Modellierung Regen-Wind-induzierter Schwingungen

Nahrath, Niklas

In dieser Arbeit wird ein Überblick über Regen-Wind-induzierte Seilschwingungen gegeben und ein mathematisches Modell zur Simulation dieser Schwingungsform vorgestellt. Das entwickelte Modell ist in der Lage, die Phänomene Regen-Wind-induzierter Schwingungen, wie sie in Windkanalversuchen und Felduntersuchungen beobachtet wurden, zu reproduzieren. Sowohl die aeroelastische Instabilität des Seiles als auch das Verhalten der axialen Regenrinnsale auf der Seiloberfläche können mit dem Modell simuliert werden. Neben den inertialen Kopplungen zwischen Seil- und Rinnsalbewegungen werden das geometrisch nichtlineare Verhalten der Seile und der beiden Rinnsale sowie die nichtlineare Abhängigkeit der Windkräfte von den Rinnsalpositionen berücksichtigt. Das Lastmodell des gekoppelten Mehrmassenschwingers geht von einer selbsterregten Schwingung aus. In Windkanalversuchen wurden die einwirkenden Windkräfte in Abhängigkeit der Lagen der beiden Rinnsale auf der Seiloberfläche nach quasi-stationärer Streifentheorie ermittelt. Die Bewegungsgleichungen werden hergeleitet und das Verhalten des Systems auf Grundlage der Stabilitäts- und Verzweigungstheorie untersucht. Der Anregungsmechanismus und die Sensitivität des Modells hinsichtlich ausgewählter Parameter werden studiert. Vereinfachte Modelle, in denen nur ein Rinnsal berücksichtigt wird, werden vorgestellt und untersucht.

In this dissertation an overview of rain-wind induced vibrations is given and a mathematical model for the simulation of these vibrations of bridge cable stays is presented. The model is able to reproduce the phenomena observed in wind tunnel tests and field studies. The aeroelastic instability of the cable as well as the behavior of the axial rivulets on the cable surface can be simulated by the model. The 3-masses-oscillator accounts for the inertial coupling and the nonlinear dynamics of the cable and the two rivulets as well as the nonlinear dependence of the aerodynamic forces from the rivulet positions. The wind forces were evaluated in wind tunnel tests after quasi-stationary strip theory. The equations of motion are derived and the behavior of the dynamical system is analysed on basis of the stability and bifurcation theory. The excitation mechanism and the sensitivity towards chosen parameters is studied for the model with four degrees of freedom and the simplified models with only one upper rivulet.

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Nahrath, Niklas: Modellierung Regen-Wind-induzierter Schwingungen. 2003.

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