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ZPP Ingenieure AG

ZentraleLise-Meitner-Allee 1144801 Bochum

+49 234 9204-0

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ZPP UnternehmensgruppeZPP Ingenieure AGZPP International GmbHLauPlan GmbHGERICON GmbHZPP Hennig GmbHBreddermann + Partner GmbBKuhfeld Schildberg Partnerschaft mbB

BESTANDSKÜHLTÜRMESTANDSICHERHEIT UND DAUERHAFTIGKEIT

> Pfister, T., Meyer, J., Busch, D., Ohlmann, U., Siegert, U., Dorge, A. (2014)Design, Realisation, and Operation of Life Cycle Management of five Cooling Towers at RWE Power StationsICCT Konferenz Prag, 8.-11. Oktober 2014

> Niemann, H.-J., Michels, B., Hubert, W., Pfister, T., Meyer, J., Höffer, R. (2013) Potential of applying effective wind load patterns in the structural analysis of new and existing cooling towersIASS Symposium Breslau, 23.-27. September 2013

> Pfister, T., Meyer, J., Fickler, N. (2013)Life Cycle Management of Cooling Towers: Considerations on the recalculation of existing cooling towersIASS Symposium Breslau, 23-27 September 2013

> Lehnen, D., Demmer, M., Pfister, T. (2013)Zustandsüberwachung und Lebensdauermanagement von baulichen Einrichtungen in Kraftwerken und IndustrieanlagenVGB PowerTech, 2013, 102, 36-41

> Pfister, T., Rabe, A., Fickler, N., Meyer, J. (2012)Life Cycle Management of Cooling Towers: Monitoring, Documentation, Simulation6th International Symposium on Cooling Towers, ISCT, Cologne, 2012, 417-424

> Busch, D., Meyer, J., Ohlmann, U. (2012)The Quality Control during Construction of the Cooling Towers at the RWE Power Stations6th International Symposium on Cooling Towers, ISCT, Cologne, 2012, 349-356

ERHALTEN

+49 234 92 04-1262

Dr.-Ing. Sebastian Höhler

hr@zpp.de

+49 234 92 04-1164

Dipl.-Ing. Martin Demmer

md@zpp.de

Lebensdauermanagement

Interaktive und flexible Darstellungen!

Kühltürme haben sowohl aufgrund ihrer Dimension und Beanspruchung, als auch für den Betrieb eines Kraftwerkes einen besonderen Stellenwert im Kraft-werksbau. Deshalb ist nicht nur die sorgfältige Planung und Ausführung, son-dern auch die regelmäßige Überprüfung und Instandhaltung von großer Bedeu-tung für den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Kühlturms – und damit des gesamten Kraftwerksblocks.

Die Richtlinie VDI 6200 gibt Regeln für die Überwachung von Bauwerken zur Sicherstellung der Standsicherheit vor. Ihre Zielsetzung wird durch die VGB-Richtlinie 613 „Leitfaden für das Lebensdauermanagement von Stahlbeton-Kühltürmen in Kraftwerken“ aufgegriffen. Auf Grundlage der langjährigen Erfah-rung auf diesem Gebiet war ZPP an der Entwicklung dieser Richtlinie maßgeb-lich beteiligt. Diese Erfahrung setzen wir zum Nutzen unserer Auftraggeber ein – für zuverlässige, standsichere und dauerhafte Bauwerke, und damit für lang-fristige Investitionssicherheit.

Kompetent ZPP blickt auf eine lange Geschichte in der bautechnischen Betreuung von Kühltürmen zurück. Angefangen beim Firmengründer Professor Zerna, der sich bereits in den 1960er Jahren um die Berechnung von Schalentragwerken verdient gemacht hat, begleiten wir seit vielen Jahrzehnten Kühltürme in allen bautechnischen Fragestellungen. Diese Erfahrung verknüpfen wir mit moderns-ten Berechnungsmethoden und Forschungsergebnissen, die uns der enge Kontakt zu Universitäten und Forschungseinrichtungen gewährleistet.

Ganzheitlich Im Zusammenspiel von Expertenwissen aus unterschiedlichen Disziplinen, von der Materialtechnologie über die Chemie, die Geotechnik und die Wind-technologie hin zu Statik und Dynamik, entsteht ein ganzheitliches Bild des Kühlturms, seiner Einwirkungen und seiner Reaktionen. Das ermöglicht uns, die relevanten Einflüsse und Vorgänge und deren Interaktion zu erkennen und weitere Entwicklungen zu prognostizieren.

Systematisch Zusammen mit unserem Auftraggeber entwickeln wir einen langfristigen Plan für ein systematisches Lebensdauermanagement. Wir gehen auf die jeweiligen Randbedingungen des Bauwerks ein und passen das Programm an die speziel-len Anforderungen an. Dabei können wir auf messtechnisches Monitoring, Inspektionen durch qualifizierte Bauwerksprüfer, windtechnologische Untersu-chungen, lineare und nichtlineare Berechnungen, eine umfangreiche Dokumen-tation aller vorhandenen und relevanten Unterlagen und nicht zuletzt auf hoch motivierte Ingenieurinnen und Ingenieure sowie unsere langjährige Erfahrung zurückgreifen.

AnimationenEs besteht die Möglichkeit aus der 3D-PDF-Datei Animationen zu erstellen, zum Beispiel durch freie Kamerafahrten. Auch die Erstel-lung von Explosionszeichnungen ist realisierbar.

Die 3D-PDF-Dateien können mit dem kostenlosen Acrobat Reader geöffnet und betrachtet werden. Zusatzinformationen können je-derzeit nachträglich eingefügt werden. Damit werden Interaktivi-tät und Flexibilität des Inhaltes in der Datei erhöht.

Oberes Bild: KW Datteln - Mittleres Bild: KW Westfalen - Unteres Bild: KW Moorburg

3D-Visualisierung Monitoring

Die systematische Überwachung des Kühlturms mittels eines messtechnischen Monitorings liefert uns wertvolle Erkenntnisse über das Bauwerk selbst und seiner Einwirkungen und Reaktionen, die die frühzeitige Erkennung möglicher Schäden oder negativer Tendenzen sowie die optimale Schadensanalyse und Instandsetzungsplanung unterstützen.

