GF Osoblje Djelovanje Vjetra

Hidraulika Djelovanje vjetra

8. Djelovanja vjetra na graevinske konstrukcije Iako se osnovni cilj ovog rukopisa opisivanje gibanja vode, te su jednadbe opisane i koritene u prethodnim poglavljima mogu uz male izmjene primjeniti i za opisivanje strujanja drugih fluida, u ovom poglavlju e se iznijeti neki primjeri karakteristini za strujanje zraka. Cilj ovog poglavlja je da upozna inenjere na sile kojima vjetar djeluje na graevinske i druge objekte, na profil brzina u atmosferskom graninom sloju i na dominantne vjetrove koji se javljaju u naim krajevima. Sa graevinarskog stanovita je interesantno promatrati strujanje zraka sa tri cilja: - utjecaj vjetra na stabilnost graevinske konstrukcije - utjecaj vjetra na sigurnost prometa - utjecaj vjetra na pronos tvari (ekologija) Prouavajui kretanje zraka (ili tijelo kroz zrak) e se provoditi za male brzine zraka u kojima ne dolazi do njegove stiljivosti odnosno promatrat e se pojave vezane za brzine strujanja do 0.4 Macha tj. za v < 134 m/s. Najbolji pristup rjeavanju praktiki svih aerodinamikih problema se zasniva na odgovarajue kombiniranim rezultatima eksperimentalnih istraivanja, teoretskih razmatranja te numerikih simulacijama na raunalu usmjeravanih iskustvom. 8.1 Karakteristike zraka Zrak je mjeavina duika, vodenih para i niza drugih plinova koji su prisutni u relativno malom postotku. Gustoa zraka a (kg/m3) je funkcija temperature T (0K), tlaka p (Pa), relativne vlage Rh i tlaka napona vodenih para es (eng: effective saturation vapor presure of water) (Pa) (Barlow,1999):

( )sha eRpT 003796.00034847.0

=

Napon vodenih para je definiran jednadbom: ( )T

s ee56.531511)107526.1(

= Standardne (prosjene) karakteristike zraka se mogu usvojiti sa vrijednostima:

Karakteristike zraka Gustoa 1,225 kg/m3

Tlak 101 325 Pa [N/m2] Viskoznost 1.79110-6 kg/m-s Kinematska viskoznost 1.4410-5 m2/s Tablica 8.1 Osnovne fizikalne karakteristike zraka

Ver. XI/2006 Str. VIII-1


8.2 Vladajue jednadbe Osnovni zakoni koji vrijede za opisivanje opstrujanja zraka oko tijela malim brzinama su: a) zakon odranja mase, b) II Newtonov zakon i c) prvi zakon termodinamike. Na osnovu navedena tri zakona i konstitutivnih jednadbi za zrak se moe u potpunosti opisivati opstrujavanje fluida oko modeliranih tijela sa zadovoljavajuom tonou. a) Zakon odranja mase Zakon odranja mase kae da je promjena mase u nekom volumenu jednaka protoku te mase tvari kroz plohu koja omeuje taj volumen. Zakon odranja mase se moe pisati u obliku:

( ) 0=+ v

t ...(8.1)

pri emu je: gustoa fluida v vektor brzine b) Drugi Newtonov zakon Drugi Newtonov zakon kae da je promjena koliine gibanja jednaka sumi svih sila a za jedininu masu se moe pisati u obliku:

sB FFdtdv +=

...(8.2)

pri emu je: FB volumna sila po jedinici mase FS povrinska sila lan na lijevoj strani jednadbe (8.2) predstavlja totalnu derivaciju brzine koja se sastoji od lokalne i konvektivne komponente te se moe prikazati u obliku

( )

+=

vv

tv

dtdv .(8.3)

Volumne sile su u aerodinamici najee gravitacione sile pa je FB = g pri emu je g ubrzanje gravitacije. Obzirom da su gravitacione sile u po iznosu relativno male, esto se zanemaruju. Povrinske sile su posljedica rasporeda tlakova koji esto ovise o stanju naprezanja. Za Newtonove fluide je odnos izmeu tlaka i naprezanja definiran Stokesovim zakonom.



