschwingungen oder zu Schwingungen in eine vorgegebene Richtung fähig ist, DOLLAR A - und mindestens eine zwangläufige kinematische Kopplung zwischen mechanischem Tilger und aerodynamischer Kontrollfläche, wobei sowohl Torsionsschwingungen als auch Schwingungen in vorgegebene Richtungen gedämpft oder unterdrückt werden.A device for damping or suppressing vibrations on a structure, comprising: DOLLAR A - at least one aerodynamic control surface, which is rotatably and / or displaceably mounted DOLLAR A - at least one mechanical absorber with a spring element relative to the building to torsional vibrations or capable of oscillating in a given direction, DOLLAR A - and at least one positive kinematic coupling between the mechanical absorber and the aerodynamic control surface, whereby both torsional vibrations and vibrations in predetermined directions are damped or suppressed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk, insbesondere bei einer Brücke.The The invention relates to a device for damping oscillatory movements in a building, especially a bridge.

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 Tragwerke in den Vordergrund. Bei der Auslegung weit gespannter Brückenträger ist ein besonders wichtiger Effekt die sogenannte Flatterstabilität der Brücke. Hierbei handelt es sich um ein aeroelastisches Phänomen des windinduzierten Brückenflatters, 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 Tragwerk 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 Strukturdämpfung 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.It there is a need for ever larger spans in bridge construction. For example, the late 1990s built in Japan Akashi Kaikyo bridge a span of almost 2000 m. Those for crossing the strait of Messina in Italy planned bridge should have a span of over 3 km own. With these extreme bridge lengths, the problem of susceptibility to vibration of these structures in the foreground. In the interpretation of wide strained bridge girder is a particularly important effect the so-called flutter stability of the bridge. in this connection it is an aeroelastic phenomenon of wind-induced bridge flutter, at the self-induced; coupled bending and torsional vibrations or Decoupled torsional vibrations of the bridge carrier occur. For self-induced Vibrations are in contrast to so-called externally induced Vibrations caused, for example, by gusts of wind or by periodic vortex shedding be to excite, which are caused by a shift of the bridge. The Air forces acting on the structure influence the dynamic forces Properties of the aeroelastic overall system, ie in particular Stiffness and damping parameters. These changes occur even with temporally constant wind speed. Reached the wind speed will be a certain critical value, the structural damping lifted up the bridge girder. With a further increase of the wind speed, a system can with negative overall attenuation occur when a small initial shift to a growing Oscillation with almost unlimited amplitude and so to failure of the bridge structure leads. The critical wind speed (Ucr) is the structural characteristic for the flutter stability of bridges. It is known that Ucr decreases in stiffness and cushioning bridge decreases. Straight bridges with a big one However, span have a low rigidity, so for this the problem of fluttering occurs.

Zur Stabilisierung flattergefährdeter Brückenträger können verschiedene Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden. Grundsätzlich lassen sich hierbei konstruktive, aktive und passive Verfahren unterscheiden. Die konstruktive Stabilisierung bezieht sich auf strukturelle Maßnahmen, wie beispielsweise die Erhöhung der Torsionssteifigkeit des Trägers oder das Hinzufügen von zusätzlichen Schrägseilen. Als passive Schwingungsdämpfer kommen passiv schwingende Zusatzmassen in Betracht, die als Tilger bezeichnet werden.to Stabilization of flutter endangered Bridge girders can be different Methods and devices are used. Basically you can differentiate between constructive, active and passive processes. Constructive stabilization refers to structural measures, such as the increase the torsional rigidity of the carrier or adding of additional stay cables. Come as a passive vibration damper passively oscillating additional masses considered as absorber become.

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, vergleiche beispielsweise EP 0 627 031 B1 . 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 vorgenannten Vorrichtungen haben u.a. den Nachteil eines verhältnismäßig großen Energiebedarfs und dadurch verminderter Betriebssicherheit.The active vibration dampers can be divided into active mechanical and active aerodynamic vibration dampers. The latter are based on the approach of suitably modifying the flow field forming the bridge carrier so as to achieve a stabilizing effect. For example, can be provided on the bridge girder side flaps, which are placed in the wind that a stabilizing force is exerted by the passing air, for example, compare EP 0 627 031 B1 , In the case of the active mechanical flutter control, for example, the torsional vibration of the bridge girder is checked by an additionally applied torsional moment. For an embodiment, the additional torsional moment is generated by horizontally displaceable damper masses in the bridge girder. There are also considerations to create a stabilizing torque for the bridge girders by means of a mass rotating in the center of the bridge cross-section. The aforementioned devices have, inter alia, the disadvantage of a relatively large energy requirement and thereby reduced reliability.

