DE9419650U1 - Schwingungsdämpfer für stabförmige Bauteile - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE -

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DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE
DIPL.-ING. HEINZ J. RING
DIPL.-ING. ULRICH CHRISTOPHERSEN Unser Zeichen· 94 1236 DIPL.-ING. MICHAEL RAUSCH

. .__ _.„,;....„;. : DIPL.-ING. : WOLFGANG BRINGMANN

MULTICON Schwingungsdämpfer GmbH, - Patentanwälte

Marbecker Straße 74, ; european patent attorneys _: -

46325 Borken-Marbeck

_ 7. Dezember 1994

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Schwinaunasdämpfer für stabförmige Bauteile

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsdämpfer für stabförmige, durch Anströmung mit einer quer zur Längsachse verlaufenden Komponente schwingungsgefährdete Bauteile, insbesondere zugbelastete Brückenhänger, Zugstäbe von Großgeräten im Kranbau und für den Tagebau oder dergleichen oder Masten für Antennen und Blitzschutzanlagen.

Durch aerodynamische oder hydraulische Umströmung können schlanke Bauteile zu Schwingungen angeregt werden, die in ungünstigen Fällen zu einer Schädigung oder Zerstörung des Bauteils führen. Gefährdete Bauteile sind beispielsweise die Brückenhänger von Stabbogenbrücken, die Seile von Hänge- oder Schrägseilbrücken, die Zugstangen von Auto- oder Hafenkränen sowie von Baggern im Tagebau, Einsprühlanzen in Kraftwerken, beispielsweise in Anlagen zur Rauchgasreinigung, Beleuchtungsmaste, senkrecht verlaufende Rohrleitungen und auch schlanke Kunstwerke.

Bei derartigen stabförmigen Bauteilen, die durch Anströmung mit einer quer zur Längsachse verlaufenden Komponente schwingungsgef ährdet sind, können verschiedene Schwingungsprobleme auftreten. Ein seit langem bekanntes Schwingungsproblem ergibt sich durch Querschwingungen infolge von ablösenden Wirbeln (Karman'sche Wirbelstraße) und in Form von Flatterschwingungen. Diese Flatterschwingungen entstehen, wenn Biege- und Torsionseigenfrequenz gleich, aber um 90° : phasenversetzt -sind, beispielsweise bei einem unter einem spitzen Winkel angeströmten stabförmigen Bauteil mit flachem rechteckigen Querschnitt. ;

Telefon(0211) 572131-Telex 858V429pafetlTäaax8ftn)38^lS225*f¹ostgft«konto Köln (BLZ 37OIOO5O) 227610-503

Bei länglichen Profilen, .die sich auch durch Eisansatz an Kreisprofilen von Blitzschutzstangen oder Brückenhängem ergeben können, kann weiterhin das "Schwingungsproblem von Gallopingschwingungen entstehen, die infolge eines Soges an der jeweiligen Oberseite infolge höherer Strömungsgeschwindigkeit entstehen. Bei engstehenden Bauteilen kann weiterhin das Schwingungsproblem des Interferenzgalloping auftreten.

Schließlich ergeben sich Schwingungsprobleme aufgrund von regen-wind-erregten Schwingungen. Der Erregermechanismus dieser in Windrichtung und/oder quer zur Windrichtung auftretenden Schwingungen ist noch nicht exakt geklärt; es ist jedoch zu vermuten, daß der infolge der herablaufenden Wasserrinnsale veränderte Querschnitt der stabförmigen Bauteile die Ursache für einen Strömungsverlauf ist, der zu Schwingungen führt. Die größten Schwingungsamplituden treten auf, wenn das Bauteil gegen die Windrichtung geneigt ist, so daß die Wasserrinnsale - bedingt durch die Schwerkraft vorzugsweise auf der dem Wind zugewandten Seite an den stabförmigen Bauteilen herablaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungsdämpfer für derartige stabförmige, durch Anströmung mit einer quer zur Längsachse verlaufenden Komponente schwingungsgefährdete Bauteile zu schaffen, der bei einfachem Aufbau eine wirkungsvolle Dämpfung bewirkt.

