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Im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Tragverhaltensstudie von Freileitungsseilen unter Böenbeanspruchung soll durch die Kombination von Naturmessungen, Windkanalversuchen und numerischen Simulationen versucht werden, das mechanische Verhalten von Freileitungsseilen und turbulenter Windbeanspruchung genauer abzubilden. Die Unsicherheiten bei der Modellierung dieses Zufallsprozesses sollen durch Windkanalversuche und Naturmessungen auf ein Minimum reduziert werden. Im vorliegenden Beitrag werden Ergebnisse von Simulationen mit den Beobachtungen aus den Naturmessungen verglichen und bewertet. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Bewertung der aktuellen Bemessungsvorschriften für die Berücksichtigung von Wind auf Leiterseile.
Für Tragmasten von Freileitungen ist meist die Windeinwirkung bemessungsrelevant. Mit den großen Spannweiten der Hochspannungsebene trägt dabei die Windeinwirkung auf die Leiterseile einen maßgebenden Anteil zur Gesamtbeanspruchung dieser Tragstrukturen bei. Daher ist es offensichtlich, dass das Tragverhalten der Freileitungsseile eine wichtige Rolle für die zuverlässige Bemessung bei Neubauten oder der Bewertung der Zuverlässigkeit des Bestands spielt. Hierfür sind insbesondere die Extremwindereignisse, das sog. 50-Jahres-Windereignis von Bedeutung. Bei diesen hohen Windgeschwindigkeiten treten vor allem windinduzierte Schwingungen der Leiterseile auf.
Die für die Bemessung herangezogenen Konzepte basieren meist auf Übertragungsmodellen im Frequenzbereich. Diese setzen eine Linearisierung um den Arbeitspunkt der mittleren Verschiebung voraus, welche nur unter der Annahme von kleinen Schwingungsamplituden gerechtfertigt ist. Dabei kommt der Systemdämpfung eine wichtige Rolle zu. Zwar ist die Strukturdämpfung für Litzenseile vernachlässigbar gering, doch unter Windeinwirkung kann die aerodynamische Dämpfung aufgrund der Relativgeschwindigkeit zwischen Anströmung und Struktur zu beachtlicher Größe anwachsen.
Die Beschreibung des Tragverhaltens im Zeitbereich erlaubt es, das nichtlineare Verhalten der Kraftübertragung, sowie der großen Verformungen zu berücksichtigen. Damit lassen sich für die Bemessung relevante Parameter identifizieren und notwendige Annahmen zur Windeinwirkung, sowie zur quasistationären Kraftübertragung überprüfen. Gerade das Verhalten von Freileitungsseilen unter Extremwindereignissen, auf das es zu Extrapolieren gilt, kann so im Rahmen der getroffenen Annahmen simuliert werden.
Anhand von Naturmessungen werden die Übertragungsmodelle, sowie das Zeitbereichsmodell bei eher moderaten Windgeschwindigkeiten überprüft. Durch die Verteilung von Windsensoren entlang der Leitung kann die für die Belastung der Leiterseile maßgebende laterale Windverteilung annähernd erfasst werden. Bestehende Annahmen hierzu werden überprüft und erweitert. Für die Zeitbereichsrechnungen wird eine Methode zur Windfeldgenerierung dahingehend erweitert, dass die Windereignisse auch adäquat im Zeitbereich wiedergegeben werden können. Mit dem Ziel, eine zuverlässigere Bemessung von Freileitungen unter turbulenter Windbeanspruchung zu erreichen, werden sog. Spannweitenfaktoren abgeleitet und auf andere Leitungskonfigurationen übertragen, die die Mechanik der Leiterseile sowie die maßgebenden Eigenschaften der Windeinwirkung beinhalten.
MOSYTRAF-Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungsseilen unter Böenbeanspruchung
(2014)
Overhead transmission line cables under wind gust loading - measurements and numerical simulations
(2014)
Der folgende Beitrag befasst sich mit der analytischen Herleitung eines sog. Spannweitenfaktors zur Berücksichtigung der Korrelation der Windeinwirkung auf weitgespannte Freileitungsseile. Insbesondere zur Abschätzung der Windlast auf Maste trägt dieser Lastfall maßgebend zur Bemessung bei. Mithilfe von Naturmessungen und Simulationen werden zugrunde gelegte Annahmen überprüft und validiert. Die Ergebnisse werden schließlich anhand der einschlägigen Regelwerke verglichen und bewertet.
