Monitoringgestützte Analyse von Schwingungsdämpfern in Turmbauwerken

Sind in der Bemessungspraxis von Bauwerken dynamische Untersuchungen durchzuführen, so lässt sich das maßgebende dynamische Tragverhalten der betrachteten Struktur häufig durch eine begrenzte Anzahl von Eigenschwingungen hinreichend genau beschreiben. Verschiedenste Umstände wie Einschränkungen durch den Betrieb und Platzbedarf oder auch ästhetische Anforderungen führen jedoch unter Umständen dazu, dass komplexere baudynamische Untersuchungen erforderlich werden. Insbesondere bei der Beschreibung des Schwingungsverhaltens von schlanken Bauwerken, wie Türmen, Masten oder schlanken Brückenbauwerken, kann es erforderlich sein, auch Eigenschwingungen höherer Ordnung in die Analysen einzubeziehen. Durch die Möglichkeit des Einsatzes moderner, hochfester Werkstoffe ist in den letzten Jahren ein fortschreitender Trend zu leichteren und schlankeren Konstruktionen zu beobachten. Die Reduzierung der Bauwerksmasse verringert TrägheitsSchlanke Bauwerke, wie Türme und Masten, zeigen oft ein unerwünschtes dynamisches Verhalten, wenn sie zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt sind. Eigenschwingungen höherer Ordnung sowie Resonanzphänomene zwischen den einwirkenden dynamischen Lasten und der Struktur können zu beträchtlichen Bauwerksschwingungen führen. Zur Reduzierung solcher Schwingungen werden häufig Schwingungsdämpfersysteme eingesetzt. Ein Schwingungsdämpfer ist ein Feder-Masse-Dämpfer-System, dessen dynamische Eigenschaften so auf das Bauwerk abgestimmt sind, dass die Trägheitskräfte den Bauwerksschwingungen durch einen Phasenversatz der Relativbewegung zwischen Bauwerk und Schwingungsdämpfer optimal entgegenwirken und diese reduzieren. Die Bemessung von Schwingungsdämpfern erfolgt entweder auf Grundlage numerischer Berechnungen oder durch Schwingungsversuche zur Ermittlung der dynamischen Eigenschaften des Bauwerks. Während der Lebensdauer eines Bauwerks können sich jedoch die dynamischen Eigenschaften, beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen, ändern, sodass die Wirksamkeit der Schwingungsdämpfer herabgesetzt wird. Im vorliegenden Beitrag wird eine Methode zur Beurteilung der Wirksamkeit von Schwingungsdämpfern unter Verwendung von Daten aus einem Structural-Health-Monitoring-(SHM-)System vorgestellt. Die Funktionalität des Schwingungsdämpfers wird durch Betrachtung des Phasenversatzes zwischen den Schwingungen des Bauwerks und des Dämpfers untersucht, wobei ein optimaler Dämpfungseffekt bei einer Phasenverschiebung von annähernd 90° zwischen diesen beiden Schwingungsantworten erwartet wird. Die vorgeschlagene Methode wird am Beispiel eines mit Schwingungsdämpfer und SHMSystem versehenen Sendeturms validiert.

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