Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2428
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz KUhn
vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -Ing. Dr. -Ing. E. h. Hans Ebner
Dipl. -Ing. Hans Ruscheweyh
Institut fUr Leichtbau
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Windlasten an hyperbolischen
KUhlturmschalen
Westdeutscher Verlag 1974
© 1974 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02428-8 e-ISBN-13: 978-3-322-88260-8
DOl: lO.lO07/978-3-322-88260-8
Gliederung
Seite
1. Einleitung
2. Aufgabenstellung 2
3. \Iodellversuch 3
3.1 Versuchsheschreihung 3
3.2 Ergehnisse 'Iodell versuch 4
3.2.1 ner freistehendc ~Ihlturm 4
3.2.2 Kilhlturm mit Kraftwervsgehiillr!e 5
4. nriginalmessung 6
4.1 Versllchsheschreihuno; 6
4.2 Auswerteverfahren 7
4.2.1 Frequenzspcktrum 8
4.2.2 Korrelationen 13
4.2.3 nherschreitungsh~ufigkeiten der einzelnen 16
Druckwerte
5. ~1e~ergebnisse 19
5.1 Wahrscheinlichkeit "'1 der 4p-Oherschrei 19
tung
S.2 Korrelation in lJmfangs- und "eridianrichtune: 21
5.3 Wahrscheinliche maximale instation'ire Drllck- 24
verteilungen
- ein praktisches Reisniel -
6. Abschlief\ende Bemervllngen 26
7. ZlIsammenfassung 27
8. Literatur 29
9. Rezeichnungen 33
In. Ahhildungen 35
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1. Einleitung
Eine Untersuchung des Stabili titts- und SchldnC(unlY,sver
haltens diinnwandiger Schalen ist nul' s innvoll, wenn ,:He
auf die Schalen wirkenden station~ren und instation~ren
Kr~fte hekannt sind. Die Zerstorung mehrerer hyperboli
scher KnhItOrme in England im Novemher 1965 hat ~ezei2t,
da~ auf diesem Gehiet noch erhehliche Lncken vorhanden
sind. Die vorliegende Arheit setzt sich zum Ziel, fur
solche doppelt negativ gekriimmten Schalen die zu Insta
biIit~ten und Schwingungen fiihrenden Frregerkr"fte durch
Versuche an ~fodellen und an Gro(\ausflihrungen zu bestim
men, wohei neben der mittleren Ninddruckverteilung ins
besonders die instationaren Druckschwankungen interessie-
ren.
Zeitlich gemittelte nruckvertei1un~en an Pynerboloinen
unter Oueranhlasung wurden an '~dellen von zahlreichen
0 -
Autoren gemessen 1 ~ , "lohei (He Einfliisse von f'lhel'
fl~chenrauhigkeiten, Anstromturhulenzen und ner I'm~e
hungshehauung untersucht wurden.
Allen diesen Versuchen haftet jedoch eine ge,.risse lTn
sicherheit hinsichtlich del' 0hertl'agharkeit auf das (\ri
~inal an, da sich die Qeynoldszahlen um ca. 1,..,2 unter
scheiden. nine erste 'Iessun!! an einem nri,ginaIkiihl turm
04J
wurde daher von fl.J. Niemann durchgefiihrt. Pr t:onn
te aufgrund seines 'Ie~verfahrens abel' nur Ni ttelwerte
messen.
Ober instationlre DrDcke ist hisher nul' von navenport
e.al. ~] und Armitt e.al. ~J berichtet worden. Sie
fOhrten ihre Versuche an starren und elastischen ~orlel
len durch. Davenport untersuchte auf\erdem den EinfIuB
del' Anstromturhulenz.
Auch diese Vel'suchsergehnisse sin~ unter clem Gesichts
punkt del' lTnsichel'heit hinsichtlich des ~evnoldszahlen
einflusses zu sehen.
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- 2 -
Hinzu kommt hier die starke Abh~ngigkeit von der Anstrom
turbulenz, die in der Natur von Ort zu Ort verschieden
sein kann.