Die Beanspruchung von Freileitungen erfolgt hauptsächlich durch Naturlasten. Dabei spielt für die bemessungsbestimmenden Lastfälle häufig der Wind eine entscheidende Rolle. Die Leiter, die mehrere hundert Meter weit spannen, tragen einen wesentlichen Anteil zur Gesamtbeanspruchung von Tragmasten bei, die wiederum Eigengewicht und Windlasten der Leiter zwischen zwei Abspannmasten abtragen. Wenn die Reaktion der Seile auf Starkwindereignisse abgeschätzt werden soll, müssen sowohl geometrische Nichtlinearitäten durch die großen Verformungen wie auch aerodynamische Nichtlinearitäten berücksichtigt werden. Insbesondere für die Anwendung und Berücksichtigung in Bemessungsvorschriften werden hierfür Vereinfachungen vorgenommen. In diesem Beitrag wird eine umfassende Untersuchung vorgestellt, über Naturmessungen, FEM-Simulationen kombiniert mit Windkanalversuchen und generierten Windzeitreihen. Ziel ist es, existierende Bemessungsvorschriften im Hinblick auf die Abschätzung der Beanspruchung aus Wind auf Leiter zu validieren. Hierbei sind insbesondere die Turbulenzannahmen und das dynamische Verhalten von weitgespannten Leitern wichtig, um die Extremschnittgrößen zu beschreiben. Mithilfe von so genannten Spannweitenfaktoren sollen die relevanten Parameter, wie Spannweite und Windturbulenz, bei der Beanspruchungsabschätzung berücksichtigt werden.
Aerodynamic damping of nonlinear movement of conductor cables in laminar and turbulent wind flow
(2015)
MOSYTRAF - Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungen unter Böenbeanspruchung
(2014)
Im Rahmen des Forschungsvorhabens MOSYTRAF (Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungen unter Böenbeanspruchung)
werden seit Ende 2011 kontinuierlich Windgeschwindigkeiten entlang eines insgesamt 800 m langen Freileitungsabschnitts gemessen. Gleichzeitig wird die resultierende Windkraft aus Wind auf Leiterseile an den Isolatoren erfasst. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen Einwirkung und Bauwerksreaktion möglichst zuverlässig ermittelt werden. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die kurzzeitigen
Windgeschwindigkeitsspitzen, die Böen gerichtet. Diese erfassen anders als die konstante mittlere Windgeschwindigkeit, nicht die gesamte Länge des Freileitungsabschnitts, sondern nur einen eingeschränkten Bereich. Aus diesem Grund erfolgen die Windmessungen an insgesamt 13 Stellen entlang des Abschnitts und geben ein fein aufgelöstes Bild des Windfeldes. In dem Beitrag werden Messergebnisse beispielhaft präsentiert und einige Plausibilitätskontrollen vorgestellt, da dies einen unerlässlichen Schritt bei Naturmessungen darstellt. Ausgehend von einem Übersichtsdiagramm der bisherigen Messergebnisse wird die Aufgabenstellung und die Zielsetzung der Messkampagne erörtert.
Vorschlag zur möglichen Lebensdauerverlängerung einzelner Bauteile einer im Betrieb befindlichen Offshore-Windenergieanlage durch Beschreibung der Versagenswahrscheinlichkeiten
Beschreibung der Versagenswahrscheinlichkeit durch geeignete Schädigungsmodelle
Aktualisierung der Versagenswahrscheinlichkeiten aufgrund von Inspektionsergebnissen und möglichen Reparaturen auf Basis der Bayes‘schen Entscheidungstheorie
Quantifizierte Bewertung von Inspektionsmethoden und Reparaturmaßnamen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Bauteile
Grundlage für Entscheidungen für Inspektionen und Reparaturen
Windeinwirkungen auf Freileitungen wurden in der Vergangenheit meist an exponierten Standorten bestimmt. In einem Langzeitversuch wurden seit 2012 an einer mit moderner Messtechnik ausgerüsteten 380-kV-Leitung der 50 Hertz Transmission GmbH, die im nicht besonders exponierten Gelände verläuft und somit den Leitungen im Netz entspricht, die Windgeschwindigkeiten entlang der Leiter und deren Auswirkungen auf die Stützpunkte gemessen. Die Messungen und die begleitenden Auswertungen bestätigen die heute verwendeten normativen Vorgaben für die Windwirkung auf die Leiter von Freileitungen, soweit dies in der relativ kurzen Zeit von fünf Jahren möglich ist.
In dieser Blockveranstaltung lernen die Studierenden die Grundlagen der stahlbaulichen Bemessung zum Thema Stabilität. Inhalt ist eine kurze Einführung in die Problematik des Stabilitätsversagens. Danach wird eingegangen auf die Grundlagen des Bemessungsverfahrens nach EC 3, gefolgt von einer Nachweisführung anhand eines Beispiels.