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 Gebrauchsfähigkeit als auch die Standsicherheit beeinträchtigen können, und die ebenfalls zu dämpfen und zu unterdrücken sind.Next The above-described critical phenomenon of fluttering in bridges also causes similar vibration phenomena in buildings where they are then called galloping. Beside these the stability endangering vibration phenomena, occur in construction and structures also by wind, traffic, earthquakes and other external influences induced by others Vibrations, both the usability and stability impair can, and which also dampen and to suppress.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Dämpfen von Schwingungen an Bau- und Tragwerken bereit zu stellen, die bei hoher Betriebssicherheit mit einfachen Mitteln und möglichst geringem Kraft-Energieeinsatz fremdinduzierte Schwingungen unterdrückt und die kritische Windgeschwindigkeit für selbstinduzierte Schwingungen (z.B. Flattern) wirksam erhöht. Sowohl Torsionsschwingungen als auch Schwingungen in bestimmte Richtungen sollen dabei unterdrückt werden.Of the Invention is based on the object, a device for damping of Vibrations to provide structures and structures that at high Operational safety with simple means and the lowest possible use of energy and energy externally induced vibrations are suppressed and the critical wind speed for self-induced Vibrations (e.g., flutter) are effectively increased. Both torsional vibrations as well as vibrations in certain directions should be suppressed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung bilden die Gegenstände der Unteransprüche 2 bis 26.According to the invention Problem solved by a device having the features of claim 1. advantageous Design form the objects the dependent claims 2 to 26.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken. Sie besitzt mindestens eine aerodynamische Kontrollfläche, die drehbar und/oder verschieblich an dem Bauwerk gelagert ist. Ferner ist mindestens ein mechanischer Tilger vorgesehen, der mit der Kontrollfläche kinematisch gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, auch als aeroelastischer Tilger bezeichnet, dient zum Dämpfen von Schwingungen an Bauwerken. Sie besitzt mindestens eine im Windstrom liegende, drehbar und/oder verschieblich gelagerte aerodynamische Kontrollfläche, die als Kontrollschild, bewegliche Kante oder Flügelelement ausgebildet sein kann, wobei die Kontrollfläche mit dem mechanischen Tilger zwangläufig kinematisch gekoppelt ist. Die zwangläufig kinematische Kopplung wird bevorzugt durch bewegliche mechanische Elemente, wie beispielsweise Übersetzungshebel oder Übersetzungsgetriebe, bewirkt. Der mechanische Tilger besitzt ein Federelement, das eine rückstellende Kraft in eine vorbestimmte Position auf den mechanischen Tilger ausübt. Der mechanische Tilger ist ein schwingungsfähiges Sekundärsystem, das das Schwingungsverhalten des Bauwerks (Hauptsystem) günstig beeinflusst. Bevorzugt ist der mechanische Tilger mit mindestens einem Massekörper versehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt somit keinen Antrieb, der eine externe Energiezufuhr notwendig macht.The inventive device serves for steaming of vibrations on structures. She has at least one aerodynamic Control area which is rotatably and / or displaceably mounted on the building. Furthermore, at least one mechanical absorber is provided with the the control surface kinematically coupled. The device according to the invention, also as aeroelastic Tilger designates, serves to steam of vibrations on structures. She has at least one in the wind lying, rotatable and / or slidably mounted aerodynamic Control area be designed as a control sign, movable edge or wing element can, being the control surface necessarily kinematically coupled with the mechanical absorber is. The inevitable Kinematic coupling is preferred by moving mechanical Elements, such as translation levers or transmission gear, causes. The mechanical absorber has a spring element, the one Resettable Force in a predetermined position on the mechanical absorber exercises. The mechanical absorber is a vibratory secondary system, which favorably influences the vibration behavior of the structure (main system). Preferably, the mechanical absorber is provided with at least one mass body. The device according to the invention thus has no drive that makes an external power supply necessary.

In einer bevorzugten Weiterführung weist der mechanische Tilger zusätzlich zu dem Flügelelement noch ein Dämpferelement auf. Der mechanische Tilger ist mit seiner vergleichsweise kleinen Masse über das Federelement und gegebenenfalls über das Dämpferelement mit dem Bauwerk, insbesondere mit dessen Tragwerk, verbunden. Sein Bewegungsfreiheitsgrad ist die Drehung um einen, bezogen auf das Bauwerk, ortsfesten Pol oder die Verschiebung relativ zum Bauwerk in eine vorgegebene Richtung. Die Tilgerwirkung entsteht durch die Trägheitskräfte der Masse und die Dämpfungskräfte in dem eventuell hinzugefügten Dämpferelement. Mechanische Tilger an sich sind seit langem bekannt.In a preferred continuation has the mechanical absorber in addition to the wing element yet a damper element on. The mechanical absorber is comparatively small with its Mass about that Spring element and optionally over the damper element connected to the building, in particular with its structure. Be Freedom of movement is the rotation about one, in relation to the building, fixed pole or the displacement relative to the building in one predetermined direction. The absorber effect arises from the inertial forces of the mass and the damping forces in the possibly added Damper element. Mechanical absorbers themselves have long been known.