Uvrtavanjem Stokesovog zakona za opis povrinskih sila u jednadbu (8.3) dobiva se jednadba kretanja Newtonovog fluida poznata pod nazivom Navier-Stokesova jednadba koja se za viskozni stiljivi fluid moe pisati u obliku:

vpgradRdtvd rrr 2+= ...(8.4)

pri emu je : p tlak dinamiki koeficijent viskoznosti c) prvi zakon termodinamike Prvi zakon termodinamike je zapravo matematiki zapis principa odranja energije. U obliku u kojem je napisan u ovom poglavlju kae da moe postojati pronos topline kondukcijom te pretvaranje mehanike energije u toplinsku na osnovu reverzibilnih i ireverzibilnih procesa. Jednadba se moe napisati u obliku:

( ) ( ) Tkvvvvvpvvg

vTCvvTCt vv

+

+

+

=

++

+

32

22

222

22

...(8.5)

pri emu je: T temperatura Cv specifina toplina k termalna provodljivost Osim vladajuih jednadbi treba definirati i poetne i rubne uvjete. 8.3 Vjetrovi Vjetar nastaje uslijed nejednolike raspodjele toplinske energije u atmosferi i razlike tlaka zraka pri emu nastaju zrana strujanja koja se kreu iz podruja vieg tlaka ka podruju nieg tlaka zraka. Na formiranje vjetrova osim neravnotee atmosfere utjee jo i trenje struje zraka sa tlom, trenje meu esticama zraka, Coriolisova sila te centrifugalna sila kad se estice gibaju po zakrivljenoj trajektoriji. Vjetar karakteriziraju dvije osnovne veliine: brzina i smjer. Brzina vjetra se mjeri anemometrom, dok se smjer prikazuje na vjetrulji kroz 16 smjerova. Standardno meteoroloko mjerenje brzine vjetra se provodi na visini od 10 m iznad tla. U sluajevima kad se brzina vjetra mjeri na drugoj visini u odnosu na tlo, izmjerene vrijednosti se preraunavaju na tu visinu. U inenjerskoj praksi se obino koriste srednje vrijednosti tako da se trenutne vrijednosti osrednjavaju u periodima od 10 min do 1 sata, ovisno o namjeni podataka. Intenzitet vjetra se esto opisuje Beaufortovm ljestvicom (prema britanskom admiralu Francisu Beaufortu). Beaufortova jaina vjetra je opisna kategorija koja se vee uz odreene intervale brzine vjetra a prikazana je u tablici 8.2.



Srednja brzina

Bf

Opisni naziv

v ms-1 kmh-1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12

Tiina Lahor Povjetarac Slabi vjetar Umjereni vjetar Otri vjetar Jaki vjetar estoki vjetar Olujni vjetar Jaki olujni vjetar Oluja estoka oluja Orkan

64

0-0.2 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 > 32.7

118

Tablica 8.2. Beaufotova ljestvica

Kategorija 1 2 3 4 5 Tlak u sreditu ciklone (hPa)

> 980 965-979 945-964 920-944 < 920

Brzina vjetra (m/sec) 33-42 43-49 50-58 59-69 > 69 Brzina vjetra

(km/sat) 119-153 154-177 178-209 210-249 > 249

Visina valova (m) do 1,5 Do 2,4 do 3,7 do 5,5 > 5,5 teta mala umjerena velika vrlo velika katastrofalna

Tablica 8.3 Saffir-Simpsonova ljestvica ciklona

I uragani su klasificirani obzirom na gradijent tlak koji uzrokuje pojavu vjetra (Tablica 8.3). Tako se npr. moe napomenuti da je jedan od dosad najjaih uragana uragan Vilma koji je poharao istonu obalu SAD-a u kolovozu 2005. god. imao tlak u sreditu ciklone od p = 882 hPa a brzine vjetra su dosezale i do vmax = 281 km/sat. Strujanje vjetra je praktiki uvijek nestacionarno tj. brzine vjetra u pojedinoj toci se mijenjaju tokom vremena. Nestacionarnost je posljedica turbulentnosti strujanja tj. pojave vrtloga razliitih veliina. Mahovitost vjetra ili refuli predstavljaju znaajnija kratkotrajna odstupanja od srednjih brzina. U postojeoj praksi se za intezitet promjenjivosti brzine vjetra, najee rabe dvije veliine: intezitet turbulencije lV i faktor mahovitosti FM. Prosjena brzina vjetra u vremenskom intervalu T se moe definirati kao

=T

sr dttvTv

0

)(1 ... (8.5)

pri emu je sa T oznaen vremenski interval osrednjavanja. Odstupanje trenutne brzine vjetra od srednje vrijednosti se naziva turbulencija i definirana je kao:



)()()( tvtvtv sr= ... (8.7) Standardna devijacija turbulentne komponente vjetra se moe opisati izrazom:

=T

v dttvTt

0

2 )(1)( ... (8.8) Intezitet turbulencije se definira omjerom standardne devijacije turbulentne komponente vjetra v i srednje brzine vsr :

)()(

tvtI

sr

vv

= ... (8.9)

Faktor mahovitosti Odstupanje maksimalne brzine vjetra od srednje vrijednosti brzine se naziva mahovitost te se izraava preko koeficijenta mahovitosti. Koeficijent mahovitosti je odnos najvee brzine vjetra prema srednjoj u stanovitom intervalu vremena.

