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Geregelte Dämpfung von Schrägseilbrücken

Die Seile von Schrägseilbrücken neigen wegen ihrer geringen Eigendämp-fung zu Schwingungen mit grossen Amplituden. Um dies zu vermeiden, in-stallieren die Empa und die Münchner Firma Maurer Söhne magnetorheolo-gische Fluid-Dämpfer zwischen Brückendeck und Seil. Dabei wird die Dämpferkraft mittels Regelelektronik den momentanen Schwingungen an-gepasst. Dieses adaptive Dämpfungssystem ist auf der „Franjo Tudjman Bridge“ bei Dubrovnik installiert und erhöht dort die Seildämpfung um den Faktor 10.

 

„Franjo Tudjman Bridge“ nahe Dubrovnik, Kroatien

Da Seile von Schrägseilbrücken im Wesentlichen aus Stahl sind, ist ihre Eigendämpfung im Bereich von 0.6%-0.9% Logarithmisches Dekrement klein. Aus diesem Grund und weil die Seile bis zu 500 m lang sind, können bei sehr starken Stürmen Schwingungen mit bis zu 1-2 m Amplitude in Seilmitte auftreten, wie dies 2005 und 2006 auf der „Franjo Tudjman Bridge“ passiert ist. Als Folge musste die Brücke gesperrt werden und an gewissen Seilen entstand Materialschaden.

Dämpfungsmessungen auf der „Franjo Tudjman Bridge“

Im Sommer 2006 installierten Mitarbeiter der Empa und der Münchner Firma Maurer Söhne „feedback“-geregelte magnetorheologische Fluiddämpfer an fast allen Seilen der „Franjo Tudjman Bridge“ mit Ausnahme der drei kürzesten Seile. Der direkt am Dämpfer montierte Wegsensors misst die Seilbewegung und die Regelelektronik passt die Dämpferkraft den momentanen Seilschwingungen optimal an. Die Messungen auf der Brücke haben gezeigt, dass die geregelten Dämpfer nun die Seildämpfung auf ca. 9% Logarithmisches Dekrement erhöhen, wobei bereits ca. 4% Logarithmisches Dekrement genügen sollte, um wind-induzierte Seilschwingungen zu verhindern.

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Dämpfungstests an einem 228 m langen Seil in China

Die „Sutong Bridge“ über den Yangtse Fluss in China, welche mit 1080 m freier Spannweite die weltgrösste Schrägseilbrücke sein wird und 2007 fer-tig gebaut wird, soll ebenfalls mit dem von der Empa und Maurer entwickel-ten adaptiven Dämpfungssystem ausgerüstet werden. Die Seile haben hier eine Länge zwischen 150 und 540 m. Um den Bauherrn von der Effizienz dieses Dämpfungssystems zu überzeugen, führten Hans Distl der Maurer Söhne und Felix Weber der Empa ihr System im Januar 2007 in China an einem 228 m langen Seil vor, welches dem zehnten Seil auf der Brücke entspricht. Die Messungen zeigten, dass die garantierten Dämpfungswerte bei allen Tests eingehalten werden konnten.

Prinzipskizze (a), Ansicht mit induktivem Weggeber (b), und Kennfeld (c)
MR-Dämpfer sind zylindrische Öldämpfer, wobei das Öl kleinste magnetisierbare Partikel enthält. Diese Suspension muss wie bei herkömmlichen Dämpfern bei einer Bewegung des Dämpferkolberns durch den Ringspalt fliessen. Wird dort ein Magnetfiled, verklumpen die Partikel wodurch der Durchflusswiderstand je nach Magnetfeldstärke regelbar ist. Daraus resultiert am Dämpferkolben eine regelbare Reibkraft, überlagert von einer relativ kleinen viskosen Kraft, die durch die Ölzähigkeit gegeben und daher nicht regelbar ist.
Seilprüfstand mit MR-Dämpfer an der Empa (a,b); gemessene Dämpfung resultierend aus "cycle energy control" (CEC) und Konstantstrom
Für maximale Seildämpfung muss das Niveau der regelbaren Reibkraft proportional zur Seilamplitude am Ort des Dämpfers geregelt werden. Der Proportionalitätsfaktor wird so gewählt, dass die gesamte dissipierte Energie aus regelbarer Reibdämpfung und nicht regelbarer viskoser Dämpfung gleich der Energie des theoretischen optimalen, linear-viskosen Dämpfers ist. Da nicht direkt die Dämpferkraft sondern die Dämpferenergie pro Schwingzyklus geregelt wird, ist dieses Konzept „cycle energy control“ (CEC) genannt. Die Dämpfung resultierend aus dem CEC-Konzept ist am Seilprüfstand an der Empa mittels Aufschwingversuche gemessen und mit der Dämpfung resultierend aus Konstantstrom verglichen. Die Messungen zeigen, dass:

Konstantstrom erzeugt stark amplitudenabhängige Seildämpfung da der Reibkraftanteil des MR-Dämpfers unabhängig von der Seilschwingung konstant gehalten wird. Bei kleinen Seilschwingungen führt dies sogar dazu, dass der MR-Dämpfer das Seil festhält womit das Seil wie ohne Dämpfer schwingt.
CEC erzeugt amplitudenunabhängige Seildämpfung solange die vom Regler gewünschte Zyklusenergie vom MR-Dämpfer realisiert werden kann. Ist die gewünschte Zyklusenergie kleiner als die Minimale bei 0 A, so ist die MR-Dämpferkraft zu gross weshalb die Seildämpfung bei Amplituden kleiner als 2 mm stark abfällt. Dieses „Offset-Verhalten“ der MR-Dämpfer verunmöglicht zwar die optimale Bedämpfung von ganz kleinen Schwingungen, dafür produziert diese Grundreibung der MR-Dämpfer auch bei Stromausfall eine gewisse Seildämpfung.
Die Dämpfungslinie resultierend aus CEC bildet die Envelope der Dämpfungsmaxima bei Konstantstrom. Dies zeigt, dass CEC die MR-Dämpferkraft für jede Seilamplitude optimal regelt.
 
Kontakt: Dr. Felix Weber
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