Długi most w Rosji nie faluje dzięki pomysłowi Szwajcara i Polaka

Jeszcze 2 lata temu podmuchy wiatru wystarczyły, żeby wprowadzić smukły most w Wołgogradzie w silne drgania. Most zaczynał wtedy falować tak intensywnie, że jazda po nim mogła być niebezpieczna. Kiedy w maju 2010 r. amplituda drgań wyniosła blisko 0.5 m most zdecydowano się tymczasowo zamknąć.

Dziś most już nie faluje - zainstalowano w nim specjalne tłumiki drgań, które sprawiają, że drgania przestały być niebezpieczne. Pomysłodawcami nowatorskiej koncepcji tłumików są dr Felix Weber z instytutu Empa w Szwajcarii i dr inż. Marcin Maślanka z AGH, a ich pomysł zrealizowała współpracująca z naukowcami firma Maurer Soehne.

Na dźwigarach rosyjskiego mostu umieszczono 12 ponad 5-tonowych tzw. adaptacyjnych dynamicznych tłumików drgań. Jak w rozmowie z PAP wyjaśnił dr Maślanka, pracownik Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH, dzięki zastosowanym czujnikom, specjalnej cieczy magnetoreologicznej, która może zmieniać swoje właściwości oraz mikroprocesorowemu układowi sterowania, tłumik na bieżąco dostosowuje swoją pracę do drgań, które w danym momencie wystąpią. W ten sposób drgania można wytłumić tak, by nie stanowiły zagrożenia.

Szczegóły opracowanego rozwiązania zostały opublikowane w maju w czasopiśmie „Smart Materials and Structures” .

Rozmówca PAP wyjaśnił, że zwykle do redukcji drgań mostów stosuje się mniej skomplikowane układy - tzw. pasywne dynamiczne tłumiki drgań, nazywane także tłumikami masowymi. Takie tłumiki wymagają precyzyjnego dostrojenia do występującej postaci drgań rezonansowych mostu - o określonej wcześniej częstotliwości. Tymczasem na moście w Wołgogradzie tłumienia wymagały trzy postacie drgań rezonansowych.

W przypadku, gdy wymagane jest tłumienie kilku różnych postaci drgań mostu, stosuje się większą liczbę odpowiednio rozmieszczonych i dostrojonych tłumików, przy czym każdy z tych tłumików po dostrojeniu do wybranej częstotliwości drgań może być całkowicie nieefektywny w tłumieniu drgań o innej częstotliwości.

Ponadto częstotliwości tych drgań ulegają zmianie, m.in. w zależności od temperatury, za jej sprawą zmienia się bowiem sztywność konstrukcji. Pasywne tłumiki drgań mogły się więc w tym przypadku okazać nieskuteczne.

Tłumiki nowszej generacji - tzw. adaptacyjne dynamiczne tłumiki drgań - nie są pomysłem Szwajcara i Polaka. Jak zaznacza naukowiec z AGH, takie dostosowujące się do różnych drgań urządzenia już na rynku istniały. Do 2009 r. zastosowano takie rozwiązania w około 50 wysokich budynkach w Japonii, które muszą być odporne na trzęsienia ziemi. Jak wyjaśnił dr Maślanka, układy te są kosztowne w eksploatacji ze względu na zastosowanie agregatów hydraulicznych.

To, czym wyróżniają się urządzenia użyte na moście w Wołgogradzie, to zastosowanie w nich cieczy magnetoreologicznej. Taka ciecz składa się z cząstek ferromagnetyka zawieszonych w cieczy nośnej. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego ciecz szybko zmienia właściwości i w skrajnym przypadku może się zachowywać podobnie do ciała stałego. Potrzebne pole magnetyczne jest wytwarzane przez cewkę magnetyczną, a natężenie pola zależy od natężenia prądu cewki.

Układem z cieczą magnetoreologiczną steruje się więc poprzez zmiany natężenia prądu cewki, którego odpowiednia wartość jest automatycznie wyznaczana przez system mikroprocesorowy na podstawie bieżących pomiarów parametrów drgań mostu. Dzięki takiemu rozwiązaniu i przy zastosowaniu opracowanego przez badaczy algorytmu sterowania można precyzyjnie dostrajać działanie adaptacyjnych dynamicznych tłumików drgań tak, aby efektywnie wytłumić drgania na moście. Energia potrzebna do zasilania tych układów i sterowania nimi jest nieporównywalnie mniejsza od energii wymaganej do zasilania hydraulicznych elementów wykonawczych.

Tłumiki drgań opracowane przez Szwajcara i Polaka mogą być stosowane nie tylko przy konstrukcji mostów, ale również w kładkach dla pieszych, wysokich budynkach czy masztach.

Dr Maślanka dodał, że konstrukcje mostów i kładek dla pieszych wpadają w intensywne drgania głównie za sprawą wiatru, ale przyczyną mniejszych drgań może być także ruch samochodów czy pieszych. Z kolei wysokie budynki mogą wpaść w drgania pod wpływem wiatru czy - jak np. w Japonii - na skutek trzęsienia ziemi. Naukowiec zwrócił też uwagę na drgania, jakie mogą wywoływać tłumy na trybunach stadionów sportowych w trakcie organizowanych tam koncertów muzycznych. Takie niebezpieczne dla konstrukcji drgania mogą np. wzbudzić podskakujący w rytm muzyki uczestnicy koncertu.

(Artykuł o użyciu cieczy magnetoreologicznej w kamizelkach kuloodpornych można znaleźć tutaj).

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

agt/