Statische und dynamische Windkräfte an kreiszylindrischen Bauwerken: Messungen am Hamburger Fernmeldeturm PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN Nr. 2685/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten JIeinz Kiihn vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Dr. -Ing. Hans Ruscheweyh lnstitut fUr Leichtbau der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen im Auftrag von: Prof. Dr. -lng. Joachim Kowalewski Statische und dynamische Windkriifte an kreiszylindrischen Bauwerken - Messungen am Hamburger Fernmeldeturm - SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Ruschewexh. Hane Statische und dynamische Windkrăfte an kreis zylindrischen Bauwerken : Messungen am Hamburger Fernmeldeturm. - 1. Aufl. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1977. (Forschungsberichte des 'Landes Nordrhein Westfalen; Nr. 2685 : Fachgruppe Maschinen bau, Verfahrenstechnik) ISBN 978-3-663-05306-4 ISBN 978-3-663-05305-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-05305-7 © 1977 by Springer Fachmedien Wiesbaden Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1977 ISBN 978-3-663-05306-4 Inhalt: Seite 1. Einleitung und Problemstellung 2. Versuchsbeschreibung 8 2.1 MeBobjekt und Anordnung der DruckmeBdosen 8 2.2 BezugsgroBen 12 2.3 Druckverteilungsmessung mit Hilfe einer analogen 12-Kanal-MeBanlage 16 2.4 Digitale 5-Kanalmessung 17 3. Auswerteverfahren 18 3.1 Auswertung der Analogschriebe 18 3.2 Statistische Auswertung 19 3.2.1 Mittelwerte 19 3.2.2 19 Hăufigkeitsverteilungen 3.2.3 Frequenzspektren 20 4. Das Verhalten der Druckverteilung 23 4.1 Die stationare Druckverteilung 23 4.2 Das Verhalten der Druckverteilung 27 instationăre 4.2.1 Der EinfluB der Windgeschwindigkeitsschwankung 27 4.2.2 Der EinfluB der Windrichtungsschwankung 30 4.2.3 Der EinfluB der Wirbelablosungen 31 4.2.4 Windgeschwindigkeit und Richtung, Reynolds- zahl Re 3S 4.2.5 Der Widerstandsbeiwert Cw 36 4.2.6 Der Seitentriebsbeiwert Cs 39 4.2.7 Der resultierende Beiwert cR 41 - IV - Seite 5. Auswertung hinsichtlich bautechnischer Anwendung 43 5.1 Die maximale Windlast 5.1.1 Der Zusammenhang von Widerstandsbeiwert c und w resultierendem Beiwert cR mit dem Mittelwert des Windstaudruckes 43 5.1.2 Die der aerodynamischen Hăufigkeitsverteilung Beiwerte unter schrittweiser Ausscheidung der niedrigen Windgeschwindigkeiten 48 5.1.3 Die der aerodynamischen Hăufigkeitsverteilung Beiwerte bei Normierung mit zeitlich gemittel- ten Bezugsstaudrlicken 50 5.2 Die hinsichtlich Querschwingungen 52 Erregerkrăfte 5.2.1 Zufallserregte Schwingungen 52 5.2.2 Der eingeschwungene Resonanzfall 52 5.2.3 Der Einschwingvorgang mit gro~en cs-Werten 56 6. Zusammenfassung 59 7. Schlu~bemerkung 62 8. Literatur 64 9. Bezeichnungen 70 10. Abbildungen 72 Anhang 1: Berechnung des statischen Druckes Po' der Windrichtung ~q und des Windstaudruckes qoo' 114 Anhang 2: Konzeption der Druckdose Komponentenschaltung 121 1. Einleitung Das Stromungsverhalten um einen quer zur ;:'''I.n(:'sac!lse anqestro""' ten Kreiszylinder ist bekanntlich von der ~eynol0s~ahl ~e, der Oberflăchenrauhigkei t 'les Zylin.:'lers und der '1'urbulenz der Anstromung