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