Wie lässt sich der Windwiderstand von Hochspannungsmasten erhöhen?

Windlastmechanismen, die auf Übertragungsmasten wirken

Windlastmechanismen erzeugen kritische Spannungen an Hochspannungsmasten und erfordern daher ein präzises Verständnis für eine wirksame Konstruktion mit ausreichendem Windwiderstand. Aerodynamische Wechselwirkungen erzeugen komplexe Kraftmuster – insbesondere bei offenen Fachwerkkonstruktionen –, bei denen turbulente Strömung, Wirbelablösung und dynamische Verstärkung zusammenwirken und die strukturelle Integrität während starkwindbehafteter Ereignisse beeinträchtigen.

Turbulente Strömungsablösung und Druckungleichgewicht um die Oberflächen von Fachwerkmasten

Wenn Wind an Gittermasten vorbeiströmt, entstehen Turbulenzbereiche und eine ungleichmäßige Druckverteilung auf der Oberfläche. Diese Druckunterschiede führen zu erheblichen Strömungswiderständen, die zusätzliche Belastungen auf strukturelle Verbindungsstellen und dünne Bauteile des Gerüsts verursachen – besonders deutlich wird dies, wenn die Luftströmung im inneren Aufbau des Mastes eingeschlossen wird. Bei starken Böen treten häufig Druckdifferenzen von über 30 % zwischen gegenüberliegenden Seiten des Masts auf, was die Abnutzung dieser entscheidenden Verbindungspunkte beschleunigt. Untersuchungen aus Windkanaltests bestätigen dies: Laut einer 2017 im Journal of Wind Engineering veröffentlichten Studie zählen solche Druckungleichgewichte tatsächlich zu den Hauptursachen für wiederholte Spannungszyklen in Gitter-Freileitungsmasten. Um diesem Problem entgegenzuwirken, beginnen Ingenieure damit, den Abstand der Querarme anzupassen. Diese konstruktive Modifikation unterbricht geordnete Strömungsmuster und verringert Druckunterschiede, bevor diese sich im gesamten Mastgerüst ausbreiten.

Wirbelablösung, aerodynamische Abschattung und dynamische Verstärkungseffekte

Wenn Wind an Turmelementen vorbeiströmt, entsteht ein Phänomen namens Wirbelablösung, das zu wechselnden Auftriebs- und Widerstandskräften auf die Strukturen führt. Manchmal stimmen diese Kräfte mit der Eigenfrequenz der Struktur überein, wodurch Probleme verursacht werden. Hindernisse stromaufwärts – wie benachbarte Türme oder sogar Geländeformationen – erzeugen das, was Ingenieure als aerodynamische Schatten bezeichnen. Diese Schatten beeinträchtigen das normale Windmuster und verschärfen die Turbulenz an bestimmten Stellen tatsächlich. Die Kombination all dieser Effekte kann die strukturelle Reaktion erheblich verstärken. Feldversuche haben gezeigt, dass in solchen Fällen die Materialspannungen laut Studien, die im ASCE-Handbuch 74 aus dem Jahr 2010 zitiert werden, um etwa 40 % ansteigen können. Ein schräg einfallender Wind macht diese Schatteneffekte noch ausgeprägter. Daher müssen Ingenieure Dämpfungssysteme installieren – beispielsweise helikale Stege, die um Masten gewickelt werden, oder abgestimmte Massendämpfer, wie sie an Hochhäusern zu sehen sind. Diese Systeme unterbrechen die Wirbelmuster, bevor sie außer Kontrolle geraten und durch diesen Kettenreaktionseffekt Schäden verursachen.