0

max

vvFm = ... (8.10)

Za analizu djelovanja vjetra na promatranom podruju koriste se jo parametri trajanje vjetra i uestalost ili estina vjetra. Sve navedene veliine su direktni ili indirektni rezultat mjerenja vjetra pomou anemometra. Kompleksna orografija balkanskog podruja, s Panonskom nizinom na sjevernoj strani i Jadranskim morem na junoj, ini podruje Hrvatske pogodnim za postojanje niza lokalnih vjetrovnih sistema razliitih jaina i trajanja, pa je njihova analiza dosad bila predmet mnogobrojnih istraivanja. Prema analizi koju je proveo Poje (1992) etiri su geografska podruja s nekoliko dominantnih smjerova:

priobalno podruje sa prevladavajuom burom i jugom vanjski otoci Dalmacije gdje prevladava strujanje poznato kao etezije planinsko kontinentalno podruje sa prevladavajuim vjetrovima sjevernih i

zapadnih smjerova kontinentalno ravniarsko podruje sa prevladavajuom grupom vjetrova

iz jugozapadnog i istonog smjera. Kriterij za olujnu jakost vjetra u Hrvatskoj je definiran satnom srednjom brzinom, tako da je olujni vjetar onaj ija je srednja satna brzina vea ili jednaka 17,2 m/s. Olujni vjetar u Hrvatskoj je najei du obale, a statistika godinjih maksimalnih udara pokazuje da maksimalni udari vjetra i njihova estina pripadaju buri. Osim bure olujnu jainu nerijetko dosee i jugo, dok se olujni vjetrovi ostalih smjerova javljaju rijetko, ee u priobalnom podruju, nego u unutranjosti.



Najvee brzine bure na Jadranu zabiljeene u zadnjih desetak godina bile su olujne ili orkanske jaine. Primjerice, 1988. godine na mjestu mjerenja u Dubrovakoj zranoj luci dobivena je vrijednost od 44,3 m/s (159,5 km/h); 1994. godine na Marjanu je izmjerena brzina bure od 48,5 m/s (174,6 km/h); 1995. godine u Novalji 39,9 m/s (143,9 km/h). Godinu dana kasnije na krkom mostu zabiljeeno je 58,9 m/s (212 km/h), a 2002. u Makarskoj je zabiljeeno 49,9 m/s (179,6 km/h). Rekord brzine nosi Masleniki most sa 69,0 m/s (248,4 km/h), a izmjereno je u prosincu 1998. godine. 8.4 Profil brzina u graninom sloju Granini sloj zraka je sloj koji prekriva zemlju i u kojem se brzina zraka pod utjecajem viskoznosti mijenja od nule uz tlo do konstantne vrijednosti na kraju sloja, a debljina sloja je odreena visinom iznad koje je brzina vjetra konstantna, tj. nema vie utjecaja trenja na raspored brzina zraka. Debljina graninog sloja ovisi o obliku i uvjetima povrine tla. Iznad prostranih ravnih podruja kao to su oceani i pustinje visina graninog sloja moe biti manja od 150m, dok se iznad velikih gradova sa mnogo visokih zgrada moe biti via i od 500m. Unutar graninog sloja vjetar je esto mahovit ili turbulentan sa naglim promjenama smjera i brzine vjetra.

Slika 8.1 Profil brzina vjetra u ovisnosti o konfiguraciji terena

Istraivanja pokazuju da je promjena brzine uz tlo od nule pa do konstantne vrijednosti eksponencijalna, i za tehnike potrebe daje rezultate zadovoljavajue tonosti iako je stvarna brzina jo uvijek nedovoljno poznata i istraena. Najee se rabi zakon slijedeeg oblika koji vrijedi za priblino ravan teren:

=

1

212 z

zvv ... (8.11)

v1 i v2 -brzine vjetra na visini z1 i z2 , -eksponent ovisan o podlozi, brzini vjetra, termikoj stratifikaciji i turbulenciji atmosfere u promatranom sloju.



Slika 8.2 Profil brzine vjetra u zavisnosti od visine nad terenom i koeficijenta

VRSTA TERENA

Gradsko podruje 0,4

Predgrae 0,3

umska ravnica 0,28

Iznad mora 0,16 Tablica 8.4. Neke vrijednosti eksponenta ovisno o vrsti terena Prilikom istraivanja graninog sloja u podruju dinarida je Gri odredio da za nae podruje vrijedi =1/7 za ogoljeli kr i = 2/7 za poumljeno podruje.

