Eigenschwingungsberechnung einer Brücke

Als Designer im Bauwesen kennt Ihre Vorstellungskraft keine Grenzen. Am liebsten würden Sie alle Ihre Ideen eins zu eins in die Praxis umsetzen. Diesen fatalen Ansporn hatten die Ingenieure der Takoma-Narrows-Brücke auch. Und letztendlich siegte wiedermal die Technische Mechanik. Anfängliche aerodynamische Belastungen durch Starkwind gipfelten in selbsterregten Schwingungen, sogenannten Eigenschwingungen. Heutzutage ist dieses Wissen Grundvoraussetzung für Ingenieure. Sie als Designer wissen um diese Problematik und wollen Ihre Ideen simulationsunterstützt umsetzen. Die Bedienung von CAD-Software ist für Sie selbstverständlich und als wirtschaftlich handelnder Entwickler nutzen Sie Z88Aurora zur Berechnung Ihrer Struktur.

Import

Der Import ihres Modells per *.step oder *.stl ist aus vorhergehenden Beispielen bestens bekannt. Folglich müssen Sie Ihre Struktur nun diskretisieren. Achten Sie hierbei auf eine ausreichend feine Vernetzung. Wenn nötig verfeinern Sie Ihre Vernetzung. Bedenken Sie jedoch, dass jede Änderung der Netzfeinheit erhebliche Auswirkungen auf Ihre Ergebnisse liefern kann.

Diskretisierung

Randbedingungen

Brücken gelten allgemein als wartungsintensiv,  da Sie steten Belastungen ausgesetzt sind. Abgesehen von Belastungen durch Fahrzeuge und Fußgänger treten bereits erwähnte Windkräfte und thermische Belastungen auf. Um die thermisch bedingten Verformungen der Brücke, welche hauptsächlich als Längenänderung in Erscheinung treten, zu kompensieren wird das Prinzip Fest-Loslager angewandt. Zur Realisierung in Z88Aurora sind selbstverständlich vorab Knotensets an den hervorgehobenen Stellen definiert worden.

Loslager

Festlager

Materialdefinition und Solver

Vergessen Sie nicht, das Material zu defineren und stellen Sie auf Eigenschwingungen beim Solver um. Mit Baustahl machen Sie bestimmt keinen Fehler und die Parametereinstellungen beim Solver sollten Sie nur mit entsprechendem Hintergrundwissen verändern.

Postprocessing

Im Postprocessing sind anschließend die berechneten Eigenfrequenzen inklusive entsprechenden Moden visualisierbar. In diesem Beispiel sind wiederum keine Kosten und Mühen gescheut worden und statt screenshots als Animationen abgebildet, die für besseres Verständnis der Eigenschwingungsproblematik sorgen.

Bei der ersten Eigenfrequenz ist das obere Tragwerk als zu „weich“ erkennbar. Sieht aber interessant aus!

Mode1

Schauen Sie, wie die Brücke sich durch schwingt. Sieht doch ziemlich nach einer halben Sinuskurve aus, oder etwa nicht? Sowas haben Sie bestimmt erwartet!

Mode2

Auch bei dieser Eigenfrequenz zeigt das obere Tragwerk seine mangelnde Steifigkeit.

Mode3

Wenn Sie jetzt immer noch keine Sinuskurve erkennen, fragen Sie sich „Was ist eine Sinuskurve“?

Mode4

Interpretation der Ergebnisse

Nun obliegt es dem Konstrukteur, Designer und/oder Entwickler seine Rückschlüsse aus den Eigenfrequenzen zu ziehen. Sind die berechneten Eigenfrequenzen überhaupt praxisrelevant? Wenn ja, ist es vielleicht mit ein paar gezielten Versteifungen getan? Muss das ganze Design überarbeitet werden oder sind zusätzliche Dämpfer einzubringen? All diese Fragen kann nur der Fachmann beantworten, den Z88Aurora tatkräftig unterstützt.

Wenn Ihnen das alles zu schnell ging, mit den Randbedingungen und anderen wichtigen Handhabungen, schauen Sie sich doch mal das Beispiel „Eigenschwingungsanalyse einer Welle“ an.

rf

 

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