Monitoringelemente Vorgaben für die Wahl der Monitoringelemente finden sich in der VGB-Richtlinie 613 „Leitfaden für das Lebensdauermanagement von Stahlbeton-Kühltürmen in Kraftwerken“. Seit mehr als zehn Jahren werden diese von uns erfolgreich einge-setzt:

Höhenmessbolzen Windmesser Temperaturfühler pH-Wert-Messung des Kondensats Edelstahlmarken an der Betonoberfläche Betonwürfel

Aber auch andere Elemente, etwa für die Rissüberwachung oder für die Bestim-mung von Eigenfrequenzen und -formen, werden von uns verwendet.

Interpretation Durch unsere langjährige Erfahrung in allen bautechnischen Fragen sowie durch unsere hohe Qualifikation in der Berechnung von Kühltürmen gelingt es uns, die Messwerte nicht nur mathematisch und statistisch auszuwerten, son-dern auch deren Bedeutung für das Bauwerk zu interpretieren und die entspre-chenden Rückschlüsse zu ziehen. Schließlich messen wir nicht des Messens wegen, sondern um das Bauwerk zu beobachten und Schäden fernzuhalten – und damit Kosten zu sparen.

Auswertung Das wichtigste Hilfsmittel zur Interpretation ist schließlich die Begutachtung des Bauwerkszustandes vor Ort. Die Kenntnis der zu erwartenden Auswir-kungen der gemessenen Größen durch entsprechende Modelle oder Simula-tionsrechnungen unterstützt dabei die Zustandserfassung vor Ort und gibt Hinweise auf mögliche Schadensbilder.

Für die statistische Auswertung und grafische Aufbereitung von Messdaten verwenden wir leistungsfähige und flexible Algorithmen auf Linux-Basis. Die Auswertung von zehn oder zehn Millionen Messwerten unterscheidet sich dann nur noch in der Rechenzeit – nicht im Aufwand oder in der Fehleranfälligkeit. Die Programmierung dieser Algorithmen wird von uns selbst vorgenommen, so dass wir die Auswertungen jederzeit modifizieren oder anpassen können, falls dies erforderlich ist. So werden aus Bits und Bytes aussagekräftige Größen und Diagramme.

Unsere 3D-Modellierungen bieten die Möglichkeit, Geometrie und Eigenschaf-ten von Objekten, Bauteilen oder gesamten Kraftwerken, die bestehen oder projektiert werden, realistischer darzustellen, damit Analysen und Vorstellung vereinfacht werden. Durch die Manipulation eines 3D-Modells können unterschiedliche Szenen erstellt werden, in denen die Position und Blickrichtung eines virtuellen Betrach-ters sowie die Geometrie, Materialen und Licht definiert werden können. Daraus sind sowohl Standbilder als auch Animationen zu erstellen. Nachdem ein drei-dimensionales Modell erzeugt wurde, ermöglichen bestimmte Programme die Erstellung von Ansichten, die in zweidimensionalen Zeichnungen nachträglich bearbeitet werden können. Die 3D-Darstellungen werden hauptsächlich durch drei unterschiedliche Pro-gramme virtuell unterstützt: AutoCAD, 3D Studio Max und Adobe Acrobat. Mit dem Adobe PDF-Format lassen sich die 3D-Darstellungen einfach austau-schen und bedienen, sodass unser Auftraggeber die virtuell konstruierten Objekte selbst betrachten und bearbeiten kann.

3D Bearbeitung Nach der Erstellung von Objekten als 2D- und 3D-Konstruktion lassen sich diese nach Adobe Acrobat exportieren. Der Adobe Acrobat bietet die 3D- Be-handlung der CAD-Zeichnungen, in denen vorhandene Layerstrukturen (sog. Modellhierarchien) und Maßstäbe beibehalten werden. Das Modell kann im 3D-Dokument mit der Maus ohne Schwierigkeiten gedreht, gezoomt und verschoben werden. Die Betrachtung isolierter Bauteile ist ohne jegliche Einschränkung möglich, durch Hinzuschalten einzelner Layer können somit Teilbereiche näher untersucht und Schnittstellenkonflikte frühzeitig er-kannt und bereits in der Planungsphase rechtzeitig berücksichtigt werden.

Rendermodus und Beleuchtung Die Rendermodus-Möglichkeiten bei 3D-PDF-Dateien sind vielfältig, z.B. gefüllt, transparent, gefülltes Drahtmodell, gefüllte Kontur, schattierte Abbildung, trans-parente Begrenzungsrahmenkontur, etc. Sie können im ganzen Modell oder auf jedes einzelne Bauteil angewendet werden. Sowohl der Hintergrund als auch das Beleuchtung des Modells können definiert werden. Als Hintergrund kann eine Farbe oder ein Standbild eingefügt werden und als Beleuchtung ist z. B. Tagesbeleuchtung, helle Beleuchtung, Würfellicht, CAD-optimierte Beleuchtung oder Scheinwerfer verfügbar.

Ansichten und Schnittdarstellungen Das 3D-Modell als PDF-Format erlaubt in das Innere des Objektes zu schauen. Die unterschiedlichen Ausrichtungsmöglichkeiten (X-, Y- oder Z-Achse sowie die Betrachtung aus jeglichem Winkel) bieten eine komfortable Darstellungswei-se aus jedem Blickwinkel. Hierbei können neben Ansichten aus den verschie-denen Perspektiven auch einzelne Schnitte erstellt und verwaltet werden. In einer schon erstellten 2D-PDF Datei kann eine 3D-Zeichnung eingefügt werden, um ein einziges Blatt bzw. in einer Datei ein Gesamtbauwerk darzustel-len.

