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Freitag, 24. November 2017

Regen-Wind induzierte Schwingungen


Rinnsaale am Seilquerschnitt

Regen-Wind induzierte Schwingungen treten nur bei Regen und in einem begrenzten Bereich relativ kleiner Windgeschwindigkeiten auf. Stets war das Seil oder der Rundstab gegen die Vertikale geneigt. Es wurden Schwingungen sowohl bei Nieselregen als auch bei starkem Regen beobachtet. Die Schwingungsamplituden können ein Vielfaches des Seildurchmessers betragen.

Durch den Regen wird die Seiloberfläche mit Wasser benetzt, das infolge Wind und Schwerkraft konzentriert in einem oder zwei Rinnsalen am Seil herunter fließt. Wenn neben dem unteren Rinnsal noch ein zweites Rinnsal auf der Oberseite des Seiles existiert, kommt es zu besonders starken Schwingungen quer und ggf. auch längs zur Windanströmung. Dabei bewegen sich beide Wasserrinnsale auf der Oberfläche in der Frequenz der Seilschwingungen und führen zu einer kontinuierlichen Veränderung der Querschnittsform. Die Luftkräfte aus der Strömung werden derart verändert, dass es zu einem Energieeintrag in das System, und damit zu einer Schwingungsanregung kommt. Die entscheidende Rolle bei der Entstehung der Schwingungen spielt das obere Rinnsal. In Windkanalversuchen wurde beobachtet, dass sich ein oberes Rinnsal in einem Winkel zum Wind von ca. 20° entwickelt. Es bewegt sich in der Frequenz der Seilschwingung um diese Lage mit einer Amplitude von ca. ±20°. Eine genaue Beschreibung der Anregungsmechanismen Regen- Wind- induzierter Schwingungen befindet sich in [1].



Ermüdungsriss an der Elbebrücke Dömitz

Beobachtet wurden die Schwingungen bei verschiedenen Schrägseilbrücken u.a. an der Fred Hartman- Brücke in Houston oder der Erasmusbrücke in Rotterdam. Eine Langzeitstudie über die Schwingungen an der Fred Hartman Brücke wird in [2] vorgestellt. Aber auch leicht geneigte Hänger von Bogenbrücken wie z.B. an der Elbebrücke bei Dömitz können betroffen sein [3]. An der Elbebrücke Dömitz führten die Schwingungen innerhalb kurzer Zeit zu Ermüdungsanrissen an den Hängeranschlüssen. Des Weiteren sind auch die Abspannseilen von Masten gefährdet. Bei der Funksendestelle Neuharlingersiel traten an den Pardunen des Mastes so starke Schwingungen auf, dass die Besatzung die Plattform fluchtartig verlassen musste.

Zur Berechnung von Regen- Wind induzierten Schwingungen existieren verschiedene numerische Modelle, die sich im Wesentlichen in der Anzahl der Schwingfreiheitsgrade für die Seil- und  Rinnsalbewegung und von der Beschreibung der darauf wirkenden Luftkräfte unterscheiden. Ein einfaches Modell basiert dabei auf einer Gallopinganregung eines Einmassenschwingers [4]. Der Einmassenschwinger simuliert die Bewegung des Seilkörpers in der Seilebene. Die Schwingung des Rinnsals auf der Seiloberfläche wird dabei nicht berücksichtigt. Auf den Seilkörper wirken quasi-stationäre Luftkräfte, die sich wie beim Galloping in Abhängigkeit der Seilbewegung verändern und diesen zum Schwingen anregen.


Modell mit 4 Freiheitsgraden

Ein aufwendigeres Modell ist beispielsweise im Bild rechts zu sehen. In diesem System kann der ebene Seilquerschnitt Bewegungen in zwei Richtungen ausführen, während zwei Rinnsaale auf der Seiloberfläche um den Mittelpunkt pendeln können. Auch hier werden die Luftkräfte über die quasi-stationäre Theorie beschrieben. Sie hängen aber gegenüber dem anderen Modell zusätzlich von der veränderlichen Position der Rinnsale auf der Seiloberfläche ab [5].  

Regen- Wind induzierte Schwingungen können die Lebensdauer eines Bauwerks massiv einschränken. Zur Verhinderung von Schäden bestehen im Wesentlichen zwei Möglichkeiten. Zum einen kann mit Hilfe von Oberflächenprofilierungen der Seile die Ausbildung bzw. die freie Bewegung der Rinnsale auf der Seiloberfläche verhindert werden. Damit wird der Anregungsmechanismus der Schwingungen gestört. Zum anderen können die Schwingungen durch das Anbringen von Schwingungsdämpfern oder Störseilen auf einem erträglichen Niveau gehalten werden. Hilfen zu diesem Thema stehen z.B. in [6].

Literatur

  • [1] Verwiebe, C.: Erregermechanismen von Regen- Wind- induzierten Schwingungen. WTG- Berichte Nr. 5, 1997
  • [2] Main, J. A., Jones, N. P.: Full-scale measurements of stay cable vibration. Proceedings of the 10th International Conference on Wind Engineering, Copenhagen, 1999, S. 963-971
  • [3] Ruscheweyh, H., Verwiebe, C.: Regen-Wind induzierte Schwingungen von Hängern einer Stabbogenbrücke. WTG-Berichte Nr.4, 1995
  • [4] Geurts, C. P. W. , van Staalduinen, P. C.: Estimation of the effects of rain-wind induced vibration in the design stage of inclined stay cables. Proceedings of the 10th International Conference on Wind Engineering, Copenhagen, 1999, S. 885-891
  • [5] Peil, U., Nahrath,N.: Modellierung Regen-Wind induzierter Schwingungen. WTG-Berichte Nr.7, 2001
  • [6] Reusink, J. H., Kujipers, M. L. J.: Dämpfer gegen Regen- Wind induzierte Schwingungen der Schrägseile an der Erasmusbrücke, Stahlbau 67 1998, S. 768-775
Seite aktualisiert: Montag, 18. Dezember 2006