Flüssigkeitsdämpfer zur Reduktion periodischer und stochastischer Schwingungen turmartiger Bauwerke

• Liquid damper for mitigation of periodic and random vibrations of slender structures

Altay, Okyay; Meskouris, Konstantin (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Der von Frahm bereits im Jahr 1910 patentierte im Englischen "Tuned Liquid Column Damper (TLCD)" genannte Flüssigkeitsdämpfer besteht aus einem U-förmigen Rohrsystem, gefüllt mit einer Newtonschen Flüssigkeit. Die durch eine gezielte Abstimmung ermittelten Parameter des Flüssigkeitsdämpfers bringen die Flüssigkeitsmasse mit einem Phasenunterschied von 90° entgegen der Bewegungsrichtung des Bauwerks zum Schwingen, so dass die auf das Hauptsystem übertragenen Kräfte wie viskose Dämpfungskräfte wirken. Die Schwingungsenergie der Flüssigkeit wird im Rohrsystem durch die Turbulenzeffekte und die örtlichen Druckverluste infolge Reibung dissipiert. Die mathematische Beschreibung der Flüssigkeitsbewegung erfolgt über die instationäre Bernoulli Gleichung. Die Eigenfrequenz des Flüssigkeitsdämpfers hängt dabei von der Geometrie des Rohrsystems ab. Die Rückstellkräfte des Dämpfers ergeben sich aus dem durch die Bewegung der Flüssigkeitssäule verursachten Impuls. Zur Bestimmung der Abstimmungsparameter des Flüssigkeitsdämpfers können die für die mechanischen Schwingungsdämpfer geltenden Kriterien von Den Hartog, Warburton und Lyapunov über die bereits bekannten Analogiesätze verwendet werden. Diese Kriterien liefern als Ergebnis die optimale Eigenfrequenz und den optimalen Dämpfungsgrad des Flüssigkeitsdämpfers. Die Geometriefaktoren des Flüssigkeitsdämpfers beeinflussen den zur Schwingungsreduktion maßgebenden effektiven Anteil der Flüssigkeitsmasse. Die Geometriefaktoren werden über den Neigungswinkel der vertikalen Strömungslinie, die Querschnittsfläche und die Länge der Flüssigkeitssäule definiert. Zur Lösung des Optimierungsproblems wurden bei den bisherigen Forschungsarbeiten die Geometriefaktoren immer als bekannt vorausgesetzt. Da der Wirkungs-grad des Flüssigkeitsdämpfers aber nicht nur von der Abstimmung der Eigenfrequenz und des Dämpfungsgrades sondern auch vom effektiven Massenanteil abhängig ist, müssen die Geometriefaktoren in das Optimierungsproblem des Flüssigkeitsdämpfers miteinbezogen werden. Zu diesem Zweck werden im Rahmen dieser Arbeit sowohl die Abstimmungskriterien von Den Hartog und Warburton als auch von Lyapunov mit erweiterten Optimierungsansätzen neuformuliert. Die Anwendung der neuen Optimierungskriterien wird anhand von zwei Beispielen vorgestellt. Im ersten Beispiel wird eine durch den Windhöhengradient umlaufperiodisch angeregte Windenergieanlage und im zweiten Beispiel ein seismisch angeregtes Hochhaus behandelt. Der Wirkungsgrad des Flüssigkeitsdämpfers sowie der Einfluss der Dämpferparameter werden mit Sensitivitätsstudien analysiert und mit konventionellen mechanischen Schwingungsdämpfern verglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Konzept für einen neuen semiaktiver Flüssigkeitsdämpfer präsentiert. Die nichtlinearen Bewegungsgleichungen sowie die Interaktionskräfte werden mathematisch hergeleitet und die Dämpfereffektivität numerisch bestätigt.