On Gust Buffeting Design of Slender Chimneys - Building Interference and Fatigue

Aizpurua Aldasoro, Hodei

Im Rahmen dieser Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zur Böenbeanspruchung von hohen Stahlschornsteinen durchgeführt. Hierbei wurde ein besonderer Blick auf dem Einfluss von Interferenzeffekten durch benachbarte Bebauung, sowie eine Ermüdungsprognose unter Berücksichtigung von realistischen Windprofilen geworfen. Häufig werden Schornsteine an unmittelbar neben hohen Bauwerken errichtet. Diese benachbarten Gebäude beeinflussen die Windbelastung auf den Schornstein. Es hat darüber hinaus wirtschaftliche Vorteile, den Stahlschornstein mit dem benachbarten Gebäude zu verbinden damit das statische System vom Kragarm zum günstigeren Einfeldträger mit Kragarm zu verändern. Es wurden Untersuchungen an maßstäblichen Modellen im Grenzschichtwindkanal durchgeführt. Dabei wurden die Gebäudeform, Position des Schornsteins bezüglich des Gebäudes sowie Windrichtung variiert. Für jede Konfiguration wird das gestörte Windfeld und die aerodynamische Admittanzfunktion gemessen. Damit wurden eine dynamische Berechnungen durchgeführt. Hierbei zeigt sich, dass das benachbarte Bauwerk, in Abhängigkeit von Windwinkel und Position des Schornsteines, die für die Beanspruchung des Schornsteins maßgebende Windstruktur stark beeinflusst und damit zu einer bemessungsrelevanten Erhöhung der Beanspruchung führt. Eine Anwendung auf den Fall einer seitlichen Verbindung des Schornsteines mit dem Gebäude und das so veränderte statische System ist nach Eurocode nicht möglich. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Ermittlung des Böenreaktionsfaktors vorgeschlagen, das die Interferenzeffekte sowie das veränderlichen statischen System berücksichtigt. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein Beitrag zur Ermüdung von Stahlschornsteine unter Böerregung vorgestellt. Mit Hilfe von statistischen Auswertungen gemessener Windprofile wird eine verbesserte Prognose der Lebensdauer durchgeführt. Grundlage dieser Statistik sind die Langzeitmessdaten am Mast Gartow II. Die Berechnung erfolgte im Frequenzbereich mit entsprechend der Langzeitstatistik variierenden Windprofilformen. Die Häufigkeitsverteilung der Doppelspannungsamplitude wurde aus den Antwortspektren mittels der Methode nach Dirlik bestimmt. Die Betrachtung sechs unterschiedlicher Windprofilformen, führt zu einer Reduzierung der erwarteten Ermüdungsbeanspruchung der Struktur während ihrer Lebensdauer. Windstatistik und strukturelle Parameter sind entscheidend um eine realistische Lebensdauer prognostizieren zu können.

This work describes the experimental and numerical investigation about the improvement of the buffeting wind design of industrial slender chimneys considering interference effects and long-term wind profile statistics. The first part of the investigations is related to the along-wind response of slender chimneys considering the interference effect. This phenomenon occurs in the presence of nearby buildings and its importance increases if the slenderness of the chimney becomes larger. The experimental study is carried out in a boundary layer wind tunnel. Different building shapes, positions of the chimney and wind directions have been considered. For each configuration, the wind field characteristics acting on the chimney and the aerodynamic admittance function have been measured. Using this information, the buffeting response of a 150 m high propped chimney has been numerically calculated. The results show a significant increase of the bending moment at the roof support with respect to the undisturbed flow provided by the Eurocode. The proposed modification takes into account the roof supported structural system as well as the corrected wind profiles and turbulence spectra due to the interference effect. An increasing factor that fully covers the interference effect, as well as the change of the structural configuration for different eigenfrequencies and heights is proposed.On the contrary to the first part of the investigations associated with extreme wind situations, the second part covers the fatigue life prognosis considering low and moderate wind conditions. Using long-term wind statistics divide the mean wind speed into six different wind shapes. To study the fatigue prognosis, a Monte-Carlo simulation has been carried out using a large number of synthetic profiles generated from the presented statistics. For each generated wind profile, the buffeting response of a 150 m tall chimney is individually calculated in the frequency domain. The Dirlik method has been applied to calculate the probability distribution of the stress amplitudes. The consideration of six wind classes yields to a more economic design as compared to a scenario where only the logarithmic wind profile shape is considered. The damping, eigenfrequency and wind statistics have a direct influence on the shape of the load collective, thus the unique application of the proposal given in the Eurocode for each structure and site can produce a largely overestimated fatigue prognosis.

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Aizpurua Aldasoro, Hodei: On Gust Buffeting Design of Slender Chimneys - Building Interference and Fatigue. 2014.

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