Kriterien zur Optimierung des Baues von Großnaturzugkühltürmen im Hinblick auf Standsicherheit, Bauausführung und Wirtschaftlichkeit

69 Pages·1978·1.947 MB·German

by  o. Prof. Dr. -Ing. Dr. -Ing. E.h. Wolfgang Zerna, Dipl. -Ing. Saher Haj-Issa, Dipl. -Ing. Otto Lehmkämper, Dr. -Ing. Ihsan Mungan (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2726/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik
Herausgegeben irn Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn
vorn Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
o. Prof. Dr. -Ing. Dr. -Ing. E. h. Wolfgang Zerna
Dipl. -Ing. Saher Haj-Is sa
Dipl. -Ing. Otto Lehmkiimper
Dr. -Ing. Ihsan Mungan
Institut fur Konstruktiven Ingenieurbau
der Ruhr-UniversiHit Bochum
Kriterien zur Optimierung des Baues
von Grof3naturzugkiihltiirmen im Hinblick auf Standsicherheit,
Bauausfiihrung und Wirtschaftlichkeit
Westdeutscher Verlag 1978
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Kriterien zur Optimierung des Baues von Gross
naturzu klihltlirmen im Hinblick auf Standsicher
heit, Bauausflihrung und Wirtschaftlichkeit
Wolfgang Zerna ••• - 1. Aufl. - Opladen: West
deutscher Verlag, 1978.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen; Nr. 2726 : Fachgruppe Maschinen
bau, Verfahrenstechnik)
ISBN 978-3-531-02726-5 ISBN 978-3-322-88394-0 (eBook)
DOl 10.1007/978-3-322-88394-0
NE: Zerna, Wolfgang [MitarbJ
© 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
1. Einleitung
2. Theoretische und numerische Grundlagen zur
Berechnung von Ktihlttirmen mit unmittelbar
tragender Haut 2
3. EinfluB unterschiedlicher Parameter auf die
Stabilitat und das Schwingungsverhalten von
Stahlbetonktihlttirmen 8
4. Ergebnisse der Versuche an Ktihlermodellen
mit Versteifungen 13
5. Berechnung von Seilnetzkonstruktionen 15
6. Stahlbetonktihlturm mit Fertigteilschalen
segmenten 18
7. Vergleich verschiedener Ausftihrungsmoglich
keiten ftir Ktihlturmschalen 23
8. Zusammenfassung 27
9. Literaturverzeichnis 29
10. Bilder 32
11. Tabellen 59
- 1 -
1. Einleitung
Der steigende Bedarf an elektrischer Energie flihrt zu immer
groBeren Kraftwerken, die einen entsprechend groBen Bedarf
an Klihlsystemen erforderlich machen. Es werden daher Natur
zugklihltlirme mit moglichst groBer Klihlleistung angestrebt.
Bei groBen NaBklihlern ist der Bedarf an Zusatzklihlwasser je
nach Wasserdurchsatz erheblich (2000 bis 3000 cbm/h) und
kann kaum noch den natlirlichen Wasserlaufen entnommen werden.
GroBe NaBklihler haben weiterhin den Nachteil, daB sie zu
Glatteis- und Nebelbildung flihren und eine erhebliche Ge
rauschbelastigung der Umwelt verursachen.
Trockenklihler sind im Vergleich zu NaBklihlern hinsichtlich
des Umweltschutzes wesentlich vorteilhafter, da weder Wasser
verluste noch sonstige Nachteile auftreten. Andererseits sind
flir gleiche Klihlleistung bei Trockenklihlern erheblich groBere
Abmessungen erforderlich, als bei NaBklihlern. Dadurch ergibt
sich eine Entwicklung zum Bau groBer Klihltlirme, wobei Hohen
liber 200 m bereits im Gesprach sind. Diese ungewohnlich
groBen Abmessungen bringen Probleme mit sich, die bei den
Klihltlirmen bisheriger Bauart nicht auftraten, bzw. nur unbe
deutend waren. Es gilt daher, die Belastungsannahmen, die
zweckmaBige Konstruktion, die Standsicherheit und Wirtschaft
lichkeit derartiger Klihltlirme zu untersuchen.
