Wirbelerregte Querschwingungen

Es kommt zu wirbelerregten Querschwingungen, wenn sich auf den gegenüberliegenden Seiten einer Struktur alternierend Wirbel ablösen. Liegt die Anregung durch den Wind in dem Frequenzbereich der Struktur, kann es zu Resonanzeffekten und einem Aufschaukeln der Schwingungen quer zum Wind kommen.

Prinzip der wirbelerregten Querschwingungen
Prinzip der wirbelerregten Querschwingungen

Dieses Phänomen kann besonders bei hohen schlanken Bauwerken mit einer glatten Oberfläche auftreten. Die wesentlichen Einflussfaktoren sind dabei die Steifigkeit der Struktur (Eigenfrequenz in Abhängigkeit der Massenverteilung), die Form und Anordnung des Querschnittes (Rund, Quadratisch, Vieleck; Reihenanordnung, alleinstehend) und die Eigenformen der Struktur.

Die Wirbelablösungen treten ab einer bestimmten standortspezifischen Windgeschwindigkeit auf. In der Regel ist die kritische Windgeschwindigkeit eine häufig auftretende Geschwindigkeit. Die Anzahl der auftretenden Schwingspiele und die resultierende Biegebeanspruchung spielen beim Nachweis der Struktur im Grenzzustand der Ermüdung eine bemessungsrelevante Rolle.

Eigenfrequenzanalyse eines Betonschafts mit Schwingungsform (überhöhte Darstellung)
Eigenfrequenzanalyse eines Betonschafts mit Schwingungsform (überhöhte Darstellung)

Über die Berechnungsformeln in der DIN EN 1991-1-4 ist es möglich die auftretende Biegemomente der Struktur zu bestimmen. Weiter kann eine zugehörige Schwingspielzahl ermittelt werden. Mit diesen Werten kann eine Lebensdauerbemessung der Struktur durchgeführt werden.

Für Türme von Windenergieanlagen gilt nach der DIBt Richtlinie, dass wenn die Schädigung infolge Querschwingungen kleiner ist als 10% der Gesamtschädigung über die Lebensdauer, muss diese bei der eigentlichen Ermüdungsberechnung nicht berücksichtigt werden.

Bei Schornsteinen stellen die wirbelerregten Querschwingungen die einzige Ermüdungsbelastung da. 

Auslenkung eines Stahlrohrturms infolge Querschwingungen
Auslenkung eines Stahlrohrturms infolge Querschwingungen
Momentenverlauf eines Stahlrohrturms infolge Querschwingungen
Momentenverlauf eines Stahlrohrturms infolge Querschwingungen
Scruton-Wendel
Scruton-Wendel

Es können durch die wirbelerregten Querschwingungen große Fußpunktmomente im Auflagerbereich entstehen. Nicht verankerte Konstruktionen können so im Montagezustand kippgefährdet sein. Ist dies der Fall, muss für diese Bauphase durch Wetterprognosen sichergestellt werden, dass für den Zeitraum des gefährdeten Montageabschnitts nicht die kritische Windgeschwindigkeit erreicht wird, bei der die Querschwingungen auftreten können.

Eine Möglichkeit die Querschwingungen temporär oder dauerhaft zu verhindern, ohne dabei die Haupttragstruktur ändern zu müssen, sind aerodynamische Störmaßnahmen im Bereich der Wirklänge der Querschwingungen zu installieren. Bei den sogenannten Wirbelablösern handelt es sich um Profile, die im oberen Bereich der Strukturen angebracht werden, um ein kontinuierliches Ablösen der Wirbel über die Höhe zu verhindern. Sie sorgen für ein Ablösen der Strömung in verschiedene Richtungen, sodass keine alternierende Ablösung stattfindet. 

Ein Beispiel für solche Lösungen bei Türmen/Schornsteinen sind die SCRUTON-Wendeln, die am häufigsten zum Einsatz kommen. Dabei handelt es sich um dreigängige Störleisten (keine Gitterleisten), die oft im oberen Drittel helixartig um die Konstruktion herum angebracht werden.

Leistungen

Die SKI Ingenieurges. mbH kann im Rahmen der Tragwerksplanung statische und dynamische Strukturanalysen durchführen. Diese umfassen dabei im Wesentlichen folgende Strukturanalysen:

  • Modellierung der Struktur (in Stahl- und Stahlbetonbauweise)
  • Ermittlung der Massenverteilung
  • Eigenfrequenzanalyse der Struktur
  • Nachweis der wirbelerregten Querschwingungen nach DIN EN 1991-1-4
  • Geotechnische Nachweise gegen Kippen infolge Querschwingungen
  • Ermüdungsnachweise der Struktur infolge Querschwingungen
  • Beurteilung der Gefährdung einer Struktur gegenüber wirbelerregten Querschwingungen
  • Optimierung von Strukturen gegen wirbelerregte Querschwingungen