Stählerne Druckrohrleitungen von (Pump‐)Speicherkraftwerken weisen unmittelbar vor dem Krafthaus sog. Verteilrohrleitungen (VRL) auf, um das Triebwasser aus dem Hauptrohr auf mehrere Abzweigrohre (Stichrohre) zu verteilen, die dann weiter zur Turbine oder Pumpe führen. Dieser Aufsatz fasst die Ergebnisse eines kürzlich abgeschlossenen zweijährigen Forschungsprojekts zum Trag‐ und Verformungsverhalten von Verteilrohrleitungen zusammen, das federführend von der TU Graz, Institut für Stahlbau bearbeitet wurde. Anhand nichtlinearer Systemberechnungen mit elastischem sowie elastisch‐plastischem Materialverhalten an räumlichen 3D‐FE‐Modellen konnte das reale Tragverhalten von VRL analysiert werden. Es zeigte sich, dass stählerne VRL unerwartet hohe plastische Tragreserven aufweisen. Daher können die bisher als sehr kritisch angesehenen Lagersetzungen im Bereich von VRL nun günstiger beurteilt werden. Eine realitätsnahe Beurteilung der Ermüdungsgefährdung mit dem Strukturspannungskonzept erlaubt auch eine Fokussierung auf wenige maßgebende Bereiche bei Bestandsanlagen, in Hinblick auf gezielte Inspektions‐ und Monitoringmaßnahmen. Weiter erfolgte auch die Beurteilung der Treffsicherheit der in der Vergangenheit üblichen Vorgehensweise bei der System‐ und Spannungsberechnung in Form der Kombination eines globalen Stabmodells mit lokalen 3D‐FE‐Modellen der einzelnen Abzweiger, verglichen mit einer globalen 3D‐FE‐Berechnung der gesamten VRL.

Cylindrical shells are frequently used in industrial constructions, for example in pipes, towers and masts and are often subjected to fatigue loading. Two common welded constructional details were studied: i) detail 1, the wall thickness transition with a circumferential butt weld and ii) detail 2, the welded ring stiffener. Both details are loaded with axial stresses due to N and/or M. In the new Eurocode prEN 1993‐1‐9:2021 three different fatigue design stress methods are provided in general. For these two constructional details, beside the modified nominal stress method, the hot spot stresses and effective notch stresses are determined with Finite‐Element‐Analyses, with variation of geometric parameters, like shell thickness t, radius‐over‐thickness‐ratio, t 2 /t 1 ‐ratio at the thickness transition and thickness t s of the ring stiffener. Stress concentration factors for the different fatigue design stress methods are presented and the influence of the geometric parameters are investigated. Especially the difference between a plate with an infinite radius‐over‐thickness‐ratio and the pipe with a finite radius‐over‐thickness‐ratio is shown. Also, the influence of the shell thickness is investigated. For comparison of the three different methods the utilization factors of the hotspot stress method and the effective notch stress method are compared with those of the modified nominal stress method. A recommendation is given, which design stress method is appropriate for the two studied details, depending on the geometric parameters.

Hydroelectric power plants usually have penstock manifolds near the powerhouse, including individual bifurcations to provide several turbines. These steel constructions have numerous vertical supports and are designed based on linear elastic behaviour, leading to very small allowable settlements at the supports. For a representative built manifold, with five bifurcations (six branch pipes), the elastic-plastic load capacity was studied in detail, assuming dead load, internal pressure and increasing settlements at the supports. Different settlement patterns were studied. The development of plastic zones was analyzed, depending on the rate of settlement. Due to the high bending stiffness of the penstock manifold, the penstock detaches from the single supports due to the settlement, leading to a significant redistribution of the vertical reaction forces at the supports. The comprehensive calculations show adequate robustness of the penstock manifolds, even though in case of very high settlements at the supports. Due to the significant redistribution of the reaction forces at the supports, these vertical supports must have an increased bearing capacity, in comparison to the reaction forces due to dead load and internal pressure based on linear elastic analyses.