Daher sind im Rahmen dieses Forschungsvorhahens neben
\~o
delluntersuchungen umfangreiche instationltrer
\~essungen
Winrldrticke an Original-KUhlturmschalen durchgefiihrt wor
den.
2. Aufgahenstellung
Die EinfluBgr6Ben Windturbulenz, Bauwerk und Umgebung er
zeugen an der Bauwerksoberflache nruckschwankun~en unter
schiedlicher Amplitude und Frequenz. Diese instationltre
Druckverteilung ist an einem r~umlichen Korper sehr kom
pliziert und wird im wesentlichen durch Zufallsprozesse
bestimmt. Eine analytische Aussage Uber aIle moglichen
Verteilungen kann daher nicht erwartet werden. So werden
auch die Ergebnisse von T)avenport [4J und Armi tt [6J
in Form von r.m.s.-Werte;) liber dem 1Tmfang angegehen. THe
se statistischen Mittelwerte sind zwar ein MaB fOr die
ortliche schwankende Windlast, sie liefern jedoch keine
Aussage tiber ihre Zuordnung.
r~umlich-zeitliche
FUr den Entwurfsingenieur ist es aber wichtig, uie im Le
ben desBauwerkes wahrscheinliche Maximallast zu kennen.
Dieser Hochstwert setzt sich aus einer zeitlich gemittel
ten Druckverteilung und einer hinsichtlich der Bauwerks
belastung ungUnstigen Verteilung der instationaren nrUcke
zusammen. Die Druckschwankungen sind also im Hinblick auf
das Auftreten ungOnstiger Belastungsf1tlle zu untersuchen,
wobei Ziel die Angabe von Auftretenswahrscheinlichkeiten
ist.
r.m.s.-Wert Wurzel des quadratischen '.i ttelwertes
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3. "odellversuch
3.1 Versuchsbeschreibung
Zur '1essl1ng diente ein starres KUhl turTJ1modell TJli t
hyperbolischer Au~enkontur und der Streckung
2,4
lim die lImstromun?, des 'Ioclells den Verhill tni.ssen in o.cr
Nat1lr hei den sehr hohen R.eynolo.szahlen zwischen F)7 unel
108 ungefiihr anzu!lassen (Re"odell = 6 . l()S), wlIr-ic clie
Au~enkontur mit schmalen nauhi~keitsstreifen in "eri
dianrichtung versehen (5. Bilo. 1). Dabei ,..rurde von einer
HauntausfUhrung mit sehr hohen Wino.ripnen ausgegangen.
Die relative Streifenrauhigkeit hetrug
k
cr--:-
mIn
l~ den Einflu~ von einem vorgelagerten Yraftwerks~eh~u-ie
und einem hohen Ahgaskamin auf die nruckverteilungen am
KHhlturm zu untersuchen, wurde ein entsnrechendes (;eh~tl-
demodell mit der relativen Hohe hx vor dem Kiihl-
Ii = (),S~
turTJ1 angeordnet. Durch Drehen des gesamten Komnlexes konn
ten aIle 11.'indrichtnngen simmuliert werclen.
ner Versuch wuro.e in einem Windkanal mit gleichformiger,
turbulenzarmer Anstromung durchgeflihrt 1)
1) l"indkanal des Insti tuts fiir Luft- und Paumfahrt der
TH Aachen, (;Httinger Bauart, niisendurchmesser 1,SO m ,
r,eschwino.in,keit his go m/s.
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Die ~essung erfolgte gleichzeitig in 4 Ebenen am Kqhlturm
mit ~ilfe von elektrischen Druckaufnehmern, die in nas
~.fodell eingehaut waren. namit Nurden VerfqlschunlYen der
instation~ren DrOcke infolge langer ~ydraulischer Zulei
tung en vermieden
3.2 Ergebnisse ~odellversuch
3.2.1 Der freistehende Kilhlturm
Zuerst ,. .. urden die station1tren und instation!!ren Druck
verteilungen am freistehenden Knhlturm gemessen. Bild 2
zeigt die mittleren Druckbeiwerte iiher dem halhen Hmfang.
