Eine instrumentierte geregelte Brücke: experimentelle Strukturmechanik im Massstab 1:1 an der Empa

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Elmar Böhmer
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1 Ene nstrumenterte geregelte Brücke: expermentelle Strukturmechank m Massstab 1:1 an der Empa Autor(en): Objekttyp: Gsell, Danel / Weber, Felx / Feltrn, Glauco / Motavall, Masoud Artcle Zetschrft: Tec21 Band (Jahr): 129 (2003) Heft 19: Adaptve Werkstoffsysteme PDF erstellt am: Persstenter Lnk: Nutzungsbedngungen De ETH-Bblothek st Anbetern der dgtalserten Zetschrften. Se bestzt kene Urheberrechte an den Inhalten der Zetschrften. De Rechte legen n der Regel be den Herausgebern. De auf der Plattform e-perodca veröffentlchten Dokumente stehen für ncht-kommerzelle Zwecke n Lehre und Forschung sowe für de prvate Nutzung fre zur Verfügung. Enzelne Dateen oder Ausdrucke aus desem Angebot können zusammen mt desen Nutzungsbedngungen und den korrekten Herkunftsbezechnungen wetergegeben werden. Das Veröffentlchen von Bldern n Prnt- und Onlne-Publkatonen st nur mt vorherger Genehmgung der Rechtenhaber erlaubt. De systematsche Specherung von Telen des elektronschen Angebots auf anderen Servern bedarf ebenfalls des schrftlchen Enverständnsses der Rechtenhaber. Haftungsausschluss Alle Angaben erfolgen ohne Gewähr für Vollständgket oder Rchtgket. Es wrd kene Haftung übernommen für Schäden durch de Verwendung von Infor aus desem Onlne-Angebot oder durch das Fehlen von Infor. Des glt auch für Inhalte Drtter, de über deses Angebot zugänglch snd. En Denst der ETH-Bblothek ETH Zürch, Rämstrasse 101, 8092 Zürch, Schwez,