Druck

0.0

Zug

Außentemperatur [°C]

Schw

aden

tempe

ratur

[°C]

transparent

Auslauf

Zustandserfassung

Um den Zustand eines Bauwerks abschließend und zuverlässig zu beurteilen, führen wir detaillierte Bestandsaufnahmen vor Ort durch. Unsere Ingenieurinnen und Ingenieure können dabei auf einen hohen Ausbildungsstand – die Aufnah-men werden von Bauwerksprüfern nach DIN 1076 oder Bauwerksprüfern Hoch-bau durchgeführt – langjährige Erfahrungen an unterschiedlichsten Kühltürmen sowie auf die ZPP-einheitlichen Standards zur Beurteilung, Klassifizierung und Dokumentation von Befunden zurückgreifen.

Vorbeugende Überwachung Auch wenn kein konkreter Schaden erkennbar ist, lohnt sich eine regelmäßige vorbeugende Überwachung im Zuge des Lebensdauermanagements: mögliche schädigende Entwicklungen können so früh erkannt und mit entsprechendem Planungsvorlauf behandelt werden. Unsere langjährige Erfahrung, begleitende Simulationsrechnungen und ggf. Ergebnisse aus dem messtechnischen Monito-ring ermöglichen es uns, zuverlässige Aussagen zum aktuellen Zustand des Bauwerks sowie Prognosen für die weitere Entwicklung zu treffen.

Zustandserfassung im Schadensfall Wenn tatsächlich ein Schaden oder ein vermeintlicher Schaden eingetreten ist, ist eine qualifizierte Bestandsaufnahme die wichtigste Grundlage, um die Scha-densursache zu ermitteln und eine wirtschaftliche und zielgerichtete Instandset-zung zu planen. Auch dabei haben wir stets den Blick für das Ganze – die Standsicherheit und Zuverlässigkeit des Bauwerks.

Bewertung Nicht jeder Schaden ist ein Sanierungsfall und nicht jeder vermeintliche Schön-heitsfehler kann unbehandelt bleiben. Es gilt, die Ursache zu finden und die Auswirkungen auf die Standsicherheit und die Dauerhaftigkeit einzuschätzen, um die richtigen Maßnahmen zu ergreifen – für einen wirtschaftlichen und zuverlässigen Betrieb des Kühlturms.

Zusammen mit den Ergebnissen des messtechnischen Monitorings sowie den Bestandsunterlagen liefert die Zustandserfassung des Bauwerks die notwendi-ge Grundlage für Berechnungen mit modernen Finite-Elemente Simulationspro-grammen. Vor allem für den Nachweis der Standsicherheit ist dabei außerdem die detaillierte Untersuchung der Windeinwirkungen als maßgebliche äußere Belastung auf die Kühlturmschale zielführend.

Laufender Betrieb

Das ZPP-Kühlturmbuch dokumentiert im laufenden Betrieb neue Sachlagen und zeigt Veränderungen, die Auswirkungen auf das Bauwerk haben können.

Werterhaltung und Funktionssicherheit: Empfehlungen für Prüfungen im Rahmen von Wartung und

Inspektion Rechtzeitige Erkennung und Beseitigung von Mängeln

und Schäden

Datenbank – Bauteile In der Datenbank werden alle Dokumente in einer übersichtlichen Verzeich-nisstruktur sortiert und kategorisiert.

Gruppierung z. B. nach: Bauteil, Art, Status, Ersteller, etc.

Detaillierte Erfassung der Inhalte, wie z. B.: Erstelldatum, Ersteller, Betreff, Ablageort des Originals, Dokumentennummer mit Index, Freigabe, Verlinkung zugehöriger Dokumente, etc.

Kühlturmbuch Referenzen Neubauprojekte

Datteln, Block 4 Lünen Neurath, Blöcke F + G Westfalen, Blöcke D + E

Bestandsprojekte

Niederaußem, Block K Neckarwestheim Staudinger, Block 4 Reuter-West

ZPP-Kühlturmbuch Immer aktuell!

Kühlturmbuch Windtechnologie

Wir verknüpfen Forschung mit Praxis!

Zentraler Bestandteil beim Betrieb und beim Unterhalt eines Kühlturms sind die technischen Unterlagen. Zum einen die Bestandsunterlagen aus der Planungs- und Bauzeit wie statische Berechnungen, Ausführungszeichnungen oder Bau-überwachungsprotokolle, zum anderen die Dokumentation von Bestands-aufnahmen, Baumaßnahmen oder Auffälligkeiten nach Inbetriebnahme. Gerade bei alten Kühltürmen ist die Dokumentation häufig lückenhaft, da vor allem bei Umzügen oder auch Personalwechsel immer wieder wertvolle Unterlagen verloren gehen. Für Brückenbauwerke gibt es seit langem das Brückenbuch nach DIN 1076, in dem die relevanten Daten zum Bauwerk gesammelt werden. Analog dazu wird in der VGB-Richtlinie 613 „Leitfaden für das Lebensdauermanagement von Stahlbeton-Kühltürmen in Kraftwerken“ dieser Gedanke aufgegriffen und der Rahmen für ein Kühlturmbuch vorgegeben. Diese Vorgabe wird beim ZPP- Kühlturmbuch konsequent umgesetzt und weiterentwickelt.

ZPP-Kühlturmbuch Voraussetzung für die Entwicklung des ZPP-Kühlturmbuches ist unsere langjäh-rige Erfahrung in der Überwachung und Instandsetzung von Kühltürmen. Das ZPP-Kühlturmbuch wird von sachkundigen Ingenieurinnen und Ingenieuren direkt im eigenen Dokumentenmanagementsystem interproject erstellt und gepflegt. Die Aktualität ist stets gewährleistet und unterstützt als Teil des Le-bensdauermanagements die Investitionsplanung für die Bauwerkserhaltung. Alle Unterlagen werden zentral erfasst und in einem Dokument zusammen-gestellt. Das ZPP-Kühlturmbuch wird unserem Auftraggeber sowohl als Papier-exemplar als auch als PDF-Dokument digital zur Verfügung gestellt, dass mit dem kostenlosen Acrobat Reader geöffnet werden kann. Eine spezielle Soft-ware ist nicht notwendig und die Handhabung ist äußerst einfach. Ein Übersichtsplan mit den wichtigsten Geometriedaten und eine aussagekräfti-ge Visualisierung über ein 3D-Modell sind im Leistungsumfang enthalten.