Kritische Ausfallmodi und strukturelle Schwachstellen bei Hochwindereignissen

Gelenkbuckling und Bauteilinstabilität: Lehren aus dem Taifun Mangkhut (2018)

Die 200 km/h starken Winde des Taifuns Mangkhut enthüllten gravierende Schwächen bei der Verbindung von Fachwerktürmen und lösten eine Kettenreaktion von Einstürzen im gesamten Stromnetz der Provinz Guangdong aus. Seitlich wirkende Windkräfte auf geschraubte Verbindungen führten zu einer schrittweisen Knickung der schräg angeordneten Tragstrukturen – besonders deutlich wurde dies an den Kreuzarmverbindungen, wo sowohl Biegespannungen als auch Druckkräfte die Tragfähigkeit der Verbindungen überstiegen. Bei der Analyse der Folgen zeigte sich, dass rund drei Viertel aller Turmeinstürze während Mangkhut auf diese Verbindungsprobleme zurückzuführen waren; dies verursachte nach einer 2022 von Chen und Kollegen veröffentlichten Studie Schäden in Höhe von über 1,2 Milliarden US-Dollar. Was diesen Fall von einer einfachen Einzelkomponenten-Entscheidung unterscheidet, ist die Tatsache, dass Verbindungsprobleme sich rasch über die gesamte Fachwerkstruktur ausbreiten. Daher verlangen neuere branchenübliche Standards wie die IEC 61400-24 aus dem Jahr 2019 nun von Konstrukteuren, bei der Auslegung von Verbindungen für Gebiete mit häufigem Taifunvorkommen nichtlineare dynamische Analysen durchzuführen.

Ermüdungsbedingter Abbau vs. Statischer Einsturz: Warum die moderne Turmbewertung weiterentwickelt werden muss

Die meisten traditionellen Methoden konzentrieren sich auf statische Einsturzgrenzen und vernachlässigen dabei den schleichenden Ermüdungsschaden, der durch wiederholte Windbelastung entsteht. Laut jüngsten Studien gehen rund 60 Prozent der windbedingten Ausfälle tatsächlich auf winzige Risse zurück, die sich an Spannungskonzentrationsstellen ausbreiten, und nicht auf plötzliche Überlastungsereignisse, wie im EPRI-Jahresbericht zur Resilienz 2023 dargelegt. Das Problem verschärft sich entlang der Küsten, da Korrosion durch Salzwasser gemeinsam mit ständigen Spannungszyklen die Zeit, die Werkstoffe diesen Kräften standhalten können, nahezu halbiert. Aufgrund dieses Verständnisses setzen viele führende Versorgungsunternehmen zunehmend bewertungsorientierte, schadens-tolerante Ansätze ein, statt sich allein auf die Prüfung der Festigkeit zu verlassen. Sie ersetzen veraltete Inspektionsverfahren durch fortschrittliche Ultraschallprüfung mit Phased-Array-Technik, die verborgene Fehler unter der Oberfläche erkennt, noch bevor sich diese Risse so weit ausbreiten, dass sie nicht mehr ignoriert werden können.

Bewährte Designstrategien zur Verbesserung des Windwiderstands von Türmen

Aerodynamische Optimierungen: Optimierung der Querarmgeometrie und Flächenreduzierungstechniken

Wenn Ingenieure die Form der Querarme verändern, können sie die Windbelastung der Vorderseite verringern und die Bildung störender Wirbel verhindern. Auch die Zahlen bestätigen dies: Elliptische Formen reduzieren laut einer Studie des NREL aus dem Jahr 2023 die durch wirbelnde Luft verursachten Schwingungen um etwa 15 bis 20 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen kastenförmigen Konstruktionen. Ein weiterer Trick besteht darin, die insgesamt windexponierte Fläche zu verkleinern. Dies umfasst das Weglassen einiger tragender Bauteile, wo immer möglich, sowie das Bohren von Löchern in Teile, die keine Last tragen müssen. Diese Änderungen senken den Luftwiderstand um rund 10 bis 14 Prozent, ohne die Festigkeit und Stabilität der Konstruktion einzubüßen. Computergestützte Modelle – sogenannte CFD-Simulationen – überprüfen, ob all diese Verbesserungen auch bei unterschiedlichen Anströmrichtungen des Winds funktionieren, von 0 Grad (frontal) bis 180 Grad (gegenläufig). Bei besonders hohen Türmen über fünfzig Meter Höhe in gebieten mit häufigem Taifunauftreten macht es einen großen Unterschied, wenn das Verhältnis der soliden Materialfläche unter 0,3 gehalten wird – beispielsweise durch eine stärkere räumliche Aufteilung der tragenden Komponenten. Dadurch wird unerwünschtes Schwingen, insbesondere bei chaotischen Wetterbedingungen mit Wind aus mehreren Richtungen gleichzeitig, deutlich reduziert.