Der zur Lösung dieser Aufgabenstellung vorgeschlagene Schwingungsdämpfer ist gekennzeichnet durch mindestens einen mit dem stabförmigen Bauteil fest verbundenen Behälter, der mit einer hinsichtlich ihrer Schwappfrequenz auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmten Flüssigkeit gefüllt ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsschwingungsdämpfer wird der größte Teil der durch Anströmung des stabförmigen Bauteils erzeugten Energie durch die schwappende Flüssigkeit dissipiert. Die hierbei verwendete Schwappfrequenz ergibt sich durch die Lauflänge der durch die Schwingung des stabförmigen Bauteils hervorgerufenen Welle und durch die Füllhohe der Flüssigkeit im Behälter. Die Dämpfung erfolgt im Augenblick des Äuftreffens der Welle der Flüssigkeit auf die Behälterwand, und zwar zum einen durch die hydrodynamische Kraft der Welle als Gegenschwinger und zum anderen durch das

Zerplatzen der Welle, wenn diese sich bricht. Der erfindungsgemäße Schwingungsdämpfer benötigt somit keine beweglichen mechanischen Teile, so daß ein Verschleiß oder eine Alterung beweglicher Teile entfällt und nur ein geringer zusätzlicher Materialeinsatz erforderlich ist. Die zur Dämpfung erforderliche zusätzliche Masse ist gering; Probleme mit der Relativbewegung der Dämpfermasse entfallen, da diese durch die schwappende Flüssigkeit dargestellt wird. Durch Regulierung der Flüssigkeitsfüllhöhe im Behälter kann eine einfache Abstimmung der Dämpferfrequenz auf die tatsächliche Eigenfrequenz des Bauwerks erfolgen, wobei durch die Verwendung mehrerer Behälter mit unterschiedlicher Schwappfrequenz auch mehrere Eigenfrequenzen des Bauwerks zuverlässig gedämpft werden können.

Der Behälter des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers kann bei einer bevorzugten Ausführungsform im Inneren eines zumindest abschnittsweise hohl ausgebildeten Bauteils oder auf der Außenseite eines stabförmägen Bauteils angeordnet werden, beispielsweise als ringförmiger Behälter.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es möglich, den Behälter durch Trennwände in mehrere Flüssigkeitskammern zu unterteilen, die entweder in einer Ebene nebeneinander oder in verschiedenen Ebenen übereinander liegen. Zumindest ein Teil der Flüssigkeitskammern kann miteinander in Verbindung stehen. Da die Dämpfungswirkung steigt, wenn die eingesetzte Fiüssigkeitsmenge vergrößert wird, wird in besonderen Fällen eine größere Anzahl von flüssigkeitsgefüllten Kammern am schwingungsgefährdeten Bauteil angebracht. Hierbei kann die Schwappfrequenz der Teilbehälter gleich oder unterschiedlich sein.

Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfers für stabförmige Bauteile dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer Stabbogenbrücke mit an Brückenhängem aufgehängter Fahrbahn,

Fig. 2 einen vergrößert dargestellten Querschnitt durch die Stabbogenbrücke gemäß der Schnittlinie Il - Ii in Fig. 1, ."",

Fig. 3 eine weiter vergrößerte Darstellung eines der bei der Stabbogen-, brücke nach den Fig. 1 und 2 verwendeten Brückenhänger,

Fig. 4 eine Seitenansicht des in Fig. 3 verwendeten Schwingungsdämpfers in nochmals vergrößerter Darstellung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Schwingungsdämpfer gemäß der Schnittlinie V - V in Fig. 4,

Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Schwingungsdämpfers,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Schwingungsdämpfers entsprechend den Darstellungen in den Fig. 5 und 6,

Fig. 8 einen Querschnitt durch ein stabförmiges, zumindest abschnittsweise hohl ausgebildetes Bauteil mit einer ersten Ausführungsmöglichkeit eines im Innern angeordneten Schwingungsdämpfers,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Schwingungsdämpfers gemäß Fig. 8 und

Fig. 10 einen Querschnitt durch ein stabförmiges, im Querschnitt rechteckiges Bauteil mit einer weiteren Ausführungsform eines Schwingungsdämpfers.

