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.