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Semi-aktives Flüssigkeitsdämpfungssystem für Bauwerke

Kurze Beschreibung

Bauwerke müssen während ihrer gesamten Nutzungsdauer natürlichen und anthropogenen Einflüssen standhalten. Im ungünstigsten Fall kann es zu einer Überlastung des Tragsystems kommen, was zum Versagen des gesamten Bauwerks führen kann. In Deutschland spielen insbesondere Windeinwirkungen eine maßgebende Rolle für die Standsicherheit von Hochbauten, wie Hochhäuser, Schornsteine und Windenergieanlagen. Beispielsweise werden Windenergieanlagen, aufgrund der dynamischen Beanspruchungen, derzeit nur für eine Lebensdauer von 20 Jahren ausgelegt, was aus wirtschaftlicher Sicht nicht effizient genug ist. Eine weitere gesellschaftliche und wirtschaftliche Herausforderung stellen die Straßenbrücken dar. Allein im Fernstraßennetz von Deutschland gibt es über 38.000 Brücken. Ein besonders akutes Beispiel ist die A1-Rheinbrücke bei Leverkusen, die aufgrund des Bauwerkszustands seit 2012 für LKW vollständig gesperrt ist.

Zur Verbesserung der dynamischen Standsicherheit von Bauwerken wurde an der RWTH Aachen ein semi-aktiver Flüssigkeitssäulen-Dämpfer (Semi-active Tuned Liquid Column Damper, S-TLCD) entwickelt. Analog zu Stoßdämpfern aus der Automobilbranche, kann das Dämpfungssystem die Schwingungsenergie effizient minimieren. Das Hochhaus in Taipei sowie der Berliner Fernsehturm haben beide ein, aus einer Pendelmasse bestehendes, Dämpfungssystem. Bei diesen passiven Maßnahmen treten jedoch durch Veränderungen der Bauwerksparameter sowie Belastungssituationen im Laufe der Betriebszeit Wirkungsverluste auf. Der S-TLCD kann auf diese Veränderungen reagieren, indem er seine Parameter selbständig anpasst. Dadurch erreicht der S-TLCD im Vergleich zu konventionellen Maßnahmen eine deutlich höhere Stabilität und Effizienz.

Der S-TLCD wurde durch die RWTH zum Patent angemeldet und im kleinen Maßstab unter Laborbedingungen erfolgreich getestet. Das Ziel des Projektvorhabens ist es, die Funktionalität des S-TLCD unter realen Bedingungen und im realen Maßstab an einer Referenzstruktur auf dem Versuchsgelände der RWTH zu validieren.

Arbeitsplan

Für potenzielle Anwender besteht ein hohes finanzielles Risiko das Labormodell vom S-TLCD hoch zu skalieren und direkt in ein reales Bauwerk zu übertragen. Zur Minimierung dieses Risikos und zur Steigerung der Akzeptanz, sind weitere Untersuchungen erforderlich. Die Funktionsfähigkeit des Dämpfers muss zunächst unter realen Bedingungen mit Berücksichtigung der Skalierungseffekte und Wettereinflüsse getestet werden. Hierfür sind fünf Arbeitspakete vorgesehen. Im AP1 wird die Referenzstruktur, ein Testschornstein der RWTH, für die Validierungsuntersuchungen vorbereitet und im Zuge dessen werden die Strukturparameter sowie die aktuelle Belastungssituation messtechnisch erfasst. Im AP2 wird ein S-TLCD als Demonstrator entworfen, der, basierend auf den gemessenen Parametern, an die Referenzstruktur angepasst wird. Des Weiteren werden in diesem Arbeitspaket die mechanischen Komponenten des Demonstrators hergestellt. Zur Identifikation und Einstellung der optimalen Dämpferparameter werden im AP3 Regelungsalgorithmen für das Dämpfungssystem entwickelt. Im AP 4 wird der Demonstrator an der Referenzstruktur mit den dazugehörigen Sensoren und Aktoren installiert. Die Validierung der Leistungsfähigkeit des Dämpfers, durch Messung der dynamischen Antwort der Referenzstruktur, findet im AP5 statt. Hierfür werden Messungen unter bestimmten Belastungssituationen durchgeführt. Die geplanten Untersuchungen bestehen aus drei Phasen. Die erste Phase des Versuchsplans umfasst die Simulation verschiedener Belastungssituationen. In der zweiten Phase werden insbesondere die Bauwerksänderungseffekte getestet. Die letzte Phase umfasst die Untersuchung des Langzeitverhaltens des Dämpfers.

Zur Präsentation der Ergebnisse wird eine Online-Dokumentationsplattform vorbereitet. Hierfür werden die erfassten Sensordaten zusammengestellt und grafisch aufbereitet. Die Referenzstruktur sowie das Dämpfungssystem werden per Webcam aufgezeichnet. Es sollen auch Testmessungen per Fernsteuerung durchgeführt werden können, um die Effektivität des Dämpfungssystems dem potentiellen Nutzerkreis via Internet demonstrieren zu können.

Forschungsförderung

  • BMBF – Bundesministerium für Bildung und Forschung

Partner

  • IRT – Institut für Regelungstechnik

Laufzeit

12.2018-11.2021

Ansprechpartner

Mirko Friehe