EP1815068A1 - Vorrichtung zur dämpfung von schwingungsbewegungen bei einem bauwerk - Google Patents

Vorrichtung zur dämpfung von schwingungsbewegungen bei einem bauwerk

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EP1815068A1
EP1815068A1 EP05795034A EP05795034A EP1815068A1 EP 1815068 A1 EP1815068 A1 EP 1815068A1 EP 05795034 A EP05795034 A EP 05795034A EP 05795034 A EP05795034 A EP 05795034A EP 1815068 A1 EP1815068 A1 EP 1815068A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
mechanical
control surface
absorber
vibrations
building
Prior art date
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EP05795034A
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English (en)
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EP1815068B1 (de
Inventor
Uwe Starossek
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Soletanche Freyssinet SA
Original Assignee
Technische Universitaet Hamburg Harburg
Tutech Innovation GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Hamburg Harburg, Tutech Innovation GmbH filed Critical Technische Universitaet Hamburg Harburg
Publication of EP1815068A1 publication Critical patent/EP1815068A1/de
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Publication of EP1815068B1 publication Critical patent/EP1815068B1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D19/00—Structural or constructional details of bridges
    • E01D19/16—Suspension cables; Cable clamps for suspension cables ; Pre- or post-stressed cables
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D21/00—Methods or apparatus specially adapted for erecting or assembling bridges