Strukturelle Verstärkung: Versteifungs-Upgrades, Versteifung von Verbindungsstellen und Integration von Dämpfung

Bei der Verstärkung von Konstruktionen gegen Versagen konzentrieren sich Ingenieure mithilfe dreieckiger Aussteifungssysteme auf Problemzonen, um Windkräfte seitlich zu verteilen. Die Aufrüstung diagonal angeordneter Aussteifungselemente kann die seitliche Steifigkeit um etwa 25 bis möglicherweise sogar 30 Prozent erhöhen. Die K-Aussteifung eignet sich besonders gut, um das Ausknicken von Druckgliedern bei sehr starken Böen zu verhindern, wie dies beispielsweise in der Norm IEC 61400-24 aus dem Jahr 2019 festgelegt ist. Die Steifigung von Knotenpunkten umfasst Maßnahmen wie das Anbringen von Verstärkungsblechen (Gusset-Plates), das Vorziehen hochfester Schrauben vor der Montage sowie die Verstärkung der Fundamentplatten. Dieser Ansatz reduziert Verdrehungsprobleme und senkt die Wahrscheinlichkeit von Ermüdungsrissschäden um rund vierzig Prozent. Für zusätzlichen Schutz gegen durch Wind verursachte Schwingungen kommen ergänzende Dämpfungsmaßnahmen zum Einsatz. Dazu zählen beispielsweise abgestimmte Massendämpfer oder mit viskosen Flüssigkeiten gefüllte Dämpfungseinrichtungen, die während störender, windinduzierter Schwingungen etwa fünfzehn bis fünfundzwanzig Prozent der kinetischen Energie absorbieren. Insgesamt verschieben diese verschiedenen Ansätze den kritischen Punkt, an dem ein struktureller Zusammenbruch eintreten könnte, über Windgeschwindigkeiten von fünfzig Meter pro Sekunde hinaus. Großmaßstäbliche Tests haben diese Wirksamkeit unter simulierten Taifunbedingungen bestätigt, was den Ingenieuren Vertrauen in ihre Konstruktionsentwürfe verleiht.

FAQ

Was ist Wirbelablösung?

Wirbelablösung tritt auf, wenn Wind über eine Struktur strömt und dabei wechselnde Unterdruckzonen erzeugt, die eine Hin-und-her-Bewegung verursachen und somit Auftriebs- und Widerstandskräfte auf die Struktur ausüben.

Wie kann aerodynamischer Schattenwurf einen Übertragungsturm beeinflussen?

Aerodynamischer Schattenwurf stört das normale Windmuster, verstärkt die Turbulenz und erhöht die Belastung der Turmstrukturen – insbesondere in Bereichen hinter Hindernissen wie anderen Türmen oder Geländemerkmale.

Welche Gestaltungsstrategien verbessern die Windbeständigkeit von Übertragungstürmen?

Zu den Gestaltungsstrategien gehören die Optimierung der Geometrie der Querarme, Flächenreduktionsverfahren, der Einbau zusätzlicher Aussteifungen, die Versteifung von Knotenpunkten sowie die Integration von Dämpfungselementen, um die Windkräfte zu verteilen und strukturelle Schwachstellen zu vermeiden.