wobei sich aie einzelnen Parameter -:reoen' abhăngig, sei tig beeinflussen. Rei endlichen C:treckunrren und Z\b,.,eichun·· gen von der idealen KreiszylinderforJ"1 k08.men noch Sinfl;isse in folge rătunlicher Stărungen hinzu. Die Fro.ge nach der i\bh"i.n?ief- keit von der Reynoldszahl war Gegenstanc'l zahlreicher Untersuchun gen in der Vergangenhei t. Die meisten Arbei ten besc\u'ankten sich dabei auf turbulenzarme Anstromung. TTTl inkompressiblen Strămungsbereich, der hier nur in Betracht kommt, konnten i~ ~10dellversuch aber lediglich ~eynoldszahlen erreicht ~ler~en, die um ca. ei ne Zehnerpotenz unter denen von Originalbauten (Turme, Kamine) liegen. Roshko [6] berichtete 1971 uber seine Experimente in einem iJberdruckwindkanal, bei denen er die hahe Reynoldszahl van 8,4 • 106 erreichte. A'lS versuchstechnisc!1en Grunden konnte er jedach keine systematische Variation der Oberflăchenrauhigkeit und der Anstrămturbulenz vornehmen, so daB seine Ergebnisse lediglich fur eine relativ crlatte ()her·· flăche und turbulenzarme Anstromuncr gelten. ?ine sehr l::-edeutsa me Entdeckung war aber das Auffinden einer regelmaBiqen ~ruck schwingung im Nachlauf, die bei der Re-Zahl von 3,5 . 106 he gann. Er schloB daraus auf ein ~·1iedereinsetzen einer reaelI'1.'ll3i gen Wirbelablăsung am Zylinder und nannte die Re-Zahl die trans kritische Re-Zahl. In den Arbeiten van Naumann u.a. [9, 10, 16J konnte nun ex perimentell nachgewiesen werden, dal3 sich eine periodische Ab- Iăsung am Zylinder kUnstlich erzwingen IăBt, wenn man dafiir sorgt, daB die raumlichen Stărungen einen kri tischen \'!ert nicht uberschreiten bzw. wenn die Ableselinie nahezu eine Gerade ist. Diese Bedingung wurde im Versuch durch Zwangsma~nahTT\en erreicht (Stalper - und Ablăsedrahte) . In einem weiteren Modellversuch hat von Nunen [17] Reynoldszah len van 7,7 . 106 erreicht und ebenfalls im "transkr." Bereich periadische Krăfte nachgewiesen. Zusătzlich hat er den EinfluB van Rauhigkeiten auf das Einsetzen dieser Periadizităten unter- - 2 - sucht und gefunden, daB bei groBen Rauhigkeiten die periodi schen Erregerkrăfte schon bei kleineren Re-Zahlen einsetzen. Ebenso wie Naumann weist er auf die Simrnulation groBer Rey noldszahlen im Modellversuch durch Grenzschichtbeeinflussung hin. Eng verbunden mit dem zeitlichen Abloseverhalten ist die Frage nach den periodischen Seitenkrăften. Diese periodischen Seiten krăfte entstehen dann, wenn eine periodische Wirbelablosung er folgt. Diese wiederum muB im Nachlauf aus Grlinden der Sta nicht notwendig eine geordnete WirbelstraBe bilitătsbedingung zur Folge haben. In der Vergangenheit sind theoretische Arbei ten [21,22J und zahlreiche Versuche an starren und schwingen den Zylindern durchgeflihrt worden, um die Rlickwirkungen perio discher Ablosungen auf den Zylinder zu erforschen[7,11,13,17, 30,31]. Bis auf ~7] wurden dabei aber lediglich Reynoldszah len unterhalb der transkritischen erreicht. So konnte nur im unterkritischen FalI eine ausgeprăgte Energiespitze im Fre quenzdiagramrn der Seitenkraft nachgewiesen werden. Im liberkri tischen Bereich zeigte sich nur eine ungeordnete Turbulenz. Bublitz stellte fest [31], daB die Seitenkrăfte durch die Schwingbewegung des Zylinders nur wenig beeinfluBt werden, wenn die relative Amplitude Y/d < 0,11 ist. Ais flir die Praxis wichtigster Kennwert der zylinderumstromung kann der Widerstandsbeiwert angesehen werden. Er hăngt im we sentlichen von der Lage des Ablosepunktes und von der Ablosege schwindigkeit ab. Diese wiederum ergeben sich aus dem Grenz schichtverlauf und sind somit reynoldszahlabhăngig. Flir glatte Zylinder und turbulenzarme Anstromung ergibt sich ein ew-Verlauf liber der Reynoldszahl nach Bild 1. Bei sehr hohen Reynoldszahlen seheint sieh demnaeh flir glatte ZyIinderoberflăehen der Wider standsbeiwert einem Wert von 0,7 zu năhern, bei rauhen Oberflă ehen und unter turbuienter Anstromung gibt es nur sehr wenige Untersuehungen. Lediglieh van Koten Ds] und pechstein [2J berieh ten liber solche Messungen. Demnach sinkt der Widerstandsbeiwert bei kieineren Reynoldszahlen auf sein Minimum ab,um dann nur sehr langsam wieder anzusteigen (s. Bild 1). Das korrigierte MeBergebnis von Dryden und Hiii [1] (s. Abschnitt 2.2) scheint - 3 - die Tendenz zu bestatigen, daB der Widerstandsbeiwert bei trans kritischen Reynoldszahlen erheblich unter dem des glatten Zy linders bei turbulenzarmer Anstromung liegt. Im Ubergang vom unterkritischen zum Uberkritischen und im Uber krittschen Bereich spielt der Umschlagpunkt eine wichtige Rol le, wo die laminare Grenzschicht in die turbulente umschlagt. Storungen, die von der Turbulenz der Anstromung oder der Ober flachenrauhigkeit ausgehen, zeigen hier einen groBen EinfluB auf das Grenzschichtverhalten. Bei steigenden Reynoldszahlen wandert der Umschlagpunkt stromaufwarts, und der Anteil der turbulenten Grenzschicht an der Lauflange bis zum Ablosepunkt wird groBer. SchlieBlich wird die laminare Anlaufstrecke ver klein und damit die gesamte Grenzschicht turbu nachlăssigbar lent. Oberhalb dieser Grenze kann also wieder mit einer ein heitlichen Grenzschicht - ahnlich wie im unterkritischen Be reich - gerechnet werden, und es ist anzunehmen, daB sich an nahernd stabile einstellen. Verhăltnisse Mit der groBeren Lauflange der turbulenten Grenzschicht scheint auch die Erscheinung des Wiedereinsetzens regelmaBiger Ablosun gen verbunden zu sein. Wie aus Grenzschichtuntersuchungen, ins besondere an Platten, bekannt ist, setzt der Umschlag laminar turbulent nicht einheitlich an einer geraden Linie, sondern punktformig an verschiedenen Stellen ein. Das bedeutet, daB die nachfolgende turbulente Grenzschicht unterschiedliche Entwick lungszeiten aufweist und damit auch nicht bei einer einheit lichen Lauflange ablost. Da aber, wie Morsbach [9] nachgewiesen hat, eine gerade Abloselinie Vorbedingung fUr das Einsetzen re Wirbelablosungen ist, kann hier ein Grund fUr das gelmăBiger turbulente Nachlaufverhalten im Uberkritischen Bereich gesucht werden. Bei Lauflange der turbulenten Grenzschicht kon lăngerer nen sich aber infolge Querimpulsaustausches die Unterschiede verwischen, so daB eine gerade Abloselinie wahrscheinlicher wird. Dieser Bereich der transkritischen Reynoldszahlen, wie er von Roshko aus dem Wiedereinsetzen der regelmaBigen Wirbelablosungen