DE19949079B4

DE19949079B4 - Ein neues System zur Minimierung des Energiebedarfs bei der aktiven Verformungskontrolle

Info

Publication number: DE19949079B4
Application number: DE1999149079
Authority: DE
Inventors: Joachim Vorbrueggen
Original assignee: Vorbrueggen Joachim Dipl-Ing
Current assignee: Vorbrueggen Joachim Dipl-Ing
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: DE19949079A1

Abstract

Unterspannter, im Querschnitt gesehen symmetrischer Einfeldträger mit einer aktiven Verformungskontrolle der Trägermitte unter sich bewegender Belastung mit einer Unterspannung, bestehend aus einem vorgespannten, an den Auflagern des Einfeldträgers befestigten Seil und einer dem Seil zugeordneten Mittelunterstützung des Einfeldträgers,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweite Unterspannung, bestehend aus einem vorgespannten, an den Auflagern des Einfeldträgers befestigten Seil und einer dem Seil zugeordneten Mittelunterstützung des Einfeldträgers, am Einfeldträger vorgesehen ist und die beiden Unterspannungen gleich, nebeneinanderliegend und spiegelsymmetrisch zur Längsachse des Einfeldträgers angeordnet sind,
wobei die beiden Mittelunterstützungen derart gegensinnig motorisch veränderbar sind, dass die beiden Ebenen, die durch die Endpunkte des jeweiligen Seils und den jeweiligen Verbindungspunkt von Mittelunterstützung und Seil definiert sind, um die Längsrichtung des Einfeldträgers drehen, wobei sich die Horizontalkomponenten der Kräfte aus der Mittelunterstützung gegenseitig aufheben.

Description

Die Erfindung betrifft ein neues System zur Minimierung des Energiebedarfs bei der aktiven Verformungskontrolle.

Es ist bekannt, Zusatzsysteme in Bauwerke einzubauen, die aktiv die Verformung des Bauwerkes kontrollieren und dieser durch Erzeugung einer Gegenkraft entgegenwirken (Domke, H. (1990): "Aktive Tragwerke", Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften, Vorträge; Streck, D. (1989): "Instabilitäten des geregelten Verhaltens aktiver unterspannter Biegetragwerke bei wachsenden Lastüberfahrtgeschwindigkeiten", RWTH Aachen). Der hohe technische Aufwand und der große Bedarf an Energie haben bei dieser Technik, abgesehen von einzelnen Fällen, einen breiteren Eingang in die praktische Anwendung bislang verhindert, so dass auf diesem Gebiet zwar verschiedene Systeme entwickelt wurden, die meisten aber nur theoretisch untersucht oder vereinzelt im Modellversuch durchgeführt wurden.

Es ist ferner bekannt, dass sich die – aufgrund der im Bauwesen auftretenden sehr hohen Lasten – dementsprechend großen Energiemengen zur Bewerkstelligung der aktiven Verformungskontrolle zum Teil zurückgewinnen lassen. Eine für diesen Zweck entwickelte und sogenannte Energierückgewinnungsanlage ist ebenfalls bekannt (Patentschrift Domke 3 421 716; Domke, H. (1990): "Aktive Tragwerke", Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften, Vorträge, Seite 27-29). Bei dieser An der Anlage wird die Energie, die zur Erzeugung der Gegenkraft aufgewendet wird, nach Beendigung jedes Kontrollvorganges – also wenn der Träger wieder entlastet wird – in einen Speicher überführt. Nachteilig hierbei ist, dass diese Anlage einen Wirkungsgrad besitzt, der nur durch den Einbau hochwertigerer also teurerer Komponenten verbessert werden kann. Zudem wird der ohnehin große technische Aufwand bei der aktiven Verformungskontrolle durch den Einbau dieser Anlage weiter vergrößert.

Der vorliegenden Erfindung liegen die grundsätzlichen Aufgaben zugrunde, zum einen um die Bauweise des eingangs umrissenen Zusatzsystems zu vereinfachen um somit den technischen Aufwand für die aktive Verformungskontrolle zu reduzieren und zum anderen den Energiebedarf bei der aktiven Verformungskontrolle zu minimieren.