Bei dem aeroelastischen Tilger wirken, zusätzlich zu den bei dem mechanischen Tilger wirkenden Trägheits- und Dämpfungskräften, Strömungskräfte an der aerodynamischen Kontrollfläche und an dem Bauwerk. Infolge der zwangläufigen kinematischen Kopplung übertragen sich die Schwingungen des Tilgers auf die Kontrollfläche, womit sich Anstellwinkel und/oder Lage der Kontrollfläche in ebenfalls schwingender Weise zeitlich verändern. Die auf die Kontrollfläche und das Bauwerk wirkenden Strömungskräfte sind deshalb, mit der Schwingung des Tilgers, zeitlich veränderlich, und üben bei richtiger Abstimmung und ausreichender Windgeschwindigkeit eine zusätzliche Tilgerwirkung auf das Bauwerk aus. Die Tilgerwirkung des aeroelastischen Tilgers übersteigt die Trägheits- und Dämpfungskräfte des mechanischen Tilgers erheblich. Schwingungsanfachenden Kräften wird durch den aeroelastischen Tilger effektiv entgegengewirkt, fremdinduzierte Schwingungen werden unterdrückt und die kritische Windgeschwindigkeit für selbstinduzierte Schwingungen (beispielsweise Flattern) wird erhöht.at act on the aeroelastic absorber, in addition to those in the mechanical Slurry-acting inertia and damping forces, flow forces at the aerodynamic control surface and on the building. As a result of the forced kinematic coupling transferred the vibrations of the absorber on the control surface, with what angle of attack and / or position of the control surface in also swinging Change the time. The on the control surface and the building acting flow forces are therefore, with the vibration of the damper, temporally changeable, and practice correct tuning and adequate wind speed one additional Tilgerwirkung on the building. The absorber effect of the aeroelastic Tilgers exceeds the inertia and damping forces of the mechanical Tilgers considerably. Vibration-inducing forces are due to the aeroelastic Effectively counteracted absorbers, become externally induced vibrations repressed and the critical wind speed for self-induced vibrations (for example, flutter) is increased.

Gleichzeitig mit der Steuerung der Strömungskräfte durch die Bewegung des Tilgers können die auf die aerodynamische Kontrollfläche wirkenden Strömungskräfte über die bestehende zwangläufige Verbindung auch auf die Schwingung des mechanischen Tilgers zurückwirken. Dieser Einfluss ist für die Wirksamkeit der Vorrichtung allerdings nicht erforderlich und kann, sofern störend, durch geeignete Lagerung der Kontrollfläche oder auf andere Weise minimiert werden.simultaneously with the control of the flow forces through the movement of the absorber can the acting on the aerodynamic control surface flow forces over the existing compulsory connection also react on the vibration of the mechanical absorber. This influence is for However, the effectiveness of the device is not required and can, if disturbing, by appropriate storage of the control surface or otherwise minimized become.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Kopplung zwischen mechanischem Tilger und Kontrollfläche derart hergestellt werden, dass Amplituden-, Phasen- und/oder Frequenzverhältnisse zwischen einer Schwingungsbewegung des mechanischen Tilgers und der Schwingungsbewegung der aerodynamischen Kontrollfläche eingestellt werden können. Die Abstimmung kann damit an wechselnde Betriebsbedingungen, etwa eine veränderliche Windgeschwindigkeit, angepasst werden.In In a preferred embodiment, the coupling between mechanical Absorber and control surface be made such that amplitude, phase and / or frequency ratios between a vibration movement of the mechanical absorber and adjusted to the oscillatory motion of the aerodynamic control surface can be. The vote can thus adapt to changing operating conditions, such a changeable one Wind speed, to be adjusted.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die Amplituden-, Phasen- und/oder Frequenzverhältnisse entsprechend ansteuert.In In a preferred embodiment, a controller may be provided, the amplitude, phase and / or frequency ratios controls accordingly.

