Frank Dalmer1 Wieslaw Fiebig2 Jozef Rabiega3 - bei GERB

Frank Dalmer 1
Wieslaw Fiebig 2
Jozef Rabiega 3
1 : Dipl. - Ing. GERB Schwingungsisolierungen GmbH & Co. KG, Essen
2 : Dr. hab. inz. Konstruktionsinstitut für Maschinen am Politechnikum Breslau
3 : Dr. hab. inz. Brückenbau, Ing. Institut am Politechnikum Breslau
Schwingungsreduzierung an Fußgängerbrücken durch den Einsatz von
Schwingungstilgern – Projektbeispiel Brücke "Zabia Kladka" in Breslau
1. Einleitung
Charakteristisch für Fußgängerbrücken mit großer Spannweite sind niedrige Eigen-
frequenzen und geringe Eigendämpfung. Daher sind Fußgängerbrücken oft anfällig gegen-
über dynamischen Belastungen, häufig werden resonanzartige Schwingbewegungen be-
obachtet. Die auftretenden Schwingbewegungen beeinträchtigen den Komfort bei Nutzung
der Brücke - sie werden als störend empfunden – im schlimmsten Fall kann die Brücke durch
diese Schwingungen geschädigt werden. Durch Einsatz von Schwingungstilgern wird die
Systemdämpfung der Brücke erhöht und somit können resonanzartige Schwingbewegungen,
die in den meisten Fällen im Frequenzbereich unterhalb von 3 Hz auftreten, deutlich
vermindert werden.
Ein Schwingungstilger besteht aus einer auf die Brückenmasse abgestimmten
Schwingmasse, die im einfachsten Fall auf Schraubendruckfedern mit dazu parallel
geschalteten viskosen Dämpfern gelagert ist. Die Eigenfrequenz des Tilgers wird auf die zu
bedämpfende Eigenfrequenz der Brücke abgestimmt. Das Wirkprinzip von Tilgern ist
einfach. Wird die Brücke zu Schwingungen angeregt, schwingen auch die Tilger, jedoch
phasenverschoben zur Brücke. Diese Phasenverschiebung der Bewegungen führt zu einer
Massenkraftkompensation, die Bewegungen der Brücke werden vermindert.
Im nachfolgenden Artikel sind die Ergebnisse der gemeinsam mit der Firma GERB
Schwingungsisolierungen GmbH & Co. KG für die Fußgängerbrücke "Zabia Kladka" in
Breslau durchgeführten theoretischen Untersuchungen sowie deren praktische Realisierung
dargestellt. Im letzten Abschnitt wird die erzielte Verbesserungswirkung durch Einbau der
nun eingesetzten drei Schwingungstilger vorgestellt.

Obwohl bei der nachfolgend beschriebenen Fußgängerbrücke die statischen Anforderungen
erfüllt sind, konnte bei Untersuchungen an der Brücke eine deutliche Anfälligkeit gegenüber
dynamischen Belastungen festgestellt werden, Schäden durch das dynamische Verhalten
konnten nicht ausgeschlossen werden. Aus diesem Grund war es notwendig, Maßnahmen
zur Verminderung der auftretenden Schwingungen zu realisieren.
2. Konstruktion der Fußgängerbrücke
Die im Jahr 2002 umgebaute Fußgängerbrücke "Zabia Kladka" über die Oder in Breslau ist
als Hängebrücke in Stahlkonstruktion mit Holzbeplankung im Gehbereich ausgeführt. Der
Gehbereich der Brücke besitzt eine Länge von ca. 50 m, die Brückenmasse beträgt ca. 40 t.
In den nachfolgenden Bildern ist die Brücke dargestellt.
Bild 1 Geometrie der neuen Fußgängerbrücke
Bild 2 Ansicht der Brücke nach Fertigstellung

3. Ergebnisse der Messungen an der Brücke vor Einbau der Tilger
Nach Fertigstellung war die Brücke extrem schwingungsanfällig. Bereits beim üblichen
Fußgängerverkehr waren auf der Brücke deutliche Schwingbewegungen spürbar und
sichtbar. Bei gezielter Anregung der Brücke in der Brückenmitte bzw. in den Viertelspunkten
durch eine oder mehrere Personen wurden schwach gedämpfte Schwingbewegungen mit
Amplituden von bis zu ± 130 mm festgestellt. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die
Brücke leicht zu Schwingbewegungen mit der ersten und zweiten Eigenfrequenz, Frequenz
ca. 1,3 bzw. 1,6 Hz, angeregt werden konnte. Der nachfolgende Zeitverlauf zeigt die geringe
Eigendämpfung einer dieser Eigenformen, der Dämpfungsgrad dieser Eigenform ist kleiner
1%.
Bild 3 Vor Einbau der Tilger ermittelter Zeitverlauf – Ausschwingversuch
Bild 4 zeigt die Eigenschwingformen der o.g. dominant feststellbaren Eigenfrequenzen, die
mit Hilfe der Modalanalyse messtechnisch ermittelt wurden. Bei diesen Eigenformen treten
nur Vertikalbewegungen auf. Störende Schwingbewegungen mit Bewegungsanteilen in
Querrichtung der Brücke konnten nicht festgestellt werden.

