Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk Device for damping oscillatory motion in a building
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk, insbesondere bei einer Brücke.The invention relates to a device for damping oscillatory movements in a building, in particular in 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 Bauwerke 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, 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 aero- elastischen 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.There is a need for ever larger spans in bridge construction. For example, in the late 1990s, the Akashi Kaikyo Bridge, built in Japan, has a span of nearly 2000 meters. The bridge planned to cross the strait of Messina in Italy will have a span of over 3 km. With these extreme bridge lengths, the problem of the susceptibility to vibration of these structures is increasingly coming to the fore. In the design of wide-span bridge girders, a particularly important effect is the so-called chipping stability of the bridge. This is an aeroelastic phenomenon in which self-induced, coupled bending and torsional vibrations or decoupled torsional vibrations of the bridge girder occur. Self-induced vibrations, in contrast to so-called externally induced vibrations, which are caused for example by gusts of wind or by periodic vortex shedding, are excitation forces, which are caused by a displacement of the bridge. The air forces acting on the structure influence the dynamic properties of the aeroelastic overall system, ie in particular stiffness and damping parameters. These changes occur even at constant wind speed. If the wind speed reaches a certain critical value, the damping of the bridge carrier is canceled. As wind speed continues to increase, a system with negative overall attenuation may occur in which a small initial displacement results in an increasing vibration of nearly unlimited amplitude, thus failing the bridge structure. The critical wind speed (Ucr) is the structural characteristic for the flutter stability of bridges. It is known that Ucr decreases with decreasing stiffness and damping of the bridge. Straight bridges with a large span, however, have a low rigidity, so that the problem of fluttering occurs for them.
Zur Stabilisierung flattergefährdeter Brückenträger können verschiedene schwingungsdärnpfende 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 Erhöhung der Torsionssteifϊgkeit des Trägers oder das Hinzufügen von zusätzlichen Schrägseilen. Auch ist es bekannt, als passive Schwingungsdämpfung im engeren Sinne passiv schwingende Zusatzmassen, sogenannte Tilger, vorzusehen.To stabilize fly-endangered bridge girders various vibration damping methods and devices can be used. In principle, active and passive methods can be distinguished. The passive vibration damping refers essentially to structural measures, such as increasing the Torsionssteifϊgkeit the carrier or the addition of additional stay cables. It is also known to provide passively oscillating additional masses, so-called absorbers, as passive vibration damping in the narrower sense.
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.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. 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 devices mentioned have the disadvantage among others a relatively large energy requirement and thus 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.In addition to the above-described critical phenomenon of fluttering in bridges, similar vibrational phenomena also occur in buildings, where these are then referred to as galloping. In addition to these vibrational phenomena endangering stability, construction-related and structural structures also involve wind, traffic, earthquakes and other external influences, causing externally induced vibrations which can impair both their usability and stability, and which must also be damped and suppressed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dämpfervorrichtung zur Dämpfung einer Schwingungsbewegung 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.The invention has for its object to provide a damper device for damping a vibrational motion to provide better than known devices, with high reliability with simple means and the lowest possible use of energy occurring vibration conditions due to self-induced and / or externally induced excitation attenuate and suppress Stability, durability and usability thus can improve.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unter¬ ansprüche 2 bis 11.According to the invention the object is achieved by a device having the features of claim 1. Advantageous embodiments form the subject-matter of sub-claims 2 to 11.
Die erfmdungsgemäße 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.The erfmdungsgemäße device for damping oscillatory movements in a building and / or structure has at least one pair of mass bodies, which are arranged on opposite sides of a randomly oriented in space rotation or vibration axis. The axis of rotation or oscillation in this case runs through the building and / or supporting structure in such a way that the oscillation movement to be damped at least with a substantial part about this axis he follows. The mass bodies are attached to the ends of a beam which is rotatably mounted about the axis of rotation or vibration. In order to move the beam around a bearing, this is preferably a pivoting or rotational movement, an actuator is provided, which acts on the beam. In a vibratory motion of the construction and / or structure of the beam is offset with the mass bodies by the actuator in a swinging swinging motion or in a rotational movement. With a suitable coordination of the moments of inertia and the movement occurs by the beam with the mass bodies, a vibration damping effect.
Für eine wirkungsvolle Ansteuerung des Akruators ist mindestens ein mit der Steuerung verbundener Sensor 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.For effective control of the Akruators at least one sensor connected to the control is provided, the position and / or movement of the building in the translational and rotational degrees of freedom detected, in particular, a sensor may be provided for detecting the corresponding accelerations. Based on the applied sensor data, the controller can then determine both amplitude, and frequency and phase of a movement of the bar or specify this directly in the time domain.