definiert wurde, konnte mit Hilfe des Grenzschichtverhaltens uni verseller bestimmt werden. In Ermangelung genauer Kriterien soll jedoch in dieser Arbeit die Definition von Roshko beibehalten werden. - 4 - Ein wei terer \'lÎchtiger Einfluf3para"1eter ist die Turhulenz der Anstr6Bung. Sie kann St6rungen in die Grenzschicht tragen. Insbesondere ist diesin den sensihlen Dereich der liberkriti schen Reynoldszahlen zu enmrten, wo der Urn.schlagpunkt von so ~roBer Eedeutung ist. So hat Feindt [32J an einer rauhen Plat tenstromung mit verschiedenen Druckgradienten nachge~liesen, daB sich bei erhohter Strahlturbulenz der Umschlaspunkt stroBauf wMrts verlagert. Die Rauhigkeit liefert erst dann wieder einen EinfluB, '"enn eine bestiTT1.mte RauhigkeitsgroBe ilberschritten wird und die dadurch erzeugte Turbulenz die der Anstrorn.ung libeniegt. 7 Dei der Deurteiluno des Turbulenzeinflusses muB noch auf den Frequenzinhalt der angebotenen Turbulenz hingewiesen werden. Bin Energiemaximum im Bereich der Grenzschichtturbulenzen wird sicherlich eine groBere 3eeinflussung hervorrufen als eine langwelligere StroBung. I"1 transkritischen Reynoldszahlenbereich, wo ohnehin die la minare Anlaufstrecke sehr kurz ist, ist zu erwarten, daB der Turbulenzeinfluf:l - und i'\hnliches gilt dann auch ftir die 0ber flMchenrauhigkeit - von geringerem Einfluf:l hinsichtlich des Grenzschichtverlaufes ist. Anders dagegen ist die Frage nach der l\uswirkung ner langwelli ~en und groJ3răumigen Turbulenzen zu sehen. Sie veriindern die AuBenstromung des Zylinc1ers und damit sein Druckfeld. Sowohl Dryden u. 8ill [1] als auch Pechstein ~] haben bei ihren Originalmessungen starke Schwankungen inshesondere im Sogmini-· mum festgestellt, konnten aber aufgrund ihrer meBtechnischen Mog lichkeiten keine genauen Analysen durchftihren und damit keine Zuordnung zur Ţ'Jindturbulenz vornehmen. Vertikale Turbulenzen, die aufgrund ihrer Struktur eine genli gend groBe rMumliche Storung darstellen, dUrften die Zylinder umstromung und damit die Druckverteilung ehenfalls erheblich beeinflussen. In dieses Wirkungs feld fallen auch die EinfHi.sse der endlichen Streckung und der .l'l.bvleichungen von der idealen Kreiszylinderform. - 5 - Aus der Vielzahl der EinfluBfaktoren ersieht man die Schwie rigkeit systematischer Untersuchungen, insbesondere in den Be reichen transkritischer Reynoldszahlen, die im l\1odellversuch nicht erreicht werden konnen. Bei '1essunqen in ner Natur 1o.s sen sich die Versuchsparameter nicht systematisch variieren. Ziel muB es daher sein, die transkritischen Reynoldszahlen durch Grenzschichtbeeinflussung im Hodell zu si!11I'1ulieren. Bevor diese Aufgabe jedoch in zielsicherer ''1eise angefaBt werden kann, mUs sen zuerst die Kenntnisse der wirklichen Zylinderumstr6mung bei den hohen Reynoldszahlen, wie sie an groBen Bauwerken in der ,'!atur vorkommen, erwei tert t!lerden. Dazu sind Untersuchungen a'TI Original erforderlich. Eine der ersten Hessungen dieser Art lst von Dryden und Hill 1930 [lJ und Pechstein 1940 [2J durchgefilhrt worden. Dryden un(l Hill unternahmen ihre Hessungen an einem 43 m hohen Schornstein (3,6 m Durchmesser) und erreichten Re-Zahlen von 5 • 106• Der Kamin besaB eine Ziegelsteinoberflăche una eine leichte Kegel = form (Kegelwinkel 1.40). Pechstein filhrte seine Messungen an einem 8,30 m hohen und 2m dicken Versuchszylinder aus Stahlblech durch. Er erreichte Reynoldszahlen von 1,4 • 106, allerdings an einem recht gedrungenen Zylinder, der auBerdem noch unter der Ein wirkung der,badennahen Erdgrenzschicht stand. 