Thrust rings are a component of penstocks and have to transfer the longitudinal forces of the steel pipe to the surrounding rock mass. Longitudinal forces occur primarily due the pressure loads at valves or at pipe covers. Within this paper, the realistic load bearing behaviour of different penstocks geometries with multiple thrust rings is presented, including constraining effects due to internal pressure and temperature Results are shown with and without friction effects between steel pipe and surrounding concrete and are based on numerical FE analyses. In addition, a simple 10 beam model (design model), developed by the authors, is presented. The forces at the thrust rings are compared between both models. It is shown that also for different load combinations the simple 10 beam model gives accurate results for practical application. The FE study also shows, that always the load combinations with the constraining effects due to internal pressure and temperature must be analysed -a superposition of the results of the individual load cases leads to misleading results.

Schubringe von Druckschachtpanzerungen dienen zur Längskraftübertragung zwischen Rohr und Gebirge und werden primär aus der Deckeldruckkraft beansprucht. In diesem Aufsatz wird auf das realitätsnahe Tragverhalten von mehreren hintereinanderliegenden Schubringen bei zusätzlichen Zwangsbeanspruchungen aus Innendruck und Temperatur für repräsentative Ausführungsfälle eingegangen, wobei auch die Rohrreibung mit einbezogen wird. Dazu dienen numerische FE‐Berechnungen. Des Weiteren wird ein 1D‐Stabmodell (Bemessungsmodell) dargestellt, das von den Autoren entwickelt wurde. Die Ergebnisse am 1D‐Stabmodell werden jenen am FE‐Modell gegenübergestellt. Es kann gezeigt werden, dass auch für maßgebende Einwirkungskombinationen mit dem 1D‐Stabmodell ausreichend zutreffende Schubringkräfte erhalten werden. Die FE‐Berechnungen zeigen auch, dass Einwirkungskombinationen nur zutreffend als Gesamtbelastung analysiert werden können, eine Superposition von Einzellastfallergebnissen führt hier mitunter zu groben Fehleinschätzungen.

Pipe structures for steel hydraulic engineering and steel masts are often susceptible to fatigue. For two very common constructional details, i) thickness transitions at circumferential butt weld with varying bevel angle and ii) ring stiffener joints (outside stiffeners) and pipe flange joints, tabulated hot spot stresses are presented and the accurate fatigue verification is shown. The tabulated hot spot stresses are also suitable for an elastic verification in the ultimate limit state. The background for the presented nomograms to determine the hot spot stresses, available for axial loads Delta n(x) and also for circumferential stresses Delta sigma(phi) due to internal pressure Delta p(i), is presented. Two examples show the procedure with the developed nomograms in practice and also show the accuracy compared with the presented numerical FE-results.

Für Rohrkonstruktionen im Stahlwasserbau und im Mastbau sind häufig Ermüdungsnachweise erforderlich. Für die sehr häufigen Konstruktionsdetails, i) Wanddickensprung an der Umfangsnaht mit variabler Fasenneigung und ii) Ringsteifenanschluss (außen liegend) bzw. Rohrflanschanschluss, werden nachfolgend aufbereitete Strukturspannungen zur Verfügung gestellt sowie die zutreffende Vorgehensweise beim Ermüdungsnachweis erläutert. Die aufbereiteten Strukturspannungen können auch für elastische Spannungsnachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit dienen. Der Hintergrund zu den dargestellten Nomogrammen, die sowohl die Längskraftbeanspruchung Δ n x als auch die Umfangsbeanspruchung Δσ φ infolge Innendruckänderungen Δ p i abdecken, wird erläutert. Zwei Anwendungsbeispiele verdeutlichen die Vorgehensweise mit den Nomogrammen in der Praxis und belegen die Treffsicherheit gegenüber den angeführten numerischen FE‐Berechnungen.