Für eine Regelung der Balkenbewegung können zusätzlich auch ein oder mehrere Sensoren vorgesehen sein, die die Lage und/oder Bewegung des Balkens erfassen und an die Steuerung weiterleiten. Auch hier können als Bewegungssensoren Beschleunigungssensoren vorgesehen sein.For controlling the movement of the bars, one or more sensors may additionally be provided which detect the position and / or movement of the bar and pass it on to the controller. Here too, acceleration sensors can be provided as motion sensors.
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 a preferred embodiment, a spring element and / or a damper element is additionally coupled to the beam in order to match the movements of the beam and its natural frequencies to those of the structure or the structure. In a preferred embodiment, the actuator can be decoupled from the additionally provided with spring and / or damper element beams, for example, in case of failure of the drive still to achieve a passive damping effect, or to save energy in times of small vibration excitation forces. The device according to the invention can then also be regarded as a turntable and be designed accordingly.
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.In a preferred embodiment, the beam with the mass bodies is arranged in a container which provides fastening means for connection to a building or supporting structure. Such a "mobile" damper device makes it possible, in particular, to achieve vibration damping even during construction on the supporting structure, and the position of the damping device can be adapted in accordance with the progress made in the construction and the statics which change with it.
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 S chwingungs verhalten des Bau- oder Tragwerks berücksichtigt werden kann.To be particularly advantageous, it has also been found to provide structures or structures with several of the devices described for vibration damping. Preferably, the control of the actuators of the devices can be carried out coordinated, in which case the spatial behavior of the building structure or structure can be taken into account.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:Preferred embodiments of the device according to the invention will be explained in more detail with reference to drawings. It shows:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Längsachse eines Brückenträgers,1 shows a schematic section through a longitudinal axis of a bridge girder,
Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung der Dämpfungsvorrichtung im Brückenquer¬ schnitt und
Fig. 3 die Dämpfungsvorrichtung in einem Container.Fig. 2 shows a further embodiment of the damping device in Brückenquer¬ cut and Fig. 3, the damping device in a container.
Fig. 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.Fig. 1 shows a cross section through a bridge carrier hollow box 10, in the center of a bearing base 12 is arranged. On the bearing base 12, a beam 14 is rotatably supported via a bearing 16. At the ends of the beam 14, two bodies 18 are attached to a mass m. In the illustrated embodiment, the mass m of the body 18 is equal. However, this is by no means necessary. In buildings in which not only rotational vibrations, but also translational vibrations occur, such as in buildings under seismic action, it is also conceivable to use mass body with different weights. Likewise, it is conceivable to arrange the two mass bodies at different distances from the bearing pedestal, thus to support the beam asymmetrically with respect to the bearing pedestal. To the bearing 16, the mass body 18 are pivoted in the direction 20 or rotated. The pivot or rotation angle can be limited by suitable means (not shown) or be of unlimited size, in the latter case, a rotational movement is considered.
Fig. 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.Fig. 1 further shows an actuator 22, which can operate, for example, electrically, pneumatically or hydraulically to move the beam 14. In the case of a rotational movement of the actuator is in the axis of rotation of the beam.
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.
Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung der Dämpfungsvorrichtung aus Fig. 1, wobei hier gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wurden.The actuator 22 is controlled by a control device 24 shown schematically. The control device 24 is connected to two sensors 26, which measure the acceleration of the structure. The acceleration values are forwarded to the controller 24 and serve to determine the vibration states and to control the actuator 22 with a corresponding counterphase. FIG. 2 shows a further development of the damping device from FIG. 1, in which case the same elements have been identified with the same reference numerals.
Zusätzlich zu dem Aktuator 22 ist der Waagebalken 14 noch mit einem Federelement 28 und einem Dämpferelement 29 gekoppelt. In Fig. 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 D ämpfungs Wirkung zu der in Fig. 2 dargestellten Federkonstanten addieren oder eine Drehfeder in der Drehachse anzuordnen. Ebenso können auch zwei oder mehr Dämpferelemente entlang dem Waagebalken verteilt werden.In addition to the actuator 22, the balance beam 14 is still coupled to a spring element 28 and a damper element 29. In Fig. 2 spring and damper element are shown only schematically. Of course, it is possible to distribute two or more springs along the balance beam, in which case the individual spring constants add in their D attenuation effect to the spring constants shown in Fig. 2 or to arrange a torsion spring in the axis of rotation. Likewise, two or more damper elements can be distributed along the balance beam.
Fig. 3 zeigt im wesentlichen die Dämpfungsvorrichtung aus Fig. 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.
Fig. 3 shows essentially the damping device of Fig. 2 in a container 30 which is fixed to the bridge girder The container 30 may be, for example, a standard 40 'container that is detachably connected to the bridge girder 10.