Ebene 4 entspricht dabei dem engsten Knhlturmquerschnitt
(Hals). '!an erkennt, daB im Halsauerschnitt die ~r"Rten
station~ren Sogwerte auftreten, wHhrend nach unten hin
inshesondere der Heckdruck und das nruckminimum leicht
zunehmen. ner Grund ist sic,er in der r~umlichen Str5-
mung an den schr~gen KHhlturmflanken zu sllchen. In Rild 3
ist der instation~re nruckverlauf dargestellt (Standard
abweichung = r.m.s.-Wert). uan erkennt, daB im Bereich
der .A.blosung deutlich erhohte nruckschwan1<ungen auftre
ten. Zum Vergleich ist das Ergebnis von ryavenport einge
tragen, das ehenfalls an einem rauhen ~~odell und bei
gleichformiger Anstromung gewonnen wurde. 1m vorderen
Bereich der Ahlosung findet auch Davenport ein ausgepr§v,
tes "aximum. lediglich im Heckgebiet sind seine Werte
niedriger. Die zwei ~axi~a der hier gemessenen Kurven
dHrfte auf ein "Springen" der !\.blosung von einer Qauhig
keitskante zur anderen zurOckzufOhren sein. nas mag auch
der Grund fUr eine erhohte Poeckturbulenz sein.
1m Bild 3 sind zwei weitere Kurven ein~ezeichnet, die die
r.m.s-Werte der nruckschwankung hei turhulenter Anstromung
einmal am '~odell cnaVen1)Ort) unci zum anderen am f'lri{!inal
zei~en. '~n erkennt, da~ die Amplituden ~egennher der
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glatten Anstromung erhehlich ansteigen. '\uffallenc1 1st 01e
gute f1hereinstinmunp: zwischen '!odell- unn nriginalmessung.
Davenport unternahm seinen \~dellversuch in einem Windka
nal, in dem sowohl das Windprofil als auch das Nindsryek
trum weitgehend nachgebildet worden war. fs zeigt sich al
so, daB '~delluntersuchungen in einem Grenzschichtwindka
nal l'lerte liefern, die mit relativ groBer Genauigkeit auf
das Original nhertragen werden kHnnen.
~.2.2 Knhlturm mit Kraftwerksgeh~ude
Die Bilder 4, 5 und 6 zeigen die drei wichtigsten F~lle
der Anstromung aus qichtung der Kraftwerksgeh~ude 2). 'Ian
erkennt, daB die mittleren nriicke infolge ,les .'\rschirm
effektes teilweise ahgernindert werden, die instation~ren
l'!erte aber erhehlich ansteigen. "ier rnacht slch (He star1<:e
Turhulenz der vom Gebnude ahflie~enden ~irhel hernerkhar.
1m FaIle /3 = () \Verden in der ~J'ihe des <;taunun1(tes
r.m.s.-tlierte von
( cp ) n,6?
r. m. s.
gemessen. Diese hohen Werte treten in der ~hene 4 auf, \VO
vom Konf des Kesselhauses starke Wirbelbal1en auftreffen.
Bei schrager /mhlasrichtung ergehen sich s01<lohl in rler
mi ttleren wie auch in der instation'i.ren Druc1(vertei lun~
erwartungsgern§B asymmetrische Verh'iltnisse. So sin~ im
Falle B = - 15° (Rild 0) i!'1 Ninkelhereich ~no < 'P < q()o
noch rel::ltiv hohe mittlere nriicke hei gleichzeitir; hohen
instation"ren Werten zu heohachten.
2)nie Versuche wurden nit einer r;latten }\nstromunq durch
geHihrt. Eine \)achhildung der Frdgrenzschicht war zu die
ser Zeit im Windkanal des Tnstituts flir Luft- und ~aum
fahrt noch nicht moglich.
