WO2009043547A1 - Flüssigkeitstilger zur reduktion von vertikalen und/oder horizontalen schwingungen an einer bau- oder maschinenkonstruktion - Google Patents

Flüssigkeitstilger zur reduktion von vertikalen und/oder horizontalen schwingungen an einer bau- oder maschinenkonstruktion Download PDF

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Andreas Kluibenschedl
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/1034—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect of movement of a liquid

Definitions

  • Fluid damper for reducing vertical and / or horizontal vibrations on a construction or machine construction
  • the invention relates to a liquid damper for the reduction of vertical and / or horizontal vibrations on a construction or machine construction with at least two partially filled with liquid chambers communicating with each other at their lower ends, wherein at least one chamber is hermetically sealed at its upper end, so over the liquid a closed air space is formed and at least one other chamber is at least partially open at its upper end.
  • Liquid damper consisting of a partially filled with liquid U-shaped pipe system.
  • First theoretical investigations of the liquid damper were made for horizontal and vertical vibrations by Sun et al. (Sun, LM, Fujino, Y., Koga, K., (1995).
  • Tuned liquid damper for suppressing vertical vibration. In: Proc. 45th JSCE annual meeting, Vol.1, p. 978-979 (in Japanese)).
  • the document D1 describes a device for vibration damping, with a U-shaped tank, which is filled in the lower area with a liquid and above the liquid in each case only a single gas space (left or right side) has, the pressure of energy input on one / Outlet valves is controlled.
  • the document D2 describes a liquid damper with two chambers, both of which are gas-tightly sealed from the environment or of which at least one is symmetrical to the vertical axis of the liquid damper, preferably symmetrical to the vertical axis of the first chamber.
  • This document also discloses an adaptation of the desired eradication behavior by controlled supply and removal of gas in at least one of the gas chambers, which, however, makes practical problems from the side of the energy requirement for the control and for the supply and removal of gas.
  • Document D3 describes a purely passive system, each with a located above the left and right side liquid surface air chamber. From the document D3 is further known a chamber in which at the upwardly open end a variable in its passage area outlet is arranged. _
  • the document D4 also describes a purely passive system, where the chambers arranged above the liquid are sealed upwards via a valve.
  • the valves lead directly to the outside and presumably serve to equalize the pressure in the event of temperature changes.
  • Object of the present invention is to provide a liquid damper, the low energy consumption an unproblematic adjusting the
  • the object is achieved in that only one of the two chambers is hermetically sealed in the aforementioned liquid damper and the second chamber has an air outlet opening towards the top.
  • the closed air space is subdivided into at least two air part spaces, wherein an air part space is directly above the liquid and one or more air part spaces are connected via openings to the air part space directly above the liquid or with the respective adjacent air part space, these openings are sealingly closed independently of each other ,
  • the air part spaces of the tightly sealed chamber in series one above the other or parallel can be designed as a rectangular or round tube chambers.
  • the total volume of the immediately above the liquid located air compartment and communicating with this air part spaces can be changed and thus the natural frequency of the liquid damper can be changed.
  • the present invention operates without the controlled supply and removal of gas.
  • the absorber frequency is set with substantially less energy expenditure over the suitably selected size of the total volume above the liquid (sum of the parallel or series-connected open air chambers).
  • the optimal absorber damping is at set the present invention on a suitable choice of adaptable in its passage area air outlet opening.
  • Into the openings are preferably via a controller, e.g. installed via a microcontroller controllable valves.
  • the chamber with the open-top end has a variable in its passage area outlet, which is preferably a controllable via a controller, such as the above-mentioned microcontroller Dossei worn.
  • a controller such as the above-mentioned microcontroller Dossei worn.
  • liquids with a density p> ⁇ 000kg / m 3 are advantageous.
  • the natural frequency of the construction and machine design is calculated under an impending load, which determines optimum natural frequency of the liquid damper and the total volume of the immediately above the liquid located air compartment and communicating with this air part spaces to that resulting from the optimum natural frequency optimally approximates optimum volume by opening and / or closing openings between the air part spaces, preferably via valves controlled by a control.
  • the optimum damping under an impending load is calculated and the area of exit of the at least partially open chamber is set for optimal damping, preferably via a throttle controlled by a controller.
  • the data for adjusting the area of the exit to the optimal damping for different loads can be determined experimentally beforehand for each liquid damper.
  • the weight of the loading elements, in particular via a dynamic balance is advantageously determined.
  • FIG. 1 shows a liquid damper for vertical vibrations
  • Figure 2 shows a liquid damper for horizontal vibrations
  • Figure 3 shows a liquid damper for horizontal and vertical vibrations
  • Figures 4 and 5 shows two possible embodiments of the hermetically sealed end of liquid damper according to the invention
  • FIGS. 6 to 9 show cross sections through possible embodiments of the hermetically sealed end of liquid damper according to the invention
  • FIG. 10 shows the cross section through a bridge construction with liquid samplers mounted therein.
  • the design of the liquid damper for damping horizontal and / or vertical vibrations is characterized by the controlled via a microcontroller optimal natural frequency and attenuation adjustment.
  • the liquid damper consists of a partially filled with liquid of density p pipe system with the cross section A of any shape.
