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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.
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.
Aerodynamic damping of nonlinear movement of conductor cables in laminar and turbulent wind flow
(2015)
It is widely accepted that aerodynamic damping is a decisive parameter influencing the dynamic response of overhead transmission line conductors in turbulent wind flow. But anyway, methods of how to account for the effects of aerodynamic damping differ significantly and so might do the results. In this work, the source of aerodynamic damping shall be revised leading to the well-known formulation for a linear pendulum being the result of the relative velocity between the structure and wind flow. Based on wind tunnel tests and validated by simulations, the differences to a pendulum movement of a sagging cable are shown. The reasons for that deviation are the large deflections, resulting in a movement non parallel to the acting wind flow. For some analysis, in particular those in frequency domain, it is practically not possible to incorporate aerodynamic damping implicitly by fluid structure interaction. If the dynamic movement can be linearized at a working point of the mean deflection, a modification to the linear approach is suggested. This approach is validated by simulation with a finite element model of an existing overhead transmission line, calibrated with onsite measurements for wind velocities at lower levels. Further accent is put on the different possibilities to incorporate aerodynamic damping in time step analysis, such as Rayleigh damping or modal damping. The differences between both approaches are emphasized and modal damping is shown to be the most adequate representation of aerodynamic damping.
Aerodynamic damping of nonlinear movement of conductor cables in laminar and turbulent wind flow
(2015)
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.
Investigation on the dynamic behavior of an OHL conductor bundle with light and heavy ice accretion
(2016)
Under a variety of possible cable vibrations which overhead line conductors can suffer, galloping identifies by large amplitudes at rather low frequencies. Changes of the cross-section as by ice-accretion provide the basis for such vibrations through an aerodynamic instability of drag and lift responses under wind excitation. Two different types of light and heavy ice bodies attached to a quad bundle conductor are analysed in wind tunnel tests. The results of aerodynamic drag and lift coefficients are investigated by means of a finite element model under turbulent wind excitation. It was found that instability can be well simulated for the heavy ice accretion but not for the case of lightly iced conductors.