Regen-Wind-induzierte Schwingungen von Schrägkabeln und Hängern : ein Rechenmodell zur Vorhersage und Massnahmen zur Verhinderung

Abstract

Seit ungefaehr 15 Jahren werden haeufig verhaeltnismaeßig starke Schwingungen an Kabeln von Schraegseilbruecken und Haengern von Bogenbruecken beobachtet. Die Schwingungen treten stets bei gleichzeitiger Einwirkung von Regen und Wind auf. Diese so genannten Regen-Wind-induzierten Schwingungen wirken sich nachteilig auf die Gebrauchstauglichkeit der Bruecke und auf das Ermuedungsverhalten von Kabelverankerungen und Haengeranschluessen aus. Waehrend der letzten zwei Jahrzehnte wurden viele Forschungsvorhaben in der ganzen Welt durchgefuehrt, sowohl Beobachtungen von Regen-Wind-induzierten Schwingungen an realen Bauwerken als auch im Windkanalversuch. Die Ergebnisse wurden in zahlreichen Aufsaetzen veroeffentlicht. Jedoch gibt es noch viele offene Fragen. Diese Arbeit vermittelt einen umfassenden Einblick in das derzeitige Wissen ueber Regen-Wind-induzierte Schwingungen. Weiterhin werden Maßnahmen zu deren Verhinderung diskutiert. Regen-Wind-induzierte Schwingungen sind wie das bekannte Galloping von vereisten Freileitungen eine Form der aeroelastischen Instabilitaet. Aehnlich wie ein Eisansatz verursachen Rinnsale aus abfließenden Regenwasser im gleichfoermigen Luftstrom aerodynamische Kraefte, die das Kabel zu Schwingungen anregen. Die Rinnsale selbst schwingen auf der Kabeloberflaeche in Umfangsrichtung. Im Gegensatz zum Galloping entsteht so ein ueber die Schwingungsperiode veraenderlicher Querschnitt. Unterschiedliche Rinnsalanordnungen fuehren zu unterschiedlichen Typen von Regen-Wind-induzierten Schwingungen. Gegenwaertig sind vier Typen bekannt, im Rahmen dieser Arbeit mit Typ A, B, C und D bezeichnet. Schwingungen vom Typ A und B wurden nur an Schraegseilen beobachtet, waehrend Schwingungen vom Typ C und D sich insbesondere an den stark geneigten Haengern von Bogenbruecken ereignen. Auf Grundlage der Beobachtungen an der Erasmusbruecke in Rotterdam wurde von Geurts und van Staalduinen ein Rechenmodel mit einem Freiheitsgrad entwickelt, um moegliche Regen-Wind-induzierte Schwingungen vom Typ A vorhersagen zu koennen. Ein weiteres Modell, auch fuer Schwingungen vom Typ A, wurde von Yamaguchi entwickelt. In dieser Arbeit werden zwei neue Modelle zur Berechnung von Schwingungen der Typen A und B vorgestellt. Die Bewegung der Rinnsale wurde dabei auf eine andere Art beruecksichtigt als bei frueheren Arbeiten. Die Modelle sind in der Lage typische Merkmale Regen-Wind-induzierter Schwingungen wie zweidimensionale Kabelbewegung (elliptische Umlaufbahn) und die Rinnsalbewegung abzubilden. Zur Loesung der Diffentialgleichungen wurde ein spezielle Computerprogramm entwickelt. Die Ergebnisse der numerischen Simulation werden anhand von Beobachtungen an realen Bauwerken bewertet.

Relatively high vibrations on cables of cable-stayed bridges and hangers of arch bridges are observed for the past approx. 15 years. These vibrations constantly occur at simultaneous influence of wind and rain. These so called rain-wind induced vibrations have negative effects on the of the bridge and the fatigue behaviour of its cable anchorages and hanger connections. Many research projects all around the world were carried out during the past two decades, both, observations of rain-wind vibrations on real bridge buildings as well as wind tunnel tests. The results were published in numerous papers. However, there are still many questions left open. The subject paper gives a comprehensive insight into the present knowledge about rain-wind induced vibrations. Measures to suppress this kind of vibration, like dampers, cross ties and cable surface processing, are also discussed. Rain-wind induced vibrations are a kind of aeroelastic instability like the well known galloping of iced electrical transmission lines. Similar like an ice film, rivulets of flowing rain water produce aerodynamic forces in a steady airflow, which cause the cable to oscillate. The rivulets are oscillating in the circumferential direction. As opposed to galloping, this creates a variable cable cross section over a vibration period. Different rivulet configurations cause different types of rain-wind induced vibrations. At present four types are known, in this paper referred to as type A, B ,C and D. Vibrations of type A and B were only observed on stay- cables whereas vibrations of type C and D especially occur on hangers of arch bridges with high inclination. Based on the observations of the Erasmus bridge in Rotterdam, Guerts and van Staalduinen have developed a single degree of freedom model to predict possible rain-wind vibrations of type A. Another model, also for type A, was developed by Yamaguchi. In this paper two new models for the vibration of type A and B with three degrees of freedom are presented. The movement of rivulets are considered in a different manner unlike in previous papers. The models are able to simulate typical phenomena of rain-wind induced vibrations like the two dimensional cable movement (elliptical orbit) and the rivulet oscillation. To solve the differential equations a special computer software has been developed. The results of numerical simulation are evaluated by means of observations on real bridge building.