1969 berichtete van Koten [15] liber einige Originalmessungen an Schornsteinen (200 m hoch, 10 m Durchmesser). Er fand einen cw-Wert van ca. 0,45 bei Re-zahlen um 1~6 (s. Bild 1), aher keine ausgepragten Wirbelfrequenzen in diesem Bereich. Vickery [18J berichtet Uber '1essungen an Originalkaminen, 1ie Cincotta e. al. [12] und Schl'tidt [13] 1 %6 durchaefUhrt haben. Er gibt Strouhalzahlen um 0,22 und cs -~\7erte um 0,1 c:; fFr r.m.s 7 den Reynoldszahlbereich 3,5 • 106 1>is 1,4' 10 an. Diese weniaen Originalmessungen reichen natUrlich bei Neite:n nicht aus, um die Stromungsverhaltnisse bei transkritischen Reynaldszahlen sicher beurteilen zu konnen, gan~ ::>:u schwei-:;ren von den EinflUssen der zahlreichen EinfluP.paraT:1eter. - 6 - Insbesondere besteht groBe Unsicherheit hinsichtlich des insta tionaren Verhaltens der Druckverteilung. Die Beobachtungen von Roshko und Nunen zeigen, daB ein Wiedereinsetzen regelmaBiger Wirbelablasungen stattfindet. Unbekannt ist, unter welchen Be dingungen das auch im natGrlichen Wind geschieht. Starke Quer schwingungen von schwach gedampften Stahlkaminen und Antennen verkleidungen, die in letzter Zeit wieder zu Schadensfallen ge fUhrt haben [26], lassen erkennen, daB relativ starke periodi sche Querkrafte entstehen. Eine weitere wichtige Fragestellung ist: Wie verhalt sich die Druckverteilung unter dem EinfluB von Einzelbaen? Dabei ist im natUrlichen Wind zwischen einer Staudruckanderung und einer Windrichtungsanderung zu unterscheiden. Infolge der Tragheit der Zylindergrenzschicht ist zu vermuten, daB die Druckvertei lung eine frequenzabhangige Veranderung erfahrt. Wie sich im einzelnen der Ablasepunkt, der Heckdruck und das Sogminimum unter dem EinfluB von Windbaen verhalten, ist weit gehend unbekannt. Das instationare Verhalten der Druckverteilung hat nicht nur periodische Seitenkrafte, sondern auch schwankende Widerstands beiwerte zur Folge. Uber deren statistische Verteilung und Zu ordnung zur Windgeschwindigkeit ist bisher nichts bekannt ge worden, fUr die Bauwerksbelastung ware aber deren Kenntnis von groBem Nutzen. In der vorliegenden Arbeit werden einige der dargelegten Prob leme behandelt. Es wird dabei experimentell vorgegangen, und zwar werden die Untersuchungen an einem ausgefUhrten Bauobjekt (Hamburger Fernmeldeturm+)) durchgefuhrt. Der Grund dafUr liegt in der Aufgabenstellung: 1. Es solI der Reynoldszahlbereich Re 2 107 erfaBt werden. Mit den vorhandenen Versuchsanlagen in der Bundesrepublik sind diese Reynoldszahlen z.Zt. jedoch nicht zu erreichen. +)wahrend der Bauphase waren in Vorbereitung dieser Forschungs aufgabe entsprechende Lacher in der Betonwand zur Aufnahme der DruckmeBdosen eingelassen worden.
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