Unterdrückung von böen- und wirbelinduzierten Brückenschwingungen durch aerodynamische Kontrollflächen
Final Report Abstract
Lange und schlanke Brücken können durch Wind zu Schwingungen angeregt werden. Es ist zu unterscheiden zwischen Flatterschwingungen, die zum Stabilitätsversagen führen können und störinduzierten Schwingungen, die durch Böen und Wirbelablösungen entstehen und nur die Gebrauchsfähigkeit der Brücke beeinträchtigen. In jüngsten Forschungsvorhaben am hiesigen Institut wurde die Unterdrückung von Flatterschwingungen durch gezieltes Einleiten von zusätzlichen Kräften mit Hilfe von außen angebrachten Kontrollflächen erforscht. Rechnerische und experimentelle Untersuchungen belegten die Wirksamkeit der Vorrichtung zur Erhöhung der Flatterstabilität. Das Verhalten dieser Kontrollflächen bei störinduzierten Schwingungen bzw. ihr Einfluss auf diese war jedoch unbekannt. Gegenstand des hier beschriebenen Forschungsvorhabens war die rechnerische und experimentelle Untersuchung von aerodynamischen Kontrollflächen zur Unterdrückung von böen- und wirbelinduzierten Schwingungen von Brücken. Aerodynamische Vorrichtungen, die ursprünglich für den Einsatz zur Flatterkontrolle konzipiert wurden, sollten in ihrer Funktionsweise bei störinduzierten Schwingungen untersucht und gegebenenfalls optimiert bzw. erweitert werden. Mit dem geplanten Vorhaben in der jungen Forschungsdisziplin der Schwingungskontrolle von Brücken sollten Grundlagen für den baupraktischen Einsatz geschaffen werden. In den experimentellen Untersuchungen konnten keine negativen Erscheinungen von turbulenten Strömungen auf die Vorrichtung beobachtet werden. Der aeroelastische Tilger ist in laminarer wie auch in turbulenter Strömung effektiv in der Unterdrückung von Flatterschwingungen. Jedoch ist die Einsatzfähigkeit der Vorrichtung zur Dämpfung von böen- und wirbelinduzierten Schwingungen bei dem jetzigen Erkenntnisstand nicht gegeben. Durch die Forschungsarbeiten konnten aber neue Erkenntnisse gewonnen werden, die zu einer weiteren Optimierung des passiven Systems zur Flatterunterdrückung geführt haben. Der aeroelastische Tilger, der zuvor eine Steigerung der kritischen Windgeschwindigkeit bei einem untersuchten System um 20% hervorrufen konnte, ist nunmehr dermaßen effektiv, dass Flatterschwingungen im Bereich der möglichen Windgeschwindigkeiten im Windkanal erst gar nicht auftreten. Dies entpricht einer Steigerung von mindestens 100%. 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 Kontrollflächen an den Querschnittsenden und der Einbau eines passiven Getriebes dürfte in einer Vielzahl von Fällen wirtschaftlicher sein. Die Ergebnisse in Bezug auf die Dämpfung von böen- und wirbelinduzierten Schwingungen haben nicht die Erwartungen erfüllt. Insofern ist bei dem jetzigen Erkenntnisstand die Einsatzfähigkeit der Vorrichtung in diesem Bereich nicht gegeben.