Zur Zeit der Erstellung des vorliegenden Forschungsberichtes
betragt die Hohe des groBten Klihlturmes in der Bundes
republik Deutschland, der gerade erstellt wurde 162 m. Der
NaBklihlturm wurde in konventioneller Stahlbetonbauweise
flir ein Kernkraftwerk mit 1300 MW-Leistung gebaut.
Neben dem konventionellen Naturzugklihlturm als Stahlbeton
schalentragwerk sind auch andere Bauarten moglich. Eine von
diesen ist die Seilnetzkonstruktion, die bereits bei dem
147 m hohem Trockenklihlturm eines 300 MW Kernkraftwerkes mit
Erfolg zur Ausflihrung kam. Die Moglichkeit flir die Anwendung
dieser Bauweise bei groBeren Klihltlirmen ist gegeben. Anderer
seits sind Bestrebungen vorhanden, die Stahlbetonbauweise
beim Bau von groBen Kuhltlirmen wirtschaftlicher einzusetzen.
- 2 -
Der vorliegende Forschungsbericht beinhaltet grundlegende
untersuchungen Uber die sich noch im Entwicklungsstadium be
findlichen KUhlturmkonstruktionen und gibt Hinweise zur
kUnftigen Entwicklung des Baues von NaturzugkUhltUrmen. Die
StahlbetonkUhlerschalen konnen durch geeignete Wahl der
Meridiankurve hinsichtlich des Stabilitats- und Schwingungs
verhaltens optimiert werden. Durch Anordnung von Versteifungs
ringen kann das Tragverhalten der Stahlbetonschalen erheblich
verbessert werden, wonach die Moglichkeit fUr die wirtschaft
liche Erstellung groBerer KUhltUrme gegeben ist. Die Ver
steifung der KUhlerschalen kann jedoch im FaIle vom Bauen in
Bergsenkungsgebieten unerwUnscht sein. In solchen Fallen eignet
sich die vie I flexibelere Seilnetzkonstruktion. AuBer diesen
bereits erprobten Bauweisen gibt es die Moglichkeit fUr den
Einsatz von Fertigteilen, sei es aus Stahlbeton oder aus
Stahl.
SchlieBlich ist eine Bauweise nicht nur hinsichtlich ihrer
ZweckmaBigkeit sondern auch nach ihrer Wirtschaftlichkeit
und DurchfUhrbarkeit zu beurteilen.
2. Theoretische und numerische Grundlagen zur Berechnung
von KUhltUrmen mit unmittelbar tragender Haut
2.1 Vorbemessung konventioneller KUhlturmschalen
Bei der Festlegung der Wanddicke von KUhlerschalen ist die
Beulsicherheit maBgebend. Nach DIN 1045, Abschnitt 24.3, darf
die Beulsicherheit bei Schalen aus Stahlbeton nicht kleiner
als 5 sein. Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Beulunter
suchungen an hyperbolischen Rotationsschalen des Landes
Nordrhein-Westfalen" wurden theoretische und experimentelle
Untersuchungen durchgeflihrt (13). Aufbauend auf diese Unter
suchungen wurden Parameterstudien vollzogen, die das Beulver
halten der KUhlturmschalen klaren (10). Danach ist das Beulen
ein Vorgang, der durch einen kritischen Spannungszustand von
einer Stelle aus eingeleitet wird. Die kritischen Spannungs
zustande sind meist biaxial und fUr diese wurde an Hand der
Versuchsergebnisse und der durchgefUhrten Berechnungen ein
- 3 -
Interaktionsdiagramm in der Form
0.80 ( -d1-1 + -d2-2 ) + 0.20 ((~)2 + (-d2-2 )2] =1 ( 2 • 1 )
d d d d
110 220 110 220
ermittelt.
Hierbei sind die Werte d110 und d220 die einachsigen Beul
spannungen in der Umfangs- und Meridianrichtung und konnen
mit den Formeln
t 4/3 (2.2)
(-) . k Gl1 <1>11
RT
(2.3)
ermittelt werden.
E und V sind der Elastizitatsmodul und die Querkontraktions
zahl des Schalenrnaterials, t ist die Wanddicke der KUhlturm
schale, RT ist der Radius in der Taille.