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2 Danel Gsell, Felx Weber, Glauco Feltrn, Masoud Motavall Ene nstrumenterte geregelte Brücke Expermentelle Strukturmechank m Massstab 1:1 an der Empa An Brücken und anderen Tragkonstruktonen werden n Zukunft vermehrt adaptve Dämpfungs systeme für schwngende Komponenten zum Ensatz kommen. Gegenwärtg snd de erforder lchen strukturdynamschen Kenntnsse aber noch unvollständg. Um das Verhalten realer gedämpf ter Strukturen zu erforschen, wrd an der Empa Dübendorf ene mt Sensoren nstrumenterte «ntellgente» Versuchsbrücke entwckelt. Der Ensatz moderner, hochfester Werkstoffe erlaubt de Konstrukton von wet gespannten, schlanken Brücken (Bld 4). Des führt zu eleganten Bauwerken, de jedoch durch Wnd und Verkehr lecht n Schwn gungen versetzt werden können. Frühzetge Ermü dungsschäden und ene Verunscherung der Benutzer bezüglch der Scherhet solcher Brücken snd de Folge. In der Forschung werden für de Lösung deser Probleme de folgenden Ansätze untersucht: - Zustandsüberwachung mttels Sensoren (sehe Kas ten) und Computermodellen - Aktve Schwngungsdämpfung mttels geregelter Aktoren (sehe Kasten). Adaptves Dämpfungssystem An der Abtelung Ingeneur-Strukturen der Empa Dübendorf wrd zurzet en adaptves Dämpfungs system für schwngende Brückensele entwckelt. Es wrd versucht, de Schwngungen mttels enes regel baren Dämpfers möglchst wrksam zu reduzeren (Bld 3). Aufgrund des aktuellen Schwngungszustandes des Seles wrd computergestützt de optmale Dämp ferkraft berechnet und n enem geschlossenen Regel kres engestellt. Im Verglech zum Sel mt ncht gere geltem Dämpfer konnte so am Prüfstand bs anhn ene Schwngungsredukton von bs zu 36% verfzert wer den (Bld 2). Von Labormessungen zum realen Verhalten Um de Strukturdynamk und den Ensatz verschede ner Dämpfungsstrategen besser erforschen zu können, wrd m Labor der Abtelung Ingeneur-Strukturen ene Schrägselbrücke mt 20 m Spannwete gebaut (Bld 1). De wchtgsten heute und n nächster Zukunft technsch engesetzten Sensoren und Aktoren Sensor Beschleungungsgeber Weggeber Negungsmesser Kraftgeber Dehnmess-Strefen (DMS) Optsche Faser Pezoelektrsche Faser Temperaturgeber Aktor Hydraulsche, pneumatsche Zylnder Elektrodynamsch angetrebene Aktoren Passve Dämpfer (m wetesten Snn Kunst stoffe oder Flude) Regelbare Dämpfer, z. B. magnetorheologsche oder elektrorheologsche Fluddämpfer Pezoaktoren Elektroaktve Polymere Formgedächtnslegerungen Wozu Detekton von Vbratonen, Schwngungen Detekton von Verschebungen Detekton von Wnkeln, Krümmungen Detekton von Kräften (n der Regel zwschen Aktor und Struktur) Detekton der Temperatur (notwendg be Schadensdetekton über Veränderung von Modalparametern) Wozu/Wrkungswese Aktve Beenflussung der Struktur mög lch, wenn de Zylnderkraft geregelt wrd Auch als passver Dämpfer ensetzbar, wenn de Zylnderkraft konstant blebt Aktve Beenflussung der Struktur möglch Schneller Aktor Nur passve Beenflussung der Struktur möglch, es kann also nur Energe aus der Struktur dsspert (vernchtet) werden Dämpfungskraft gegeben durch das ver wendete Materal Nur passve Beenflussung der Struktur möglch, es kann also nur Energe aus der Struktur dsspert (vernchtet) werden De Dämpfungskraft kann m Berech zw schen der Grundrebung und der maxma len Scherfestgket des verwendeten Fluds über den Strom (magnetorheolog sche Dämpfer) bzw. über de Spannung (elektrorheologsche Dämpfer) engestellt werden Anwendung als Schalter für On/Off- Betreb Geegnet für klene Kräfte und grosse Defor Anwendung für On/Off-Betreb 16 tec21

Um das Verhalten realer gedämpf ter Strukturen zu erforschen, wrd an der Empa Dübendorf ene mt Sensoren nstrumenterte «ntellgente» Versuchsbrücke entwckelt.

3 Egenmode Adaptve "Tuned-Mass-Dampers" Vbratonsdämpfung: Aktve Beenflussung enes Sekundärkabels Ft) fzjmm \ 20 -aser Opt sehe Sensoren ne Messung von: Deh ung en gen Aktve Beenflussung der Randbedngungen Semaktve Schwngungsdämpfung elektro- bzw. magnetrheologesche Dämpfer 1 Schematsche Darstellung des geplanten Schrägsel-Brckenmodells m Labor der Empa mt möglchen Instrumenterungen S x 10 ' lgke 5 b ö tr 04 Q CO OL 2 E 0 ' Redukton \ ' 30 [%] ~J^~ L\*V w J "" Frequenz [Hz] r Redukton 36 [%] 3. \> x 10 8 ^6 CO > 4 Q W LL 2 s (1) e o,» "" ' " 3. Egenmoc - / Frequenz [Hz] e MR Dämpfer passv MR Dämpfer aktv 1 -A_ Expermentelle Ergebnsse: Verglech zwschen adaptver und passver Dämpfung (Blder: Empa Dübendorf) tec21 19/

$\ ' 30 [%] ~J^~ L\*V w J "" - 6 7 8 Frequenz [Hz] r Redukton 36 [%] 3. \> 10 11 x 10 8 ^6 CO > 4 Q W LL 2 s (1) e o,» "" ' " 3. Egenmoc - /-.$

