Verkehrsinfrastruktur, VIF2012

Toll Gantries

Schwingungsreduktion bei Überkopfkonstruktionen

LKW-Mautanlagen sind Überkopf-(ÜK)-Stahlbaukonstruktionen, welche die Autobahnbreite z. T. ohne Mittelsteher überspannen und aufgrund geringer Eigenfrequenzen und Biegesteifigkeit anfällig für windinduzierte Schwingungen (Galloping) sein können. Im Resonanzfall können die Biegeschwingungen des Querträgers (Riegelprofil) Amplituden in der Größenordnung von 0,5 m erreichen und dadurch die Struktur schädigen. Bei einigen Mautstationen kam es sogar zum Bruch von Schrauben, welche die einzelnen Riegelelemente miteinander verbinden.
Ziele der Arbeit sind die Ursachenfindung für die Vibrationen und aufgetretenen Schäden, die Erstellung von mathematisch-analytischen sowie numerischen Berechnungsmethoden und die Erarbeitung von technisch und finanziell umsetzbaren Verbesserungsmaßnahmen für bestehende und zukünftige Anlagen. Dies erfolgt mittels Literaturrecherche, schadensanalytischer und bruchmechanischer Verfahren, mathematisch-analytischer Methoden sowie von FEM-Berechnungen, CFD-Simulationen und schließlich gekoppelter FEM-CFD-Analysen (FSI ‒ Fluid Structure Interaction).
Zunächst erfolgt eine Sichtung der internationalen Literatur über ähnliche Schadensfälle und Berechnungsmethoden für Galloping, das Studium vorhandener Festigkeitsnachweise des Herstellers, Einlesen in die geltenden Richtlinien, sowie die Beobachtung des Strukturverhaltens vor Ort bei unterschiedlichen Windverhältnissen und Verkehrsaufkommen. Mittels visueller Begutachtung der gebrochenen Schrauben (Auge, Stereomikroskop) kann der Bruchmechanismus festgestellt werden. In Kombination mit den Methoden der linear elastischen Bruchmechanik (bzw. falls nötig, der elastoplastischen Bruchmechanik) kann ein mathematisches Modell erstellt werden, das eine erste Abschätzung des Lastniveaus (Kraft auf die Schraube; daraus kann die Amplitude und in Folge die Strukturdämpfung der ÜK-Konstruktion abgeschätzt werden) sowie der Anzahl der Lastspiele ermöglicht.
Die mathematisch-analytische Berechnung beginnt mit einem einfachen Modell einer erzwungenen Schwingung eines translatorisch und rotatorisch elastisch-gedämpft gelagerten 2-D-Profils. Dieses Modell kann dann auf einen 3-D-Balken erweitert werden. Die jeweils anregende Auftriebskraft muss als Funktion von Windgeschwindigkeit, Balkenvertikalgeschwindigkeit, Torsionswinkel aufgrund von Windkräften auf unsymmetrisch angebrachten Anzeigetafeln, Auftriebskoeffizient und Anströmwinkel definiert werden. Steifigkeiten und Auftriebskoeffizienten können aus den nachfolgend beschriebenen FEM- und CFD-Simulationen gewonnen werden.
Für die FEM-Berechnungen wird ein 3-D-Modell der ÜK-Konstruktion mit vorgespannten Schrauben (elastisch-plastisches Materialmodell) und Kontakten zwischen den einzelnen Baugruppen erstellt. Die Dämpfung wird mittels Rayleigh- und Fugendämpfung (soweit möglich) berücksichtigt. Die Strukturlasten werden anhand bestehender Berechnungsvorschriften und 2-D-CFD-Berechnungen (entweder mit ABAQUS/CFD oder COMSOL) ermittelt. Durchgeführt werden statische, modale und dynamische FEM-Berechnungen mit ABAQUS. Die rein statische Berechnung der Konstruktion kann zeigen, ob bereits dadurch eine Werkstoffermüdung der Schrauben möglich ist, oder ob das Versagen nur durch Resonanzen erklärbar ist, weiters können daraus die die translatorischen und rotatorischen Lagersteifigkeiten der ÜK-Struktur ermittelt werden. Mit der Modalanalyse werden Eigenmoden und -frequenzen der Struktur bestimmt. Die dynamische Berechnung liefert die frequenzabhängige Strukturantwort (Amplitude, Phasenwinkel, Spannungen) bei periodischer Anregung (Galloping oder Kármánsche Wirbelstraßen). Die Ergebnisse werden den Beobachtungen sowie den Resultaten der mathematisch-analytischen Modelle laufend gegenübergestellt und miteinander abgeglichen, um eine in sich konsistente Beschreibung des Vorgangs zu gewinnen.
Anhand der gewonnenen Erkenntnisse können Verbesserungsmaßnahmen für bestehende und zukünftige ÜK-Konstruktionen abgeleitet werden. Dies kann z. B. die Nachrüstung mit Schwingungstilgern sein. Möglich sind auch alternative Werkstoffe, veränderte Trägeranbindung, Einflussnahme auf die Eigenfrequenzen oder Adaptionen an den montierten Anzeigetafeln.
Die Dokumentation aller durchgeführten Arbeiten, Erkenntnisse und Verbesserungsvorschläge erfolgt in einem detaillierten Technischen Bericht.

zurück