Die aerodynamische Kontrollfläche kann als bewegliche Kante oder Flügelelement ausgebildet werden, das direkt an das Bauwerk anschließt und um einen, bezogen auf das Bauwerk, ortsfesten Punkt drehbar gelagert ist. Alternativ kann die aerodynamische Kontrollfläche als ein vom Bauwerk abgesetzter Schild ausgebildet werden, der über Pylone drehbar und/oder verschieblich mit dem Bauwerk verbunden ist. Durch geeignete Gestänge kann die Bewegung des Schilds auch so geführt werden, dass eine Drehung um einen, bezogen auf das Bauwerk, nicht ortsfesten Punkt eintritt.The aerodynamic control surface can be designed as a movable edge or wing element, which connects directly to the building and to one, based on the building, stationary point is rotatably mounted. Alternatively, you can the aerodynamic control surface be formed as a detached from the building sign, the pylons over rotatably and / or slidably connected to the building. By suitable linkage The movement of the shield can also be performed such that a rotation around a point that is not fixed with respect to the building.

In einer möglichen Ausgestaltung des aeroelastischen Tilgers ist die aerodynamische Kontrollfläche als ein Flügelelement ausgebildet, das mit einem Abschnitt frei aus dem Bauwerk vorsteht.In a possible Design of the aeroelastic absorber is the aerodynamic control Panel as a wing element formed projecting with a section freely from the building.

In einer möglichen Ausgestaltung bildet das Flügelelement mit seiner zu beiden Seiten des Lagerpunkts angeordneten Masse im Zusammenspiel mit einer Feder zwischen Flügelelement und Bauwerk den mechanischen Tilger. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Flügelelement mit einem Arm ausgebildet, der in das Bauwerk hineinragt und dort mittels einer Feder mit dem Bauwerk verbunden ist. Hier bilden Flügelelement, Arm und Feder gemeinsam den mechanischen Tilger.In one possible embodiment, the wing element with its mass arranged on both sides of the bearing point forms the mechanical absorber in interaction with a spring between the wing element and the structure. In an alternative embodiment, the wing element is formed with an arm which projects into the building and there with Tels a spring is connected to the building. Wing element, arm and spring together form the mechanical absorber.

In einer bevorzugten Weiterführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Arm des Flügelelements an seinem Ende einen Massenkörper auf.In a preferred continuation the device according to the invention indicates the arm of the wing element at its end a mass body.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind mindestens zwei aeroelastische Tilger paarweise an gegenüberliegenden Seiten einer Achse angeordnet, wobei sowohl Torsionsschwingungen um die Achse als auch Schwingungen in bestimmte Richtungen gedämpft oder getilgt werden sollen.In a preferred embodiment are at least two aeroelastic Tilger in pairs on opposite Sides of an axis arranged, with both torsional vibrations damped around the axis as well as vibrations in certain directions or to be paid off.

Je nach vorgesehener Federkonstante und gegebenenfalls auch Dämpfungskonstante, können auch jeweils mehrere Feder- oder Dämpferelemente vorgesehen sein, deren Befestigungspunkte in dem Bau- oder Tragwerk bevorzugt räumlich verteilt sind.ever according to the provided spring constant and optionally also the damping constant, can also each provided a plurality of spring or damper elements be preferred whose attachment points in the building or structure spatial are distributed.

Zwei bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.Two preferred embodiments of the device according to the invention are based on of exemplary embodiments explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Hängebrücke und 1 a perspective view of a section of a suspension bridge and

2 eine schematische Ansicht des Brückenträgers im Querschnitt mit zwei erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtungen einer ersten Ausgestaltung, jeweils eine auf jeder Seite des Brückenträgers, und 2 a schematic view of the bridge carrier in cross section with two damping devices according to the invention a first embodiment, one on each side of the bridge girder, and

3 eine schematische Ansicht eines Bauwerks mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung in einer zweiten Ausgestaltung, bei der die Kontrollfläche von dem Bauwerk abgesetzt ist. 3 a schematic view of a structure with a damping device according to the invention in a second embodiment, in which the control surface is offset from the building.

1 zeigt einen Brückenträger 10 im Ausschnitt, wie er bei Hängebrücken verwendet wird. Der Versteifungsträger 12 wird durch Hänger 14 an zwischen den Masten der Brücke gespannten Seilen 16 gehalten. An dem Versteifungsträger 12 sind beidseitig drehbar gelagerte Flügelelemente angeschlossen. 1 shows a bridge girder 10 in the neckline, as used in suspension bridges. The stiffening carrier 12 is by hangers 14 on ropes stretched between the masts of the bridge 16 held. At the stiffening carrier 12 Both sides rotatably mounted wing elements are connected.