  • the following three types of fluid damper are distinguished in the description of the invention:
  • the vertical liquid damper is used for damping of preferably vertical structural vibrations.
  • the partially filled with liquid 3 pipe system consists of a hermetically sealed tube part 1, wherein the air space with the volume VQ above the liquid level in air part spaces with partial volumes VQ J to V Q "is divided.
  • the overpressure P ] ⁇ Po + 2 / CgHo is impressed, where p 0 is the atmospheric pressure and 2Ho is the measure to which the liquid level 4 in the closed tube part 1 opposite the liquid level 5 is offset in the open tube part 2.
  • the temporal change of the overpressure is monitored by means of a pressure sensor 6.
  • the second pipe part 2 of the vertical liquid sampler is partially open.
  • the liquid level 5 is offset by the dimension 2Ho with respect to the closed pipe part 1 in the vertical direction.
  • Above the liquid level 5 there is an air volume which has impressed the natural atmospheric pressure p 0 .
  • the air can flow upwards via a variable throttle device.
  • the microcontroller 8 of the vertical liquid damper is coupled to a dynamic balance 10 and / or to any system for weight determination (eg Weigh-In-Motion system).
  • a dynamic balance 10 e.g Weigh-In-Motion system
  • any system for weight determination eg Weigh-In-Motion system.
  • the weight-in-motion System is arranged, for example, in front of bridges and allows the determination of axle loads and thus the precalculation of the changed bridge natural frequency.
  • the determination of the current weight on the dynamic scale 10 and passing the information to the microcontroller 8 allows the calculation of the optimum natural frequency and damping of the liquid damper.
  • the optimum natural frequency and damping is then set via a suitable choice of the open air compartment number and the opening width of the throttle device 9.
  • the linear natural frequency of the vertical liquid absorber is obtained by applying the transient Bernoulli equation in the moving frame along a relative incompressible streamline.
  • H Q PQ / pg denote the liquid column equivalent to the atmospheric pressure P Q and 1 ⁇ n ⁇ 1.4 the exponent of the linearized polytropic gas compression.
  • the total length of the liquid thread and the angle of inclination of the vertical pipe parts are denoted by L and ⁇ .
  • the notional height of the air spring H a VV Q1 IA adjusting in the hermetically sealed tube part is the main influencing parameter on the natural frequency of the vertical liquid sampler.
  • the active control of the natural frequency is achieved by activating an optimum number of series or parallel air sections through open valves 7.
  • the second essential design parameter of the vertical fluid damper is fluid damping. This is defined by the linearized Lehr ' s attenuation measure ⁇ A.
  • the active control of the liquid damping to the optimum value is also carried out with the aid of the microcontroller 8 via a throttle device 9.
  • the size of the throttle opening associated with the linearized damping amount ⁇ A can be determined experimentally beforehand for each liquid damper.
  • the horizontal liquid damper is used for damping preferably horizontal structural vibrations.
  • the partially filled with liquid 3 pipe system consists of a hermetically sealed tube part 1, wherein the air space with the volume VQ above the liquid level in air part spaces with the sub-volumes
  • Foi D ' s is subdivided by.
  • the natural atmospheric pressure p 0 is imprinted on both sides, ie it does not act
  • the pressure sensor 6 mounted inside the hermetically sealed pipe part 1 supplies the value of the pressure change at the onset of the liquid vibrations.
  • the remaining details for the execution and control of the horizontal liquid damper are analogous to the vertical liquid damper.
  • the largest possible horizontal length B in static rest position is therefore advantageous.
  • the combined vertical and horizontal fluid damper is used to dampen vertical and / or horizontal structural vibrations.
  • this is a combination of the two o.a. Fluid damper, where the geometry is chosen so that the best possible damping of vertical and / or horizontal vibrations is possible.
  • the linear natural frequency and design is analogous to the vertical liquid damper, wherein the horizontal pipe part is extended.
  • the optimal tuning of the liquid sampler is analogous to the conventional Tilger mass-spring damper, as described by Reiterer (Reiterer, M., Ziegler, F., (2006).) Control of Pedestrian-Induced Vibrations of Long Span Bridges, Journal of Structural Control & Health Monitoring, John Wiley & Sons, Ltd. ISSN 1545-2255, Vol 13, No. 6, pp. 1003-1027).
  • the optimal design parameters for the mass-spring-damper absorber were first presented by Den Hartog (Den Hartog, JP, (1936): Mechanical Vibrations, published by Julius Springer, Berlin), f s * and M * denote the linear natural frequency and the modal mass of the structure,
  • the side members of the bridge consist of I-profiles with a height of 1, 2m which are connected to each other by cross-members.
  • the total height of the air spring in the hermetically sealed tube part is thus determined with the maximum value of 0.32m and the further subdivision of the air chambers is measured in stages 0.23m and 0.18m from the liquid surface mirror in static rest position.
  • the associated optimum natural frequency of the liquid damper can thus be set via activation of the corresponding air volume.
  • the optimum liquid damping is set via the variable throttle device on the open pipe section. The required size of the opening is determined experimentally.