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4. Originalmessung
4.1 Versuchsbeschreibung
Von 1966 - 1969 wurde inC;cholven, Ruhrgehiet, ein
Kraftwerk mit vier in Reihe stehenden Naturzug~Ohltnrmen
errichtet. WHhrend der Bauphase bot sich die Gelegenheit,
nruckmef3dosen in die Retonschale einzuhauen, UTTl die in
station~ren Winddrucke an der AuBenseite der Schale zu
messen. Die erste ~eBanordnung wurde am ersten Turm in
~6he des engsten Querschnittes installiert, eine weitere
!\fessung am dri tten Turm in drei Ebenen durchgefiihrt. Im
Zuge des Baufortschrittes konnten HeBwerte sowohl am frei
stehenden Einzelturm als auch am Turm in ~eihenanordnung
erhalten werden.
Rild 7 zeigt die Anordnung der 4 ~ihltnrme wit den angren
zenden Kraftwerksgeh§uden.
Die elektro-induktiven DruckmeBdosen wurden selhst ent
wickel t. Ihre Emnfindlichkei t betrug im nllrchschni tt
0,4 fon/mm WS. fla nur instation1i.re Drlicke gemessen werden
5011 ten, ent£ielen aIle Umschalteinrichtungen zum Null
punktsahgleich, und als Peferenzdruck konnte cler nrllc'k in
der geschlossenen rtickw1irti~en Kammer der \Ie"dose verwen
det werden. ner station~re flruc'kanteil wurde durch elek
trische Nullpunktsunterdrnckung eleminiert.
~it ~ilfe eines Schalenkreuzanemometers und einer Wind
fahne, die 15m tiber dem oberen Ki\hl turmrand montiert
war, wurden Windgesch"rindil!kei t und -richtung gemessp.n.
Yorher war am 'Iodellversuch der F.influ~ des oheren Kiihl
turmrandes auf die Anzeige der Windgeschwindig'keit unter
sucht worden. Dazu wurde in versclliedenen Hohen "h" fiber
<1.,
dem Umfangswinkel 'P der Staudruck gemessen unci auf
den Staudruck <100 der ungest6rten ~nstr6mung hezogen.
Die so erhaltenen Eichkurven zei~t das Rild R. Je nach
Nindrichtung ist also die Anzeige um den entsprechenden
Faktor <1., 1a.(X) zu korrigieren. FUr die "essung am nri
ginal \vurde eine Hohe "h" ftir die Windme~einrichtunlS ge
wfihlt, die dem l\'ert hid = 0,34 entsTlricht.
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4.2 Auswerteverfahren
Wie here its eingangs erwiihnt, hesteht die !\Ilfgahe ner
'"Ie~wertanalyse darin, aus dem regellosen VorganJ': der
Druckschwankungen an der K~hlturmschale diejenigen KOMhi
nationen herauszufil tern, die eine ungiinstige momentane
Relastung fOr die Schale ergehen. Dazll kann oie T(orrela
tionsfunktion henutzt werden. Stehen 'In" Zeitfunktionen
zur Verfogung und werden fUr einen hestimmten Zeitraum
aIle moglichen Korre la tions funktionen Ri k eins chlie~ 1 ich
der Autokorrelationsfunktion gebildet, so erh1ilt man eine
"Korrelations-'1atrix" der Gror,e n2:
Rll R12 R13•••• •••• •• R1n
R21 R22 R23•··•··••· .R2n
R31 R32 R33······••• .R3n ( 1 )
In der Hauptdiagonalen stehen die Autokorrelationsfunk
tionen. Die ~atrix enth§lt aIle Informationen Uher die
Phasen- und Frequenzbeziehungen der Zeitfunktionen. Fine
geschlossene Analyse hinsichtlich einer maximalen Bau
werkshelastung ist u.F.. aber nicht bekannt.
Urn jedoch zu einer Lasung zu kommen, die der ingenieur
m§~igen Anwendung gerecht wird, mUssen Vereinfachungen
durchgeflihrt werden. Zuerst wird daher untersllcht, oh
eine Vereinfachung in der FrequenzahhRngigkeit m~g]ich
ist. Dazll werden die Spektraldichten S(E) UTl,l nil"
Cross-Spektraldichten CSef) herechnet.
