Monitoringgestützte Analyse von Schwingungsdämpfern in Turmbauwerken

Schlanke Bauwerke, wie Türme und Masten, zeigen oft ein unerwünschtes dynamisches Verhalten, wenn sie zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt sind. Eigenschwingungen höherer Ordnung sowie Resonanzphänomene zwischen den einwirkenden dynamischen Lasten und der Struktur können zu beträchtlichen Bauwerksschwingungen führen. Zur Reduzierung solcher Schwingungen werden häufig Schwingungsdämpfersysteme eingesetzt. Ein Schwingungsdämpfer ist ein Feder-Masse-Dämpfer-System, dessen dynamische Eigenschaften so auf das Bauwerk abgestimmt sind, dass die Trägheitskräfte den Bauwerksschwingungen durch einen Phasenversatz der Relativbewegung zwischen Bauwerk und Schwingungsdämpfer optimal entgegenwirken und diese reduzieren. Die Bemessung von Schwingungsdämpfern erfolgt entweder auf Grundlage numerischer Berechnungen oder durch Schwingungsversuche zur Ermittlung der dynamischen Eigenschaften des Bauwerks. Während der Lebensdauer eines Bauwerks können sich jedoch die dynamischen Eigenschaften, beispielsweise aufgrund von Alterungsprozessen, ändern, sodass die Wirksamkeit der Schwingungsdämpfer herabgesetzt wird. Im vorliegenden Beitrag wird eine Methode zur Beurteilung der Wirksamkeit von Schwingungsdämpfern unter Verwendung von Daten aus einem Structural-Health-Monitoring-(SHM-)System vorgestellt. Die Funktionalität des Schwingungsdämpfers wird durch Betrachtung des Phasenversatzes zwischen den Schwingungen des Bauwerks und des Dämpfers untersucht, wobei ein optimaler Dämpfungseffekt bei einer Phasenverschiebung von annähernd 90° zwischen diesen beiden Schwingungsantworten erwartet wird. Die vorgeschlagene Methode wird am Beispiel eines mit Schwingungsdämpfer und SHM-System versehenen Sendeturms validiert.

Monitoring-based performance analysis of tuned mass dampers in tower structures
Slender structures, such as towers and masts, frequently exhibit unfavourable responses when subjected to dynamic loads, characterized by the non-negligible contribution of higher modes of vibration as well as resonant phenomena between the loads and the structure. To mitigate such responses, tuned mass dampers (TMDs) have been employed in several slender structures. A TMD is a structural sub-system fixed to a structure and “tuned” to counteract a response frequency, which is anticipated to induce large oscillations to the structure, through its out-of-phase response. The design of tuned mass dampers is based on modelling assumptions and on sparse observations of the dynamic behaviour of structures, which changes due to structural ageing, thus rendering the regular performance assessment of TMDs is essential. In this paper, a methodology for assessing TMD performance using structural health monitoring (SHM) data is presented. Specifically, the TMD functionality is assessed upon obtaining the phase shift between the TMD response and the response of the structure, which, according to TMD theory, indicates favourable dampening effect when assuming values close to 90°. The proposed methodology is validated via a case study of a telecommunication tower equipped with a TMD and an SHM system, showcasing the ability of the methodology to assess TMD performance.