Windlasten für schwingungsanfällige Bauwerke

Windlasten für
schwingungsanfällige Bauwerke
Böeninduzierung
Johannes Gockert, Matrikelnummer 2744812
Masterthesis an der Fakultät Bauingenieurwesen, OTH Regensburg
Referent: Prof. Dr.-Ing. Springer, Othmar
I
Ich versichere hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig
verfasst und keine anderen als die im Literaturverzeichnis angegebenen
Quellen benutzt habe.
Alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten oder noch
nicht veröffentlichten Quellen entnommen sind, sind als solche
kenntlich gemacht.
Die Zeichnungen oder Abbildungen in dieser Arbeit sind von mir selbst
erstellt worden oder mit einem entsprechenden Quellennachweis
versehen.
Diese Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Form noch bei keiner anderen
Prüfungsbehörde eingereicht worden.
Regensburg, den 31.01.2015
Johannes Gockert
II
Vorwort
Diese Thesis entstand an der Fakultät Bauingenieurwesen der
„Ostbayrische Technische Hochschule“ (OTH) Regensburg unter der
Leitung von Prof. Dr.-Ing. Othmar Springer zum Erlangen des „Master of
Engineering“ (M.Eng).
Behandelt werden die Änderungen am Böenreaktionsfaktor, jetzt
Strukturbeiwert, der einen Übergang vom deterministischen
Bemessungsansatz hin zum stochastischen erfahren hat. Im Rahmen der
Arbeit wird auch die normative Entwicklung für Windlasten in
Deutschland bis hin zum neuen Eurocode 1 aufgezeigt, sowie ein
Programm auf Basis von Microsoft EXCEL erstellt, dass es erlaubt den
Böenreaktionsfaktor schnell, einfach und sicher bei turbulenzinduzierten
Schwingungen zu berechnen, sowie die statische Ersatzlast.
III
Inhaltsverzeichnis
VORWORT ............................................................................................................................... III
INHALTSVERZEICHNIS ............................................................................................................ IV
ABBILDUNGSVERZEICHNIS .................................................................................................... VI
EINFÜHRUNG ........................................................................................................................... 8
KAPITEL I WIND ....................................................................................................................... 9
1 ENTSTEHUNG UND EIGENSCHAFTEN .............................................................................................. 9
2 WINDGESCHWINDIGKEIT............................................................................................................ 11
2.1 mittlere Windgeschwindigkeit .............................................................................. 11
2.2 turbulenter Anteil ................................................................................................... 12
2.3 momentane Windgeschwindigkeit ..................................................................... 14
2.4 Gradientwind ......................................................................................................... 15
3 WINDZONEN ............................................................................................................................ 15
KAPITEL II AERODYNAMISCHE SCHWINGUNGEN .............................................................. 17
1 SCHWINGUNGSPHÄNOMENE ..................................................................................................... 17
1.1 Böeninduzierte Schwingung ................................................................................. 17
1.2 Wirbelinduzierte Schwingung ............................................................................... 18
1.3 Bewegungsinduzierte Schwingung ..................................................................... 23
2 SCHWINGUNGSANFÄLLIGKEIT .................................................................................................... 25
3 SCHWINGUNGSVERMEIDUNG ODER REDUKTION.......................................................................... 27
KAPITEL III BERECHNUNGSVERFAHREN VON WINDLASTEFFEKTEN .................................... 30
1 WINDWIRKUNGSKETTE ............................................................................................................... 30
2 BERECHNUNGSMETHODEN......................................................................................................... 32
2.1 Zeitbereichsmethode ............................................................................................ 32
2.2 Kovarianzmethode ................................................................................................ 33
2.3 Spektralmethode ................................................................................................... 33
2.4 statische Ersatzlasten ............................................................................................. 34
3 WINDLASTEN ............................................................................................................................ 35
3.1 Windkraft ................................................................................................................. 36
3.2 Winddruck ............................................................................................................... 36
KAPITEL IV TURBULENZINDUZIERTE SCHWINGUNG.............................................................. 39
1 BÖENREAKTIONSFAKTOR ............................................................................................................ 39
1.1 Entwicklung............................................................................................................. 41
1.2 Böengrundanteil .................................................................................................... 43
1.3 Resonanzanteil ....................................................................................................... 44
2 SPEKTRALMETHODE ................................................................................................................... 46
3 VEREINFACHUNG DES BÖENREAKTIONSFAKTORS ......................................................................... 49
KAPITEL V NORMATIVE ENTWICKLUNG .............................................................................. 52
1. DIN 1055 – 4 ......................................................................................................................... 52
1.1 DIN 1055 – 4 ( 1938-10-00 ) .................................................................................... 52
1.2 DIN 1055 – 4 ( 1977-05-00 ) .................................................................................... 54
IV
1.3 DIN 1055 – 4 ( 1986-08-00 ) und DIN 1055 – 4 / A1 ( 1987-06-00) ....................... 55
1.4 DIN 1055 – 4 ( 2005-03-00 ) und DIN 1055 – 4 Berichtigung 1 ( 2006-03-00 ) .... 56
2. EUROCODE EC 1 ................................................................................................................ 59
2.1 DIN EN 1991-1-4 ( 2010-12-00 ) .............................................................................. 60
2.2 DIN EN 1991-1-4 NA ................................................................................................ 61
3. VERGLEICH ............................................................................................................................. 61
4. DIN 1056 / DIN 4131 / DIN 4133......................................................................................... 62
4.1 DIN 1056 .................................................................................................................. 62
4.2 DIN 4133 .................................................................................................................. 64
KAPITEL VI BERECHNUNG DES BÖENREAKTIONSFAKTORS MIT EXCEL ............................. 68
1. PROGRAMM ........................................................................................................................... 68
2. EINGABE ................................................................................................................................. 69
2.1 BAUWERKSINFORMATION ...................................................................................... 69
2.2 GRUNDFREQUENZ ................................................................................................... 70
2.3 KRAFTBEIWERT DIN .................................................................................................. 72
2.4 KRAFTBEIWERT EC ................................................................................................... 72
3. AUSGABE ................................................................................................................................ 73
3.1 BAUWERKSINFORMATION ...................................................................................... 73
3.2 DIN 1055-4 ............................................................................................................... 74
3.3 EUROCODE ............................................................................................................. 75
KAPITEL VII BEMESSUNGSBEISPIEL ....................................................................................... 78
1. DIN 4133 ( 2006-08-00 ) ...................................................................................................... 79
2. EUROCODE ............................................................................................................................. 84
2.1 DIN EN 1991-1-4 ( 2010-12-00 ) .............................................................................. 84
2.2 DIN EN 1993-3-2 /NA ( 2010-12-00 ) und DIN EN 13084-1 ( 2007 ) ..................... 85
3. ERGEBNISVERGLEICH................................................................................................................ 85
FAZIT ....................................................................................................................................... 86
LITERATURVERZEICHNIS ......................................................................................................... 87
NORMEN .................................................................................................................................... 87
WEITERFÜHRENDE LITERATUR ......................................................................................................... 88
ARTIKEL ....................................................................................................................................... 90
ONLINE INHALTE .......................................................................................................................... 91
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