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Abstract

Bei einem Flüssigkeitstilger zur Reduktion von vertikalen und/oder horizontalen Schwingungen an einer Bau- oder Maschinenkonstruktion mit mindestens zwei teilweise mit Flüssigkeit (3) gefüllten Kammern (1, 2), die an ihren unteren Enden miteinander kommunizieren, wobei mindestens eine Kammer (1) an ihrem oberen Ende luftdicht verschlossen ist, sodass über der Flüssigkeit (3) ein abgeschlossener Luftraum (V0) gebildet ist und mindestens eine andere Kammer (2) an ihrem oberen Ende zumindest teilweise offen ist, ist der abgeschlossene Luftraum (V0) in mindestens zwei Luftteilräume (V01 bis V0n) unterteilt, wobei ein Luftteilraum (V01) unmittelbar über der Flüssigkeit (3) liegt und ein oder mehrere Luftteilräume (V02 bis V0n) über Öffnungen (7) mit dem Luftteilraum (V01) unmittelbar über der Flüssigkeit (3) oder mit dem jeweils benachbarten Luftteilraum (V02 bis V0n) verbunden sind, wobei diese Öffnungen (7) unabhängig von einander dichtend verschließbar sind.

Description

Flüssigkeitstilger zur Reduktion von vertikalen und/oder horizontalen Schwingungen an einer Bau- oder Maschinenkonstruktion
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitstilger zur Reduktion von vertikalen und/oder horizontalen Schwingungen an einer Bau- oder Maschinenkonstruktion mit mindestens zwei teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Kammern, die an ihren unteren Enden miteinander kommunizieren, wobei mindestens eine Kammer an ihrem oberen Ende luftdicht verschlossen ist, sodass über der Flüssigkeit ein abgeschlossener Luftraum gebildet ist und mindestens eine andere Kammer an ihrem oberen Ende zumindest teilweise offen ist.
Stand der Technik
Der Einsatz von Masse-Feder-Dämpfer-Tilgern, wie von Petersen, C1 (2001). Schwingungsdämpfer im Ingenieurbau. 1. Auflage, Herausgeber: Maurer Söhne GmbH&Co.KG, München, ISBN 3-00-008059-7 ausführlich beschrieben, ist Stand der Technik und wird zur Reduktion von vertikalen Schwingungen an Bau- und Maschinenbaukonstruktionen erfolgreich eingesetzt. Zur Dämpfung von horizontalen Schwingungen werden sogenannte Pendel-Tilger eingesetzt. Das Prinzip dieser beiden Tilgerarten basiert auf der optimalen Abstimmung der Entwurfsparameter (Eigenfrequenz und Dämpfung) auf eine ausgewählte Eigenfrequenz der betrachteten schwingungsanfälligen Struktur. Eine nachträgliche Veränderung der optimalen Entwurfsparameter ist nur mit erheblichem Aufwand, z.B. durch Austausch von Federelementen und/oder Veränderung der schwingenden Masse, möglich.
Als Alternative zum Masse-Feder-Dämpfer-Tilger existieren sogenannte
Flüssigkeitstilger, die aus einem teilweise mit Flüssigkeit gefüllten U-förmigen Rohrsystem bestehen. Erste theoretische Untersuchungen der Flüssigkeitstilger wurden für horizontale und vertikale Schwingungen von Sun et al. (Sun, L. M., Fujino, Y., Koga, K., (1995). A Model Of Tuned Liquid Dampers For Suppressing Pitching Motions Of Structures. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 24, p. 625-636; und Sun, L.M., Nakaoka, T., et al., (1990). Tuned liquid damper for suppressing vertical Vibration. In: Proc. 45th JSCE annual meeting, Vol.1 , p. 978-979 (in Japanese)), durchgeführt. Eine umfassende Untersuchung von Flüssigkeitstilgern zur Reduzierung von horizontalen Brückenschwingungen wurde von Reiterer und Ziegler (Reiterer, M., Ziegler, F., (2006). Control of Pedestrian-Induced Vibrations of Long Span Bridges. Journal of Structural Control & Health Monitoring. John Wiley & Sons, Ltd. ISSN 1545-2255, Vol. 13, No. 6, p. 1003-1027) durchgeführt.
Die folgenden Patente liegen in Bezug auf Flüssigkeitstilger vor:
D1 : JP 10220522 A (MITSUBISHI HEAVY IND LTD) 21. August 1998 D2: AT 201870 B1 (TECHNISCHE UNIVERSITÄT WIEN) 15. August 2007 D3: JP 9151986 A (MITSUBISHI HEAVY IND LTD) 10. Juni 1997
D4: JP 5248491 A (MITSUBISHI HEAVY IND LTD) 24. September 1993
Die Druckschrift D1 beschreibt eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung, mit einem U-förmigen Tank, der im unteren Bereich mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und über der Flüssigkeit jeweils nur einen einzelnen Gasraum (links- oder rechtsseitig) besitzt, deren Druck unter Energieaufwand über Ein-/Auslassventile gesteuert wird.