Definitions

  • the invention relates to a device for damping oscillatory movements in a building, in particular in a bridge.
  • 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 supporting structure influence the dynamic properties of the aeroel astatic overall system, that is to say, in particular, stiffness and damping parameters. These changes occur even at constant wind speed. If the wind speed reaches a certain critical value, the structural damping of the bridge girder is canceled. With a further increase of the wind speed, a system with negative Overall attenuation occur in which a small initial shift to an increasing vibration with almost unlimited amplitude and thus leads to failure of 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.
  • Structural stabilization refers to structural measures, such as increasing the torsional rigidity of the beam or adding additional stay cables.
  • passive vibration dampers passively swinging additional masses come into consideration, which are referred to as absorber.
  • 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.
  • the active mechanical flutter control for example, the torsional vibration of the bridge girder is checked by an additionally applied torsional moment.
  • the additional torsional moment is generated by horizontally displaceable damper masses in the bridge girder.
  • the aforementioned devices have, inter alia, the disadvantage of a relatively large energy requirement and thereby reduced reliability.
  • the invention has for its object to provide a device for damping vibrations in construction and structures that suppresses externally induced vibrations at high reliability with simple means and the lowest possible power input energy and the critical wind speed for self-induced oscillations (eg flutter) effectively elevated. Both torsional vibrations and vibrations in certain directions should be suppressed.
  • the device according to the invention serves to dampen vibrations on structures. It has at least one aerodynamic control surface which is rotatably and / or displaceably mounted on the building. Furthermore, at least one mechanical absorber is provided, which is kinematically coupled to the control surface is.
  • the device according to the invention also referred to as an aeroelastic absorber, serves to damp vibrations in structures. It has at least one aerodynamic control surface lying in the wind, rotatable and / or displaceably mounted, which can be designed as a control sign, movable edge or wing element, wherein the control surface with the mechanical absorber is positively kinematically coupled.
  • the forcibly kinematic coupling is preferably effected by movable mechanical elements, such as gear lever or transmission gear.
  • the mechanical absorber has a spring member which applies a restoring force to a predetermined position on the mechanical lifter.
  • the mechanical absorber is a vibratory secondary system that has a favorable influence on the vibration behavior of the structure (main system).
  • the mechanical absorber is provided with at least one mass body.
  • the device according to the invention thus has no drive which makes an external power supply necessary.
  • the mechanical absorber also has a damper element in addition to the wing element.
  • the mechanical absorber is connected with its comparatively small mass via the spring element and optionally via the damper element with the building, in particular with its supporting structure. Its degree of freedom of movement is the rotation about a fixed pole relative to the structure or the displacement relative to the structure in a given direction.
  • the absorber effect is due to the inertial forces of the mass and the damping forces in the possibly added damper element.
  • Mechanical absorbers themselves have long been known.
  • the flow forces acting on the aerodynamic control surface can also act on the vibration of the mechanical absorber via the existing positive connection.
  • this influence is not required for the effectiveness of the device and, if disruptive, can be minimized by suitable storage of the control surface or otherwise.
  • the coupling between the mechanical absorber and the control surface can be made such that amplitude, phase and / or frequency relationships between a vibrational movement of the mechanical absorber and the oscillatory motion of the aerodynamic control surface can be adjusted.
  • the tuning can thus be adapted to changing operating conditions, such as a variable wind speed.
  • a controller may be provided which controls the amplitude, phase and / or frequency ratios accordingly.
  • the aerodynamic control surface can be formed as a movable edge or wing element, which connects directly to the building and is mounted rotatably about a stationary point relative to the building.
  • the aerodynamic control surface can be formed as a detached from the building sign, which is rotatably connected via pylons and / or slidably connected to the building.
  • the movement of the shield can also be performed so that a rotation about a, relative to the building, not fixed point occurs.
  • the aerodynamic control surface is designed as a wing element which protrudes freely from the structure with a section.
  • 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.
  • the wing element is formed with an arm which projects into the building and is connected there by means of a spring to the building. Wing element, arm and spring together form the mechanical absorber.
  • the arm of the wing element has a mass body at its end.
  • At least two aeroelastic absorbers are arranged in pairs on opposite sides of an axis, both Torsionsschwingungen around the axis as well as vibrations in certain directions to be damped or eradicated.
  • the attachment points are preferably distributed spatially in the building or structure.
  • Fig. 1 is a perspective view of a section of a suspension bridge
  • FIG. 2 shows a schematic view of the bridge girder in cross section with two damping devices according to the invention of a first embodiment, one on each side of the bridge girder, and FIG
  • Fig. 3 is a schematic view of a structure with a erf ⁇ ndungswashen damping device in a second embodiment, in which the control surface is offset from the building.
  • Fig. 1 shows a bridge girder 10 in the cutout, as used in suspension bridges.
  • the stiffening beam 12 is held by hanger 14 at between the masts of the bridge tensioned ropes 16.
  • Fig. 2 shows the body of the bridge girder 12 in cross section.
  • the longitudinal axis of the bridge girder is marked with 18.
  • On the side of the bridge girder are two wing elements 20, 22 which are each pivotally mounted in a bearing point 24, 26 and form the aerodynamic control surfaces.
  • the wing elements 20, 22 On its inside, in the bridge girder 12, the wing elements 20, 22 have arms 28, 30, at the ends of which in each case a mass body 32, 34 is provided.
  • each arm 28 or 30 is connected to the bridge carrier 12 via a spring element 36 or 40 and a damping element 38 or 42.
  • Wing elements 20, 22 and mass bodies 32, 34 and springs 36, 40 are each arranged so that the wing elements 20, 22 remain in a predetermined position without external force influence. A deflection of the wing elements from their rest position leads to a vibration which damps the movement of the bridge girder 12.
  • the mechanical absorber consists of several respectively involved masses (mass body 32 or 34, arm 28 or 30, wing element 20 or 22), a spring 36 or 40 and a damper element 38 and 42nd Its degree of freedom of movement is the rotation about the bearing point 24 or 26. It is excited to vibrate by vertical and torsional vibrations of the bridge carrier. 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 or 40 in the static rest position.
  • the mass of the wing elements should be as small as possible in the interest of great effectiveness of the mechanical absorber.
  • the positive kinematic coupling between the mechanical absorber and the aerodynamic control surface in this exemplary embodiment consists simply of the arm 28 or 30 connecting the two elements.
  • the absorber effect of the mechanical absorber is due to the inertial forces of the masses involved and the damping forces in the damper element.
  • the rotation of the mechanical absorber (relative to the bridge) is transferred to the aerodynamic control surface 20 or 22, which lies in the wind current and is rotatably mounted, which is assigned to the respective mechanical absorber.
  • the flow field is changed dynamically and additionally induced time-varying air forces.
  • 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, can also have other positive connections, such as transmission levers and gearboxes.
  • the tuning of the aeroelastic absorber is done 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 his degree of freedom of movement, the kinematics of zwang flourishen kinematic Ver ⁇ connections and the Contour and mass of aerodynamic control surfaces.
  • the main effect of the aeroelastic damper is to direct the flow of air on the building by a swinging movement of the aerodynamic control surface in such a way that a rocking-up is prevented and the building is stabilized.
  • Simultaneously with the control of the flow forces by the movement of the absorber can on the aerodynamic control surface acting flow forces on the existing zwang dormitore connection also act back on the vibration of the mechanical absorber.
  • this influence can have a supporting or disturbing effect.
  • this reaction can be suppressed to the mechanical absorber.
  • FIG. 1 An embodiment in which this reaction is suppressed by the storage of the control surface is shown in FIG.
  • the aerodynamic control surface of a remote from the building connected to the building by a holding device 46 plate 44.
  • the shield is rotatably mounted about a bearing point 48 in the central region of the shield.
  • the zwang consequently kinematic coupling with the interior of the bridge carrier located mechanical absorber 60 via a movable link member 50 which is selectively coupled via a link member 52 or 56 with the shield 44.
  • 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 shown in FIG. 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 fix them on one side, e.g. leeward to arrest.
  • a zwang conspiracye kinematic coupling between mechanical absorber and aerodynamic control surface which allows frequency ratios between the vibration of the mechanical absorber and the Adjust 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 link members, as shown in Fig. 3 or similar set.
  • a hinge 58 is fixedly connected to the first link member 52 and locked within a slot 54 in the second link member 50. The adjustment can thus be made steplessly by moving the swivel joint 58 in the slot 54.
  • the amplitude ratio can be stepped or continuously adjusted with a corresponding manual or continuously variable transmission.
  • 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, the axis 18 then runs in the vertical direction.
  • the aeroelastic absorber has a high degree of economic efficiency and a high degree of operational reliability due to the dispensability of external energy supply.