Penstocks in hydro power plants have a very long working life. They can have high pressure variations during service life, especially in pumped storage power plants caused by the dynamic pressure. Therefore, the fatigue design can be a dominating factor in the design of penstocks. In this paper, two common used construction details in penstocks are investigated with the nominal stress and the structural hot‐spot stress method for fatigue verification. The investigated construction details are: i) a wall thickness transition of the penstock with a weld along the circumference and ii) a ring stiffener welded to the penstock. The results of the different methods for fatigue verification for these two construction details are compared with each other, with variation of different geometric parameters. Also an analytical solution for the stresses in the hot‐spot for the two construction details, based on the semi‐membrane theory of cylindrical shells, was developed. Based on that stresses, stress concentration factors k HS are calculated and are available for practical applications in form of presented Tables in this paper. With the calculated stresses by the semi‐membrane theory in the hot‐spot it can be shown, that they are nearly equal to the hot‐spot stresses of a Finite‐Element‐Analysis, based on the IIW recommendation. Finally, a recommendation for fatigue verification of the two common details in penstocks is given.

StahlbauVolume 90, Issue 9 InhaltFree Access Inhalt: Stahlbau 9/21 First published: 12 September 2021 https://doi.org/10.1002/stab.202170902AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinked InRedditWechat No abstract is available for this article. Volume90, Issue9September 2021 RelatedInformation

External pressure is often the decisive load case for empty hydraulic pressure shafts for calculation of the wall thickness of the steel liner. Due to large diameters and thin wall thicknesses the steel liner is susceptible to shell buckling under external pressure. Therefore, the steel liner is often stiffened with circular rings having a rectangular cross section. In the Sixties of the last century comprehensive research activities started, including tests, and analytical formulae were developed for the design. Basically, these formulae are still used nowadays for the dimensioning of the ring stiffened steel liner. This paper sums up the analytical design rules for ring stiffened steel liners, which are very complex and not easy to handle. Two different verifications for buckling of the ring stiffener and for buckling of the cylindrical shell between the rings are necessary. The combined buckling behaviour of the ring stiffeners and the cylindrical shell between the rings can only be performed with a 3D-FEM analysis, which is also presented in the paper for different steel liner geometries used in practice. The distance of stiffeners ering is also varied. The results of the FEM analyses are compared with the current design rules. Due to the lack of accuracy of the analytical design rules, a new design model is presented in detail, using the results of the numerical analyses.

During inspection work, when the pipe is empty, a thin-walled steel pipe is susceptible to shell buckling due to external pressure. Comprehensive research activities, including tests, began in the 1960s, and analytical and empirical formulae were developed for design. Some of these different analytical design concepts are presented in the first part of the paper, and their results are compared for the whole range of pipe slenderness in practice. Afterwards, the results of extensive numerical calculations are shown. These deal with different imperfections in practice and are not considered in the current design solutions. In addition, the effect of the radial flexibility of the surrounding rock mass has been studied - an issue ignored up to now. All these results are compared with the design formulae in practice. It is therefore possible to conclude the paper with an appraisal of the individual solutions in practice and sum up appropriate design rules for external pressure.

Zusammenfassung Bei der statisch konstruktiven Auslegung der stählernen Druckschachtpanzerungen von Triebwasserwegen wird mitunter nicht die Innendruckbelastung maßgebend, sondern die Außendruckbelastung infolge Bergwasserdruck. Dieser führt im Revisionsfall bei entleerter Druckrohrleitung zu einer hohen Beulgefährdung, bedingt durch die ausgeführten großen Rohrschlankheiten. Nachdem Teil 1 dieses Beitrages die praktische Bemessung unter Außendruck von unversteiften Stahlrohren behandelte, geht nun der Teil 2 auf den häufigeren Ausführungsfall der ringversteiften Stahlrohre ein. Einleitend wird wieder das in der Praxis übliche Bemessungsmodell dargestellt, mit globaler Betrachtung des Beulens des Ringes mit dazwischenliegendem Rohr sowie der isolierten Beulbetrachtung der Zylinderschale zwischen den Ringen. Danach werden die Ergebnisse einer umfangreichen numerischen Traglaststudie (FEA) für repräsentative Anwendungsbeispiele, mit zusätzlicher Variation des Ringabstandes, gezeigt. Der Ergebnisvergleich des aufnehmbaren Außendrucks pFEA mit der aktuellen Vorgehensweise deutet – trotz erheblichem Berechnungsaufwand – auf Defizite in der Treffsicherheit. Es wird deshalb ein einfacheres, neues Berechnungsmodell für ringversteifte Stahlrohre und die Hintergründe zu dessen Kalibrierung vorgestellt sowie auch die Treffsicherheit im Vergleich zur numerischen Traglastberechnung gezeigt.