Die Druckschrift D2 beschreibt einen Flüssigkeitstilger mit zwei Kammern, die beide gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen sind oder von denen zumindest eine symmetrisch zur Hochachse des Flüssigkeitstilgers, vorzugsweise symmetrisch zur Hochachse der ersten Kammer ausgeführt ist. Diese Druckschrift offenbart ferner eine Anpassung des gewünschten Tilgungsverhaltens durch gesteuerte Zu- und Abfuhr von Gas in mindestens einen der Gasräume, was jedoch von Seiten des Energiebedarfs für die Steuerung und für das Zu- und Abführen von Gas praktische Schwierigkeiten macht.
Die Druckschrift D3 beschreibt ein rein passives System mit jeweils einer über der links- und rechtsseitigen Flüssigkeitsoberfläche gelegenen Luftkammer. Aus der Druckschrift D3 ist weiters eine Kammer bekannt, bei der an dem nach oben offenen Ende ein in seiner Durchtrittsfläche veränderbarer Austritt angeordnet ist. _
Die Druckschrift D4 beschreibt ebenfalls ein rein passives System, wo die über der Flüssigkeit angeordneten Kammern nach oben hin über ein Ventil dicht abgeschlossen sind. Die Ventile führen direkt ins Freie und dienen vermutlich dem Druckausgleich bei Temperaturänderungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Flüssigkeitstilger zu schaffen, der mit geringem Energieaufwand ein unproblematisches Anpassen des
Tilgungsverhaltens an die zu erwartende Belastung einer Bau- oder Maschinenbaukonstruktion erlaubt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei dem eingangs genannten Flüssigkeitstilger nur eine der beiden Kammern luftdicht verschlossen wird und die zweite Kammer eine Luftaustrittsöffnung nach oben hin aufweist. Der abgeschlossene Luftraum ist in mindestens zwei Luftteilräume unterteilt, wobei ein Luftteilraum unmittelbar über der Flüssigkeit liegt und ein oder mehrere Luftteilräume über Öffnungen mit dem Luftteilraum unmittelbar über der Flüssigkeit oder mit dem jeweils benachbarten Luftteilraum verbunden sind, wobei diese Öffnungen unabhängig von einander dichtend verschließbar sind.
Dabei können die Luftteilräume der dicht verschlossenen Kammer in Serie übereinander oder parallel nebeneinander liegen und können als Rechteck- oder Rundrohrkammern ausgeführt sein.
Durch öffnen und Schließen der Öffnungen kann das Gesamtvolumen von dem unmittelbar über der Flüssigkeit befindlichen Luftteilraum und von mit diesem kommunizierenden Luftteilräumen verändert werden und damit die Eigenfrequenz des Flüssigkeitstilgers verändert werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik arbeitet die vorliegende Erfindung ohne das gesteuerte Zu- und Abführen von Gas. Die Tilgerfrequenz wird mit wesentlich geringerem Energieaufwand über die passend gewählte Größe des über der Flüssigkeit gelegenen Gesamtvolumens (Summe der parallel oder seriell geschalteten offenen Luftkammern) eingestellt. Die optimale Tilgerdämpfung wird bei der vorliegenden Erfindung über passende Wahl der in seiner Durchtrittsfläche adaptiv veränderbaren Luftaustrittsöffnung eingestellt.
In die Öffnungen sind vorzugsweise über eine Steuerung, z.B. über einen Microcontroller ansteuerbare Ventile eingebaut.
Vorzugsweise weist die Kammer mit dem oben offenen Ende einen in seiner Durchtrittsfläche veränderbaren Austritt auf, der vorzugsweise eine über eine Steuerung, wie den oben genannten Microcontroller, ansteuerbare Dosseieinrichtung ist. Durch Veränderung der Durchtrittsfläche kann eine Dämpfungsanpassung an die Belastung erfolgen.
Zur Verstärkung der Dämpfungswirkung ist die Anwendung von Flüssigkeiten mit einer Dichte p > \000kg/m3 vorteilhaft. Hierbei werden insbesondere flüssige Medien mit einer Dichte von p = 1000-5000 kg Im3 (z.B. Betonit p - ca. 2300kg/ m3) vorgesehen.
Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstilgers wird die Eigenfrequenz der Bau- und Maschinenkonstruktion unter einer bevorstehenden Belastung berechnet, die dazu optimale Eigenfrequenz des Flüssigkeitstilgers ermittelt und das Gesamtvolumen von dem unmittelbar über der Flüssigkeit befindlichen Luftteilraum und den mit diesem kommunizierenden Luftteilräumen an das aus der optimalen Eigenfrequenz resultierende optimale Volumen möglichst gut angenähert, indem Öffnungen zwischen den Luftteilräumen, vorzugsweise über von einer Steuerung gesteuerte Ventile, geöffnet und/oder geschlossen werden.
Ferner wird vorzugsweise die optimale Dämpfung unter einer bevorstehenden Belastung berechnet und die Fläche des Austritts der zumindest teilweise offenen Kammer für die optimale Dämpfung, vorzugsweise über eine von einer Steuerung gesteuerten Drosseleinrichtung, eingestellt. Die Daten für die Anpassung der Fläche des Austritts an die optimale Dämpfung für verschiedene Belastungen können vorab experimentell für jeden Flüssigkeitstilger bestimmt werden. Als Basis für die Berechnung der Eigenfrequenz und der optimalen Dämpfung der Bau- oder Maschinenkonstruktion unter einer bevorstehenden Belastung wird vorteilhafterweise das Gewicht der belastenden Elemente, insbesondere über eine dynamische Waage, bestimmt.