KG11 und KG22 sind zwei Beiwerte, die die Geometrie der KUhler
schale berUcksichtigen. Sie werden fUr die gegebene Schalen
geometrie und fUr den einaxialen Spannungszustand unter An
wendung der klassischen Beultheorie errechnet. ~11 und ~22
sind Abminderungsfaktoren fUr die theoretischen Werte
und werden durch Beulversuche ermittelt. Flir Klihlerschalen mit
der Geometrie der in (13) untersuchten Modelle sind
$11 = 0,985 und $22 = 0,72.
Sind d110 und d220 ermittelt, so kann die Beulsicherheit YB
der Klihlerschale an jeder Stelle unter Anwendung der Inter
aktionsgleichung wie folgt errechnet werden:
0.80YB (d11eff + d22eff ) + 0.2 0 Y~
d d
110 220
- 4 -
011eff und d22eff sind die ortlichen Spannungen in Ring- und
Meridianrichtung, die durch Uberlagerung aller ungUnstig
wirkenden EinflUsse zu ermitteln sind.
Die Membrantheorie liefert die wichtigsten SchnittgraBen der
Schale n11 , n12 und n22 mit geringem mathematischen Aufwand.
Sie ist aus diesem Grunde hervorragend geeignet, fUr die Vor
bemessung einer KUhlerschale die Eingangsdaten bereitzustellen.
Mit ihrer Hilfe und den erlauterten Stabilitatskriterien wurde
nach der Methode der finiten Differenzen ein Rechenprogramm
benutzt, das automatisch den Wanddickenverlauf des KUhlturmes
bestimmt (4). FUr eine zweilagige Bewehrung betragt die
konstruktiv erforderliche Mindestwanddicke 14 cm. Beginnend
mit diesem kleinsten Wert wird die Schalendicke iterativ ver
graBert, bis die Beulsicherheit vony B = 5 erreicht wird.
Das in der Programmsprache ALGOL 60 geschriebene Programm ver
arbeitet die verschiedensten Lastfalle und Lastkombinationen
wie z.B. Eigengewicht und Wind.
2.2 Statische Berechnung von Rotationsschalen
Die Grundgleichungen der linearen Biegetheorie isotroper und
orthogonal anisotroper Rotationsschalen allgemeiner Lagerung
und Belastung nach (1) werden mit Hilfe eines Differenzen
verfahrens haherer Genauigkeit, dem Mehrstellenverfahren,
numerisch integriert. Dabei werden unmittelbar die interessier
enden Schnitt- und VerformungsgraBen mit hoher Genauigkeit
bei optimalem Rechenaufwand bestimmt.
Als Erweiterung zu (1) wurden die konstitutiven Gleichungen
in der Form
(2.5)
=
eingefUhrt. nU~ und mU~ stellen den Langskraft- und Momenten
tensor und a.a und Wa den ersten und zweiten Verzerrungs
tensor dar. Die konstitutiven Beziehungen fUr ein orthotropes
Versteifungsnetz sind den Bildern 2.1 und 2.2 zu entnehmen.
- 5 -
In DCl~gA stehen orthotrope Dehnsteifigkeiten, in BCl~9A
orthotrope Biegesteifigkeiten. Bei zur Schalenmittelflache
unsymmetrisch angeordneten Rippen enthalt KCl~gA Koppel
steifigkeiten, die aus Biegeverformungen Langskraft- und aus
Dehnungen Momentenanteile erzeugen.
Es ist dadurch moglich, neben den konventionellen Schalen
auch Konstruktionen mit einem engen aquidistanten Raster
von Versteifungen in Ring- und Meridianrichtung zu berechnen.
Die Kombination von Langs- und Quersteifen zu einem or tho
tropen Versteifungsnetz ist moglich. Auch zweischalige
Strukturen konnen berlicksichtigt werden.
Die Biegeberechnung von Klihltlirmen mit Versteifungsringen
geringerer Anzahl wird mit einem Rechenprogramm nach dem
Programmsystem MESY (5) auf der Grundlage des Verfahrens der
finiten Elemente vorgenommen. Zur Anwendung kommt dabei das
WeggroBenverfahren. Als Schalen- und Versteifungselement
wird ein Kegelzonen-Element mit einem linearen Verschiebungs
ansatz in Tangenten- und einem Ansatz 3. Ordnung in Trans
versalrichtung benutzt. Mit der Anzahl der harmonischen Wellen
in Umfangsrichtung 82 lauten die symmetrischen Ansatze flir
die Tangentenverschiebungen u in Meridian- und v in Ringrichtung
und die Verschiebung w in Schalennormalrichtung:
n n
u = (a~ + a2 . Z) . COS n 82
Vn = (an3 + Qln, . -Z ) . sin n 82
(2.6)
W n = (Q ~ + Qn6 ' Z + Qn7 -Z 2 + Q n8 -Z 3) COS n 82
z stellt dabei die normierte Hohenkoordinate des Schalen
elementes dar.
