Dynamic response of the Stuttgart TV Tower measured by classical instruments and GPS technology

• Autorzy: Breuer Peter , Chmielewski Tadeusz , Górski Piotr

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.136459

Warianty tytułu

PL

Pomiary odpowiedzi dynamicznej wieży telewizyjnej w Stuttgarcie za pomocą klasycznych przyrządów pomiarowych i technologią GPS

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper compares the measurement results of dynamic characteristics, including natural frequencies, damping ratio, and wind-induced responses of the Stuttgart TV Tower (TV Tower), obtained by Lenk in 1959 using classical instruments with those obtained by the authors a few decades later using Global Positioning System (GPS). The objective of this paper was to monitor the response of the TV Tower under wind loading, which is an important tool for the validation of its design, construction, and structural health. During the authors’ GPS measurements, weak and moderate wind speeds occurred most of the time. Only in 2007, the stronger wind observed (90 < V < 100 km/h) at the head of the TV Tower (H=157 m), which caused displacements in the decimetre range. Further measurements in 2011 were carried out, using additional GPS receivers with a higher data rate. The results achieved by the GPS prove that the cross-wind response was larger than the along-wind component for all ranges of wind speed, which occurred during the measurement periods, i.e. from 2002 to 2015. The authors of this paper extended Lenk’s results, by the static and along-wind components, confirmed the first natural frequency, and damping ratio, evaluated by the Random Decrement technique. Mounting a GPS receiver, on the steel antenna mast tip, enabled detection of the second natural frequency fs2 = 0.800 Hz, which is the frequency of the mode shape of the TV Tower steel antenna mast. Lenk did not measure this frequency.

PL

Wieża telewizyjna w Stuttgarcie została oddana do użytkowania w dniu 5 lutego 1956 roku. Konstrukcja wieży składa się z dwóch części: (a) trzonu żelbetowego z głowicą o wysokości 161 m i (b) stalowego masztu antenowego o wysokości 56 m. Całkowita wysokość wieży to 217 m. Średnica zewnętrzna trzonu żelbetonowego wynosi 10,8 m u podstawy trzonu i 5,04 m w górnej części trzonu (poniżej głowicy trzonu). Grubość ściany trzonu zmienia się od 60 cm do 19 cm. W latach 1953-1954 Leonhard zaproponował koncepcję i projekt wieży telewizyjnej. Biuro projektowe Pieckert zaprojektowało system konstrukcyjny. Koncepcję wieży telewizyjnej, jej układ konstrukcyjny, wszystkie założenia do obliczeń statycznych, oszacowanie nakładów finansowych i pierwsze pomiary osiadań fundamentów podane zostały w jednej z prac Leonhardta. W tej pracy zasugerowano także potrzebę pomiaru odpowiedzi wieży telewizyjnej na działanie wiatru. Jako pierwszy dokonał tego Lenk w 1959 roku. W latach 1977 i 1995 stwierdzono pionowe pęknięcia w żelbetowym trzonie wieży, które następnie zostały naprawione. Przyczyny tych pęknięć wyjaśniono jako konsekwencje promieniowania słonecznego i dobowych zmian temperatury powietrza działających na trzon wieży telewizyjnej, wywołujących deformacje płaszcza trzonu. Naprężenia termiczne spowodowały zmienną w czasie „owalizację” trzonu wieży, która z biegiem lat doprowadziła do zmęczenia materiału, czego skutkiem były wyraźnie widoczne podłużne pęknięcia po przeciwnych stronach trzonu wieży telewizyjnej. Autorom niniejszego artykułu nie są znane wcześniejsze pomiary charakterystyk dynamicznych wieży telewizyjnej związane z naprawą powstałych pęknięć. W związku z tym, w 1999 roku autorzy przeprowadzili pierwszą serię pomiarów przemieszczeń wierzchołka wieży telewizyjnej z zastosowaniem techniki satelitarnej GPS. Metodologia pomiarów była podobna do metodologii stosowanej przez innych badaczy. Na tej podstawie autorzy potwierdzili możliwość zastosowania systemu GPS do monitorowania przemieszczeń statycznych, quasi-statycznych i dynamicznych oraz do określania podstawowych charakterystyk dynamicznych (częstotliwości drgań własnych i współczynników tłumienia drgań) istniejących dużych konstrukcji w skali naturalnej. Autorzy cyklicznie monitorowali przedmiotową wieżę telewizyjną do roku 2015. Jednak pomimo podjętego wysiłku w celu zebrania dodatkowych danych pomiarowych, niestety w 2013 i 2015 r. nie było możliwości pomiaru przemieszczeń wieży telewizyjnej pod wpływem silnego wiatru. Niemniej jednak autorzy dokonali analizy danych pomiarowych zgromadzonych w latach 2002, 2005, 2006, 2007, 2008 i 2011, które obejmowały pomiary w zakresie prędkości wiatru od małej do dużej. W dniach 18-19 stycznia 2007 r. w pobliżu wieży zarejestrowano porywy wiatru o prędkości 26 m/s, co spowodowało jej przemieszczenia w zakresie decymetrów.

