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Stahlkonstruktionen im Kraftwerksbau#


Von

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Richard Greiner

Dipl.-Ing. Dr.techn. Robert Ofner

Dipl.-Ing. Andreas Taras



Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Richard Greiner
Richard Greiner

Dipl.-Ing. Dr.techn. Robert Ofner
Robert Ofner

Dipl.-Ing. Andreas Taras
Andreas Taras
© Forschungsjournal SS 07


Abzweigstück bei der Druckprobe
Abb. 1: Abzweigstück bei der Druckprobe, allseitiger Deckeldruck, Verformungen 500-fach überhöht

Der moderne Kraftwerksbau stellt heute höchste Anforderungen an die druckführenden Komponenten – Rohre, Druckschächte, Abzweigstücke, Sperrklappen – wie kaum in einem anderen Gebiet der Technik. Diese kommen durch den Einsatz neuer hochfester Stähle (690 MPa Streckgrenze), Wanddicken bis zu 120mm und Durchmesser bis 7m zum Ausdruck. Damit werden besondere Maßstäbe an die Schweißtechnik und die stahlbauliche Berechnung und Auslegung gestellt ebenso wie an die hydraulische und betriebliche Konzeption.



Die im Folgenden dargestellten Forschungsthemen des Stahlbaus stehen insgesamt im Zusammenhang mit der Forschung anderer Institute unserer Universität – den Instituten für Werkstoffkunde und Schweißtechnik (Prof. Cerjak), Hydraulische Strömungsmaschinen (Prof. Jaberg) und Wasserbau und Wasserwirtschaft (Prof. Heigerth). Die TU Graz kann damit auf diesem zukunftsträchtigen Gebiet eine umfassende fachliche Kompetenz anbieten.

Von den stahlbaulichen Problemstellungen der letzten Zeit werden drei dargestellt: die Auslegung von Abzweigstücken und Klappenverankerungen, die Tragwirkung von Schubringen und die Stabilität von Druckschachtpanzerungen.

Abzweigstück im Betrieb
Abb. 2: Abzweigstück im Betrieb, Deckeldruck am Abzweiger, Verformungen 100-fach überhöht

Abzweigstücke in Verteilrohrleitungen und Klappen mit ihren Verankerungsrohren gehören zu den höchst beanspruchten Komponenten von Druckrohrleitungen, welche mechanisch gesehen komplexe, meist versteifte Schalentragwerke darstellen. Ihre Spannungsberechnung beruht auf der Finite-Elemente-Methode, ihre sichere Auslegung erfolgt spezifisch nach verschiedenen Spannungskategorien auf Basis statischer oder Betriebsfestigkeits-Kriterien sowie für Wechselplastizieren. Das neue Bemessungskonzept des Eurocodes 3-1.6 für schalenförmige Stahlkonstruktionen, an dem seitens des Instituts mitgearbeitet wurde, kann hier als Grundlage verwendet werden.


Die für Anwendungen des Kraftwerks "Kopswerk II" der Vorarlberger Illwerke AG durchgeführten Untersuchungen zeigen den starken Einfluss der realen Randbedingungen auf die meist "abgedeckelt" ausgelegten Abzweigstücke, welche zu erheblichen Ovalisierungen führen können (Abb. 1 und 2).

Verformungen des Verankerungsrohres
Abb. 3: Verformungen des Verankerungsrohres einer Klappe des Kopswerk II, mit und ohne Versteifungsring
Bei der Verankerung von Sperrklappen wird erkennbar, dass der starken Ovalisierungswirkung zufolge der konzentrierten Lasteinleitung am besten durch Aussteifung mittels Ringen begegnet werden kann (Abb. 3).

Verankerungsring
Abb. 4: Verankerungsring (Schubring), Wirkungsweise

Schubringe stellen häufig auftretende Strukturkomponenten des Druckrohrleitungsbaus dar (Abb. 4), die zur Übertragung von axialen Verankerungskräften in den umgebenden Beton oder Fels dienen. Der kombinierte Beanspruchungszustand aus Innendruck, axialer Kontaktwirkung, Plastizierung des Schubringes und des Betons ergibt ein sehr komplexes Strukturproblem.


Numerische FEM-Analysen (ABAQUS) konnten zur Herleitung eines mechanisch begründeten Bemessungskonzeptes verwendet werden, das die wesentlichen Tragmechanismen einer einfachen Berechnung zugänglich macht (Abb. 5).



Verformungen der Schubringe
Abb. 5: Verformungen der Schubringe und des umhüllenden Betons

Druckstollenpanzerungen zeichnen sich durch besonders hohe Schlankheiten (Verhältnisse Radius zu Dicke R/t) aus. Dies wird in den letzten Jahren noch verschärft durch den verstärkten Einsatz hochfester Stähle. Im Laufe des Bauprozesses, sowie später im Betrieb, treten Lastfälle auf, bei denen die Stollenpanzerung Außendruck aufnehmen muss und dadurch beulgefährdet ist (Abb. 7).

Druckstollen und Stollenpanzerungen
Abb. 7: Druckstollen und Stollenpanzerungen, Beulproblem des ummantelten Rohres unter Außendruck


Im Laufe der Planungen für die größten derzeit laufenden europäischen Wasserkraftwerksprojekte "Kopswerk II" und "Limberg" sollten konventionelle Bemessungsformeln auf ihre Anwendbarkeit auf höherfeste Stähle hin überprüft werden. Dazu waren FEMAnalysen (ABAQUS) des ummantelten Kreisrohres erforderlich, bei denen eine Vielzahl strukturmechanischer Effekte – geometrische und materielle Nichtlinearitäten, Kontaktwirkung und Reibung zwischen Rohr und Betonumhüllung, Nachgiebigkeit des Gebirges, Eigenspannungen und Formimperfektionen. Ergänzt wurden diese Untersuchungen durch analytische Ableitungen.



Vergleich Ergebnisse
Abb. 6: Vergleich analytischer und experimenteller Ergebnisse

Numerische FEM-Berechnungen
Abb. 8: Numerische FEM-Berechnungen mit strukturellen und materiellen Imperfektionen und Nichtlinearitäten. Beulen als Durchschlagsproblem

Als Ergebnis zeigt sich einerseits das typische Stabilitätsversagen des Durchschlagens (Abb. 8) sowie andererseits eine durchaus gute Übereinstimmung von Vergleichsrechnungen mit Versuchen und dem bestehendenanalytischen Bemessungskonzept (Abb. 6).