4 ' m 1 : -_.:: - gssm zusätzlche Massen 4 Typsches Bespel ener Schrägselbrücke: Erasmus-Brücke n Rotterdam. Oben rechts snd de vskosen Dämpfer abgebldet, de zur Mnderung der Kabelschwngungen nstallert wurden (Blder: Empa Dübendorf) BBHB Beschleungungssensor Kraftsensor f: Ä MR Dämpfer RD damper pston> magnel x':.- Hearng & sea '.'. '..:.:.:,..._, Japhragm cynde Adaptve Dämpfung der Selschwngungen mt magnetorheologschen Dämpfern (MR-Dämpfer), Teststand an der Empa Dübendorf, ' I. -T." r».nhwn **M XPW Cx umfku *,, I J.;/. /«/«. >MAty- -:- WS. v ',<.:

Beschleungungssensor Kraftsensor f: Ä MR Dämpfer RD-1005-3 damper pston> magnel x':.- Hearng & sea '.'. '..:.:.:,.

5 De Brücke stellt en Bndegled zwschen Laborexper menten an enfachen Tragelementen und den komple xeren realen Tragwerken mt all hren Umweltenflüs sen dar. Es handelt sch dabe um en modulares Fussgängerbrücken-System, be dem de Brückenplatte aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gefertgt wrd. De System- und Materalwahl st so getroffen, dass am Tragwerk Schwngungsprobleme untersucht werden können. Es st vorgesehen, optsche und pezoelektrsche Fasern als permanente Sensoren n de GFK-Platten, de Sele und den Pylon zu ntegreren. Solche Sensoren wesen als Vortele auf, dass se durch das Bautel mechansch geschützt snd, Temperaturenflüsse enfach kompen sert werden können und dass se über lange Zet stabl snd. Zusätzlch können m Fall der faseroptschen Sen soren mt ener Faser mehrere Messstellen realsert werden. De Sensoren denen der Messung von Deh nungen an dversen defnerten Punkten der enzelnen Bautele. Baserend auf desen aktuellen Messdaten werden Systemparameter bestmmt, welche ene permanente Überwachung des materaltechnologschen Zustandes des Systems ermöglchen. Dadurch sollen Struktur schäden frühzetg erkannt und gegebenenfalls entspre chende Massnahmen engeletet werden können. De Messdaten werden auch für de Regelung von Aktoren verwendet. So kann aktv n den Systemzustand enge grffen werden, um Schwngungen effzent zu dämp fen. Ncht zuletzt soll dese Brücke auch als Schulungs objekt verwendet werden. Se betet de enzgartge Möglchket, Studenten und nteresserte Fachleute m Massstab 1:1 n den expermentellen Methoden der Strukturdynamk auszublden. Dr. Danel Gsell. dpl. Baung. ETH Dr. Felx Weber, dpl. Maschnenng. ETH Dr. Glauco Feltrn, dpl. Baung. ETH Abtelung Ingeneur-Strukturen. Empa Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf Danel.Gsell@empa.ch Felx.Weber@empa.ch Glauco. Feltnn@empa.ch Dr. sc. techn. Masoud Motavall dpl. Baung. ETH/SIA Leter der Abtelung für Ingeneur-Strukturen, Empa Überlandstrasse 129, 8600 Dübendorf Masoud.Motavalh@empa.ch Wers schneller mag, mag ADSL Der Expresszugang ns Internet st jetzt auch der schnellste Weg zu desen Vortelen: ''je Aufschaltgebühr von CHF 149.-, surfen zum Fxpres, mmer onlne, glechzetg telefoneren und surfen und Anmeldung über Grats-Telefon , auf und m Sw zv m.:.-. M Wl fv.upvm mnun lww) W< v-m ff #J X, -v '. ' :-X ; ;X X'* HIH» 11 l I

De System- und Materalwahl st so getroffen, dass am Tragwerk Schwngungsprobleme untersucht werden können.

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