A new aerodynamic phenomenon and its effects on the design of ultra-high cylindrical towers

Lupi, Francesca

Die hiermit vorgelegte Doktorarbeit befasst sich mit der Einwirkung des natürlichen Windes auf ultra-hohe Turmbauwerke. Die Türme von Aufwindkraftwerken stehen im Vordergrund. Derartige Kraftwerke ermöglichen eine schadstofffreie Erzeugung elektrischer Energie. Als Untersuchungsgegenstand der Arbeit dient beispielhaft ein 1 km hoher Aufwindturm. Das Tragwerk ist als Stahlbetonschale, die durch Aussteifungsringe verstärkt ist, konzipiert. Erstmalig wurden im Rahmen dieser Forschungen Windkanalversuche an Aufwindtürmen durchgeführt. Sie zeigten, dass die außenliegenden Versteifungsringe die aerodynamischen Eigenschaften des Turmes im Vergleich zu einem endlichen Kreiszylinder ohne Ringe erheblich verändern: Zwischen den Ringen entsteht abschnittsweise ein unsymmetrischer, bi-stabiler Strömungs- und Belastungszustand, der bis zu den höchsten untersuchten Reynoldszahlen zu beobachten ist. Originäre Beiträge der Arbeit sind die Entdeckung der abschnittsweise unsymmetrischen, bi-stabilen Windbelastung, die Bestätigung des experimentellen Befundes durch Versuche in einem zweiten Windkanallaboratorium und durch numerische Simulationen, sowie schließlich die Deutung des Phänomens. Weiterhin wird die Auswirkung der zusätzlichen Windbelastung auf die Strukturbeanspruchungen untersucht. Es wird gezeigt, dass Anzahl und Breite der Ringbalken die Größe des Lasteffekts bestimmen; Maßnahmen zu seiner Minderung werden entwickelt. Insgesamt bleiben die Zusatzbeanspruchungen beherrschbar. Abschließend befasst sich die Arbeit mit den Tragwerksbeanspruchungen infolge des stochastischen Windlastprozesses, insbesondere mit den Störungen des Membranzustands in der Umgebung der Ringsteifen. Für die Tragwerksplanung werden verallgemeinerte Wind-Ersatzlasten entwickelt, die geeignet sind, als Grundlage zur Berechnung der statischen und quasi-statischen Beanspruchungen ultra-hoher Türme in beliebiger atmosphärischer Grenzschichtströmung zu dienen.

The dissertation addresses the design of ultra-high towers under the wind action and has a special application for Solar Updraft Power Plants. They are a highly sustainable natural resource for electric power generation, based on a combined sun-wind energy solution. The object of the investigation is a 1-km tall solar tower, made of reinforced concrete and stiffened along the height by stiffening rings. They are usually introduced in the design of solar towers in order to reduce the structural vulnerability to the wind action by enhancing a beam-like behaviour. However, the wind tunnel tests performed within this research showed that the presence of rings along the height of the tower modifies the aerodynamics of the flow around the circular cylinder and creates a bi-stable and asymmetric load condition, even at moderately high Reynolds numbers. This phenomenon is new and unknown. Similar effects were observed in the critical range of Re number and around two side-by-side cylinders, but the conditions of occurrence and the physical reasons are profoundly different. The discovery of the existence of such a bistable and asymmetric load condition induced by rings along the height of a finite length circular cylinder, its interpretation, as well as the cross-checked experimental evidence in different wind-tunnels confirmed also by numerical simulations, are the original contributions of this work. Then, the effect is quantified on the structural response. The bistable asymmetric load on the structure did not result to be a prohibitive load condition for solar towers and the magnitude of the effect depends on the number and on the size of the rings. Mitigation strategies are then proposed in the work. Furthermore, the dissertation evaluates the shell response to the stochastic wind loading process and provides to the designer a general unified simple tool to define design wind loads for quasi-static calculations of ultra-high towers in any atmospheric boundary layer flow.

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Lupi, Francesca: A new aerodynamic phenomenon and its effects on the design of ultra-high cylindrical towers. 2013.

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