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Abstract (German)

Durch den Einsatz innovativer Materialien einerseits, leistungsfähigerer Rechenverfahren andererseits ist ein Trend hin zu immer leichteren und architektonisch anspruchsvolleren Brückenkonstruktionen zu beobachten. Insbesondere bei leichten Schrägseil- und Hängebrücken wurden in den letzten Jahren verstärkt Schwingungsanfälligkeiten beobachtet. Als Ursache für die Anregung von Schwingungen treten außer personen- bzw. verkehrsinduzierten vorwiegend windinduzierte Schwingungen auf. Besonders problematisch ist die Gefahr der aeroelastischen Instabilität.

Ein besonderes Phänomen dieser Instabilität ist das Biege-Torsionsflattern, das zum einen durch sehr niedrige und eng beieinander liegenden Eigenfrequenzen, zum anderen durch aeroelastisch ungünstige Querschnittsformen hervorgerufen wird. Ausgangspunkt der entwickelten Verfahren bildet die Formulierung selbsterregter Kräfte mittels Flatterderivativen nach SCANLAN.

Die Untersuchung einer Brückenstruktur teilt sich in zwei wesentliche Phasen:

Zunächst sind die aeroelastischen Querschnittseigenschaften zu identifizieren, welche in Form von Flatterderivaten in die Struktursimulation einfließen. Hierzu werden Identikationsstrategien auf Basis numerischer Strömungssimulationen entwickelt und der momentan üblichen Identikation im Windkanal kritisch gegenübergestellt.

Auf Basis dieser Derivative erfolgen die Struktursimulationen im Zeitbereich. Im Rahmen dieser Arbeit wird die dreidimensionale Modellierung mit Finiten Elementen der üblichen Zwei-Freiheitsgrad-Modellierung gegenübergestellt und die teilweise stark abweichenden Resultate diskutiert.

Eine besondere Entwicklung ist der Einsatz von Schwingungsdämpfern zur Erhöhung der aeroelastischen Stabilität. Auf Basis hierfür entwickelter Optimierungsalgorithmen werden Auslegungsstrategien vorgestellt und die Grenzen anhand von Anwendungsbeispielen aufgezeigt.

Abstract (English)

The appearance of innovative materials and powerful computational methods has led to a trend towards more filigree and architecturally challenging bridge constructions. In the last years there has been observed an increasing vulnerability to vibrations, in particular for cable-stayed and suspension bridges. These vibrations can not only be induced by pedestrians or traffic, but also by wind action, where aero-elastic instabilities can be especially problematic. An important aspect of these instabilities is bending-torsional flutter. This flutter mode is evoked on the one hand by low eigenfrequencies which lie close together, and on the other hand the cross-sectional shape can be unfavorable in terms of aero-elasticity. Starting point of the methods developed in this work is the formulation of self-excited forces by flutter-derivatives according to SCANLAN.

The analysis of a bridge structure can be divided into two phases:

First, the aero-elastic properties of the bridge cross-section have to be identified. These properties are described by flutter-derivatives which are introduced into the numerical simulations of the structure. Identification strategies are developed using computational fluid dynamics which are compared to the conventional identification in a boundary layer wind tunnel.

Simulations of the structural response in the time domain are based on these derivatives. Within the scope of this work a three-dimensional FE-modelling is compared to the two-degree-of-freedom modelling which is commonly used in practice. The results, which show marked discrepancies, are discussed in detail.

Of particular interest is the application of tuned mass dampers in order to increase the aero-elastic stability. Based on optimization algorithms, which have been developed especially for this purpose, design strategies are presented and verified. Their range of validity including their limits is demonstrated with the help of some practical applications.

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