Nunmehr soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht werden, in denen Fig.1 einen Flüssigkeitstilger für vertikale Schwingungen, Fig.2 einen Flüssigkeitstilger für horizontale Schwingungen und Fig.3 einen Flüssigkeitstilger für horizontale und vertikale Schwingungen zeigt, und in denen die Figuren 4 und 5 zwei mögliche Ausführungen des luftdicht geschlossenen Endes erfindungsgemäßer Flüssigkeitstilger und die Figuren 6 bis 9 Querschnitte durch mögliche Ausführungen des luftdicht geschlossenen Endes erfindungsgemäßer Flüssigkeitstilger zeigen, und in denen schließlich Fig.10 den Querschnitt durch eine Brückenkonstruktion mit darin angebrachten Flüssigkeitstilgern zeigt.
Die Bauweise des Flüssigkeitstilgers zur Dämpfung von horizontalen und/oder vertikalen Schwingungen zeichnet sich durch die über einen Microcontroller gesteuerte optimale Eigenfrequenz- und Dämpfungsanpassung aus. Der Flüssigkeitstilger besteht aus einem teilweise mit Flüssigkeit der Dichte p gefüllten Rohrsystem mit dem Querschnitt A von beliebiger Form. Prinzipiell werden in der Erfindungsbeschreibung die folgenden drei Arten von Flüssigkeitstilger unterschieden:
• Vertikal - Flüssigkeitstilger (Fig.1 )
• Horizontal - Flüssigkeitstilger (Fig.2) • Kombinierter Horizontal - und Vertikal - Flüssigkeitstilger (Fig.3)
Vertikal - Flüssigkeitstilger (Fig.1)
Der Vertikal— Flüssigkeitstilger wird zur Dämpfung von vorzugsweise vertikalen Strukturschwingungen eingesetzt. Das teilweise mit Flüssigkeit 3 gefüllte Rohrsystem besteht aus einem luftdicht verschlossenen Rohrteil 1 , wobei der Luftraum mit dem Volumen VQ oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in Luftteilräume mit Teilvolumina VQ J bis VQ„ unterteilt ist. Im luftdicht verschlossenen Rohrteil 1 wird der Überdruck P] ~ Po + 2/CgHo aufgeprägt, wobei p0 der Atmosphärendruck ist und 2Ho das Maß ist, um das der Flüssigkeitsspiegel 4 im geschlossenen Rohrteil 1 gegenüber dem Flüssigkeitsspiegel 5 im offenen Rohrteil 2 versetzt ist. Die zeitliche Änderung des Überdruckes wird mit Hilfe eines Drucksensors 6 überwacht. Damit ist auch die Ermittlung der statischen und dynamischen Flüssigkeitsspiegelschwankungen möglich.
Die Anordnung der Luftteilräume ist sowohl in Serien- (Fig.4) als auch in Parallelschaltung (Fig.5) möglich, wobei Rechtecks- (Fig.6 und Fig.7) und Rundrohrkammern (Fig.8 und Fig.9) ausgeführt werden können. Im Falle der Serienschaltung ist eine Kammer mit der nächst folgenden über ein offenbares Ventil 7 verbunden. Bei der Parallelschaltung sind die Kammern nebeneinander angeordnet. Das Öffnen und Schließen der Kammern wird über einen Microcontroller 8 aktiv gesteuert. Die Anzahl der geöffneten Kammern und damit das aktuell vorhandene Luftvolumen V werden in Abhängigkeit von der gewünschten Eigenfrequenz (=erster Entwurfsparameter) des Flüssigkeitstilgers optimal eingestellt. Der Zusammenhang zwischen Öffnungsgröße der Drossel und der daraus resultierenden Flüssigkeitsdämpfung wurde von Fried, E., Idelchik, I.E., (1989). Flow Resistance: a Design Guide for Engineers, Hemisphere, New York., für strömende Medien experimentell untersucht und tabellarisch gelistet.
Der zweite Rohrteil 2 des Vertikal-Flüssigkeitstilgers wird teilweise offen ausgeführt. Hier ist der Flüssigkeitsspiegel 5 um das Maß 2Ho gegenüber dem geschlossenen Rohrteil 1 in vertikaler Richtung versetzt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 5 befindet sich ein Luftvolumen das den natürlichen Atmosphärendruck p0 aufgeprägt hat. Bei Bewegung der Flüssigkeitssäule kann die Luft über eine variable Drosseleinrichtung nach oben hinausströmen. Die aktuelle Größe der
Drosselöffnung 9, wird über einen Microcontroller 8 in Abhängigkeit von der gewünschten Flüssigkeitsdämfpung (=zweiter Entwurfsparameter) optimal eingestellt.
