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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.
The paper focuses on a unique project of wind measurements along a high voltage Overhead transmission line. For reliable information on the horizontal distribution of the wind flow, 13 positions along two spans of an overhead electrical line of about 400 m length each are selected for wind velocity measurements. Simultaneously, the structural response is measured at the towers. Preliminary analyses aim at the appraisal of results what is important for the upcoming system identification. It is shown that system identification of long span transmission lines exposed to gusty wind is possible by derivation of a so called joint acceptance function which describes the admittance from wind velocity to the systems response.
The paper focuses on a recently launched project of wind measurements along a high voltage overhead transmission line. For reliable information on the actual horizontal distribution of the wind flow, 13 positions along two spans of an overhead electrical line of about 400 m length each are selected for wind measurements. Simultaneously, the structural response is measured at the towers. Preliminary analyses aim at the system identification of long span transmission lines exposed to gusty wind by derivation of a so called joint acceptance function which describes the admittance from wind velocity to the system's response. It can be shown that measured structural response can accurately be described using a statistical model which accounts for the irregularity of the wind as well as the structures behaviour.
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.
This paper presents a finite element model of an overhead transmission line using so called cable elements which allow reproducing the cable's nonlinear characteristics accurately employing only a few elements. Aerodynamic damping is considered in the equation of motion by taking into account the relative velocity between the flow of the wind and the moving structure. The wind flow itself is simulated by wave superposition making necessary assumptions on the lateral correlation between the wind velocities along the cable length. As result from the simulation, the following conclusions can be drawn. The first natural frequency of generally used wide spanning cables lies well below 1 Hz where also most of the energy content of the wind excitation is to be expected. Aerodynamic damping is significant for the moving cables holding very low structural damping which leads to a suppression of resonant amplification. This is particularly of interest regarding the support reaction which is dominated by the mean value and the so called background response. The latter is mostly influenced by the randomness of the wind flow, especially lateral to the main wind direction.
MOSYTRAF-Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungsseilen unter Böenbeanspruchung
(2014)
Overhead transmission lines are very sensitive structures in regards to wind action. The cables, spanning over a few hundred meters contribute in particular to the overall action on the suspension towers. These slender structures incorporate both structural nonlinearities from the large deformation of the cables and aerodynamic nonlinearities which need to be accounted for when it is to estimate the system response to strong wind events. In this work, a finite element procedure is presented to model an existing power line section using nonlinear cable elements. The wind force is assumed quasi-steady with force coefficients determined in wind tunnel test on a conductor section. Further, aerodynamic damping is incorporated by considering the relative velocity between cable nodes and oncoming wind flow. The results are compared with on-site measurements of the cables support reaction. The results show a significant effect of damping since almost no resonant amplification is visible both in observation and simulation. In addition, wind tunnel tests approved aerodynamic damping to be large for the system of sagging cables, but nonlinear in its nature. It is concluded, that the dynamic response of overhead transmission line cables has to be modeled with care, considering all sources of nonlinearities. That is of particular interest in case of random excitation such as wind because the peak response depends on the probability distribution of the system's response.
Overhead transmission line cables under wind gust loading - measurements and numerical simulations
(2014)
Overhead transmission lines with conductor cables spanning over a few hundred meters are highly
sensitive to the action of wind. Particularly wind acting on the cables signifies a major load on the
suspension towers. In order to identify critical loading parameters and the load-response
mechanism of those structures, measurements are carried out along a high voltage overhead
transmission line capturing the acting wind field as well as the structural response of the cables. A
finite element model of the structure is built and used to simulate the system's response. A method
is presented which allows generating a complete wind field for all the models nodes
incorporating measured wind velocities and estimated parameters of the acting wind. The full
scale measurements of both action and reaction will be compared to the numerical results.