Neubauprojekte Die Dokumentation für Neubauprojekte beinhaltet:

Stammdaten Auslegungs- und Planungsdaten Enddokumentation Bautechnische Vorgaben für den Betrieb des Kühlturms Dokumentation nach der Enddokumentation

Bestandskühltürme Die nachträgliche Dokumentation für Bestandskühltürme beinhaltet:

Zusammenfassung vorhandener Unterlagen Zustandserfassung sofern notwendig Objektbewertung Neue Sachlagen

Wind ist eine der Haupteinwirkungen auf Naturzugkühltürme. Somit kommt der Größe der Windeinwirkung eine hohe wirtschaftliche Bedeutung zu. Eine genaue Erfassung der vorhandenen windklimatischen Bedingungen am Standort und die Berücksichtigung der umgebenden Einflüsse ermöglichen eine wirtschaftliche Bemessung der Anlagen. Die Einflüsse der engen Nachbarbebauung auf dem Kraftwerksgelände, welche zu Interferenzeffekten führt, ist in den meisten Regelwerken nicht erfasst. Für eine fundierte Aussage zu den möglichen Einflüssen werden in Kooperation mit den Partnern von ZPP Untersuchungen auf theoretischer Basis sowie anhand von Modellversuchen in einem Grenzschicht-Windkanal durchgeführt. Auch für den Nachweis der Standsicherheit von Bestandsbauwerken erweisen sich die genauen Untersuchungen der Windeinwirkungen – zumeist in Kom-bination mit nichtlinearen Berechnungen – als äußerst gewinnbringend. In den meisten Fällen kann die anzusetzende Windlast gegenüber den konservativen Normwerten deutlich reduziert werden; damit liefern wir einen wertvollen Beitrag für wirtschaftliche und zugleich sichere und zuverlässige Lösungen für unsere Auftraggeber.

Windklima Der von Windzonen abhängige, über die Höhe exponentiell ansteigende Böen-geschwindigkeitsdruck wird durch die BTR 2010 in Verbindung mit der DIN EN 1991-1-4 geregelt. Die bei einem Kühlturm entstehenden Beanspruchungs-erhöhungen infolge der Böenwirkung, die nach der Theorie der Zufalls-schwingungen berechnet und in gleichwertige statische Ersatzlasten umgerech-net wurden, werden durch die BTR 2010 im Böengeschwindigkeitsdruck berücksichtigt, wodurch die resultierenden Werte im Vergleich zur DIN EN 1991-1-4 geringfügig höher sind.

Windkanalversuche Trotz der vorgenannten Vorgaben für den Böengeschwindigkeitsdruck liegen hier große Einsparpotentiale vor, z. B. durch Ermittlung von standortspezifi-schen Referenzwerten und Geländekategorien. Untersuchungen im Windkanal ermöglichen es, die auftretenden Belastungen unter Berücksichtigung der Nachbarbebauung realitätsnah zu erfassen und somit zuverlässige Aussagen für die Windeinwirkungen abgeben zu können. Dies bildet die Grundlage für eine optimale Dimensionierung neuer oder die Nachrechnung bestehender Kühltürme. Die Weiterentwicklung der Kühlturmtechnik hin zu Hybridkühltürmen macht neue Untersuchungen zum Ansatz der Windlasten notwendig. Dabei spielte ZPP schon in einer frühen Phase bei den ersten Wind-kanalversuchen für einen Hybridkühlturm eine entscheidene Rolle. Die Erkenntnisse aus den Unter-suchungen werden einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der vorhandenen Regelwerke leisten.

Berechnung und Simulation

Ob für die Untersuchung möglicher Schadensursachen, die Berechnung der aktuellen Standsicherheit, die Dimensionierung von Verstärkungsmaßnahmen oder die Beurteilung von baulichen Veränderungen – die entsprechenden numerischen Untersuchungen liefern die Zahlen, die als Beurteilungsgrundlage dienen. Sie sind umso zuverlässiger und aussagekräftiger, je zielgerichteter das messtechnische Monitoring und die Bestandsaufnahme am Bauwerk durchge-führt wurden – und je besser das Modell die Wirklichkeit abbildet.

Linear-elastische Berechnungen Von der einfachen Handrechnung bis hin zur Kühlturmdiskretisierung mit mehr als 500.000 Freiheitsgraden – wir finden für jede Fragestellung das passende Modell. Die Überprüfung der Ergebnisse, vor allem bei komplexen Simulationen, ist dabei eine Selbstverständlichkeit. Wenn sich die Ergebnisse einer einfachen Handrechnung zur Kontrolle entziehen, stehen uns redundante Programm-systeme zur Verfügung, so dass keine Berechnung ungeprüft bleibt.

Nichtlineare Berechnungen Vor allem beim Nachweis älterer Kühltürme ist – aufgrund geänderter Normen-lage oder einer möglicherweise vorhandenen Schädigung – die Standsicherheit mit linear-elastischen Methoden häufig nicht mehr nachzuweisen. Da Kühltürme großes Potential zur Lastumverteilung durch Rissbildung und plastisches Flie-ßen in der Bewehrung besitzen, ist es zielführend, diese Effekte beim Nachweis der Standsicherheit zu berücksichtigen. Mit derartigen nichtlinearen Berechnun-gen gelingt es uns in den meisten Fällen, die Standsicherheit auch nach aktuel-ler Normenlage nachzuweisen und damit kostenintensive Verstärkungsmaß-nahmen zu vermeiden. Aber auch wenn der Nachweis der Standsicherheit nicht gelingt, erweisen sich nichtlineare Berechnungen als zielführend, um den Auf-wand für Instandsetzungs- oder Ertüchtigungsmaßnahmen zu minimieren.