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Abstract

Vorrichtung zur Dämpfung oder Unterdrückung von Schwingungen an einem Bauwerk, die folgendes aufweist: mindestens eine aerodynamische Kontrollfläche, die drehbar und/oder verschieblich gelagert ist, mindestens einen mechanischen Tilger mit einem Federelement, der relativ zum Bauwerk zu Drehschwingungen oder zu Schwingungen in eine vorgegebene Richtung fähig ist, 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.

Description

Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungsbewegungen bei einem Bauwerk, insbesondere bei einer Brücke.
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 Tor¬ sionsschwingungen 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 aeroel astischen Gesamtsystems, also insbesondere Steifigkeit und Dämp¬ fungsparameter. 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.
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.
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 Bl . 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.
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.
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.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung bilden die Gegenstände der Unteransprüche 2 bis 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.
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.
Bei dem aeroelastischen Tilger wirken, zusätzlich zu den bei dem mechanischen Til¬ ger 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 Wind¬ geschwindigkeit 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, fremdindu¬ zierte Schwingungen werden unterdrückt und die kritische Windgeschwindigkeit für selbstinduzierte Schwingungen (beispielsweise Flattern) wird erhöht.
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.
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 einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die Amplituden-, Phasen- und/oder Frequenzverhältnisse entsprechend ansteuert.
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.
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 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 einer bevorzugten Weiterführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Arm des Flügelelements an seinem Ende einen Massenkörper auf.
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.
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.
Zwei bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden anhand von Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Hängebrücke und
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Brückenträgers im Querschnitt mit zwei erfin¬ dungsgemäßen Dämpfungseinrichtungen einer ersten Ausgestaltung, jeweils eine auf jeder Seite des Brückenträgers, und
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Bauwerks mit einer erfϊndungsgemäßen Dämpfungseinrichtung in einer zweiten Ausgestaltung, bei der die Kontrollfläche von dem Bauwerk abgesetzt ist.
Fig. 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. Fig. 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.
In dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel von Fig. 2 ist jeder Arm 28 oder 30 über ein Federelement 36 bzw. 40 und ein Dämpferelement 38 bzw. 42 mit dem Brücken¬ träger 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 dem Ausführungsbeispiel von Fig. 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 mecha¬ nischem Tilger und aerodynamischer Kontrollfläche besteht in diesem Aus¬ führungsbeispiel einfach aus dem beide Elemente verbindenden Arm 28 bzw. 30. Die Tilgerwirkung des mechanischen Tilgers entsteht durch die Trägheitskräfte der beteiligten Massen und die Dämpfungskräfte in dem Dämpferelement.
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.
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 erfolgt 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 Ver¬ bindungen sowie der Kontur und der Masse der aerodynamischen Kontrollflächen.
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.
Ein Ausführungsbeispiel, in dem diese Rückwirkung durch die Lagerung der Kontrollfläche unterdrückt wird, ist in Fig. 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.
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 Fig. 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.
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 Fig. 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.
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.
Im Falle eines Übersetzungsgetriebes kann das Amplitudenverhältnis abgestuft oder stufenlos mit einem entsprechenden Schaltgetriebe oder stufenlosen Getriebe eingestellt werden.
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.
Der aeroelastische Tilger besitzt als besonderen Vorzug, bedingt durch die Entbehrlichkeit externer Energieversorgung, einen hohen Grad an Wirtschaft¬ lichkeit und ein hohes Maß an Betriebssicherheit.