2 zeigt den Körper des Brückenträgers 12 im Querschnitt. Die Längsachse des Brückenträgers ist mit 18 gekennzeichnet. Seitlich an dem Brückenträger stehen zwei Flügelelemente 20, 22 vor, die jeweils in einem Lagerpunkt 24, 26 schwenkbar gelagert sind und die aerodynamische Kontrollflächen bilden. Auf ihrer Innenseite, in dem Brückenträger 12, besitzen die Flügelelemente 20, 22 Arme 28, 30, an deren Enden jeweils ein Massenkörper 32, 34 vorgesehen ist. 2 shows the body of the bridge girder 12 in cross section. The longitudinal axis of the bridge girder is with 18 characterized. On the side of the bridge girder are two wing elements 20 . 22 before, each in a storage point 24 . 26 are pivotally mounted and form the aerodynamic control surfaces. On the inside, in the bridge girder 12 , own the wing elements 20 . 22 poor 28 . 30 , at the ends of each a mass body 32 . 34 is provided.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel von 2 ist jeder Arm 28 oder 30 über ein Federelement 36 bzw. 40 und ein Dämpferelement 38 bzw. 42 mit dem Brückenträger 12 verbunden. Flügelelemente 20, 22 sowie Massenkörper 32, 34 und Federn 36, 40 sind jeweils so angeordnet, dass ohne äußeren Krafteinfluss die Flügelelemente 20, 22 in einer vorbestimmten Position verbleiben. Eine Auslenkung der Flügelelemente aus ihrer Ruhelage führt zu einer Schwingung, die die Bewegung des Brückenträgers 12 dämpft.In the illustrated embodiment of 2 is every arm 28 or 30 via a spring element 36 respectively. 40 and a damper element 38 respectively. 42 with the bridge girder 12 connected. wing elements 20 . 22 as well as mass bodies 32 . 34 and feathers 36 . 40 are each arranged so that without external force influence the wing elements 20 . 22 remain in a predetermined position. A deflection of the wing elements from their rest position leads to a vibration that the movement of the bridge girder 12 attenuates.

In dem Ausführungsbeispiel von 2 besteht der mechanische Tilger aus mehreren jeweils beteiligten Massen (Massenkörper 32 bzw. 34, Arm 28 bzw. 30, Flügelelement 20 bzw. 22), aus einer Feder 36 bzw. 40 und einem Dämpferelement 38 bzw. 42. Sein Bewegungsfreiheitsgrad ist die Drehung um den Lagerpunkt 24 bzw. 26. Er wird durch Vertikal- und Torsionsschwingungen des Brückenträgers zu Schwingungen angeregt. Die Schwingungsanregung des Tilgers und damit seine Wirksamkeit erfordern im Allgemeinen eine Unausgewogenheit der Massenverteilung und damit eine Vorspannung der Feder 36 bzw. 40 in der statischen Ruhelage. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sollte die Masse der Flügelelemente im Interesse großer Wirksamkeit des mechanischen Tilgers möglichst klein sein. Die zwangläufige kinematische Kopplung zwischen mechanischem Tilger und aerodynamischer Kontrollfläche besteht in diesem Ausführungsbeispiel einfach aus dem beide Elemente verbindenden Arm 28 bzw. 30.In the embodiment of 2 consists of the mechanical absorber of several respectively involved masses (mass body 32 respectively. 34 , Poor 28 respectively. 30 , Wing element 20 respectively. 22 ), from a spring 36 respectively. 40 and a damper element 38 respectively. 42 , Its degree of freedom of movement is the rotation around the bearing point 24 respectively. 26 , It is excited to vibrate by vertical and torsional vibrations of the bridge girder. The vibration excitation of the absorber and thus its effectiveness generally require an imbalance of the mass distribution and thus a bias of the spring 36 respectively. 40 in the static rest position. In the illustrated embodiment, the mass of the wing elements should be as small as possible in the interest of great effectiveness of the mechanical absorber. The zwangläufige kinematic coupling between the mechanical absorber and aerodynamic control surface consists in this embodiment simply from the two elements connecting arm 28 respectively. 30 ,

Die Tilgerwirkung des mechanischen Tilgers entsteht durch die Trägheitskräfte der beteiligten Massen und die Dämpfungskräfte in dem Dämpferelement.The The absorber effect of the mechanical absorber is due to the inertial forces of the involved masses and the damping forces in the Damper element.

