Einsatz von multiplen Schwingungstilger-Systemen an schlanken Fußgängerbrücken

Der Einsatz von Schwingungstilgern zur Erhöhung der Gebrauchstauglichkeit von Fußgängerbrücken gehört in der Zwischenzeit zum Standard und erlaubt den Tragwerksplanern die Realisierung filigraner Bauwerke. Im Regelfall wird ein Schwingungstilger zur Reduktion von Schwingungen in einer vertikalen oder lateralen Eigenform eingesetzt, welche in einem kritischen Frequenzbereich, also dem üblichen Bereich der Schrittfrequenzen liegen. Besonders schlanke bzw. leichte Brücken weisen jedoch zahlreiche Eigenformen innerhalb dieses kritischen Bereiches auf, so dass - will man vermeiden, dass je Eigenform in dem kritischen Frequenzbereich ein Tilgersystem appliziert wird - die Konzepte zur Applikation von Schwingungstilgern angepasst werden müssen. Weiterhin weisen schlanke Fußgängerbrücken größere Verschiebungen der Eigenfrequenzen in Abhängigkeit von der Personen-Anzahl auf dem Brückendeck auf, so dass zusätzlich zu der Wirksamkeit für mehrere Schwingungsmoden auch eine entsprechend große Robustheit des Schwingungstilger-Konzepts gegenüber diesen Frequenzverschiebungen erforderlich ist. In der Vergangenheit wurden multiple Schwingungstilger-Systeme vornehmlich mit dem Ziel einer Erhöhung der Wirksamkeit passiver Systeme bei stochastischer Anregung untersucht [1], [2]. Da die dynamische Schwingantwort von schlanken Fußgängerbrücken bei Anregung durch Personen aufgrund der Anregung mehrerer Eigenfrequenzen sowie erzwungener Schwingungen im Bereich der Schrittfrequenz ebenfalls stochastische Züge aufweist, bietet es sich an, solche Konzepte ebenfalls auf Brückendecks zu applizieren. Der folgende Beitrag soll zunächst das typische Schwingungsverhalten schlanker Fußgängerbrücken an praktischen Beispielen demonstrieren. Basierend auf den gezeigten Effekten wird ein für Fußgängerbrücken optimiertes Konzept für Multiple Schwingungstilger (Multiple Tuned Mass Dampers - MTMD)-Systeme vorgestellt. Hierzu werden die mathematischen Grundlagen zur Optimierung erläutert und Hinweise zur Auswahl abzudeckender Frequenzbereiche sowie zur Massenaufteilung und Abstimmung dargelegt. Abschließend werden Ergebnisse numerischer Berechnungen einer Seilbrückenstruktur vorgestellt, bei denen ein spezielles Augenmerk auf die Robustheit des Systems gegenüber belastungsbedingter Frequenzverschiebungen sowie der charakteristischen Belastung durch Fußgänger gelegt wurde.

The Application of Multiple Tuned Mass Damper Systems at slender footbridges.
While for standard footbridge only a few vibration modes are within the critical footfall frequency range and hove to be considered for the dynamic design, lightweight structures dis-play multiple modes in that frequency range. Furthermore the modal masses are very little so also the smaller load components for the excitation of higher harmonic vibration modes can become significant to assess the vibration susceptibility. Various observations have been made during experimental tests of these structures and will be introduced in this contribution using the example of a canopy walk structure and a stress ribbon bridge. To understand the observed effects at such continuous dynamic systems for pedestrian loading, numerical calculations have been performed for which a similar lightweight structure has been modelled and pedestrian loading was simulated with several footfall frequencies. Similar to the experimentally investigated structures it was found that the multimodal dynamic response of the bridges strongly depends on the pedestrian loading (footfall frequency). Experimental tests have shown, that the application of a Tuned Mass Damper System to dampen only the critical mode that is within the footfall frequency range is not sufficient to reduce the multi-modal dynamic response of the lightweight bridge structures under pedestrian so the occurring accelerations remain below certain comfort levels. Therefore the concept of Multiple Tuned Mass Dampers was introduced to the bridge structure and its practicability was investigated.