2.3 Stabilitat der Rotationsschalen
Zur Behandlung des Stabilitatsverhaltens von Klihlturmschalen
konnen bei theoretischen untersuchungen grundsatzlich zwei
verschiedene Wege beschritten werden. Die nichtlineare
- 6 -
Biegetheorie liefert die Last- Verformungskurve mit ihrem
zugehorigen kritischen Punkt. Bei der linear en Stabilitats
theorie dagegen wird sofort die kritische Last ermittelt,
bei der das 1nstabilitatsverhalten, d.h. Beulen eintritt.
Dieses fUhrt auf die Behandlung eines Eigenwertproblems.
Der erste Weg erfordert einen komplizierten rechenzeit
intensiven 1terationsprozeB, wahrend die Suche nach dem
kleinsten Eigenwert, der die kritische Last angibt, erheblich
weniger Rechenzeit verlangt und deshalb bei den weiteren
Untersuchungen Anwendung findet.
Es standenzwei Rechenprogramme verschiedener numerischer
Verfahren zur VerfUgung. Das erste Programm arbeitet nach dem
Mehrstellenverfahren (6), wahrend das zweite nach der Finiten
Element Methode aufgebaut ist (2). Aufgrund der komfortableren
Eigenwertsuche und der Moglichkeit der BerUcksichtigung
diskreter Verst~ifungsringe, wurde das zuletzt genannte
Rechenprogramm auf anisotrope Strukturen erweitert und fUr die
Berechnung der Beispiele herangezogen. vergleichsrechnungen
mit beiden Programmen ergaben Ubereinstimmende Ergebnisse.
Bei der Finiten Element Formulierung geht man von einem
Energieprinzip aus und erhalt als Eigenwertproblem in
matrizieller Darstellung folgende Gleichung
(2.7)
Dabei bezeichnet ~E die lineare elastische Steifigkeitsmatrix,
~G die geometrische Steifigkeitsmatrix, der Vektor y die Ver
schiebungen beim Ubergang des Grundzustandes zum Nachbarzu
stand. \ stellt dabei einen Lastfaktor dar, der bei moglichen
Verformungen V zum Eigenwert \ k der Gleichung
- r
(2.8)
wird. 1st \kr bekannt, dann konnen die zugehorigen qualitativen
Verschiebungen y als Eigenvektor ermittelt werden. Der Ver
lauf der Transversalverschiebung stellt dabei die Beulfigur
der Rotationsschale dar.
- 7 -
2.4 Dynamik der Rotationsschalen
Bei Anwendung des d'Alembert'schen Prinzips lassen sich die
Bewegungsgleichungen bei der Voraussetzung einer stationar
harmonischen Bewegung in Abhanigkeit von der Zeit t
v (t) = V. eiwt
(2.9)
V(t) = -w 2 . -V· e iwt
(2.10)
mit Hilfe von Massentragheitskraften zurlickflihren auf die
Gleichung:
det (KE - W 2 . M) = 0 (2. 11 )
wobei W die Kreisfrequenz und M die Massenmatrix des Systems
angibt. Aus der Gleichung
W = 2n: . f (2.12)
kann die Eigenfrequenz f errechnet werden. Die Lasung
der Gleichung (2.11) vollzieht sich formal wie beim
Stabilitatsproblem und wurde deshalb auch im Stabilitats
programm nach der Methode der Finiten Elemente implementiert.
Somit erlaubt dieses Programm die Berechnung der kritischen
Lasten und Eigenfrequenzen konventioneller, orthotroper und
diskret in Ringrichtung versteifter rotationssymmetrisch
belasteter Rotationsschalen. Es ist in der Programmiersprache
ALGOL 60 formuliert und in das Programmsystem MESY (5) einge
bettet.
Ausflihrlichere Darstellung zum Problemkreis 3.3 und 3.4 sind
in folgenden Literaturstellen zu finden: (2}, (9).