Bei dem aeroelastischen Tilger des Ausführungsbeispiels überträgt sich die Verdrehung des mechanischen Tilgers (relativ zur Brücke) auf die im Windstrom liegende; drehbar gelagerte aerodynamische Kontrollfläche 20 bzw. 22, die dem jeweiligen mechanischen Tilger zugeordnet ist. Hierdurch wird das Strömungsfeld dynamisch verändert und zusätzlich zeitveränderliche Luftkräfte induziert. Durch die Abstimmung des Tilgers wirken diese den schwingungsanfachenden Kräften entgegen, wodurch fremdinduzierte Brückenschwingungen beruhigt und die kritische Windgeschwindigkeit für das Flattern erhöht wird.In the aeroelastic absorber of the embodiment, the rotation of the mechanical absorber (relative to the bridge) transfers to that in the wind power; rotatably mounted aerodynamic control surface 20 respectively. 22 , which is assigned to the respective mechanical absorber. As a result, the flow field is changed dynamically and additionally induced time-varying air forces. By tuning the absorber, these counteract the vibration-imparting forces, thereby quieting externally-induced bridge vibrations and increasing the critical wind speed for fluttering.

Der erfindungsgemäße mechanische Tilger kann auch in eine vorgegebene gerade Richtung schwingen und kann anstelle des starr mit der aerodynamischen Kontrollfläche verbundenen Hebels auch andere zwangläufige Verbindungen, wie beispielsweise Übersetzungshebel und -getriebe aufweisen. Die Abstimmung des aeroelastischen Tilgers er folgt durch die Wahl von Masse m, Federkonstante k und Dämpfungskonstante c als den zentralen mechanischen Kenngrößen, der Wahl des Abstands des mechanischem Tilgers von der Brückenachse, der Wahl seines Bewegungsfreiheitsgrads, der Kinematik der zwangläufigen kinematischen Verbindungen sowie der Kontur und der Masse der aerodynamischen Kontrollflächen.The mechanical absorber according to the invention can also oscillate in a predetermined straight direction and instead of the lever rigidly connected to the aerodynamic control surface also have other zwangläufige compounds, such as transmission lever and gearbox. The tuning of the aeroelastic damper he follows by the choice of mass m, spring constant k and damping constant c as the central mechanical characteristics, the choice of the distance of the mechanical absorber of the bridge axis, the choice of its degree of freedom of movement, the kinematics of the positive kinematic connections and the contour and the mass of aerodynamic control surfaces.

Wie vorstehend bereits erläutert, besteht die Hauptwirkung des aeroelastischen Tilgers darin, durch eine Schwingungsbewegung der aerodynamischen Kontrollfläche die Luftströmung an dem Bauwerk derart zu lenken, dass ein Aufschaukeln unterbleibt und das Bauwerk stabilisiert wird. Gleichzeitig mit der Steuerung der Strömungskräfte durch die Bewegung des Tilgers können die auf die aerodynamische Kontrollfläche wirkenden Strömungskräfte über die bestehende zwangläufige Verbindung auch auf die Schwingung des mechanischen Tilgers zurückwirken. Dieser Einfluss kann je nach Bauwerk und Auslegung des aeroelastischen Tilgers eine unterstützende oder eine störende Wirkung aufweisen. Durch eine geeignete Lagerung der aerodynamischen Kontrollflächen oder andere Maßnahmen kann diese Rückwirkung auf den mechanischen Tilger unterdrückt werden.As already explained above, The main effect of the aeroelastic absorber is through a vibrational motion of the aerodynamic control surface the airflow to steer at the building in such a way that a rocking is omitted and the structure is stabilized. Simultaneously with the controller the flow forces through the movement of the absorber can the flow forces acting on the aerodynamic control surface over the existing compulsory Link back to the vibration of the mechanical absorber. This influence may vary depending on the structure and design of the aeroelastic Tilgers a supportive or a disturbing one Have effect. By appropriate storage of the aerodynamic control areas or other measures can this feedback be suppressed on the mechanical absorber.

Ein Ausführungsbeispiel, in dem diese Rückwirkung durch die Lagerung der Kontrollfläche unterdrückt wird, ist in 3 gezeigt. In diesem Fall besteht die aerodynamische Kontrollfläche aus einem vom Bauwerk abgesetzten, mit dem Bauwerk durch eine Haltevorrichtung 46 verbundenen Schild 44. Der Schild ist dabei um einen Lagerpunkt 48 im mittleren Bereich des Schilds drehbar gelagert. Die zwangläufige kinematische Kopplung mit dem in Inneren des Brückenträgers befindlichen mechanischen Tilger 60 erfolgt über ein bewegliches Gestängeglied 50, das wahlweise über ein Gestängeglied 52 oder 56 mit dem Schild 44 gekoppelt ist.An embodiment in which this reaction is suppressed by the storage of the control surface is shown in FIG 3 shown. In this case, the aerodynamic control surface consists of a remote from the building, with the building by a holding device 46 connected sign 44 , The shield is around a bearing point 48 rotatably mounted in the central region of the shield. The positive kinematic coupling with the mechanical absorber located inside the bridge girder 60 via a movable linkage 50 optionally via a linkage link 52 or 56 with the sign 44 is coupled.

