Wenn Fußgänger Brücken in Schwingung versetzen

Atlanta (USA) - Kurz nach der Fertigstellung im Jahr 2000 versetzten Fußgänger die Millennium Bridge in London in heftige Schwingungen. Erst der Einbau von zusätzlichen Dämpfern behob das Problem. Verantwortlich für das Resonanz-Phänomen waren im Gleichtakt schreitende Passanten. Ursache für dieses synchrone Verhalten der Fußgänger waren anfänglich noch sehr schwache Schwingungen der Brücke. Wie aber genau diese Anfangsschwingungen ausgelöst wurden, konnte bislang nicht schlüssig erklärt werden. Um diese Wissenslücke zu schließen, modellierten nun amerikanische Physiker die von Fußgängern auf die Brücke ausgeübten Kräfte detaillierter als in allen vorherigen Studien. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten sie, dass eine Mindestzahl von Passanten nötig war, um die allererste Schwingung zu erregen. Ihr Modell könnte nun Architekten dazu dienen. Brücken und auch Fußballstadien stabiler zu konstruieren.

„Wenn Fußgänger auf einer Brücke gehen, interagieren sie mit dem Bauwerk und können es in Schwingung versetzen“, sagt Igor Belykh von der Georgia State University in Atlanta. Um diesen Effekt besser zu verstehen, entwickelte er mit seinen Kollegen ein spezielles, dynamisches Rechenmodell. In diesem berücksichtigen sie die Kräfte, die mit jedem Schritt eines Passanten über seine Füße auf die Brückenkonstruktion ausgeübt werden. In dem mathematischen Ansatz ließ sich das Schreiten jedes Fußgängers näherungsweise als Oszillator beschreiben.

Das Modell konzentrierte sich auf die Erzeugung der ersten schwachen Schwingungen. Für den Fall der Millennium Bridge sieht Belykh die bisherige Erklärung, dass zufällig eine Passantengruppe synchronisiert im Gleichtakt lief, als zu einfach an. Sein Modell dagegen verknüpfte die ausgeübten Kräfte der als Oszillatoren beschriebenen Passanten mit der Brückenkonstruktion und deren baulich gegebenen Resonanzfrequenz. Das Ergebnis: Erst ab 165 Personen reichten die über die Füße wirkenden Kräfte aus, um die Londoner Brücke überhaupt in eine kleine Anfangsschwingung zu versetzen.

Dieses detaillierte Fußgängermodell könnte laut Belykh nun für virtuelle „Crash-Tests“ von Brücken und anderen Bauwerken noch in der Planungsphase eingesetzt werden. Mit zusätzlichen dämpfenden Elementen könnte eine Resonanzfrequenz, die allein durch Fußgänger angeregt werden könnte, von vornherein in anderen ungefährliche Frequenzbereich verschoben werden. Mit ihrem neuen Modell wollen die Forscher nun weitere Brücken etwa am Flughafen in Singapur oder die Clifton Suspension Bridge in Bristol analysieren, die bereits verdächtige Schwingungen gezeigt haben. Auch für die Bauplanung von Fußballstadien, in denen sich Fangruppen gerne im Gleichtakt bewegen, sehen die Wissenschaftler ein wichtiges Anwendungsfeld.