Der Microcontroller 8 des Vertikal-Flüssigkeitstilger wird an eine dynamische Waage 10 und/oder an ein beliebiges System zur Gewichtsbestimmung (z.B. Weigh-In- Motion-System) gekoppelt. In Abhängigkeit von den unterschiedlichen dynamischen Belastungszuständen der zu bedämpfenden Struktur (unbelastet, teilweise belastet, vollbelastet) wird über einen Beschleunigungssensor die Änderung der Eigenfrequenz und damit die Größe der Zusatzlast bestimmt. Das Weight-In-Motion- System wird z.B. vor Brücken angeordnet und erlaubt die Ermittlung von Achslasten und damit die Vorausberechnung der geänderten Brückeneigenfrequenz. Die Ermittlung des aktuellen Gewichts über die dynamische Waage 10 und Weitergabe der Information an den Microcontroller 8 erlaubt die Berechnung der optimalen Eigenfrequenz und Dämpfung des Flüssigkeitstilgers. Die optimale Eigenfrequenz und Dämpfung wird dann über passende Wahl der geöffneten Luftteilraumanzahl und über die Öffnungsweite der Drosseleinrichtung 9 eingestellt.
Die lineare Eigenfrequenz des Vertikal-Flüssigkeitstilgers ergibt sich durch Anwendung der instationären Bernoulligleichung im bewegten Bezugssystem entlang einer relativen inkompressiblen Stromline,
Figure imgf000009_0001
wo HQ = PQ / pg die dem Atmosphärendruck PQ äquivalente Flüssigkeitssäule und 1 < n ≤ 1,4 den Exponent der linearisiert eingesetzten polytropen Gaskompression bezeichnen. Die Gesamtlänge des Flüssigkeitsfadens und der Neigungswinkel der vertikalen Rohrteile werden mit L und ß bezeichnet. Die fiktive Höhe der sich im luftdicht verschlossenen Rohrteil einstellenden Luftfeder Ha = ^ VQ1 I A ist der wesentliche Einflussparameter auf die Eigenfrequenz des Vertikal-Flüssigkeitstilgers. Die aktive Steuerung der Eigenfrequenz erfolgt durch Aktivierung einer optimalen Anzahl von in Serie oder parallel geschalteten Luftteilräumen über offenbare Ventile 7. Der zweite wesentliche Entwurfsparameter des Vertikal-Flüssigkeitstilgers ist die Flüssigkeitsdämpfung. Diese wird mit dem linearisierten Lehr'schen Dämfpungsmaß ζA definiert. Die aktive Regelung der Flüssigkeitsdämpfung auf den optimalen Wert erfolgt ebenfalls mit Hilfe des Microcontrollers 8 über eine Drosseleinrichtung 9. Die dem linearisierten Dämpfungsmaß ζA zugehörige Größe der Drosselöffnung kann vorab experimentell für jeden Flüssigkeitstilger bestimmt werden. Die Effektivität des Vertikal-Flüssigkeitstilgers wird über den Geometriefaktor Ky = 2H0 sin ß / L definiert. Eine möglichst große Anfangsauslenkung HQ in statischer Ruhelage sowie ß = π/2 ist daher von Vorteil. Die aktive Masse des Vertikal-Flüssigkeitstilgers ist mit mA = κv mf definiert, wobei mj- = p A L .
Horizontal - Flüssigkeitstilger (Fig.2) Der Horizontal-Flüssigkeitstilger wird zur Dämpfung von vorzugsweise horizontalen Strukturschwingungen eingesetzt. Das teilweise mit Flüssigkeit 3 gefüllte Rohrsystem besteht aus einem luftdicht verschlossenen Rohrteil 1 , wobei der Luftraum mit dem Volumen VQ oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in Luftteilräume mit den Teilvolumina
Foi D's Von unterteilt wird. In der statischen Ruhelage der Flüssigkeitsspiegel 11 ist beidseitig der natürliche Atmosphärendruck p0 aufgeprägt, d.h. es wirkt kein
Überdruck. Der innerhalb des luftdicht verschlossenen Rohrteils 1 angebrachte Drucksensor 6 liefert den Wert der Druckänderung bei Einsetzen der Flüssigkeitsschwingungen. Die restlichen Details zur Ausführung und Steuerung des Horizontal-Flüssigkeitstilgers sind analog zum Vertikal-Flüssigkeitstilger.
Die lineare Eigenfrequenz des Horizontal-Flüssigkeitstilgers ergibt sich durch Anwendung der instationären Bemoulligleichung im bewegten Bezugssystem entlang einer relativen inkompressiblen Stromline, = IOm , (2)
Figure imgf000010_0001
wo ho =p0 / p g die dem Atmosphärendruck p0 äquivalente Flüssigkeitssäule und
1 < n ≤ 1,4 den Exponent der linearisiert eingesetzten polytropen Luftkompression bezeichnen. Die Gesamtlänge des Flüssigkeitsfadens und der Neigungswinkel der vertikalen Rohrteile werden mit L und ß bezeichnet. Die fiktive Höhe der der sich im luftdicht verschlossenen Rohrteil einstellenden Luftfeder Ha = ]T VOi l A ist der wesentliche Einflußparameter auf die Eigenfrequenz des Vertikal-Flüssigkeitstilgers.
