Ermüdung durch aeroelastische Effekte von Wirbelablösungen an hohen Rohrmasten

Dank stetiger Fortschritte im Bauingenieurwesen konnten immer innovativere und effizientere Lösungen entwickelt werden. Diese Weiterentwicklung hat die Konstruktion schlankerer, leichterer und optimierter Strukturen ermöglicht, die den wachsenden funktionalen und architektonischen Anforderungen gerecht werden. Diese Fortschritte haben jedoch auch neue Herausforderungen mit sich gebracht, darunter insbesondere die durch zyklische Belastungen verursachte Strukturermüdung, ein kumulatives Phänomen, dessen frühzeitige Erkennung besonders schwierig ist.

Autor	Begoña Luna García
Universität	Technische Hochschule für Ingenieurwesen, Loyola-Universität Andalusien, Spanien

Visualisierung eines hohen Stahlrohrmasts für städtische Beleuchtung.

Modell eines Stahl-Lichtmasts

In Konstruktionen, die veränderlichen Lasten ausgesetzt sind (wie Wind, Verkehr oder Umgebungsschwingungen), stellt Ermüdung einen Degradationsmechanismus dar, der sich auch dann entwickeln kann, wenn die Spannungswerte unterhalb der Elastizitätsgrenze des Materials bleiben. Die wiederholte Einwirkung solcher Lasten kann Mikrorisse verursachen, die sich mit der Zeit ausbreiten und die Tragfähigkeit der Konstruktion erheblich verringern. Da es sich um einen langsamen und zunächst unauffälligen Prozess handelt, ist Ermüdung in frühen Stadien schwer zu erkennen und wird oft unterschätzt.

Die Interaktion zwischen Luftströmung und Bauelementen mit einfachen Geometrien, wie beispielsweise vertikalen Kreiszylindern, kann aeroelastische Phänomene von erheblicher Relevanz auslösen. Unter diesen sticht die Wirbelablösung aufgrund ihrer Fähigkeit, zyklische Querschwingungen zu induzieren, besonders hervor. Obwohl diese Schwingungen aus statischer Sicht vernachlässigbar erscheinen mögen, kann ihre repetitive Natur zu erheblichen kumulativen Auswirkungen führen.

Die Entwicklung von Statik-Simulationsprogrammen wie RFEM in Verbindung mit der Weiterentwicklung von Bemessungsnormen wie Eurocode 1, Teil 1-4, ermöglicht heute eine genauere Bewertung der dynamischen Auswirkungen von Wind auf schlanke Strukturen. Diese Tools ermöglichen eine detaillierte Analyse des Strukturverhaltens unter aerodynamischen Lasten, die Abschätzung von Ermüdungsschäden und die Vorhersage der Lebensdauer unter Einbeziehung von Variablen wie Windeigenschaften, Schwingungsfrequenzen und Materialkennwerten.

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Untersuchung der durch Wirbelablösung verursachten strukturellen Ermüdung von Lichtmasten unter Verwendung normativer Kriterien und numerischer Modellierungswerkzeuge. Die dynamische Antwort der Struktur wird simuliert und die im Laufe der Zeit akkumulierten Ermüdungsschäden geschätzt. Ziel ist es, nicht nur das Verständnis dieses Phänomens zu vertiefen, sondern auch zu einer sichereren, effizienteren und langlebigeren Tragwerksplanung beizutragen, die den aktuellen Anforderungen an Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit entspricht.

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