Rissbildung innen Rissbildung außen

λWind = 0,0

λWind = 0,5

λWind = 1,0

λWind = 1,5

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Lastf

aktor

maximale Verformung horizontal [mm]

linear nichtlinearErstrissbildung

Fließen des Bewehrungsstahls

εmax > 20 ‰as,req / as,prov = 1

Berechnung und Simulation

Ob für die Untersuchung möglicher Schadensursachen, die Berechnung der aktuellen Standsicherheit, die Dimensionierung von Verstärkungsmaßnahmen oder die Beurteilung von baulichen Veränderungen – die entsprechenden numerischen Untersuchungen liefern die Zahlen, die als Beurteilungsgrundlage dienen. Sie sind umso zuverlässiger und aussagekräftiger, je zielgerichteter das messtechnische Monitoring und die Bestandsaufnahme am Bauwerk durchge-führt wurden – und je besser das Modell die Wirklichkeit abbildet.

Linear-elastische Berechnungen Von der einfachen Handrechnung bis hin zur Kühlturmdiskretisierung mit mehr als 500.000 Freiheitsgraden – wir finden für jede Fragestellung das passende Modell. Die Überprüfung der Ergebnisse, vor allem bei komplexen Simulationen, ist dabei eine Selbstverständlichkeit. Wenn sich die Ergebnisse einer einfachen Handrechnung zur Kontrolle entziehen, stehen uns redundante Programm-systeme zur Verfügung, so dass keine Berechnung ungeprüft bleibt.

Nichtlineare Berechnungen Vor allem beim Nachweis älterer Kühltürme ist – aufgrund geänderter Normen-lage oder einer möglicherweise vorhandenen Schädigung – die Standsicherheit mit linear-elastischen Methoden häufig nicht mehr nachzuweisen. Da Kühltürme großes Potential zur Lastumverteilung durch Rissbildung und plastisches Flie-ßen in der Bewehrung besitzen, ist es zielführend, diese Effekte beim Nachweis der Standsicherheit zu berücksichtigen. Mit derartigen nichtlinearen Berechnun-gen gelingt es uns in den meisten Fällen, die Standsicherheit auch nach aktuel-ler Normenlage nachzuweisen und damit kostenintensive Verstärkungsmaß-nahmen zu vermeiden. Aber auch wenn der Nachweis der Standsicherheit nicht gelingt, erweisen sich nichtlineare Berechnungen als zielführend, um den Auf-wand für Instandsetzungs- oder Ertüchtigungsmaßnahmen zu minimieren.

Rissbildung innen Rissbildung außen

λWind = 0,0

λWind = 0,5

λWind = 1,0

λWind = 1,5

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Lastf

aktor

maximale Verformung horizontal [mm]

linear nichtlinearErstrissbildung

Fließen des Bewehrungsstahls

εmax > 20 ‰as,req / as,prov = 1

Kühlturmbuch Windtechnologie

Wir verknüpfen Forschung mit Praxis!

Zentraler Bestandteil beim Betrieb und beim Unterhalt eines Kühlturms sind die technischen Unterlagen. Zum einen die Bestandsunterlagen aus der Planungs- und Bauzeit wie statische Berechnungen, Ausführungszeichnungen oder Bau-überwachungsprotokolle, zum anderen die Dokumentation von Bestands-aufnahmen, Baumaßnahmen oder Auffälligkeiten nach Inbetriebnahme. Gerade bei alten Kühltürmen ist die Dokumentation häufig lückenhaft, da vor allem bei Umzügen oder auch Personalwechsel immer wieder wertvolle Unterlagen verloren gehen.

Für Brückenbauwerke gibt es seit langem das Brückenbuch nach DIN 1076, in dem die relevanten Daten zum Bauwerk gesammelt werden. Analog dazu wird in der VGB-Richtlinie 613 „Leitfaden für das Lebensdauermanagement von Stahlbeton-Kühltürmen in Kraftwerken“ dieser Gedanke aufgegriffen und der Rahmen für ein Kühlturmbuch vorgegeben. Diese Vorgabe wird beim ZPP- Kühlturmbuch konsequent umgesetzt und weiterentwickelt.

ZPP-Kühlturmbuch

Voraussetzung für die Entwicklung des ZPP-Kühlturmbuches ist unsere langjäh-rige Erfahrung in der Überwachung und Instandsetzung von Kühltürmen. Das ZPP-Kühlturmbuch wird von sachkundigen Ingenieurinnen und Ingenieuren direkt im eigenen Dokumentenmanagementsystem ZPP INTERPROJECT erstellt und gepflegt. Die Aktualität ist stets gewährleistet und unterstützt als Teil des Lebensdauermanagements die Investitionsplanung für die Bauwerkserhal-tung. Alle Unterlagen werden zentral erfasst und in einem Dokument zusammen-gestellt. Das ZPP-Kühlturmbuch wird unserem Auftraggeber sowohl als Papier-exemplar als auch als PDF-Dokument digital zur Verfügung gestellt, dass mit dem kostenlosen Acrobat Reader geöffnet werden kann. Eine spezielle Soft-ware ist nicht notwendig und die Handhabung ist äußerst einfach. Ein Übersichtsplan mit den wichtigsten Geometriedaten und eine aussagekräfti-ge Visualisierung über ein 3D-Modell sind im Leistungsumfang enthalten.

Neubauprojekte

Die Dokumentation für Neubauprojekte beinhaltet:

Stammdaten

Auslegungs- und Planungsdaten

Enddokumentation

Bautechnische Vorgaben für den Betrieb des Kühlturms

Dokumentation nach der Enddokumentation

Bestandskühltürme

Die nachträgliche Dokumentation für Bestandskühltürme beinhaltet:

Zusammenfassung vorhandener Unterlagen

Zustandserfassung sofern notwendig

Objektbewertung

Neue Sachlagen

Wind ist eine der Haupteinwirkungen auf Naturzugkühltürme. Somit kommt der Größe der Windeinwirkung eine hohe wirtschaftliche Bedeutung zu. Eine genaue Erfassung der vorhandenen windklimatischen Bedingungen am Standort und die Berücksichtigung der umgebenden Einflüsse ermöglichen eine wirtschaftliche Bemessung der Anlagen.