Die Effektivität des Horizontal-Flüssigkeitstilgers wird über den Geometriefaktor κH = (ß + 2H cos ß)/ L definiert. Eine möglichst große horizontale Länge B in statischer Ruhelage ist daher von Vorteil. Die aktive Masse des Horizontal- Flüssigkeitstilgers ist mit mA = κH mj- definiert.
Kombinierter Vertikal - und Horizontal - Flüssigkeitstilger (Fig.3)
Der kombinierte Vertikal- und Horizontal-Flüssigkeitstilger wird zur Dämpfung von vertikalen und/oder horizontalen Strukturschwingungen eingesetzt. Prinzipiell handelt es sich hierbei um eine Kombination der beiden o.a. Flüssigkeitstilger, wo die Geometrie so gewählt wird, dass eine möglichst optimale Dämpfung von vertikalen und/oder horizontalen Schwingungen möglich ist. Die lineare Eigenfrequenz und Ausführung ist analog zum Vertikal-Flüssigkeitstilger, wobei der horizontale Rohrteil verlängert wird. Die großen Vorteile dieses Flüssigkeitstilgers sind:
• Bei Auftreten von gekoppelten Vertikal- und Horizontalschwingungen kann mit einem einzigen Flüssigkeitstilger die gekoppelte Schwingung optimal gedämpft werden.
• In Abhängigkeit von der Belastung (Kraftrichtung und Erregerfrequenz) können kritische Eigenfrequenzen mit zugehörigen Schwingungsformen in vertikaler oder horizontaler Richtung angeregt werden. Durch passende Wahl der Anzahl an geöffneten Luftteilräumen kann die Eigenfrequenz des Flüssigkeitstilgers optimal auf die vertikale oder horizontale Schwingung abgestimmt werden.
Die Effektivität des kombinierten Vertikal- und Horizontal-Flüssigkeitstilgers wird über die Geometriefaktoren κv = 2H0 sin /? IL und κH = (B + 2H cosß)/ L definiert. Es besteht die Möglichkeit dominante Schwingungen in eine bestimmte Richtung mit höherer Effektivität zu gewichten.
Optimale Abstimmung der Flüssigkeitstilger
Die optimale Abstimmung des Flüssigkeitstilgers erfolgt in Analogie zum konventionellen Masse-Feder-Dämpfer Tilger, wie von Reiterer (Reiterer, M., Ziegler, F., (2006). Control of Pedestrian-Induced Vibrations of Long Span Bridges. Journal of Structural Control & Health Monitoring. John Wiley & Sons, Ltd. ISSN 1545-2255, Vol. 13, No. 6, p. 1003-1027) gezeigt. Die optimalen Entwurfsparameter für den Masse-Feder-Dämpfer-Tilger wurden erstmalig von Den Hartog (Den Hartog, J. P., (1936). Mechanische Schwingungen. Verlag von Julius Springer, Berlin) vorgelegt, fs * und M* bezeichnen die lineare Eigenfrequenz und die modale Masse der Struktur,
°oPt - W
Figure imgf000012_0001
wo δopt und ζ A,opt das optimale Frequenzverhältnis und das optimal Lehr'sche
Dämpfungsmaß des äquivalenten linearen Masse-Feder-Dämpfer-Tilger definieren. Für die Berechnung der optimalen Entwurfsparameter des Flüssigkeitstilgers wird das äquivalente Massenverhältnis wie folgt definiert,
mA μκ2 mf
Für den dimensionslosen Geometriefaktor K sind die entsprechenden Faktoren κv bzw. κH einzusetzen. Die optimalen Entwurfsparameter des Flüssigkeitstilgers sind dann wie folgt definiert,
Figure imgf000012_0002
Anwendungsbeispiel Stahlbrücke Als praktisches Beispiel wird eine einfeldrige Stahlbrücke mit offenem Querschnitt und einer Spannweite von I = 30m betrachtet. Die Längsträger der Brücke bestehen aus I-Profilen mit einer Höhe von 1 ,2m die über Querträger miteinander verbunden sind. Die Masse pro Längeneinheit und Biegesteifigkeit der Brücke betragen pA = 2670kg und £J = l,l χ l010N//M2. In weiterer Folge werden zwei unterschiedliche dynamische Belastungszustände, z.B. zufolge Zugsüberfahrt, untersucht:
• Fall 1 : Zusatzmasse pro Längeneinheit (pA)ZUS] = 100kg Im • Fall 2: Zusatzmasse pro Längeneinheit {pA)zυS2 = 2\00kg/m
• Fall 3: Brücke unbelastet
Der Zustand „Brücke unbelastet" wird im Hinblick auf das Ausschwingen der Brücke, z.B: nach erfolgter Zugsüberfahrt oder Böenanregung, untersucht. Die modalen
(bewegten) Massen der Brücke betragen somit für das Einfeldsystem
MZUSλ = [pA + {pÄ)ZUSλ \ l /2 =
Figure imgf000013_0001
50550% , MZUS2 = \pA + l /2 = 71550% und M = pAl /2 = 40050 kg , (siehe Reiterer, M., (2004). Schwingungsdämpfung von Baukonstruktionen, insbesondere von Brücken. Dissertation, Fakultät für Bauingenieurwesen, Technische Universität Wien, Institut für Allgemeine Mechanik). Aufgrund der unterschiedlichen Belastungszustände ergeben sich die Grundfrequenzen mit dominant vertikaler Schwingungsform der Brücke zu, (siehe auch Reiterer, M. (2004)).
