Effect of Stockbridge Dampers on the Vibration Response of Suspension Bridge Hangers

Abstract

Vibrasjoner i hengestengene på Hålogalandsbrua forårsaket av virvelavløsning ble observert under byggingen av broen. Vibrasjonsdempere ble installert for å redusere amplituden til vibrasjonene, men flere av demperne ble ødelagt under en storm som inntraff kort tid etter installasjon. Usikkerheten rundt årsaken til at demperne ble ødelagt består. For å finne årsaken til ødeleggelsene er det nødvending å gjennomføre undersøkelser av oppførse- len til demperne og responsen i hengestengene. Følgelig er hovedmålet med denne oppgaven å karakterisere vibrasjonene i hengestengene på Hålogalandsbrua samt analysere effekten demperne har på disse vibrasjonene. I denne sammenheng er dempertester utført med mål om få økt kunnskap angående responsen av demperen og energien den tar opp ved forskjellige frekvenser. Vibrasjonene i hengestengene er analysert ved bruk av short- term Fourier transform som viser det varierende frekvensinnholdet i målingene over tid. Dette muliggjør sam- menligning av vindmålinger og korresponderende frekvensinnhold i vibrasjonene av hengestengene. Teoretiske virvelavløsnings-frekvenser blir sammenlignet med frekvensene i responsen til hengestengene, for å verifisere at virvelavløsning faktisk er årsaken til vibrasjonene. Forekomsten og amplituden på vibrasjonene er karakterisert ut ifra retningen på vinden samt stabiliteten i denne retningen, vindhastigheten, og intensiteten i turbulensen i vinden. Forskjellene i respons for hengestengene med demper kontra uten blir analysert ved å se på måle- data der vindmålingene, ut i fra tidligere funn, tilsier at virvelavløsning vil skape store vibrasjoner. Eventuelle forskjeller i respons forårsaket av et ulikt antall dempere på hengestengene blir evaluert både ved å sammenligne responsen i forskjellige hengestenger på samme tidspunkt, men også ved å sammenligne samme hengestang ved forskjellige tidspunkter. Måledataen impliserer at vibrasjonene i hengestengene på Hålogalandsbrua og de teoretiske virvelavløsnings-frekvensene basert på vindmålingene er tilnærmet identiske. Videre observasjoner fra måledataen tilsier at demperne fungerer svært godt for vibrasjoner med tilhørende frekvenser under 25 Hz. I motsetning til dette indikerer måledataen at effekten av demperen er neglisjerbar for frekvenser over 30 Hz. Resultatene fra dempertestene viser samme trend som måledataen, med redusert effekt for høyere frekvenser. Avslutningsvis diskuteres mulige årsaker til at demperne ble ødelagt basert på funn fra måledataen og resultater fra dempertestene. Blant mulige årsaker til hendelsen blir både utmattingsbrudd og vibrasjoner med tilhørende store amplituder som følge av aerodynamisk ustabilitet trukket frem. Mulige tiltak for å redusere begge de to typene vibrasjons-respons er foreslått.

Vibrations in the hangers at the Hålogaland bridge caused by shedding vortices was observed in the completing stages of the construction of the bridge. Vibration mitigating Stockbridge dampers were installed, but several of the dampers failed during a storm shortly after installation. Uncertainty regarding the cause of the failure remain. To evaluate the possible causes of failure, investigations of the damper behaviour and hanger response needs to be carried out. Consequently, the objective of this thesis is to characterize the vibration response of the hangers at the Hålogaland bridge and analyze the effect the dampers have on these vibrations. For this purpose, damper tests are performed to obtain information regarding the energy dissipation and dis- placement response of the damper for different exciting frequencies. The time-varying vibration response of the hangers are analyzed through the application of the short-term Fourier transform, enabling the comparison of the contemporaneous wind conditions and hanger responses. Theoretical shedding frequencies are compared to the measured vibration frequencies of the hangers to verify the cause of the vibrations. The presence and magnitude of the response is characterized based on the wind-direction and its inherent stability, the wind magnitude, and the magnitude of the turbulence. Through the analysis of time series known to induce vortex induced vibrations, differences in response of the hangers with and without dampers are evaluated. Comparisons on the differences in response due to various damper installations will be made both with respect to the same hanger over time, and with respect to different hangers within the same time series. Findings include that the vibration response of the hangers are closely aligned with the theoretical shedding frequencies. Furthermore, measurement data indicate that the dampers are highly effective in mitigating vibrations of frequencies lower than 25 Hz, whereas the damper effect is found to be negligible for frequencies upwards of 30 Hz. These observations from the measurement data are in good correspondence with the results from the damper tests. Finally, possible causes of the damper failure are discussed based on the findings from the measurement data and the damper tests. Both fatigue failure and aerodynamic instabilities causing large amplitude vibrations were considered feasible causes for the damper failure. Measures to reduce the magnitude of both types of vibrations are introduced.