Anhand der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Stabbogenbrücke soll der Einsatz eines Schwingungsdämpfers erläutert werden. Die Stabbogenbrücke besteht aus zwei im Grundriß parallelen, auf einem Losiager und einem Festlager abgestützten Brückenbögen 1, an denen Längsträger 2 mittels Brückenhängern 3 aufgehängt sind. Einer dieser Brückenhänger 3 ist vergrößert in Fig. 3 dargestellt. Die Längsträger 2 sind durch Querträger 2a miteinander verbunden, auf denen die Fahrbahn aufliegt.

Wie aus dieser Fig. 3 hervorgeht, sind die Brückenhänger 3 gegenüber der Senkrechten um 11° geneigt. Sie werden gemäß Fig. 5 durch im Querschnitt

kreisförmige Zugstangen gebildet, die am oberen Ende jeweils an einem Brückenbogen 1 aufgehängt sind und äfrfunteren Ende einen im Querschnitt I-förmigen Längsträger 2 tragen.

Bei einer Anströmung der Brückenhänger 3 beispielsweise aus der in Fig. 3 durch Pfeile gekennzeichneten Richtung und gleichzeitigem Regen kann das Problem von regen-wind-erregten Schwingungen entstehen, da sich infolge der auf der Windseite herablaufenden Wasserrinnsale der Querschnitt der Brückenhänger 3 verändert. Um diese Schwingungen zu dämpfen, ist jeder Brückenhänger 3 mit einem Behälter 4 versehen, der vergrößert in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Die in diesen Fig. dargestellte Ausführungsform eines Behälters 4 zeigt einen torusförmigen, der Schrägstellung des Brückenhängers 3 angepaßten Behälter, der als ringförmiger Behälter auf der Außenseite des Brückenhängers 3 angeordnet ist. Der Behälter 4 ist durch waagerechte Böden 4a und durch senkrechte, jeweils auf einem Radius verlaufende Trennwände 4b in eine Mehrzahl von Flüssigkeitskammern 5 aufgeteilt, die jeweils mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Die Füllhöhe dieser Flüssigkeit ist in Fig. 4 angedeutet.

Durch die in den Flüssigkeitskammern 5 des Behälters 4 beim Auftreten von Schwingungen der Brückenhänger 3 schwappende Flüssigkeit wird der größte Teil der Energie dissipiert, wenn die sich in den Fiüssigkeitskammem 5 ausbildenden Weüen auf die jeweilige Behälterwand bzw. Trennwand 4b auftreffen. Die Dämpfung erfolgt somit zum einen durch die hydrodynamische Kraft der Wellen als Gegenschwinger und zum anderen durch das Zerplatzen der sich brechenden Welle. Die Schwappfrequenz der einzelnen Flüssigkeitskammern 5 ist hierbei derart einzustellen, daß die Wellen quasi entgegengesetzt zur Schwingung des Brückenhängers 3 schwappen.