Der aeroelastische Tilger kann ein- oder beidseitig (relativ zur Brückenlängsachse) vorgesehen sein. Bei beidseitiger Anordnung können beide Tilger auch gekoppelt oder unabhängig voneinander betrieben werden. Letzterer Fall ist in 2 dargestellt. Sind beide Tilger gekoppelt (nicht dargestellt), so ist eine entsprechende zwangläufige kinematische Verbindung zwischen beiden Tilgern vorzusehen. Sind dagegen beide Tilger unabhängig voneinander, besteht die Möglichkeit, diese auf einer Seite, z.B. leeseitig zu arretieren.The aeroelastic absorber can be provided on one or both sides (relative to the bridge longitudinal axis). With bilateral arrangement, both absorbers can also be coupled or operated independently of each other. The latter case is in 2 shown. If both absorbers are coupled (not shown), then a corresponding positive kinematic connection must be provided between the two absorbers. If, on the other hand, both absorbers are independent of each other, it is possible to lock them on one side, eg leeward.

In den Figuren nicht dargestellt ist eine zwangläufige kinematische Kopplung zwischen mechanischem Tilger und aerodynamischer Kontrollfläche, die es erlaubt Frequenzverhältnisse zwischen der Schwingung des mechanischen Tilgers und der Schwingung der aerodynamischen Kontrollfläche einzustellen. Das Amplitudenverhältnis lässt sich im Falle eines Übersetzungsgestänges z. B. durch Verschieben der Verbindungspunkte der Gestängeglieder, wie in 3 gezeigt oder ähnlich, einstellen. Ein Drehgelenk 58 ist dabei fest mit dem erstem Gestängeglied 52 verbunden und innerhalb eines Langlochs 54 in dem zweiten Gestängeglied 50 arretiert. Die Einstellung kann somit stufenlos durch Verschieben des Drehgelenks 58 im Langloch 54 erfolgen.Not shown in the figures is a positive kinematic coupling between the mechanical absorber and the aerodynamic control surface, which makes it possible to set frequency relationships between the vibration of the mechanical absorber and the oscillation of the aerodynamic control surface. The amplitude ratio can be in the case of a translation linkage z. B. by moving the connection points of the linkage members, as in 3 shown or similar. A swivel 58 is fixed to the first linkage member 52 connected and within a slot 54 in the second linkage member 50 locked. The setting can thus steplessly by moving the swivel joint 58 in the slot 54 respectively.

Durch Anschluss des ersten Gestängeglieds in der hinteren Position 52 oder in der vorderen Position 56 kann ein Phasenverhältnis von 0° oder 180° eingestellt werden, wobei die Kopplung des vorderen Gestängeglieds 56 ebenso wie die oben beschriebene Kopplung des hinteren Gestängeglieds 52 erfolgen kann.By connecting the first linkage in the rear position 52 or in the front position 56 can be set a phase ratio of 0 ° or 180 °, wherein the coupling of the front link member 56 as well as the above-described coupling of the rear linkage member 52 can be done.

Im Falle eines Übersetzungsgetriebes kann das Amplitudenverhältnis abgestuft oder stufenlos mit einem entsprechenden Schaltgetriebe oder stufenlosen Getriebe eingestellt werden.in the Case of a transmission gear can the amplitude ratio stepped or stepless with a corresponding manual transmission or continuously variable transmission.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde im Zusammenhang mit einer Brücke beschrieben, ist jedoch in seinem Einsatz keineswegs auf Brücken beschränkt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei horizontalen Schwingungen, wie sie beispielsweise bei Türmen auftreten, eingesetzt werden. Hier verläuft die Achse 18 dann in vertikaler Richtung.The preferred embodiment of the invention has been described in the context of a bridge but is by no means limited to bridges in its use. Rather, the device according to the invention can also be used for horizontal vibrations, as they occur, for example, in towers. Here is the axis 18 then in the vertical direction.

Der aeroelastische Tilger besitzt als besonderen Vorzug, bedingt durch die Entbehrlichkeit externer Energieversorgung, einen hohen Grad an Wirtschaftlichkeit und ein hohes Maß an Betriebssicherheit.Of the aeroelastic absorber possesses as special preference, due to the dispensability of external energy supply, a high degree in terms of cost-effectiveness and a high degree of operational safety.

Claims

Device for damping or suppressing vibrations on a structure, comprising: - at least one aerodynamic control surface ( 20 . 22 ; 44 ), which is rotatably and / or displaceably mounted, - at least one mechanical absorber ( 60 ) with a spring element ( 36 . 40 ) which is capable of torsional vibration or vibrations in a given direction relative to the structure, and at least one positive kinematic coupling between the mechanical absorber and the aerodynamic control surface, dampening or suppressing both torsional vibrations and vibrations in predetermined directions.

Apparatus according to claim 1, characterized ge indicates that the mechanical absorber comprises at least one mass body ( 32 . 34 ) owns.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the mechanical absorber in addition to the spring element, a damper element ( 38 . 42 ) having.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the zwangläufige kinematic coupling between the mechanical absorber and control surface by moving mechanical elements, such as transmission lever, translation linkage ( 50 . 52 . 56 ) or transmission gear is produced.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized that the coupling between the mechanical absorber and the control surface is a setting an amplitude and / or phase and / or frequency ratio between the vibration of the mechanical absorber and the vibration the aerodynamic control surface allowed.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the coupling is a linkage with a first linkage member ( 52 or 56 ) and a second linkage member ( 50 ), wherein the amplitude ratio by the position of a connection point ( 58 ) between the linkage links ( 50 . 52 . 56 ) is adjustable and the phase relationship by the position of a connection point of the linkage ( 52 or 56 ) with the control surface ( 44 ) is adjustable.

Device according to one of claims 5 or 6, characterized that a control is provided, the amplitude phase and / or frequency ratios controls.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that as aerodynamic control surface, a movable edge or a wing element ( 20 . 22 ) is provided, which protrudes freely with a section of the building.

Device according to claim 8, characterized in that the wing element ( 20 . 22 ) in a storage point ( 24 . 26 ) is rotatably mounted.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the wing element with its on both sides of the bearing point ( 24 . 26 ) arranged mass forms the mechanical absorber.

Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the wing element ( 20 . 22 ) an arm ( 28 . 30 ) having.

Device according to claim 11, characterized in that the wing element ( 20 . 22 ), the arm and the spring element form the mechanical absorber.

Device according to claim 12, characterized in that the arm ( 28 . 30 ) at its free end a mass body ( 32 . 34 ) having.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that as an aerodynamic control surface a detached from the building sign ( 44 ) provided by holding devices ( 46 ) with the building ( 12 ) connected is.

Apparatus according to claim 14, characterized in that the shield set off from the building ( 44 ) is rotatably and / or displaceably mounted, wherein the movement of the shield is guided so that rotation about a, relative to the building, stationary or non-stationary pole occurs.

Device according to one of claims 1 to 15, characterized that the flow forces acting on the aerodynamic control surface the vibrations of the mechanical absorber react.

Device according to one of claims 1 to 15, characterized that the flow forces acting on the aerodynamic control surface, through Choice of suitable storage of the control surface, on the vibrations of the mechanical Tilgers not retroactively.

Apparatus according to claim 17 with reference to 14 and 15, characterized characterized in that as an aerodynamic control surface provided by the building detached sign, which is mounted so that the movement of the shield as a rotation around a pole in the middle area the shield is done.

Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the mechanical absorber is coupled via two zwangläufige kinematic couplings with two aerodynamic control surfaces in pairs on opposite sides of a building axis ( 18 ), whereby both rotational vibrations about the axis ( 18 ) as well as vibrations in front of given direction, in particular in the direction perpendicular to the connecting line of the two control surfaces, attenuated or eradicated.

Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that at least two aerodynamic control surfaces with respective associated mechanical Tilgern and their kinematic zwangläufigen coupling in pairs on opposite sides of a Bauwerksache ( 18 ), whereby both rotational vibrations about the axis ( 18 ) as well as vibrations in a predetermined direction, in particular in the direction perpendicular to the connecting line of two opposing control surfaces, attenuated or eradicated.

Device according to claim 20, characterized in that that at least one of the control surfaces is locked.

Device according to claim 20, characterized in that that at least two mechanical absorbers by a positive kinematic Coupling are coupled together.

Device according to claim 22, characterized in that that the compulsory kinematic coupling of the mechanical absorber a translation device having an adjustment and control of amplitude, phase and and / or frequency ratios allowed.

Device according to one of claims 1 to 23, characterized that for each mechanical absorber several spring elements are provided.

Device according to one of claims 3 to 24, characterized that for each mechanical absorber several damper elements are provided.

Device according to claim 24 or 25, characterized that the spring elements and / or the damper elements at different points are attached.