a)
b)
Bild 4 Ergebnisse der Modalanalyse - gemessene Eigenformen mit einer Eigenfrequenz von
a) 1,33 Hz , b) 1,64 Hz
4. Ergebnisse der FEM-Berechnungen
Es wurden FEM-Berechnungen zur Auslegung geeigneter Schwingungstilger durchgeführt.
Bei diesen Berechnungen wurde die Schwingungsanfälligkeit der Brücke bei unterschied-
lichen Lastfällen untersucht. Ziel der Tilgerauslegung war es, die Schwingbewegungen der
Brücke bei gleichzeitig geringen Relativwegen zwischen Brücke und Tilger deutlich zu
vermindern.
Für die Tilgerauslegung musste der Vandalismus-Lastfall „mutwillige Anregung der Brücke
durch eine Personengruppe“ berücksichtigt werden.
Das für die Berechnungen genutzte FEM-Modell wurde auf die Ergebnisse der Messung
abgestimmt.
Nachfolgend sind die beiden bei den FEM-Berechnungen ermittelten Eigenschwingformen
dargestellt, die dominant an der Brücke festgestellt werden konnten. Die hier ermittelten
Eigenformen stimmen gut mit den in Bild 4 gezeigten, messtechnisch ermittelten Eigen-
formen überein.

a)
b)
Bild 5 Berechnete Eigenschwingformen für die Eigenfrequenzen a) 1,3 Hz und b) 1,6 Hz
(in den Bildern ist die Ruhelage des Systems mit dargestellt)
5. Beschreibung der eingesetzten Schwingungstilger
Als Ergebnis der Berechnungen wurde vorgeschlagen, in den Viertelspunkten und in der
Brückenmitte Schwingungstilger anzuordnen. Alle Tilger besitzen prinzipiell den gleichen
Aufbau, sie unterscheiden sich nur in der Größe der Schwingmasse und der
Abstimmfrequenz. Die Schwingungstilger in den Viertelspunkten besitzen eine Masse von je
900 kg und sind auf die Eigenfrequenz 1,3 Hz abgestimmt, der Tilger in der Brückenmitte
besitzt eine Masse von ca. 2.000 kg und ist auf die Eigenfrequenz 1,6 Hz abgestimmt. Die
Tilger sind folgendermaßen aufgebaut:
• Die Schwingmasse besteht aus mehreren Stahlplatten. Durch den Ein- bzw. Ausbau
von Gewichtsplatten kann die Eigenfrequenz nachträglich justiert werden.
• Schraubendruckfedern mit einer erforderlichen Steifigkeit.
• VISCO ® -Dämpfer für die benötigte Dämpfung.

Des Weiteren sind die Tilger mit elastischen Anschlagpuffern ausgerüstet. Diese sollen die
Tilgerbewegungen begrenzen und so im Extremfall Beschädigungen der Brücke durch
übergroße Bewegungen verhindern.
Nachfolgend ist einer der eingesetzten Tilger dargestellt.
Bild 6 Zeichnung der eingesetzten Schwingungstilger
3. Ergebnisse der Messungen an der Brücke nach Einbau der Tilger
Durch den Einbau der Schwingungstilger wie oben beschrieben konnte die Schwingungs-
anfälligkeit der Brücke deutlich vermindert werden. Bei nachträglichen Untersuchungen
konnte selbst beim Vandalismus-Lastfall „mutwillige Anregung der Brücke durch eine
Personengruppe“ kein resonanzartiges Aufschaukeln der Brücke mehr beobachtet werden.
Die nun an der Brücke maximal festgestellten Schwingbewegungen liegen in der
Größenordnung ±10 mm. Wie der nachfolgend dargestellte Zeitverlauf zeigt, wurde durch die
Tilger die Systemdämpfung der Brücke signifikant erhöht.
Bild 7 Nach Einbau der Tilger ermittelter Zeitverlauf – Ausschwingversuch