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Doctor's Theses (authored and supervised):

M. Reiterer:
"SCHWINGUNGSDÄMPFUNG VON BAUKONSTRUKTIONEN, INSBESONDERE VON BRÜCKEN";
Supervisor, Reviewer: F. Ziegler, H. Irschik; Institut für Allgemeine Mechanik (E 201), 2004.



English abstract:
The damping of vibration-prone civil engineering structures, with emphasis on bridges, by means of optimally tuned liquid column dampers (TLCD) is discussed in detail. A TLCD is an innovative vibration-absorbing device in the low frequency range (<3.5-4.0 Hz), which relies on the motion of a liquid mass in a sealed tube to counteract the external motion while a built-in orifice plate induces turbulent damping forces that dissipate kinetic energy. The air-spring effectively increases the frequency range of applicability above 0.5 Hz .
Generalizing the current state-of-the-art, the first part of the dissertation explores the combined action of both, the horizontal and the vertical excitation of civil engineering-structures with TLCD attached. The sensitivity analysis of the TLCD with respect to vertical excitation is required for earthquake excitations of tall buildings and proves the applicability to counteract bridge vibrations. A sufficient condition for the linear damping coefficient is derived to avoid parametric resonance even under the most critical conditions. It turns out that in case of sealed TLCD the optimal damping ratio is much larger than the critical one and thus, no undesired worsening effects are observed.
In the second and main part of this dissertation, the application of TLCD to long span bridges, especially to footbridges, is studied numerically and experimentally. Oblique bending and torsional vibrations of continuous bridges with TLCD attached are described mathematically and analyzed numerically by means of truncated modal expansion. Recent problems in footbridge constructions, encountered at the Millennium Bridge in London and the Toda Park Bridge in Japan, give reason to a detailed analysis of the dynamic interaction forces caused by human body motions. Especially the phenomenon of "synchronization", by which people respond naturally to a vibrating bridge when one of its natural frequencies is close to the walking or running frequency, is discussed in detail. A suitable limiting condition for stable time-harmonic motion in terms of the structural modal damping ratio of the bridge is presented. In addition, it is shown that pedestrian-induced vibrations may lead to parametric resonance in the lightly damped bridge and hence, to a non-admissible gain of the vibration amplitude. In order to prevent this instability phenomenon a second limiting condition in terms of the structural modal damping ratio is presented that may override the first one. After these more theoretical considerations the application of TLCD to long span footbridges is investigated. The dynamics of the following three footbridges is considered: the Millennium Bridge, the Toda Park Bridge and a fictitiously designed footbridge. All numerical simulations indicate that the installation of a suitable number of sealed TLCD increases the effective structural damping above the required cut-off values. For retrofitting the Millennium Bridge, five sealed TLCD would have been necessary to secure its serviceability, requiring just a fraction of the actual installation costs. Similarly, the Auckland Harbour Bridge in New Zealand could be stabilized to allow the unlimited crossing in the course of marathon-race.
Due to the increasing importance of dynamic wind loads for long span bridges in the third part of this dissertation an optimization method for sealed TLCD, specifically applied to suppress wind-induced vibrations, is presented. Thereby, the bridge is assumed to be in an initial state (initial deformation and initial velocity) and the attached TLCD are supposed to minimize the decay-time of the free vibration. Numerical simulations indicate that installation of three TLCD to the bridge span suffices to reach this goal. Since the Scruton-number raises over its critical value, the complex analysis of the wind load is saved. In course of the construction process of bridges, critical vibrational states are avoidable by properly moving a variably TLCD along.

