Titelaufnahme

Titel
Investigation of different vortex shedding models, based on sensibility and probability methods to evolve probabilistic models / von Emanuel Bombasaro
VerfasserBombasaro, Emanuel
Begutachter / BegutachterinBucher, Christian ; Solari, Giovanni
Erschienen2011
UmfangXIV, 123 S. : zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Stratifikationszustand der Atmosphäre / Modelle zur Beschreibung wirbelerregter Schwingung / varianzbasierte Sensitivitätsanalyse / Bayessche Modelselektion / Auftrittswahrscheinlichkeit von Wirbelablösung / probabilistische Ermüdungsanalyse
Schlagwörter (EN)atmospheric stratification condition / dimensional analysis / vortex shedding approaches / variance based sensitivity analysis / Bayesian model class selection / occurrence probability of vortex shedding / probabilistic fatigue analysis
Schlagwörter (GND)Bauwerk / Atmosphäre / Wirbel <Physik> / Schwingung / Wirbelablösung / Sensitivitätsanalyse / Bayes-Verfahren
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-40218 Persistent Identifier (URN)
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Investigation of different vortex shedding models, based on sensibility and probability methods to evolve probabilistic models [21.58 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Um eine vollständige und durchdachte Modellierungskette für die Bemessung von Strukturen zu erhalten, ist jedes Teilphänomen als partielles Modell möglichst genau zu berücksichtigen. Partielle Modelle umfassen unter anderem die Spannungsverteilung, das Materialverhalten, das dynamische Verhalten der Struktur und die Belastung. In dieser Arbeit wird das Lastmodel für wirbelerregte Schwingung untersucht, um ein vollständiges und zuverlässiges Modell zur Ermittlung der Ermüdungsbeanspruchung durch wirbelerregte Schwingung zu garantieren.

Die wirbelerregte Schwingung stellt eine der komplexesten Phänomene im Windingenieurwesen dar.

Die Arbeit beginnt mit einer generellen Einführung in das Thema sowie mit Überlegungen an der Modellierungskette. Weiters wird die wirbelerregte Schwingung im Kontext der Physik der Atmosphäre auf dem aktuellen Stand der Forschung diskutiert. Der Stratifikationszustand der Atmosphäre wird probabilistisch berücksichtigt, um die atmosphärische Turbulenz möglichst genau abzubilden. Dies erfolgt auf Grundlage von Messungen der Monin-Obukhov-Länge, von welcher Verteilungen des Stratifikationszustandes abgeleitet werden. Im nächsten Schritt wird das Phänomen der Wirbelablösung mit der Dimensionenanalyse studiert und dann werden fünf der gängigsten Modelle zur Beschreibung der Wirbelablösung eingeführt: Ruscheweyh, Vickery und Basu, ESDU, Griffin und AIJ-Empfehlungen. Die Ergebnisse aller Modelle werden mit Messungen aus der Literatur verglichen und auf ihre physikalische Aussagekraft bewertet. Diese Studien erfolgen mit Hilfe der Bayes-Modellselektionsmethode sowie mit Antwortflächen-Untersuchungen und Limitbildungen.

Im Anschluss daran wird eine detaillierte Untersuchung der involvierten Parameter durchgeführt, um deren jeweilige Verteilungen und Charakteristiken für eine varianzbasierte Sensitivitätsstudie bereitzustellen. Ziel der Sensitivitätsstudie ist die Feststellung, welche Parameter den höchsten Einfluss auf das Ergebnis haben, und somit kann auch gezeigt werden, welche Parameter mit besonderer Sorgfalt ermittelt werden sollen, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen.

Im letzen Abschnitt wird ein Modell vorgestellt, mit welchem die Auftrittswahrscheinlichkeit von Wirbelablösung für jeden Mode der Struktur ermittelt werden kann. Weiters wird untersucht, wie bedeutend der Einfluss der Strukturparameter, Strukturdämpfung und Eigenfrequenz der Struktur in das Modell nach Vickery und Basu eingehen, und ob der Einfluss funktional abbildbar ist. Zuletzt wird die Lebensdauer zufolge Ermüdung der Struktur mittels eines Modells, in welches der Stratifikationszustand der Atmosphäre, die mittlere Windgeschwindigkeit und die Strukturparameter als probabilistische Größen eingehen, vorgestellt.

Abschließend wird in einem Beispiel gezeigt, welche Verbesserungen und Qualitätssteigerungen erzielt werden können, wenn probabilistische Modelle zur Ermittlung der Ermüdungsbeanspruchung durch wirbelerregte Schwingung verwendet werden. In einem zweiten Beispiel wird die weiterhin vorhandene Unsicherheit in der Beanspruchungsermittlung durch Wirbelablösung an einem sehr hohen Brückenpylon diskutiert.

Zusammenfassung (Englisch)

In order to obtain a full, sophisticated design for a structure each individual phenomenon has to be considered in a proper way as a partial model. Among these phenomena are: the stress distribution, the material properties, the dynamical behavior, the loads and many more. In this work the load model for the vortex shedding phenomenon -- as it is one of the most complex aeroelastic phenomena in the field of wind engineering -- is studied in order to guarantee and provide a proper and reliable model for designing structures against fatigue due to vortex induced vibrations.

After a general introduction to the topic of sophisticated structural design -- by introducing design model chains -- the vortex shedding phenomenon is discussed and it is according to the state of the art framed in the context of physics of the atmosphere. More specific atmospheric stratification conditions are probabilistically studied to obtain the real atmospheric turbulence intensity via measurements of the Monin-Obukhov length. The vortex shedding phenomenon is generally analyzed with a dimensional analysis and further in terms of the five most popular models: Ruscheweyh, Vickery and Basu, ESDU, Griffin and AIJ recommendations. Results of all models are compared on the base of measurements taken from literature and how well they represent the physical phenomenon of vortex shedding. These analyses are carried out with the help of the Bayesian model selection and response surface analysis as well as limit studies.

As preparation for a variance based sensitivity analysis, a detailed parameter study is carried out to obtain the necessary information and distributions of the determining parameters in vortex shedding. The aim of the sensitivity analysis is to determine which parameters are the most influential ones and for which parameters further investigation would be appropriate to improve the structural design.

In the last part a closed form solution to evaluate the occurrence probability of vortex shedding for every individual natural vibration mode of the structure is given. Followed by a study, of how the distribution of structural parameters influences the results obtained by the Vickery and Basu model and if this influence can be described by a function. The last step is an introduction of the fatigue lifetime analysis of the structure where the atmospheric stratification condition, the mean wind velocity and the structural parameters enter as probabilistic parameters.

In two examples the improvement and quality of using probabilistic vortex shedding models in the whole context of sophisticated structural design is shown.