Berechnungen und Windkanalversuche zur aerodynamischen Flatterkontrolle von Brücken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Lange und schlanke Brücken können durch Wind zu Schwingungen angeregt werden, die zum Einsturz der Brücke führen können. Dieses Phänomen, auch Flattern genannt, kann selbst bei niedrigen Windgeschwindigkeiten auftreten, wie geschehen beim Einsturz der Tacoma Narrows Brücke 1940 bei einer moderaten Windgeschwindigkeit von 17,8 m/s, und ist hauptsächlich abhängig von dem Brückenquerschnittsprofil und den strukturellen Eigenschaften des Brückentragwerks. Daher werden in der Rege) das Querschnittsprofil, die Staiktureigenschaften oder deren Kombination hinsichtlich der Flatterunterdrückung optimiert. Bei sehr langen Brücken kann dies jedoch zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führen. Ein Alternativorschlag zur Erhöhung der Flattergeschwindigkeit ist eine Vorrichtung mit am Brückenprofil angebrachten beweglichen Kontrollflächen, die das Windströmungsfeld in vorteilhafterweise je nach Schwingungszustand modifizieren und somit zu einer aerodynamischen Dämpfung der Brückenschwingungen führen. Gegenstand des hier beschriebenen Forschungsprojekts war die analytische, numerische und experimentelle Untersuchung der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Unterdrückung aeroelastischer Instabilitäten (Flattern, Torsionsdivergenz) bei Brücken. Die analytisch ermittelten Ergebnisse unter der Annahme einer unendlich dünnen Platte zeigten, dass eine grundsätzliche Stabilitätssteigerung durch bewegliche Kontrollflächen erreicht werden kann. Mit Kontrollflächenbreiten von etwa 20 % der halben Brückenbreite und negativen Amplitudenverthältnissen von etwa -2,0 zwischen den Hauptträgerschwingungen und den Kontrollflächendrehungen können sogar Flatterschwingungen ausgeschlossen werden. Die maßgebende kritische Windgeschwindigkeit wird somit die für die Torsionsdivergenz, die jedoch bei dieser Konfiguration leicht abfällt. Somit ist eine Stabilisierung bis zur geringfügig reduzierten Torsionsdivergenzgrenze möglich. Bei den untersuchten Systemen tag die Stabilitätssteigerung zwischen 20 und 45 %. Windkanalversuche an einem Trapezprofil zeigten ebenfalls eine Eliminiemng der Flattergeschwindigkeiten, zumindest bis zu der maximal möglichen Windgeschwindigkeit im Windkanal. Jedoch war die optimale Getriebekonfiguration unterschiedlich zu der analytisch ermittelten Konfiguration, insbesondere hinblicklich der Amplitudenverhältnisse. Des Weiteren zeigten Untersuchungen, dass durch phasenversetzte Kontrollflächenschwingungen und durch abgesetzte Windströmungsspalte zwischen den bewegten Kontroltflächen und dem Brückenhauptträger Wirbel- bzw. Turbulenzerscheinungen auftreten, die sich wiederum stabilisierend auf die Flatterschwingungen auswirken, aber auch näher untersucht werden müssen. Der aeroelastische Tilger wurde in verschiedenen Ausführungen nur für das Flatterproblem untersucht. Jedoch treten bei Brückenbauwerken weitere windbezogene Probleme auf, wie z.B. wirbelerregte und böeninduzierte Schwingungen. Die Eignung des aeroelastischen Tilgers bzw. einer gegebenenfalls erweiterten Ausführung wird in dem laufenden Forschungsvorhaben „Unterdrückung von böen- und wirbelinduzierten Brückenschwingungen durch aero-dynamische Kontrollflächen" untersucht, welches sich auf den hierin beschriebenen Forschungsarbeiten stützt Der aeroelastische Tilger kann in zukünftigen Brückenbauwerken mit mittleren bis sehr großen Spannweiten eingesetzt werden, um die Flatterstabilität zu gewährleisten. Insbesondere bei den sogenannten „super-long-bridges", also Brücken mit extremen Spannweiten, sind die herkömmlichen Methoden mittels Profil- und Querschnittsoptimierungen, nicht mehr ausreichend bzw. führen zu sehr unwirtschaftlichen Ergebnissen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Ertüchtigung von existierenden Brücken. Nachträgliche Querschnittsänderungen sind in der Regel sehr kostenintensiv. Die Anbringung von Kontrollftächen an den Querschnittsenden und der Einbau eines passiven Getriebes dürfte in einer Vielzahl von Fällen wirtschaftlicher sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "A novel aero-elastic damper for long-span bridges." Proceedings, I2th International Conference on Wind Engineering, Caims, Australien, 1.-6. Juli 2007, Vol. 2,2167-2174
Starossek, U.; Aslan, H.
- (2008). "Passive control of bridge deck flutter using tuned mass dampers and control surfaces". Proceedings, 7th European Conference on Structural Dynamics - Eurodyn 2008, Southampton, U.K., July 7-9, 2008
Starossek, U.; Aslan, H.