Die Einflüsse der engen Nachbarbebauung auf dem Kraftwerksgelände, welche zu Interferenzeffekten führt, ist in den meisten Regelwerken nicht erfasst. Für eine fundierte Aussage zu den möglichen Einflüssen werden in Kooperation mit den Partnern von ZPP Untersuchungen auf theoretischer Basis sowie anhand von Modellversuchen in einem Grenzschicht-Windkanal durchgeführt. Auch für den Nachweis der Standsicherheit von Bestandsbauwerken erweisen sich die genauen Untersuchungen der Windeinwirkungen – zumeist in Kom-bination mit nichtlinearen Berechnungen – als äußerst gewinnbringend. In den meisten Fällen kann die anzusetzende Windlast gegenüber den konservativen Normwerten deutlich reduziert werden; damit liefern wir einen wertvollen Beitrag für wirtschaftliche und zugleich sichere und zuverlässige Lösungen für unsere Auftraggeber.

Windklima

Der von Windzonen abhängige, über die Höhe exponentiell ansteigende Böen-geschwindigkeitsdruck wird durch die BTR 2010 in Verbindung mit der DIN EN 1991-1-4 geregelt. Die bei einem Kühlturm entstehenden Beanspruchungs-erhöhungen infolge der Böenwirkung, die nach der Theorie der Zufalls-schwingungen berechnet und in gleichwertige statische Ersatzlasten umgerech-net wurden, werden durch die BTR 2010 im Böengeschwindigkeitsdruck berücksichtigt, wodurch die resultierenden Werte im Vergleich zur DIN EN 1991-1-4 geringfügig höher sind.

Windkanalversuche

Trotz der vorgenannten Vorgaben für den Böengeschwindigkeitsdruck liegen hier große Einsparpotentiale vor, z. B. durch Ermittlung von standortspezifi-schen Referenzwerten und Geländekategorien. Untersuchungen im Windkanal ermöglichen es, die auftretenden Belastungen unter Berücksichtigung der Nachbarbebauung realitätsnah zu erfassen und somit zuverlässige Aussagen für die Windeinwirkungen abgeben zu können. Dies bildet die Grundlage für eine optimale Dimensionierung neuer oder die Nachrechnung bestehender Kühltürme. Die Weiterentwicklung der Kühlturmtechnik hin zu Hybridkühltürmen macht neue Untersuchungen zum Ansatz der Windlasten notwendig. Dabei spielte ZPP schon in einer frühen Phase bei den ersten Wind-kanalversuchen für einen Hybridkühlturm eine entscheidene Rolle. Die Erkenntnisse aus den Unter-suchungen werden einen wichtigen Beitrag zur Anpassung der vorhandenen Regelwerke leisten.

Zustandserfassung

Um den Zustand eines Bauwerks abschließend und zuverlässig zu beurteilen, führen wir detaillierte Bestandsaufnahmen vor Ort durch. Unsere Ingenieurinnen und Ingenieure können dabei auf einen hohen Ausbildungsstand – die Aufnah-men werden von Bauwerksprüfern nach DIN 1076 oder Bauwerksprüfern Hoch-bau durchgeführt – langjährige Erfahrungen an unterschiedlichsten Kühltürmen sowie auf die ZPP-einheitlichen Standards zur Beurteilung, Klassifizierung und Dokumentation von Befunden zurückgreifen.

Vorbeugende Überwachung

Auch wenn kein konkreter Schaden erkennbar ist, lohnt sich eine regelmäßige vorbeugende Überwachung im Zuge des Lebensdauermanagements: mögliche schädigende Entwicklungen können so früh erkannt und mit entsprechendem Planungsvorlauf behandelt werden. Unsere langjährige Erfahrung, begleitende Simulationsrechnungen und ggf. Ergebnisse aus dem messtechnischen Monito-ring ermöglichen es uns, zuverlässige Aussagen zum aktuellen Zustand des Bauwerks sowie Prognosen für die weitere Entwicklung zu treffen.

Zustandserfassung im Schadensfall

Wenn tatsächlich ein Schaden oder ein vermeintlicher Schaden eingetreten ist, ist eine qualifizierte Bestandsaufnahme die wichtigste Grundlage, um die Scha-densursache zu ermitteln und eine wirtschaftliche und zielgerichtete Instandset-zung zu planen. Auch dabei haben wir stets den Blick für das Ganze – die Standsicherheit und Zuverlässigkeit des Bauwerks.

Bewertung

Nicht jeder Schaden ist ein Sanierungsfall und nicht jeder vermeintliche Schön-heitsfehler kann unbehandelt bleiben. Es gilt, die Ursache zu finden und die Auswirkungen auf die Standsicherheit und die Dauerhaftigkeit einzuschätzen, um die richtigen Maßnahmen zu ergreifen – für einen wirtschaftlichen und zuverlässigen Betrieb des Kühlturms.

Zusammen mit den Ergebnissen des messtechnischen Monitorings sowie den Bestandsunterlagen liefert die Zustandserfassung des Bauwerks die notwendi-ge Grundlage für Berechnungen mit modernen Finite-Elemente Simulationspro-grammen. Vor allem für den Nachweis der Standsicherheit ist dabei außerdem die detaillierte Untersuchung der Windeinwirkungen als maßgebliche äußere Belastung auf die Kühlturmschale zielführend.

Laufender Betrieb

Das ZPP-Kühlturmbuch dokumentiert im laufenden Betrieb neue Sachlagen und zeigt Veränderungen, die Auswirkungen auf das Bauwerk haben können.

Werterhaltung und Funktionssicherheit:

Empfehlungen für Prüfungen im Rahmen von Wartung und Inspektion

Rechtzeitige Erkennung und Beseitigung von Mängeln und Schäden

Datenbank – Bauteile

In der Datenbank werden alle Dokumente in einer übersichtlichen Verzeich-nisstruktur sortiert und kategorisiert.

