Simulation der Wirbelerregung in turbulenter Strömung unter Berücksichtigung realistischer Windprofile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Udo Peil
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 100328985

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wirbelerregung ist häufig der bemessungsrelevante Lastfall für den Nachweis der Materialermüdung bei hohen, schlanken Tragwerken mit kreisförmigem Querschnitt. Hierbei unterstellen bestehende Nachweisverfahren, dass das Bauwerk in allen von der Wirbelerregung betroffenen Bereichen von der gleichen kritischen Windgeschwindigkeit angeregt wird. Diese Annahme ist bequem, aber infolge der vielen unterschiedlichen Windprofilformen in der atmosphärischen Grenzschicht, insbesondere bei den üblicherweise moderaten bis niedrigen kritischen Windgeschwindigkeiten, wenig realistisch und für viele Tragwerke unwirtschaftlich. Aus diesem Grund werden ein statistisches Modell der natürlichen Windprofilstruktur entwickelt und bestehende Verfahren zum Nachweis der Wirbelerregung um eine vereinfachte statistische Erfassung realistischer Windprofilformen erweitert. Grundlage sind Langzeitmessdaten der Windmessanlage Gartow, die das Institut für Stahlbau der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig seit 1989 am 344 m hohen Fachwerkgittermast Gartow II betreibt. Die statistische Repräsentativität dieser Daten in allen Windgeschwindigkeitsbereichen wird durch eine angepasste Vorbehandlung der Rohdaten sichergestellt. Zur Unterscheidung der Profilformen werden die gemessenen Profile mit einem neuronalen Netz sechs charakteristischen Profilformklassen zugeordnet und anschließend innerhalb jeder Klasse statistisch beschrieben. Durch die großen Messhöhen eignet sich hierzu die Gauß-Verteilung und liefert, zusammen mit den Auftretenshäufigkeiten der Profilklassen, ein statistisch vollständiges Modell der natürlichen Windprofilstruktur. Mit diesem Modell wird das Verfahren 1 in DIN EN 1991-1-4, das Wirklängenmodell von Ruscheweyh, durch die Berücksichtigung der Profilformen erweitert. Dazu erfolgt die Implementierung einer lastfallabhängigen Betrachtung der durch Wirbelablösung angeregten Eigenformen, wobei sich die Auftretenshäufigkeit der Lastfälle aus einer bedingten Verknüpfung der Lock-in-Wahrscheinlichkeiten in den einzelnen Schwingungsbäuchen ergibt. Die Berechnungsvorschrift wird als Ingenieurmodell aufbereitet. Die Klassierung zeigt, dass weniger als ein Drittel der gemessenen Windprofile mit einer konstanten Profilform vergleichbar ist. Deshalb kann die rechnerische Lebensdauer im Lastfall Wirbelerregung durch die Berücksichtigung realistischer Windprofilformen deutlich gesteigert werden. Für einen 140 m hohen Stahlschornstein ergibt der Wirbelerregungsnachweis nach dem entwickelten Ingenieurmodell eine Erhöhung der rechnerischen Lebensdauer um den Faktor Zehn. Dieser Wert ist tragwerks- und standortspezifisch. Eine Monte-Carlo-Simulation der wirbelerregten Systemantworten bestätigt die Gültigkeit des Ingenieurmodells. Für den Nachweis wirbelerregter Querschwingungen von Bauwerken mit mehr als einem Schwingungsbauch können demzufolge mit dem entwickelten Ingenieurmodell Lastkollektive mit höherer Aussagewahrscheinlichkeit ermittelt und längere Lebensdauern prognostiziert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A refined analysis of guyed masts in turbulent wind. Proc. 5th European and African Conference on Wind Engineering (EACWE 5), Florenz, 2009
  Clobes, M., Willecke, A., Peil, U.
  
• Classification of measured wind profiles using neural networks. Proc. 5th International Symposium on Computational Wind Engineering (CWE 2010), Paper 467, Chapel Hill, NC, 2010
  Clobes, M., Willecke, A., Peil, U.
  
• Shape-dependent characteristics of full-scale wind profiles. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 99, 919-930, 2011
  Clobes, M., Willecke, A., Peil, U.
  
• Vortex excitation of steel chimneys: Two ultimate limit states. Proc. 13th International Conference on Wind Engineering (ICWE 13), Amsterdam, 2011
  Clobes, M., Willecke, A., Peil, U.
  
• Vortex-induced vibrations of slender structures considering long-term wind profile statistics. Proc. 8th International Conference on Structural Dynamics (EURODYN 2011), Leuven, 1599-1606, 2011
  Clobes, M., Willecke, A., Peil, U.