Claims

A n s p r ü c h e:
1. Vorrichtung zur Dämpfung oder Unterdrückung von Schwingungen an einem Bauwerk, die folgendes aufweist:
mindestens eine aerodynamische Kontrollfläche (20, 22; 44), die drehbar und/oder verschieblich gelagert ist, mindestens einen mechanischen Tilger (60) mit einem Federelement
(36, 40), der relativ zum Bauwerk zu Drehschwingungen oder zu
Schwingungen in eine vorgegebene Richtung fähig ist, 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.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Tilger mindestens einen Massekörper (32, 34) besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Tilger zusätzlich zu dem Federelement ein Dämpferelement (38, 42) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwangläufige kinematische Kopplung zwischen mechanischem Tilger und Kontrollfläche durch bewegliche mechanische Elemente, wie beispielsweise Übersetzungshebel, Übersetzungsgestänge (50, 52, 56) oder Übersetzungsgetriebe hergestellt wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen mechanischem Tilger und Kontrollfläche ein Einstellen eines Amplituden- und/oder Phasen- und/oder Frequenzverhältnisses zwischen der Schwingung des mechanischen Tilgers und der Schwingung der aerodynamischen Kontrollfläche erlaubt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung ein Gestänge mit einem ersten Gestängeglied (52 oder 56) und einem zweiten Gestängeglied (50) aufweist, wobei das Amplitudenverhältnis durch die Lage eines Verbindungspunktes (58) zwischen den Gestängegliedern (50, 52, 56) einstellbar ist und das Phasenverhältnis durch die Lage eines Verbindungspunktes des Gestänges (52 oder 56) mit der Kontrollfläche (44) einstellbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, die Amplituden- Phasen- und/oder Frequenzverhältnisse ansteuert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als aerodynamische Kontrollfläche eine bewegliche Kante oder ein Flügelelement (20, 22) vorgesehen ist, das mit einem Abschnitt frei aus dem Bauwerk vorsteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelelement (20, 22) in einem Lagerpunkt (24, 26) drehbar gelagert ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelelement mit seiner zu beiden Seiten des Lagerpunkts (24, 26) angeordneten Masse den mechanischen Tilger bildet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelelement (20, 22) einen Arm (28, 30) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügel¬ element (20, 22), der Arm und das Federelement den mechanischen Tilger bilden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (28, 30) an seinem freien Ende einen Massenkörper (32, 34) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als aerodynamische Kontrollfläche ein vom Bauwerk abgesetzter Schild (44) vorgesehen ist, der über Haltevorrichtungen (46) mit dem Bauwerk (12) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Bauwerk abgesetzte Schild (44) drehbar und/oder verschieblich gelagert ist, wobei die Bewegung des Schilds so geführt wird, dass eine Drehung um einen, bezogen auf das Bauwerk, ortsfesten oder nicht ortsfesten Pol eintritt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die aerodynamische Kontrollfläche wirkenden Strömungskräfte auf die Schwingungen des mechanischen Tilgers zurückwirken.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die aerodynamische Kontrollfläche wirkenden Strömungskräfte, durch Wahl einer geeigneten Lagerung der Kontrollfläche, auf die Schwingungen des mechanischen Tilgers nicht zurückwirken.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17 rückbezogen auf 14 und 15, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass als aerodynamische Kontrollfläche ein vom Bauwerk abgesetzter Schild vorgesehen ist, der so gelagert ist, dass die Bewegung des Schilds als Drehung um einen Pol im mittleren Bereich des Schilds erfolgt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Tilger über zwei zwangläufige kinematische Kopplungen mit zwei aerodynamischen Kontrollflächen gekoppelt ist, die paarweise auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Bauwerksachse (18) angeordnet sind, wobei sowohl Rotationsschwingungen um die Achse (18) als auch Schwingungen in vorgegebener Richtung, insbesondere in Richtung senkrecht zur Verbindungslinie der beiden Kontrollflächen, gedämpft oder getilgt werden.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei aerodynamische Kontrollflächen mit jeweils zugehöri¬ gen mechanischen Tilgern und deren kinematischen zwangläufϊgen Kopplung paarweise auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Bauwerksache (18) angeordnet sind, wobei sowohl Rotationsschwingungen um die Achse (18) als auch Schwingungen in vorgegebener Richtung, insbesondere in Richtung senkrecht zur Verbindungslinie zweier gegenüberliegender Kontrollflächen, gedämpft oder getilgt werden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kontrollflächen arretiert ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei mechanische Tilger durch eine zwangläufige kinematische Kopplung miteinander gekoppelt sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zwangläufige kinematische Kopplung der mechanischen Tilger eine Übersetzungseinrichtung aufweist, die ein Einstellen und Steuern von Amplituden-, Phasen- und/oder Frequenzverhältnissen erlaubt.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden mechanischen Tilger mehrere Federelemente vorgesehen sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden mechanischen Tilger mehrere Dämpferelemente vorgesehen sind.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente und/oder die Dämpferelemente an unterschiedlichen Punkten befestigt sind.
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