Gruppierung z. B. nach: Bauteil, Art, Status, Ersteller, etc.

Detaillierte Erfassung der Inhalte, wie z. B.: Erstelldatum, Ersteller, Betreff, Ablageort des Originals, Dokumentennummer mit Index, Freigabe, Verlinkung zugehöriger Dokumente, etc.

Kühlturmbuch Referenzen

Neubauprojekte

Datteln, Block 4

Lünen

Neurath, Blöcke F + G

Westfalen, Blöcke D + E

Bestandsprojekte

Niederaußem, Block K

Neckarwestheim

Staudinger, Block 4

Reuter-West

ZPP-Kühlturmbuch

Immer aktuell!

3D-Visualisierung Monitoring

Die systematische Überwachung des Kühlturms mittels eines messtechnischen Monitorings liefert uns wertvolle Erkenntnisse über das Bauwerk selbst und seiner Einwirkungen und Reaktionen, die die frühzeitige Erkennung möglicher Schäden oder negativer Tendenzen sowie die optimale Schadensanalyse und Instandsetzungsplanung unterstützen.

Monitoringelemente Vorgaben für die Wahl der Monitoringelemente finden sich in der VGB-Richtlinie 613 „Leitfaden für das Lebensdauermanagement von Stahlbeton-Kühltürmen in Kraftwerken“. Seit mehr als zehn Jahren werden diese von uns erfolgreich einge-setzt:

Höhenmessbolzen Windmesser Temperaturfühler pH-Wert-Messung des Kondensats Edelstahlmarken an der Betonoberfläche Betonwürfel

Aber auch andere Elemente, etwa für die Rissüberwachung oder für die Bestim-mung von Eigenfrequenzen und -formen, werden von uns verwendet.

Interpretation Durch unsere langjährige Erfahrung in allen bautechnischen Fragen sowie durch unsere hohe Qualifikation in der Berechnung von Kühltürmen gelingt es uns, die Messwerte nicht nur mathematisch und statistisch auszuwerten, son-dern auch deren Bedeutung für das Bauwerk zu interpretieren und die entspre-chenden Rückschlüsse zu ziehen. Schließlich messen wir nicht des Messens wegen, sondern um das Bauwerk zu beobachten und Schäden fernzuhalten – und damit Kosten zu sparen.

Auswertung Das wichtigste Hilfsmittel zur Interpretation ist schließlich die Begutachtung des Bauwerkszustandes vor Ort. Die Kenntnis der zu erwartenden Auswir-kungen der gemessenen Größen durch entsprechende Modelle oder Simula-tionsrechnungen unterstützt dabei die Zustandserfassung vor Ort und gibt Hinweise auf mögliche Schadensbilder.

Für die statistische Auswertung und grafische Aufbereitung von Messdaten verwenden wir leistungsfähige und flexible Algorithmen auf Linux-Basis. Die Auswertung von zehn oder zehn Millionen Messwerten unterscheidet sich dann nur noch in der Rechenzeit – nicht im Aufwand oder in der Fehleranfälligkeit. Die Programmierung dieser Algorithmen wird von uns selbst vorgenommen, so dass wir die Auswertungen jederzeit modifizieren oder anpassen können, falls dies erforderlich ist. So werden aus Bits und Bytes aussagekräftige Größen und Diagramme.

Unsere 3D-Modellierungen bieten die Möglichkeit, Geometrie und Eigenschaf-ten von Objekten, Bauteilen oder gesamten Kraftwerken, die bestehen oder projektiert werden, realistischer darzustellen, damit Analysen und Vorstellung vereinfacht werden. Durch die Manipulation eines 3D-Modells können unterschiedliche Szenen erstellt werden, in denen die Position und Blickrichtung eines virtuellen Betrach-ters sowie die Geometrie, Materialen und Licht definiert werden können. Daraus sind sowohl Standbilder als auch Animationen zu erstellen. Nachdem ein drei-dimensionales Modell erzeugt wurde, ermöglichen bestimmte Programme die Erstellung von Ansichten, die in zweidimensionalen Zeichnungen nachträglich bearbeitet werden können. Die 3D-Darstellungen werden hauptsächlich durch drei unterschiedliche Pro-gramme virtuell unterstützt: AutoCAD, 3D Studio Max und Adobe Acrobat. Mit dem Adobe PDF-Format lassen sich die 3D-Darstellungen einfach austau-schen und bedienen, sodass unser Auftraggeber die virtuell konstruierten Objekte selbst betrachten und bearbeiten kann.

3D Bearbeitung Nach der Erstellung von Objekten als 2D- und 3D-Konstruktion lassen sich diese nach Adobe Acrobat exportieren. Der Adobe Acrobat bietet die 3D- Be-handlung der CAD-Zeichnungen, in denen vorhandene Layerstrukturen (sog. Modellhierarchien) und Maßstäbe beibehalten werden. Das Modell kann im 3D-Dokument mit der Maus ohne Schwierigkeiten gedreht, gezoomt und verschoben werden. Die Betrachtung isolierter Bauteile ist ohne jegliche Einschränkung möglich, durch Hinzuschalten einzelner Layer können somit Teilbereiche näher untersucht und Schnittstellenkonflikte frühzeitig er-kannt und bereits in der Planungsphase rechtzeitig berücksichtigt werden.

Rendermodus und Beleuchtung Die Rendermodus-Möglichkeiten bei 3D-PDF-Dateien sind vielfältig, z.B. gefüllt, transparent, gefülltes Drahtmodell, gefüllte Kontur, schattierte Abbildung, trans-parente Begrenzungsrahmenkontur, etc. Sie können im ganzen Modell oder auf jedes einzelne Bauteil angewendet werden. Sowohl der Hintergrund als auch das Beleuchtung des Modells können definiert werden. Als Hintergrund kann eine Farbe oder ein Standbild eingefügt werden und als Beleuchtung ist z. B. Tagesbeleuchtung, helle Beleuchtung, Würfellicht, CAD-optimierte Beleuchtung oder Scheinwerfer verfügbar.

