Die hiermit vorgelegte Doktorarbeit befasst sich mit der Einwirkung des natürlichen Windes auf ultra-hohe Turmbauwerke, die weit in die atmosphärische Grenzschichtströmung hineinreichen. Die Türme von Aufwindkraftwerken stehen hierbei im Vordergrund. Derartige Kraftwerke ermöglichen eine schadstofffreie Erzeugung elektrischer Energie. Sie stellen eine sehr nachhaltige Technologie dar, die thermische Energie der Sonne in Strömungsenergie umwandelt, die ihrerseits mit Hilfe von Turbinen als elektrische Energie nutzbar gemacht wird. Als Untersuchungsgegenstand der Arbeit dient beispielhaft ein 1 km hoher Aufwindturm. Das Tragwerk ist als Stahlbetonschale, die durch Aussteifungsringe verstärkt ist, konzipiert. Die Versteifung vermindert die durch die Einwirkung von Winddrücken erzeugten Beanspruchungen, indem sie ein stabartiges Tragverhalten bewirkt. Erstmalig wurden im Rahmen dieser Forschungen Windkanalversuche an Aufwindtürmen durchgeführt. Sie zeigten, dass die außenliegenden Versteifungsringe die aerodynamischen Eigenschaften des Turmes im Vergleich zu einem endlichen Kreiszylinder ohne Ringe erheblich verändern: Zwischen den Ringen entsteht abschnittsweise ein unsymmetrischer, bi-stabiler Strömungs- und Belastungszustand, der bis zu den höchsten untersuchten Reynoldszahlen zu beobachten ist. Ähnliche Effekte sind zwar auch bei einem Zylinder ohne Ringe bekannt, sie sind dort jedoch auf einen schmalen Bereich kritischer Reynoldszahlen beschränkt. Ebenfalls zeigen sich derartige Strömungszustände bei 2 nebeneinanderliegenden Zylindern bei bestimmten Abstandsverhältnissen. Die physikalischen Ursachen des hier bei Zylindern mit Ringen erstmalig beobachteten Phänomens sind jedoch grundsätzlich unterschiedlich. Originäre Beiträge der Arbeit sind die Entdeckung der abschnittsweise unsymmetrischen, bi-stabilen Windbelastung, die Bestätigung des experimentellen Befundes durch Versuche in einem zweiten Windkanallaboratorium und durch numerische Simulationen, sowie schließlich die Deutung des Phänomens. Weiterhin wird die Auswirkung der zusätzlichen Windbelastung auf die Strukturbeanspruchungen untersucht. Es wird gezeigt, dass Anzahl und Breite der Ringbalken die Größe des Lasteffekts bestimmen; Maßnahmen zu seiner Minderung werden entwickelt. Insgesamt bleiben die Zusatzbeanspruchungen beherrschbar. Abschließend befasst sich die Arbeit mit den Tragwerksbeanspruchungen infolge des stochastischen Windlastprozesses, insbesondere mit den Störungen des Membranzustands in der Umgebung der Ringsteifen. Für die Tragwerksplanung werden verallgemeinerte Wind-Ersatzlasten entwickelt, die geeignet sind, als Grundlage zur Berechnung der statischen und quasi-statischen Beanspruchungen ultrahoher Türme in beliebiger atmosphärischer Grenzschichtströmung zu dienen.
The dissertation addresses the design of ultra-high towers in the atmospheric boundary layer under the wind action and has a special application for Solar Updraft Power Plants (SUPPs). They represent a highly sustainable natural resource for electric power generation, based on a combined sun-wind energy solution. The object of the investigation is a 1-km tall solar updraft tower, made of reinforced concrete and stiffened along the height by stiffening rings. Stiffening rings are usually introduced in the design of solar updraft towers in order to reduce their structural vulnerability to the wind action by enhancing a beam-like behaviour. However, wind tunnel experiments - which were performed for the first time on such a structure within this research - showed that the presence of ring beams along the height of the tower modifies the aerodynamics of the flow around the circular cylinder and creates a bi-stable and asymmetric load condition, which does not disappear even at moderately high Reynolds numbers. This phenomenon is new and unknown. Similar effects were observed around circular cylinders (without rings) in the critical range of the Reynolds number and around two side-by-side cylinders, but the conditions of occurrence and the physical reasons were profoundly different. The discovery of the existence of such a bi-stable and asymmetric load condition induced by ring beams along the height of a finite length circular cylinder, its interpretation, as well as the cross-checked experimental evidence in different windtunnel laboratories confirmed also by numerical simulations, are the original contributions of this work. Then, the effect is quantified on the structural response. The bi-stable asymmetric load on the structure did not result to be a prohibitive load condition for solar updraft towers and the magnitude of the effect depends on the number and/or on the size of the rings. Mitigation strategies are then proposed in the work. Furthermore, the dissertation evaluates the shell response to the stochastic wind loading process, especially in the vicinity of the ring beams, and provides to the designer a general unified simple tool to define design wind loads for quasi-static calculations of ultra-high towers in any atmospheric boundary layer flow.