Słowa kluczowe

EN

Stuttgart; television tower; GPS measurement; wind-induced response; dynamic response; natural frequency; damping ratio

PL

wieża telewizyjna; Stuttgart; pomiar GPS; odpowiedź dynamiczna; odpowiedź spowodowana wiatrem; częstotliwości drgań własnych; liczba tłumienia drgań

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 1
• Strony: 7--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Breuer Peter

• University of Applied Sciences, Stuttgart, Germany

autor

Chmielewski Tadeusz

• Opole University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Opole, Poland

autor

Górski Piotr

• Opole University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Opole, Poland

Bibliografia

• 1. Leonhardt F. Der Stuttgarter Fernsehturm. Beton und Stahlbetonbau 1956; 4/5:1-21. (in German).
• 2. Lenk H. Über die Windschwingungen des Stuttgarter Fernsehturm. Bautechnik 1966; 5 and 7:145-48, 248-52, 278-83. (in German).
• 3. Saul R, Schiff J, Andrä H.P. Erfahrungen aus 40 Jahre Überwachung des Stuttgart Fernsehturm, des weltweit ersten Stahlbetonfernsehturms. Beton und Stahlbetonbau 1998; 8:209-14. (in German)
• 4. Breuer P, Chmielewski T, Górski P, Konopka E. Application of GPS technology to measurements of displacements of high-rise structures due to weak winds. J Wind Eng Ind Aerodyn 2002; 90(3): 223-30.
• 5. Breuer P, Chmielewski T, Górski P, Konopka E, Tarczyński L. The Stuttgart TV tower - displacement of the top caused by the effects of sun and wind. Eng Struct 2008; 30(10): 2771-81.
• 6. Gentile C. Application of Microwave Remote Sensing to Dynamic Testing of Stay-Cables. Remote Sens 2010; 2: 36-51.
• 7. Li X, L. Ge L, Ambikairajah E, Rizos C, Tamura Y, Yoshida A. Full-scale structural monitoring using an integrated GPS and accelerometer system. GPS Solut 2006; 10: 233-47.
• 8. Kijewski-Correa T, Kareem A, Kochly M. Experimental verification and full-scale deployment of Global Positioning Systems to monitor the dynamic response of tall buildings. J Struct Eng, ASCE 2006; 132 (8): 1242-53.
• 9. Breuer P, Chmielewski T, Górski P, Konopka E, Tarczyński L. Monitoring horizontal displacements in a vertical profile of a tall industrial chimney using GPS technology for detecting dynamic characteristics. Struct Control Health Monit 2015; 22: 1002-23.
• 10. Meng X, Dodson A H, Roberts G W. Detecting bridge dynamics with GPS and triaxial accelerometers. Eng Struct 2007; 29: 3178 - 84.
• 11. Moschas F, Stiros S. Measurement of the dynamic displacements and of the modal frequencies of a short-span pedestrian bridge using GPS and accelerometer. Eng Struct 2011; 33(1): 10-7.
• 12. Kuang, CL, Kwok, KCS, Hitchcock, PA, Ding, XL. Wind-induced response characteristics of a tall building from GPS and accelerometer measurements. Positioning, 2011; 2(1): 1-13.
• 13. Im S B, Hurlebaus S, Kang Y J. Summary review of GPS technology for Structural Health Monitoring, J Struct Eng, ASCE 2013; 139: 1653-64.
• 14. Kaloop M R, Elbeltagi E, Hu J W, Elrefai A. Recent advances of structures monitoring and evaluation using GPS-time series monitoring systems. Int. Geo-Inf 2017; 1-17.
• 15. Casciati F, Fuggini C. Monitoring a steel building using GPS sensors. Smart Struct Syst 2011; 7(5): 349-63.
• 16. Ting-Hua Yi, Hong-Nan Li, Ming Gu, (2013) Recent research and applications of GPS-based monitoring technology for high-rise structures, Structural Control and Health Monitoring, 20, 5, 649-670.
• 17. Cole HA. On-line failure detection and damping measurement of aerospace structures by the random decrement signatures. In: NASA CR-2205 1973.
• 18. Ibrahim S.R. Random decrement technique for modal identification of structures. J Spacecr Rockets 1977; 14(11): 696-700.
• 19. Vandiver J.K, Dunwoody A.B, Campbell R.B, Cook M.F. A mathematical basis for the random decrement vibration signature analysis technique. ASME J Mech Des 1982; 104: 307-13.
• 20. Jeary A. Damping in buildings - a mechanism and a predictor. Earthq Eng Struct D 1986; 14: 733-50.
• 21. Jeary A. Establishing non-linear damping characteristics of structures from non-stationary response time-histories. Struct Eng 1992; 70: 61-6.
• 22. Tamura Y, Suganuma S. Evaluation of amplitude-dependent damping and natural frequency of buildings during strong winds. J Wind Eng Ind Aerodyn 1996; 59(2-3): 115-30.
• 23. Tamura Y, Zhang L, Yoshida A, Nakata S, Itoh T. Ambient vibration tests and modal identification of structures by FDD and 2DOF - RD technique. In: Proc. Struct. Engineers World Congress, Yokohama, Japan/ Oct 9-12, 2002, CD-ROM T1-1-a-1, 8.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).