Ansichten und Schnittdarstellungen Das 3D-Modell als PDF-Format erlaubt in das Innere des Objektes zu schauen. Die unterschiedlichen Ausrichtungsmöglichkeiten (X-, Y- oder Z-Achse sowie die Betrachtung aus jeglichem Winkel) bieten eine komfortable Darstellungswei-se aus jedem Blickwinkel. Hierbei können neben Ansichten aus den verschie-denen Perspektiven auch einzelne Schnitte erstellt und verwaltet werden. In einer schon erstellten 2D-PDF Datei kann eine 3D-Zeichnung eingefügt werden, um ein einziges Blatt bzw. in einer Datei ein Gesamtbauwerk darzustel-len.

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Lebensdauermanagement

Interaktive und flexible Darstellungen!

Kühltürme haben sowohl aufgrund ihrer Dimension und Beanspruchung, als auch für den Betrieb eines Kraftwerkes einen besonderen Stellenwert im Kraft-werksbau. Deshalb ist nicht nur die sorgfältige Planung und Ausführung, son-dern auch die regelmäßige Überprüfung und Instandhaltung von großer Bedeu-tung für den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Kühlturms – und damit des gesamten Kraftwerksblocks. Die Richtlinie VDI 6200 gibt Regeln für die Überwachung von Bauwerken zur Sicherstellung der Standsicherheit vor. Ihre Zielsetzung wird durch die VGB-Richtlinie 613 „Leitfaden für das Lebensdauermanagement von Stahlbeton-Kühltürmen in Kraftwerken“ aufgegriffen. Auf Grundlage der langjährigen Erfah-rung auf diesem Gebiet war ZPP an der Entwicklung dieser Richtlinie maßgeb-lich beteiligt. Diese Erfahrung setzen wir zum Nutzen unserer Auftraggeber ein – für zuverlässige, standsichere und dauerhafte Bauwerke, und damit für lang-fristige Investitionssicherheit.

Kompetent ZPP blickt auf eine lange Geschichte in der bautechnischen Betreuung von Kühltürmen zurück. Angefangen beim Firmengründer Professor Zerna, der sich bereits in den 1960er Jahren um die Berechnung von Schalentragwerken verdient gemacht hat, begleiten wir seit vielen Jahrzehnten Kühltürme in allen bautechnischen Fragestellungen. Diese Erfahrung verknüpfen wir mit moderns-ten Berechnungsmethoden und Forschungsergebnissen, die uns der enge Kontakt zu Universitäten und Forschungseinrichtungen gewährleistet.

Ganzheitlich Im Zusammenspiel von Expertenwissen aus unterschiedlichen Disziplinen, von der Materialtechnologie über die Chemie, die Geotechnik und die Wind-technologie hin zu Statik und Dynamik, entsteht ein ganzheitliches Bild des Kühlturms, seiner Einwirkungen und seiner Reaktionen. Das ermöglicht uns, die relevanten Einflüsse und Vorgänge und deren Interaktion zu erkennen und weitere Entwicklungen zu prognostizieren.

Systematisch Zusammen mit unserem Auftraggeber entwickeln wir einen langfristigen Plan für ein systematisches Lebensdauermanagement. Wir gehen auf die jeweiligen Randbedingungen des Bauwerks ein und passen das Programm an die speziel-len Anforderungen an. Dabei können wir auf messtechnisches Monitoring, Inspektionen durch qualifizierte Bauwerksprüfer, windtechnologische Untersu-chungen, lineare und nichtlineare Berechnungen, eine umfangreiche Dokumen-tation aller vorhandenen und relevanten Unterlagen und nicht zuletzt auf hoch motivierte Ingenieurinnen und Ingenieure sowie unsere langjährige Erfahrung zurückgreifen.

Animationen Es besteht die Möglichkeit aus der 3D-PDF-Datei Animationen zu erstellen, zum Beispiel durch freie Kamerafahrten. Auch die Erstel-lung von Explosionszeichnungen ist realisierbar. Die 3D-PDF-Dateien können mit dem kostenlosen Acrobat Reader geöffnet und betrachtet werden. Zusatzinformationen können je-derzeit nachträglich eingefügt werden. Damit werden Interaktivi-tät und Flexibilität des Inhaltes in der Datei erhöht.

Oberes Bild: KW Datteln - Mittleres Bild: KW Westfalen - Unteres Bild: KW Moorburg

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BESTANDSKÜHLTÜRMESTANDSICHERHEIT UND DAUERHAFTIGKEIT

> Pfister, T., Meyer, J., Busch, D., Ohlmann, U., Siegert, U., Dorge, A. (2014)Design, Realisation, and Operation of Life Cycle Management of five Cooling Towers at RWE Power StationsICCT Konferenz Prag, 8.-11. Oktober 2014

> Niemann, H.-J., Michels, B., Hubert, W., Pfister, T., Meyer, J., Höffer, R. (2013) Potential of applying effective wind load patterns in the structural analysis of new and existing cooling towersIASS Symposium Breslau, 23.-27. September 2013

> Pfister, T., Meyer, J., Fickler, N. (2013)Life Cycle Management of Cooling Towers: Considerations on the recalculation of existing cooling towersIASS Symposium Breslau, 23-27 September 2013

> Lehnen, D., Demmer, M., Pfister, T. (2013)Zustandsüberwachung und Lebensdauermanagement von baulichen Einrichtungen in Kraftwerken und IndustrieanlagenVGB PowerTech, 2013, 102, 36-41

> Pfister, T., Rabe, A., Fickler, N., Meyer, J. (2012)Life Cycle Management of Cooling Towers: Monitoring, Documentation, Simulation6th International Symposium on Cooling Towers, ISCT, Cologne, 2012, 417-424

> Busch, D., Meyer, J., Ohlmann, U. (2012)The Quality Control during Construction of the Cooling Towers at the RWE Power Stations6th International Symposium on Cooling Towers, ISCT, Cologne, 2012, 349-356

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