Svingningsdæmper fra DTU kan redde broer fra sammenstyrtning

Sæt en dæmper i broen og red den fra sammenstyrtning.

Ph.d. Jan Høgsberg fra Institut for Mekanik, Energi og Konstruktion på DTU har formuleret en generel teori for, hvordan de værste svingninger i de store kabler i moderne skråstagsbroer kan stabiliseres med en elektromagnetisk dæmper mellem staget og vejbanen.

Arbejdet bygger videre på teorier, som Jan Høgsbergs vejleder, professor Steen Krenk, har udviklet og handler om at inddrage dæmpere, der kan trække energi ud af svingningerne i det grundlæggende design af broerne.

Skræmmeeksemplet Tacoma

Men før vi kigger videre på skråstagsbroerne, så lad os lige huske den fantastiske film af Tacoma-broen i staten Washington, USA, som den 7. november 1940 går i svingninger og til sidst styrter i floden.

Tacoma-broen var en traditionel hængebro, og sammenstyrtningen er blevet anerkendt som et eksempel på, hvor galt det kan gå, når vi bygger vældige konstruktioner uden helt at kende de dynamiske forhold. Tacoma-broen var på det tidspunkt den tredje længste hængebro i verden.

Tacoma-broen var generelt underdimensioneret. Men det viste sig også, at der i designfasen ikke var taget tilstrækkelig hensyn til vindforholdene i området.

Det betød, at selv under moderate vindforhold kunne hele broen begynde at svinge med egenfrekvensen, eller med funktioner af denne, hvilket var ødelæggende.

Tacoma-broen har lært brokonstruktørerne ekstremt meget om design og dæmpning af hængebroer.

Skråstagsbroer mere stabile

I modsætning til hængebroer, hvor svingningsforholdene er domineret af vejbanen og de to centrale kabler, så er skråstagsbroer "født" mere stabile i forhold til svingninger - på trods af deres relativt lave masse og dermed lille dæmpningsfaktor.

Alligevel kan vinden spille hele konstruktionen et puds. Det så man blandt andet under en storm i Kroatien, hvor stagene på Franjo Tudjman-broen i nærheden af Dubrovnik begyndte at svinge med en amplitude på 1-2 meter. Svingningerne forårsagede alvorlige skader på broen.

Også i Japan har man set voldsomme svingninger på skråstagsbroer, og med det boom, der er set i antallet af skråstagsbroer verden over, er det ikke noget, som konstruktørerne har lyst til at få gentaget.

Teorien hædret med legat

Erfaringer viser nemlig, at hvis kraftig vind og regn rammer stagene skråt fra siden, kan de begynde at svinge voldsomt. Svingningerne er ofte funktioner af grundsvingningen med en del højere frekvenser lagt ovenpå, ligesom hvis man slår alle strengene an på en harpe på én gang.

Selv om det er mere end 20 år siden, at fænomenet første gang blev beskrevet - altså før vi for alvor begyndte at bygge skråstagsbroer i Europa - så er det først nu, at teorien bag svingningerne og de løsninger man i praksis har brugt, begynder at hænge sammen. Den praktiske løsning har været at installere store viskosedæmpere mellem selve staget og kørebanen.

Gennem årene er der blevet installeret temmelig mange af den type dæmpere på skråstagsbroer. Dimensioneringsreglerne for hvor store dæmperne skal være, hvor meget de skal dæmpe og hvor de skal sidde, har indtil videre grundlæggende været baseret på erfaringer.

Men igennem et ph.d-studium har Jan Høgsberg formuleret en teori for hvordan semi-aktive svingningsdæmpere kan bruges til dæmpningen af skråstagsbroer. Studiet blev færdiggjort i 2005, men i efteråret 2007 blev resultaterne hædret med Gorm Pedersens Mindelegat.

Dæmpning tænkes ind i broens design

Samtidig er den virkelige verden nået så langt, at teorierne begynder at trænge ind i kommende brokonstruktioner, blandt andet på en helt ny skråstagsbro i Hongkong, der skal stå klar i 2009:

»Tidligere var dæmpning af skråstagsbroer nok mere et spørgsmål om at når den først stod der, så opdagede man, at der var brug for dæmpning. De blev så installeret efterfølgende. I dag begynder man at acceptere, at det er en del af det grundlæggende design, og dæmpere bliver inddraget i selve designfasen,« fortæller Jan Høgsberg.

Derfor ser man også flere og flere broer, hvor store dæmpere forbinder den nederste del af staget med vejbanen. I starten var det passive viskosedæmpere, men i dag bruger man semiaktive MR-dæmpere (hvilket står for Magneto-Rheological).

MR-dæmpere kendes fra bilindustrien og består i princippet af en magnetisk væske, som lynhurtigt kan ændre viskositet når der påtrykkes et svagt magnetfelt. Magnetfeltet skal faktisk ikke være kraftigere, end at det kan klare sig med et sæt batterier som energikilde.

Energi trækkes ud af svingninger

På baggrund af en teoretisk beskrivelse af selve fænomenet har Jan Høgsberg sammen med professor Steen Krenk arbejdet med, hvordan dæmperne styres:

»Det handler om at trække energi ud af selve svingningen og ned i dæmperen. Det betyder ikke, at svingningen skal stoppe med det samme, bare den for eksempel bliver én procent mindre for hver svingning, så kan man i løbet af meget kort tid forhindre de værste skader på broen,« forklarer Jan Høgsberg.

Resultatet af beregningerne er en styringsalgoritme, som i dag er på vej ind i MR-dæmpere på skråstagsbroer rundt om i verden. Blandt andet på den omtalte Franjo Tudjman-bro, hvor de voldsomme svingninger på en-to meter vil blive reduceret med en faktor ti, hvis en lignende storm skulle opstå.

Teorien har altså vist sig at fungere udmærket på kabler. Men der er mange andre steder, hvor kraftige svingninger kan være ødelæggende for konstruktionen, for eksempel i vindmølletårn- og -vinger. Det er problemstillinger, som Jan Høgsberg arbejder videre på at løse.

Dokumentation

Jan Høgsbergs ph.d.-afhandling om dæmpere
Se film på Youtube af Tacoma Bridges kollaps

Emner : Broer
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Der er vist noget der er uden "friktion" i den artikel. Jeg ville meget hellere kalde dimserne for svingningsdæmpere - de arbejder vist nok ved at ØGE "friktionen" hvis man kan kalde viskositetsændring for "friktion". Det går nu nok med en del god vilje.

Den der væske, der omtales, kan være en "væske" med jernspåner, der kræver et magnetfelt på 150-250 kA/m for at virke. Kan det monstro forsynes fra et "Duracel"? Hvis man virkelig har fundet en "væske" der kan "magnetiseres" med "et batteri"(ja det skal vist være et elektrisk felt for ikke at slide batteriet op for hurtigt) så kunne man måske få mere at vide derom fra nogle specialister på området.

Jeg synes umiddelbart, der er noget rod i artiklen, men glæder mig til at blive oplyst.

  • 0
  • 0

Skal ikke kunne sige hvor meget energi der skal bruges for at ændre viskositeten i en væske med jernspånerne? Men ved, at ideen benyttes i nogle biler nu om dage og der er energitilgængeligheden jo forholdsvist begrænset.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten