Toll-Gantries - Schwingungsreduktion von Überkopfkonstruktionen

Lange, schlanke Strukturen sind anfällig für windinduzierte Schwingungen. So auchdie Überkopfkonstruktionen für die elektronische Mauterfassung auf Autobahnenund Schnellstraßen (Toll-Gantries), bei denen Vertikalschwingungen beobachtetwurden. Inhalt des Projekts war die Ursachenfindung, die physikalische und mathematische Beschreibung sowie die Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen.

Kurzbeschreibung

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Querriegel elektronischer LKW-Mauterfassungssysteme sind unter bestimmten Umständen anfällig für windinduzierte Vertikalschwingungen, welche zu Schäden an der Konstruktion führen können.

Im Zuge des Projekts konnten die kritischen Windgeschwindigkeiten, Amplituden und weitere charakteristische Größen für die zwei möglichen aerodynamischen Anregemechanismen – Vortex-Shedding und Galloping – für alle (ca. 450) Stationen in Österreich rechnerisch ermittelt werden.

Weiters wurden aerodynamische und konstruktive Maßnahmen zur Schwingungsreduktion abgeleitet und vorgeschlagen. Die Berechnungen des Schwingungsverhaltens anhand von Regelwerken und eigenen mathematisch-physikalischen Ansätzen wurden von Messungen an Stationen und an Modellen im Windkanal unterstützt.

Problem

LKW-Mauterfassungssysteme sind auf Stahlbaukonstruktionen (Toll-Gantries) montiert, die aus einem Querriegel und zwei seitlichen Steherprofilen bestehen . Auch Ausführungen als Kragträger oder mit drei Stehern sind in Verwendung. Der Querriegel ist mittels Kippblechen und vier Schrauben quasigelenkig auf den Stehern gelagert. In Österreich befinden sich ca. 450 derartige Anlagen.

Vor allem bei den Konstruktionen mit zwei Stehern wurden bei Windbelastung Vertikalschwingungen mit Amplituden bis zu 400 mm beobachtet und gelockerte oder gebrochene Schrauben festgestellt.

Gewählte Methodik

Zur Berechnung der kritischen Windgeschwindigkeiten für Vortex- Shedding (wirbelinduziertes Schwingen) und Galloping (bewegungsinduziertes Schwingen) wurde die ÖNORM EN 1991-1-4 herangezogen. Damit lassen sich auch die Amplituden bei Vortex-Shedding abschätzen.

Begleitend wurde in der Mathematik-Software MAPLE 17 das Problem in Form einer partiellen Differentialgleichung beschrieben, deren numerische Lösung die zeitliche Amplitudenentwicklung für beliebige Windgeschwindigkeiten und beide Anregemechanismen ergibt. Basierend auf den Amplituden bei Vortex- Shedding konnten die Schraubenbeanspruchungen und deren Lebensdauern abgeschätzt werden.

Ergebnisse

So gut wie alle Stationen mit zwei Stehern sind anfällig gegenüber Vortex-Shedding, viele auch gegenüber Galloping, bei dem es zu den höchsten Amplituden kommt. Die kritischen Windgeschwindigkeiten für beide Anregemechanismen konnten für alle ca. 450 Stationen ermittelt und die aufgetretenen Schäden an den Schraubverbindungen erklärt werden. Weiters konnten Maßnahmen zur Schwingungsreduktion und Erhöhung der Schraubenlebensdauer bzw. Erhalt der Vorspannkraft abgeleitet werden.

Schlussfolgerungen

Freistehende Konstruktionen mit hohem Schlankheitsgrad und einem aerodynamisch ungünstigen Querschnitt (bluff body) können anfällig gegenüber windinduzierten Schwingungen sein. Je nach Höhe der Amplitude und der Zyklenzahl kann dies Materialermüdung zur Folge haben oder zum Verlust der Spannkräfte bei kraftschlüssigen Verbindungselementen führen. Diese aerodynamischen Effekte können bereits in der Entwicklungsphase rechnerisch quantifiziert und konstruktive und/oder aerodynamische Gegenmaßnahmen getroffen werden.

Projektbeteiligte

Projektleitung

FH JOANNEUM GesmbH, Dr. Markus Lengauer

Kontaktadresse

FH JOANNEUM GesmbH
Dr. Markus Lengauer
Tel.: +43 (316) 5453-8413
Fax: +43 (316) 5453-8401
E-Mail: markus.lengauer@fh-joanneum.at

Dieses Projekt wurde finanziert von bmvit, ÖBB und ASFiNAG im Rahmen von VIF2012.

Weiterführende Informationen sowie den Ergebnisbericht finden Sie im Infonetz der FFG.