• Fall 1 : Grundfrequenz vertikal fs zυS] = 3,15 Hz
• Fall 2: Grundfrequenz vertikal fS ZUS2 = 2,65 Hz
• Fall 3: Grundfrequenz vertikal fs = 3,54Hz
Zur Schwingungsdämpfung der Brücke wird ein Vertikal-Flüssigkeitstilger installiert, wobei die Gesamtmasse der Flüssigkeit mit mf = 800% gewählt wird. Es werden mit einem einzigen Flüssigkeitstilger die Schwingungen aller drei verschiedenen Belastungszustände (Fall 1 bis 3) reduziert. Die Verhältnisse von Flüssigkeitsmasse zur modalen (bewegten) Brückenmasse ergeben sich in Abhängigkeit vom betrachteten dynamischen Belastungszustand entsprechend Gleichung (4) zu μzusx = \,β% μzus2 = l,2% und // = 2,0% . Die Stromfadenlänge, die vertikale
Flüssigkeitsspiegelhöhendifferenz und der Neigungswinkel der vertikalen Rohrschenkel werden mit L = 1,5m , H0 = 0,3m und ß = πll gewählt. Die
Querschnittsfläche des Rohrsystems beträgt damit A = 0,53 m2. Der Geometriefaktor des Vertikal-Flüssigkeitstilgers ergibt sich zu κv = 0,4 , (siehe oben). Nach Festlegung der Konfiguration des Vertikal-Flüssigkeitstilgers können durch Auswerten der Gleichungen (4), (3) und (5) die optimalen Entwurfsparameter des Flüssigkeitstilgers in Abhängigkeit vom jeweiligen dynamischen Belastungszustand berechnet werden,
Figure imgf000014_0001
• Fall 2: fA^ZUS 2 = 2,63Hz , ζ A opt = 2,7%
• Fall 3: /^ = 3,50 Hz , ζAtOpl = 3,4%
Die für den jeweiligen Belastungszustand einzustellende fiktive Höhe der Luftfeder ergibt sich durch Umformung der Gleichung (1) mit n = 1,2 zu
• Fall 1 : Ha ZUS] = 0,23 m
• Fall 2: Ha Zυs i = 0,32m • Fall 3: Ha = 0,1Sm
Die Gesamthöhe der Luftfeder im luftdicht verschlossenen Rohrteil wird demnach mit dem Maximalwert von 0,32m festgelegt und die weitere Unterteilung der Luftkammern erfolgt in den Stufen 0,23m und 0,18m von der Flüssigkeitsspiegeloberfläche in statischer Ruhelage aus gemessen. In Abhängigkeit vom jeweiligen dynamischen Belastungszustand kann somit die zugehörige optimale Eigenfrequenz des Flüssigkeitstilgers über Aktivierung des entsprechenden Luftvolumens eingestellt werden. Die Einstellung der optimalen Flüssigkeitsdämpfung erfolgt über die variable Drosseleinrichtung am offenen Rohrteil. Die erforderliche Größe der Öffnung wird experimentell bestimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigkeitstilger zur Reduktion von vertikalen und/oder horizontalen Schwingungen an einer Bau- oder Maschinenkonstruktion mit mindestens zwei teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Kammern, die an ihren unteren Enden miteinander kommunizieren, wobei mindestens eine Kammer an ihrem oberen Ende luftdicht verschlossen ist, sodass über der Flüssigkeit ein abgeschlossener Luftraum gebildet ist und mindestens eine andere Kammer an ihrem oberen Ende zumindest teilweise offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeschlossene Luftraum (V0) in mindestens zwei
Luftteilräume (V0, bis V0n) unterteilt ist, wobei ein Luftteilraum (VOi) unmittelbar über der Flüssigkeit (3) liegt und ein oder mehrere Luftteilräume (V02 bis V0n) über Öffnungen (7) mit dem Luftteilraum (VOi) unmittelbar über der Flüssigkeit (3) und/oder mit dem jeweils benachbarten Luftteilraum (V02 bis V0n) verbunden sind, wobei diese Öffnungen (7) unabhängig von einander dichtend verschließbar sind.
2. Flüssigkeitstilger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Luftteilräume (V0, bis V0n) als Rechteck- oder Rundrohrkammern ausgeführt sind.
3. Flüssigkeitstilger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Öffnungen (7) über eine Steuerung (8) ansteuerbare Ventile eingebaut sind.
4. Flüssigkeitstilger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (2) mit dem oben offenen Ende in an sich bekannter Weise einen in seiner Durchtrittsfläche veränderbaren Austritt (9) aufweist.
5. Flüssigkeitstilger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in seiner Durchtrittsfläche veränderbarer Austritt (9) eine über eine Steuerung (8) ansteuerbare Drosseleinrichtung ist.
6. Flüssigkeitstilger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Flüssigkeitstilger enthaltene Flüssigkeit eine
Dichte p > 1000 kg I m3 , vorzugsweise eine Dichte von /? = 1000-5000Äg//w3 hat.
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