Die Schwappfrequenz der Flüssigkeit in den Flüssigkeitskammern 5 hängt von der Füllhöhe und von den Abmessungen der Flüssigkeitskammer in Richtung der Wellenbewegung, d.h. von der Lauflänge der Welle ab. Je höher eine Flüssigkeitskammer 5 mit Flüssigkeit befüllt ist, desto größer ist die Schwappfrequenz. Je länger die Lauflänge der Welle ist, desto niedriger ist die Schwappfrequenz. Eine optimale Dämpfungswirkung ergibt sich, wenn das Verhältnis von Füllhöhe zu Lauflänge nicht größer als 25 % ist, also die Füllung möglichst seicht ist. Die Dämpfungswirkung erfordert demgemäß nur

geringe zusätzliche Massen an Flüssigkeit. Soll die Dämpfungswirkung gesteigert werden, ist ein¥ größere Anzahl von Flüssigkeitskammern 5 am schwingungsgefährdeten Bauteil anzubringen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt die einfachste Ausführungsform eines auf der Außenseite eines stabförmigen Bauteils, beispielsweise eines Brückenhängers 3 angeordneten Behälters 4, der die Form eines Kreisringes hat. Nach Fig. 7 kann dieser Kreisring durch senkrecht zueinander verlaufende Trennwände 4b in eine beliebige Anzahl von Flüssigkeitskammem 5 unterteilt werden. Die Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Behälter 4 im Inneren eines rohrförmigen Bauteils 3 angeordnet ist. Auch ein derartiger Behälter 4 kann gemäß Fig. 9 durch senkrecht zueinander verlaufende Trennwände 4b in eine Mehrzahl von Flüssigkeitskammem 5 unterteilt werden.

Die Fig. 10 zeigt schließlich einen ringförmigen Behälter 4, der auf einem stabförmigen Bauteil 3 mit einem rechteckigen Querschnitt angeordnet ist. Durch die Unterteilung des Behälters 4 mittels radial verlaufender Trennwände 4b ergeben sich insgesamt 8 Flüssigkeitskammem 5, die durch ihre unterschiedliche Zuordnung zum Querschnittsprofil des Bauteils 3 auch Flatter- und Gallopingschwingungen auch mit einer Torsionskomponente dämpfen, die durch die gegeneinander weisenden Doppelpfeile und durch die angedeuteten Schwingungsamplituden in Fig. 10 angedeutet sind.

Bezugszeichenliste

1 Brückenbogen

2 Längsträger 2a Querträger

3 Brückenhänger (Bauteil)

4 Behälter 4a Boden

4b Trennwand

5 Flüssigkeitskammer

Claims (9)

5 &idiagr; &Igr; ··. Ansprüche: . _...: _.

1. Schwingungsdämpfer für stabförmige, durch Anströmung mit einer quer . zur Längsachse verlaufenden Komponente schwingungsgefährdete Bauteile, insbesondere zugbelastete Brückenhänger, Zugstäbe von Großgeräten im Kranbau und für den Tagebau oder dergleichen oder Masten für Antennen und Blitzschutzanlagen, ■... . , ^L gekennzeichnet

durch mindestens einen mit dem stabförmigen Bauteil· (3) fest verbundenen Behälter (4), der mit einer hinsichtlich ihrer Schwappfrequenz auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmten Flüssigkeit gefüllt ist.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) im Inneren des zumindest abschnittsweise hohl ausgebildeten Bauteils (3) angeordnet ist.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) auf der Außenseite des stabförmigen Bauteils (3) angeordnet ist.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) als ringförmiger Behälter auf der Außenseite des stabförmigen Behälters {3) angeordnet ist.

5. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) durch Trennwände (4b) in mehrere Flüssigkeitskammern {5) unterteilt ist.

6. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Flüssigkeitskammern (5) miteinander in Verbindung stehen.

7. Schwingungsdämpfer nach mindestens einem der Ansprüche1 bis 6,-dadurch gekennzeichnet, daß jeder Behälter {4) durch waagerechte Böden {4a} in mehrere Flüssigkeitskammern (5) unterteilt ist. '".'.-

8. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die SchwappfrequehzHer Flüssigkeitskammern (5) gleich ist.

9. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwappfrequenz der Flüssigkeitskammern {5) unterschiedlich ist.

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