Beauftragung: KubanUniversalProjekt GmbH, 350020 Krasnodar, Russland
Beschreibung:
Während der vergangenen olympischen und paralympischen Winterspiele im russischen Sochi 2014 loderte das olympische Feuer auf einem 50m hohen, diagonal auskragenden Fackelturm. Der Baukörper ist gekennzeichnet durch seine geschwungene, freigeformte Fassadenkonstruktion. Gerade diese Form sorgte jedoch dafür, dass die Struktur für eine besonders problematische Form der winderregten Schwingungen anfällig war. Am Institut für Stahlbau der RWTH Aachen wurden umfangreiche Untersuchungen zur Sicherstellung der dynamischen Standsicherheit für diese Struktur im Vorfeld der beiden Großveranstaltungen durchgeführt.
Die Bewertung von winderregten Tragwerksantworten wird besonders komplex, wenn die dynamische Lasteinwirkung vom Schwingungsverhalten des Bauwerks abhängt. Man spricht in diesem Fall von einer Selbststeuerung bzw. von selbsterregten Schwingungen. Ein derartiges Verhalten kann bei schlanken Baukörpern infolge der natürlichen Windströmung auftreten, und auch für die Fackel wurde ein solcher Mechanismus befürchtet. Die große Gefahr bei selbsterregten Schwingungsmechanismen liegt darin, dass infolge der Schwingungsbewegung die effektive Erregerlast stetig anwächst. Charakteristisch für diese Anfälligkeit ist der Verlauf des Quertriebsbeiwertes cy, bzw. dessen Ableitung in Bezug auf den Anströmwinkel α. Generell kann ein negatives Derivativum als negativer Dämpfungsanteil für das dynamische Strukturverhalten interpretiert werden. Wenn dieser negative Dämpfungsbeitrag die Größe der Strukturdämpfung überschreitet, wird die Struktur – abhängig von der vorherrschenden Windgeschwindigkeit – dynamisch instabil. Die Windgeschwindigkeit, bei der die negative Dämpfung überwiegt, wird als Einsetzgeschwindigkeit für den selbsterregten Schwingungsmechanismus bezeichnet.
Strömungsvisualisierung am 1:100 Modell der olympischen Fackel im Grenzschichtwindkanal des Instituts für Stahlbau der RWTH Aachen
Die Identifikation des Effektes und die Bestimmung zugehörigen kritischen Einsetzgeschwindigkeit erfolgte im Rahmen von Windkanalmessungen. Auch die Entwicklung.
Zur Verhinderung dieses kritischen Schwingungseffektes kamen unterschiedliche Maßnahmen in Betracht: Veränderung der Querschnittsform, Verstimmung des Tragwerks oder die Erhöhung der Strukturdämpfung. Die erstgenannten beiden Möglichkeiten kamen für die konkrete Struktur aufgrund der bereits fortgeschrittenen Ausführung zum Zeitpunkt des Gutachtens nicht mehr in Frage. Daher wurde eine Auslegung von Dämpfungsmaßnahmen geprüft und drei dynamische Schwingungsdämpfer mit aktiven Massen von 500-700 kg empfohlen. Aufgrund der potentiellen Gefährdungssituation für die Struktur wurden die Dämpfer redundant ausgelegt (zwei für die Gallopingschwingungen, einer senkrecht dazu). Zudem wurde eine regelmäßige Wirksamkeitskontrolle empfohlen. Die Feinabstimmung der fertiggestellten Dämpfer erfolgte schließlich vor Ort auf der Basis von Eigenfrequenzmessungen.
Nahezu fertiggestellte Struktur der olympischen Fackel im Dezember 2013, Durchführung der Schwingungsmessungen vor Ort
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