Beide Aufgaben werden durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass durch die Verwendung der im System vorhandenen Kräfte das aktive Stellglied entfallen kann, keine Energie benötigt wird, um diese Kräfte bei jedem Kontrollvorgang neu zu erzeugen, und sich die Notwendigkeit der Energierückgewinnung somit erübrigt.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgen den näher beschrieben.
Es zeigen
1 eine dreidimensionale systemhafte Darstellung der Erfindung; und
2 den Querschnitt durch den Fahrbahnträger eines Modells der Erfindung in der y-z-Ebene der 1, der eine Ansicht der aktiven Zelle bietet.
1 zeigt in dreidimensionaler Darstellung systemhaft die Anwendung der Erfindung bei einem brückenartigen Träger 1 (der Übersicht halber durchsichtig dargestellt). Das neue System besteht aus zwei Seilen 2, die gleich stark vorgespannt sind und mit denen der Träger 1 unterspannt wird und die bezüglich des Koordinatensystems x, y, z in einer achsensymmetrischen paarweisen Anordnung eingebaut sind. Die Seile 2 verlaufen jeweils von dem Anfangsauflager im Punkt A bzw. A' über das Ende des Druckstabes 3 im Punkt D bzw. D' bis zum Endauflager in Punkt B bzw. B'. Aus den Seilen 2 resultiert im Punkt D bzw. D' je eine Kraft auf den Druckstab 3, die über diesen auf den zu kontrollierenden Träger 1 übertragen wird. Die Druckstäbe sind in den Punkten C bzw. C' in einer sogenannten aktiven Zelle gemäß 2 derart gelenkig angekoppelt, dass eine Rotation der Druckstäbe 3 nur in der y-z-Ebene möglich ist. Ein einfaches Getriebe in der sogenannten aktiven Zelle gemäß 2 (in 1 nicht dargestellt) garantiert eine achsensymmetrische Rotation der Druckstäbe 3. Die Druckkraft in den Druckstäben 3 ist demnach gleich groß und läßt sich in eine Vertikal- und eine Horizontalkomponente zerlegen. Die Rotation der Druckstäbe bewirkt eine beliebig veränderbare Vertikal- und Horizontalkomponente. Während die Vertikalkomponente bei Überfahrt einer Last zur Verformungskontrolle des Trägers genutzt wird, erweist sich die Horizontalkomponente als unerwünschte Abtriebskomponente, die durch die achsensymmetrische paarweise Anordnung des Zusatzsystems kompensiert wird. Die Verdrehung der Druckstäbe erfolgt über ein einfaches Zahnradgetriebe 4, 5 in der aktiven Zelle. Die Anweisung der Rotation erfolgt durch einen Regelkreislauf der als Meßgröße die Durchbiegung in Trägermitte verwertet und als Stellgröße den Verdrehwinkel der Druckstäbe ausgibt. Es wird eine herkömmliche Regelungstechnik verwendet. Sie ist nicht Bestandteil der Erfindung.
Erfolgt dieser Kontrollvorgang – also die Bereitstellung einer entsprechenden Gegenkraft – verzögerungsfrei, so biegt sich die Trägermitte nicht durch. Dies bedeutet, dass die durch die Punkte A, B und D bzw. A', B' und D' gekennzeichneten Dreiecke bei dieser Rotation ihre Form nicht verlieren. Das heißt, dass die Wirkungslinie aller im Dreieck wirkenden Kräfte und deren jeweilige Bewegungsrichtung während der Rotation stets senkrecht zueinander stehen. Das innere Produkt aus Kraft und Weg ist somit gleich Null. Es wird in diesem idealen Fall also keine Energie benötigt. Bei einem unendlich starren Träger, befinden sich diese Dreiecke in einem indifferenten Gleichgewicht. Selbstverständlich wird sich in der Praxis eine Durchbiegung in Trägermitte einstellen, allein weil der zeitliche Verlauf der Belastung (Zeitpunkt der Überfahrt und Geschwindigkeit und Masse des Fahrzeuges) nicht bekannt ist. Das heißt, in Trägermitte wird sich eine – wenn auch nur geringe – Durchbiegung ergeben. Da die Trägermitte demnach um diesen geringfügigen Betrag wieder angehoben werden muß, bedarf es selbstverständlich äußerer Energie. Da mit zunehmender Regelungsgenauigkeit diese kleinen Durchbiegungen bzgl. ihres Betrages gegen Null gehen, geht der damit verbundene Energiebedarf ebenfalls auch gegen Null.
2 zeigt den Querschnitt durch den Fahrbahnträger 1 des Modells, das zur Verifikation der Erfindung gebaut wurde. Es ist die Ansicht der aktiven Zelle in der y-z-Ebene dargestellt. Die vorgespannten Seile 2 verlaufen durch eine kleine Öffnung am Ende der Druckstäbe 3. Diese Stelle entspricht Punkt D bzw. D' in 1. Die achsensymmetrische Rotation der Druckstäbe 3 wird durch die Zahnräder 4 gewährleistet. Der Antrieb der Zahnräder erfolgt über eine fliehende Welle 5, die wiederum durch einen nicht dargestellten Schrittmotor 6 angetrieben wird.

Claims

Unterspannter, im Querschnitt gesehen symmetrischer Einfeldträger mit einer aktiven Verformungskontrolle der Trägermitte unter sich bewegender Belastung mit einer Unterspannung, bestehend aus einem vorgespannten, an den Auflagern des Einfeldträgers befestigten Seil und einer dem Seil zugeordneten Mittelunterstützung des Einfeldträgers, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Unterspannung, bestehend aus einem vorgespannten, an den Auflagern des Einfeldträgers befestigten Seil und einer dem Seil zugeordneten Mittelunterstützung des Einfeldträgers, am Einfeldträger vorgesehen ist und die beiden Unterspannungen gleich, nebeneinanderliegend und spiegelsymmetrisch zur Längsachse des Einfeldträgers angeordnet sind, wobei die beiden Mittelunterstützungen derart gegensinnig motorisch veränderbar sind, dass die beiden Ebenen, die durch die Endpunkte des jeweiligen Seils und den jeweiligen Verbindungspunkt von Mittelunterstützung und Seil definiert sind, um die Längsrichtung des Einfeldträgers drehen, wobei sich die Horizontalkomponenten der Kräfte aus der Mittelunterstützung gegenseitig aufheben.
Einfeldträger nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige Verdrehung der beiden Mittelunterstützungen mittels eines Zahnradgetriebes gekoppelt ist.
Einfeldträger nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige Verdrehung der beiden Mittelunterstützungen durch einen Schrittmotor erfolgt.