German abstract:
Die vorliegende Dissertation behandelt die Schwingungsdämpfung von Baukonstruktionen, insbesondere von Brücken, durch den Einsatz von optimal abgestimmten Flüssigkeitstilgern. Diese bestehen aus einem teilweise mit Flüssigkeit gefüllten U-förmigen Rohrsystem. Die zufolge einer äußeren Anregung induzierten Strukturschwingungen rufen eine phasenverschobene Bewegung der Flüssigkeitssäule hervor. Die Schwingungsenergie wird dann über eine viskose und turbulente Rohrströmung dissipiert. Zur Erzielung des gewünschten Dämpfungsverhaltens wird eine mechanische Blende in den Flüssigkeits-strom eingebaut. Der Anwendungsbereich der Tilger beschränkt sich dabei auf Frequenzen bis ca. 3.5-4.0 Hz, wobei ab ca. 0.5 Hz unbedingt eine Luftfeder durch Verschließen der Rohrenden auszuführen ist.
Im ersten Teil wird in Verallgemeinerung der bisherigen wissenschaftlichen Betrachtungen, die kombinierte horizontale und vertikale Erregung von Baukonstruktionen mit Flüssigkeitstilgern, untersucht. Aufgrund des Einsatzes von Flüssigkeitstilgern bei Gebäuden unter allgemeiner Erdbebeneinwirkung und insbesondere im Hinblick auf die Anwendung des Tilgers zur Reduzierung von Brückenschwingungen, wird die Empfindlichkeit des Flüssigkeitstilgers auf vertikale Anregungen untersucht. Es wird gezeigt, dass die vertikale Erregung schädliche Auswirkungen auf das optimale Dämpfungsverhalten von ungenügend gedämpften Flüssigkeitstilgern haben kann. Zur sicheren Vermeidung dieser schädlichen Auswirkungen wird eine hinreichende Stabilitätsbedingung in der Form einer erforderlichen Flüssigkeitsdämpfung angegeben. Insbesondere kann gezeigt werden, dass in allen praktischen Fällen, wo ein geschlossener Flüssigkeitstilger mit Luftfeder ausgeführt wird, die optimale Dämpfung des Tilgers weit über dem erforderlichen Wert liegt. Eine detaillierte Untersuchung der vertikalen Anregung und deren Auswirkung kann dann unterbleiben.
Im zweiten umfangreichen Teil der Dissertation wird der Einsatz von Flüssigkeitstilgern zur Reduzierung von Brückenschwingungen numerisch und experimentell untersucht. Die gekoppelte schiefe Biegedrillschwingung des kontinuierlichen Brückenträgers mit Flüssigkeitstilger wird in allgemeiner Form beschrieben. Insbesondere werden personeninduzierte Schwingungen von Fußgängerbrücken betrachtet, und die dynamischen Kontaktkräfte des komplexen Systems "Mensch" während des Bewegungsvorganges werden analysiert. In weiterer Folge wird auf das für Fußgängerbrücken äußerst gefährliche Rückkoppelungs- bzw. Synchronisationsphänomen näher eingegangen, bei dem eine anfangs regellos fortbewegende Fußgängergruppe die Schrittfrequenz an eine benachbarte Eigenfrequenz der Brücke in natürlicher Reaktion auf die Bewegung der Unterlage anpasst. Zu dessen sicherer Vermeidung wird eine Grenzbedingung in der Form einer erforderlichen Systemdämpfung präsentiert. Außerdem wird gezeigt, dass Brücken zufolge Fußgängeranregung parametererregte Schwingungen ausführen, die unter bestimmten Bedingungen zu Parameterresonanz und damit zu einer unerwünschten Aufschaukelung der schiefen Biegeschwingung der Brücke führen. Aufgrund dieser Tatsache wird eine weitere hinreichende Grenzbedingung vorgelegt, die eine Parameterresonanzgefahr von Fußgängerbrücken verhindert. In Anlehnung an diese theoretischen Untersuchungen wird die Tilgung von personeninduzierten Schwingungen anhand ausgewählter schwingungsanfälliger Fußgängerbrücken, nämlich der Millennium Bridge in London, der Toda Park Bridge in Japan und einer selbst entworfenen fiktiven Fußgänger-brücke, dargelegt. Simulationen zeigen, dass die unzulässigen Schwingungs-antworten aller Fußgängerbrücken durch die Installation von optimal abgestimmten geschlossenen Flüssigkeitstilgern mit Luftfeder erfolgreich und wirtschaftlich reduziert werden können. Im Falle der Millennium Bridge wären insgesamt fünf optimierte Flüssigkeitstilger mit Luftfeder zu installieren gewesen. Diese hätten zur Gebrauchstauglichkeit geführt, mit einem Bruchteil der tatsächlich aufgewendeten Sanierungskosten. Gleichermaßen könnte auch die Auckland Harbour Bridge in Neuseeland für den Marathonlauf gebrauchstauglich gemacht werden.
Aufgrund der zunehmenden Bedeutung von dynamischen Windbelastungen für weitgespannte Brücken wird abschließend eine Methode zur optimalen Abstimmung von Flüssigkeitstilgern speziell für winderregte Schwingungen vorgestellt. Es wird eine Brücke betrachtet, die sich zufolge Windanregung (z.B. zufolge einer Windböe) in einem beliebig ausgelenkten Momentanzustand befindet. Die optimale Abstimmung der geschlossenen Flüssigkeitstilger mit Luftfeder soll zu einem möglichst raschen Abklingen der freien Schwingungsantwort der Brücke führen. Anhand numerischer Simulationen wird gezeigt, dass durch die Installation von drei optimal abgestimmten Flüssigkeitstilgern im Brückenfeld das Ausschwingverhalten zufolge Windanregung erfolgreich und wirtschaftlich verbessert werden kann. Damit lässt sich insbesondere die Scruton-Zahl über ihren kritischen Wert anheben. Auf die Komplexität der Windanregung braucht dann nicht näher eingegangen zu werden. Auf die Anwendung von Flüssigkeitstilgern im kritischen Zustand des Vorbauverfahrens bei der Brückenherstellung wird besonders hingewiesen.


Electronic version of the publication:
http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-bi_3027.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.