Zusammenfassung Bei der statisch konstruktiven Auslegung der stählernen Druckschachtpanzerungen von Triebwasserwegen wird mitunter nicht die Innendruckbelastung maßgebend, sondern die Außendruckbelastung infolge Bergwasserdruck. Dieser führt im Revisionsfall bei entleerter Druckrohrleitung zu einer hohen Beulgefährdung, bedingt durch die ausgeführten großen Rohrschlankheiten. Die Bemessungsregeln in der Praxis basieren auf analytischen und empirischen Modellen, die im Wesentlichen bereits in den 1960er-Jahren entwickelt wurden. Dieser Beitrag fasst die Gesamtergebnisse eines Forschungsprojektes zusammen, dass das Ziel hatte durch nun verfügbare realitätsnahe numerische Modelle zusätzliche Effekte, wie verschiedene Imperfektionsformen, auftretende Längsdruckkräfte im Rohr infolge Reibschluss sowie die radiale Gebirgsnachgiebigkeit, mit zu berücksichtigen. Teil 1 beinhaltet die Ergebnisse für unversteifte Stahlrohre. Es werden einleitend die in der Praxis üblichen Bemessungsmodelle zur Ermittlung der kritischen Außendruckbelastung p0,cr erläutert und hinsichtlich ihrer Ergebnisse miteinander verglichen. Aus dem zusätzlichen Vergleich mit den numerischen Berechnungsergebnissen wird das zutreffendste Bemessungsmodell für die Praxis dargestellt und auch in Form von Bemessungsdiagrammen aufbereitet.

The transfer of axial loads in penstocks to the surrounding concrete and further into the rock was studied within a recently finished research-project. The traditional way is to use thrust rings for the axial anchorage of penstocks in hydropower-plants. A new idea is to transfer the axial loads without thrust rings, only considering friction between the steel pipe and the concrete. This approach is only applicable for the combination of axial loads and internal water pressure. The Austrian company TIWAG carried out measurements in a part of a newly built penstock without using thrust rings to determine the strains and displacements due to axial loads and internal pressure. The aim was to identify the behaviour due to the axial loads in the pipe and also the friction coefficient between the steel pipe and the concrete, based on additional numerical analyses. This paper gives an overview of the measurements and the comparison with the accompanying Finite-Element-Analysis. After that in a numerical-parameter-study the pipe thickness, the modulus of subgrade reaction of the rock and the friction coefficient between the steel pipe and concrete was varied to get an overview of the behaviour. Within this numerical-parameter-study also the load carrying behaviour with additional thrust rings, considering also their axial flexibility, was compared. Finally a design model for the distribution of the longitudinal stresses in the pipe and for the displacements at the end of the embedded pipe was developed, as a result of the parameter study. This design model is easy to handle and gives very accurate results for the displacements and the longitudinal stresses of the penstock without thrust rings under axial loads and internal pressure.

The load-carrying behaviour of thrust rings for the transfer of axial loads from the penstock to the bedrock was studied recently. Based on the laboratory tests of the pipes, finite element models (FEMs) were calibrated in order to investigate large-scale thrust ring configurations. A simple design model was developed based on a parametric study, considering practical dimensions. This design model covers the calculation of stiffness, ultimate load-carrying capacity and stress distributions in the elastic range, and is presented in this paper. In addition, complex load-carrying behaviour is demonstrated in an example and the background of the design model is shown in detail. Finally, the distribution of longitudinal force in the case of several thrust rings was investigated, leading to a simplified design rule for the most highly stressed thrust ring.