Aerodynamische Admittanzansätze zur Böenwirkung auf hohe, schlanke Bauwerke

Behrens, Matthias

Die dynamische Reaktion hoher, schlanker Bauwerke infolge Böenerregung wird maßgeblich durch die aerodynamische Admittanz bestimmt, welche die räumlich-zeitliche Übertragung der Windturbulenz auf die Druckverteilung an der Oberfläche eines Körpers beschreibt. Zur Ermittlung böeninduzierter Windlasten wird gewöhnlich von einem quasi-stationären Modell der aerodynamischen Admittanz ausgegangen. Die aerodynamische Übertragung wird dabei als unabhängig sowohl von der Zeit als auch von der Frequenz unterstellt. Der tatsächlich stark nichtlineare Zusammenhang zwischen den Geschwindigkeits- und Richtungsfluktuationen der Turbulenz sowie den resultierenden Windlasten wird mittels diskutabler Methoden linearisiert. Solche Vereinfachungen können insbesondere bei hochturbulenter Strömung zu einer beträchtlichen Unterschätzung der fluktuierenden Windkräfte führen. Um beurteilen zu können, inwieweit konventionelle Admittanzansätze die Realität beschreiben, wurden neben theoretischen Untersuchungen Naturmessungen durchgeführt. Der Fachwerkschaft eines 344 m hohen Mastes wurde über eine Fläche von 360 m² mit auf Kraftmesszellen lagernden Fassadenelementen verkleidet. Durch die simultane Messung der auf die Fassaden wirkenden Windkräfte sowie des ungestörten Strömungsfeldes werden aerodynamische Admittanzmodelle vor dem Hintergrund einer sicheren Bemessung hoher, schlanker Bauwerke überprüft.

The dynamic response of high and slender structures induced by turbulence buffeting is decisively determined by the aerodynamic admittance, which describes the spatial and temporal transfer function between the wind turbulence and the wind loads acting on a body´s surface. For the determination of turbulence-induced wind loads a quasi-steady admittance model is usually chosen. Such a model starts from the assumption that the aerodynamic transfer function is constant with respect to both time and frequency. The actually highly nonlinear relationship between the fluctuations of wind speed and wind direction on the one hand, and the resulting wind forces on the other, is linearised by methods which have to be discussed. Particularly in high-turbulent flow, the conventional linearised descriptions of the originally nonlinear wind-speed-to-wind-force relationship will produce a highly incorrect estimation of the dynamic part of the wind load. Besides theoretical investigations the effect of different quasi-steady approaches of the aerodynamic admittance function on the fluctuations of the wind loads are studied by full-scale measurements. The lattice shaft structure of a 344 m high guyed mast was equipped with cladding elements, which covered an area of 360 m² and are supported by load cells. When simultaneously measuring the wind forces acting on these elements and of the undisturbed turbulent flow, aerodynamic admittance models are checked for a safe design of high and slender structures such as masts and towers.

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Behrens, Matthias: Aerodynamische Admittanzansätze zur Böenwirkung auf hohe, schlanke Bauwerke. 2003.

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