Fatigue-induced Risk Assessment of Slender Structures with Circular Cross-Section at Lock-In

Pastò, Stefano

Die Arbeit befasst sich mit dem Ermüdungsverhalten schlanker Bauteile mit rundem Querschnitt, die wirbelinduzierten Schwingungen ausgesetzt sind. Ein synchronisierte Schwingungen ausführender Körper ist ein elastischer Körper, der aufgrund ungleichmäßiger, durch Wirbelablösung in den Randbereichen hervorgerufene Nachlaufturbulenz in einen Schwingungszustand versetzt wird. Sobald die Wirbelablösefrequenz und die Schwingungsfre¬quenz des Körpers gleich sind, beginnt der Körper mit hoher Schwingungsamplitude zu schwingen. Das Phänomen lässt sich über einen gewissen Geschwindigkeitsbereich beobachten, bis die Lockin-Schwelle überschritten wird. Für bestehende Konstruktionen liegt die Hauptgefahr darin, dass es zu einer besorgniserregenden Schadensakkumulation durch Ermüdung und letztlich zum Bauteilversagen kommen kann, obwohl die Bemessungswindlast nicht erreicht wurde. Tatsächlich geht der Lockin-Effekt mit niedrigen Windgeschwindigkeiten einher, deren Eintretenswahrscheinlichkeit größer ist als die Überschreitungswahrscheinlichkeit der auf 0,02 festgelegten Bemessungswindgeschwindig¬keit. Immer wenn die Windgeschwindigkeit die Lockin-Schwelle überschreitet, akkumuliert die Konstruktion Ermüdungsschäden, sodass ihre Anfälligkeit bis zum endgültigen Versagen zunimmt. Ein runder Zylinder wurde im Grenzschichtwindkanal des CRIACIV – DIC getestet. Für die Untersuchungen wurden unterschiedliche mechanische und Strömungssituationen gewählt, um die Haupteigenschaften des Lockin-Effekts beobachten zu können. Danach wurde zur Untersuchung der Synchronisationsmechanismen eine erste numerische Modellierung vorgenommen. Die Ergebnisse der o. g. Untersuchungen wurden für die Annäherung an ein numerisches Modell herangezogen, mit dessen Hilfe die Reaktion von zu wirbelinduzierten Schwin¬gungen angeregten Schornsteinen vorhergesagt werden können. Dann wurde die Ermüdungsgefahr bewertet und die Möglichkeit einer Einflussnahme auf gefährliche synchronisierte Schwingungen betrachtet.

The present work deals with the fatigue-risk of slender structures with cir¬cular cross section undergoing vortex induced vibrations. A body performing synchronized oscillations is an elastic body attaining vibrations induced by its unsteady wake consisting of the vortices which alternatively shed by its side regions. When the vortices are shed at the same frequency of oscillation of the body, the latter starts to oscillate reaching high amplitudes of oscilla¬tion. The phenom¬enon extends along a certain velocity range until the lock-in end. The main risk of real structures attaining vortex induced vibrations con¬sists in a worrying fatigue damage accumulation which may cause the struc¬tural failure without exceeding the design wind loads. In fact, the lock-in phenomenon is associated to low wind velocities whose probabilities of occurrence (hazard) are greater than the exceeding probability of the design wind speed fixed to 0.02. Every time the wind velocity falls within the lock-in range, the structure accumulates fatigue damage and its vulnerability increases un¬til the collapse. A circular cylinder has been tested in the CRIACIV -¬DIC boundary layer wind tunnel. The investigation has been performed with different mechanical and flow configurations, discussing the main features of the lock-in phenomenon. Afterwards, a first numerical model has been implemented to study and to discuss the mechanism of synchronization. The results of the above experimental and numerical investigations have been used to approach a numerical model predicting the response of chimneys undergo¬ing vortex induced vibrations. Subsequently, the fatigue-risk has been assessed. Finally, the control of the risky syn¬chronized oscillations has been also contemplated.

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Pastò, Stefano: Fatigue-induced Risk Assessment of Slender Structures with Circular Cross-Section at Lock-In. 2005.

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