Regen-Wind induzierte Seilschwingungen im natürlichen, turbulenten Windfeld
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde der Einfluss der natürlichen Turbulenz auf das Phänomen der Regen-Wind induzierten Schwingungen (RWIS) an geneigten Zuggliedern sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Zunächst wurden dazu Naturmessungen an einem Sektionsmodell eines Seils durchgeführt. Basierend auf den Versuchsergebnissen und ermittelten Parametern wurde danach ein Berechnungsmodell kalibriert, welches das Auftreten von RWIS an einem schrägen Seil vorhersagen kann. Die Auswirkung der natürlichen Turbulenz auf den Anregungsmechanismus des Seils einer Schrägseilbrücke wurde schließlich mittels numerischer Simulationen bewertet. Die Naturmessungen gliedern sich in quasi-statische und dynamische Versuche an einem kreiszylindrischen Sektionsmodell. Bei den quasi-statischen Versuchen wurden aerodynamische Kräfte auf einen starr gelagerten Kreiszylinder mit aufgeklebter Störlippe, welche ein künstliches Wasserrinnsal darstellt, unter natürlicher Turbulenz gemessen. Aus den Messdaten konnten mit einem auf die lokale Turbulenzstruktur angepassten Analyseverfahren aerodynamischen Kraftbeiwerte identifiziert werden. Aus dem Vergleich mit Beiwerten in glatter Windkanalströmung lässt sich eine turbulenzbedingte Abminderung der Erregerkräfte schlussfolgern, die sich jedoch trotz der hohen Turbulenzintensitäten am Messstandort mit Iu = 30% wesentlich geringer darstellt, als es Windkanalversuche in Gitterturbulenz mit falschem Turbulenzmaßstab suggerierte. Die aerodynamischen Kraftbeiwerte gehen bei der numerischen Zeitschrittsimulation in die Berechnung der momentanen Seilkräfte nach quasi-stationärer Theorie ein. Der Einfluss der natürlichen Turbulenz auf die Formation und Bewegung von Wasserrinnsalen und damit verbundener Schwingungsanregung wurde anhand der dynamischen Versuche analysiert. Ein schwingend gelagerter, geneigter Kreiszylinder wurde dabei künstlich beregnet. Die Schwingungen des Sektionsmodells und die Rinnsalformationen zeigen, dass kritische Anströmsituationen, bei dem ein Rinnsal auf der Oberseite des Kreiszylinders eine merkliche Schwingungsanregung verursacht, nur vereinzelnd auftreten und von kurzer Dauer sind. Die messtechnische Aufnahme eines Schwingungsereignisses, bei dem auch die Bewegung eines Rinnsals anhand von Kamerabilder genau nachvollzogen werden konnte, ermöglichte die Identifizierung von Eingangsparametern für die Modellrechnungen. Darüber hinaus wurden Windkanalversuche durchgeführt, bei dem die Kraft auf ein künstliches Rinnsal im Gegensatz zu früheren Versuchen entkoppelt von dem übrigen Seilkörper gemessen werden konnte. Die dort ermittelten Beiwerte werden zur Identifikation kritischer Anströmsituationen genutzt, die zu einer Anregung durch RWIS führen können. Außerdem gehen auch diese Beiwerte in die numerische Simulation ein. Zur Vorhersage von RWIS wird ausgehend von bestehenden Berechnungsmodellen ein Berechnungsprogramm entwickelt, welches auf Basis der in den Naturmessungen ermittelten aerodynamischen Kraftbeiwerte und Parameter den Einfluss der Turbulenz realistisch abbildet. Die Auswirkungen schwankender Windgeschwindigkeiten und -richtungen werden dabei durch korrelierte Windzeitreihen und aus Naturmessungen abgeleiteten aerodynamischen Kraftbeiwerten erfasst. Der Vergleich mit dynamischen Windkanalversuchen zeigt, dass das numerische Modell auftretende Schwingungsamplituden richtig abbildet. Abschließend wird das numerische Modell genutzt, um die Auswirkung der Turbulenz auf ein dreidimensionales Seil numerisch zu untersuchen. Bei laminarer Anströmung werden Doppelschwingungsamplituden von über 0,6 m erreicht, während sich in turbulenter Anströmung bei einer Turbulenzintensität von Iu = 0,3 keine merklichen Schwingungsamplituden einstellen. Die Naturmessungen und die Simulationen zeigen, dass bei derartig hohen Turbulenzintensitäten RWIS keine Bedrohung für Schrägseile darstellen. Die Entwicklung praxistauglicher Berechnungsformeln zur Abschätzung der Erregerkräfte von RWIS auf Basis umfangreicher Parameteruntersuchungen ist mit dem hier vorgestellten numerischen Modell möglich. Für die gesicherte Anwendbarkeit auf bisher nicht untersuchte Parameterbereiche sind jedoch noch weitere experimentelle Untersuchungen mit der im Rahmen des Projektes entwickelten Versuchseinrichtung notwendig.
Publications
- Naturmessungen zur Untersuchung des Einflusses der Turbulenz auf Regen-Wind induzierte Schwingungen. Praktische Anwendungen in der Windingenieurtechnik, 10. Dreiländertagung D-A-CH 2007 der Windtechnologischen Gesellschaft e.V., ISBN 3-928909-09-6, WTG-Berichte Nr. 10, Braunschweig 2007, S. 73-88
Peil, U.; Steiln, O.
- Regen-Wind-induzierte Schwingungen - ein State-of-the-Art Report. 2007, Stahlbau 76, S. 34-46, Ernst & Sohn
Peil, U., Steiln, O.
- Aerodynamic force coefficients for rain-wind induced vibrations from full-scale measurements. Zingoni, A. (ed.), Proceedings of the fourth international conference on structural engineering, mechanics and computation, Kapstadt, 2010
Clobes M., Steiln, O., Peil, U.
- Windkanalversuche zur Bestimmung der Windkräfte auf ein künstliches Rinnsal an einem Seil. Windeinwirkung im Spiegel der europäischen Normung. Ruscheweyh, H. (ed.), 12. Dreiländertagung der Windtechnologischen Gesellschaft e.V., ISBN 3-928909-11-8, Aachen, 2011, S 89-98
Clobes M., Steiln, O., Peil, U.