Osim prikazanog eksponencijalnog zakona u inenjerskoj praksi se vrlo esto za opisivanje profila brzina u graninom sloju koristi i logaritamski zakon:

0

ln*)(zzuzv = ... (8.12)

pri emu je v(z) brzina vjetra na visini z iznad tla, z0 duljina hrapavosti, von Karamanova konstanta (0.4) i u* posmina brzina (eng: shear velocity ) koja je definirana jednadbom

21

0*

= u



pri emu su sa 0 oznaena posmina naprezanja koja ovise o brzini vjetra na nekoj maloj udaljenosti od vrste stijenke. Posmina brzina se najee odreuje rjeavanjem inverznog problema.1 Duljina hrapavosti z0 opisuje hrapavosti povrina i ona je mjera veliine vrtloga uz tlo. Duljina hrapavosti utjee na intezitet turbulencije i strujanja uz povrinu. U tablici 8.5 je prikazana vrijednost hrapavosti z0 za neke lako prepoznatljive tipova terena.

z0 (m) ZNAAJKE TERENA 2.00-3.00 Sredite velikih gradova 1.00 Grad 0.80 uma (gusta,drvee vie od 15m) 0.70 uma (srednje gusta,visina 10-15m) 0.60 uma (visina drvea manja od 10m) 0.50 Pregrada 0.30 pregrade (zidovi,redovi drvea) 0.20 puno drvea ili bunja 0.15 Kr 0.10 ograena poljoprivredna dobra 0.05 neograena poljoprivredna dobra 0.03 polj.dobra s nekoliko kua,drvea;aerodromska podruja sa

zgradama i drveem

0.01 poletno-sletne staze aerodroma

0.008 Visoka trava 510-3 golo tlo (glatko)

110-3 Snijeg 310-4 pjeane povrine (glatke)

Tablica 8.5 Vrijednosti z0 za razliite povrine

Slika 8.6 Logaritamski zakon promjene brzine u graninom sloju (prema B.Ruck-u)

1 Vrijednost posmine brzine je reda veliine 0.1 0.5 m/s. (e.g. Simiu, ENV 1991)



Zbog opisanog razvoja graninog sloja je jasno da brzina vjetra sa udaljenou od tla raste pa su visoke konstrukcije jae izloene djelovanju vjetra te je i promet na mostovima i nadvonjaci vie izloen nepoljnom utjecaju olujnih vjetrova. 8.5 Ispitivanja u vjetrovnom tunelu Fizikalno modeliranje se provodi u vjetrovnom tunelu na modelu u odgovarajuem mjerilu (uobiajeno 1:5 1:50) u strogo kontroliranim uvjetima. Prilikom mjerenja u vjetrovnom tunelu najee se mjeri polje brzina uz ispitivano tijelo te ukupna sila na model. Za potrebe analize izmjerenih brzina i sila, potrebno je poznavati i fizikalne karakteristike zraka (gustoa, tlak, vlaga,..).

Slika 8.7. Primjer modela mosta u vjetrovnom tunelu

Da bi se rezultati ispitivanja na fizikalnom modelu mogli primjeniti na prototip odnosno na sagraen objekt, potrebno je da postoji hidrodinamika slinost strujanja izmeu modela i prirode.

RADNI STOL

TLOCRT ZRANOG TUNELA MREE ZA UJEDNAAVANJE RASPOREDA BRZINA

REGULATORPROTOKA

VENT

ILAT

OR

MALA RADNASEKCIJA

VELIKA RADNA SEKCIJA

360

0

90

180

Slika 8.8 Tlocrt vjetrovnog tunela Graevinskog fakulteta u Zagrebu



Pri modeliranju opstrujavanja fluida oko tijela vrlo je vano zadovoljiti uvjete slinosti. Uvjeti slinosti su najee prikazani preko bezdimenzionalnih parametara koji definiraju odnose izmeu pojedinih vladajuih sila. Najvaniji parametar za veinu istraivanja u vjetrovnim tunelima s malim brzinama je Reynoldsov broj

lv=Re ...(8.13)

Reynoldsov broj je osnovni parametar slinosti za pokuse u kojima je Machov broj manji od 0.3 a geometrija tijela je konstantna. Za tijela koja se nalaze u jednom fluidu i koja su kruta i uvrena, nije potrebno zadovoljiti uvjet istovjetnosti Froudeovog broju na modelu i u prirodi. U takovom sluaju, ako je strujanje ispod graninog Machovog broja, rezultat e biti ovisan o Reynoldsovom broju. Kod loe optjecajnih tijela, bitan je utjecaj inercijalnih odvajanja, tako da se u irokom podruju Reynoldsovih brojeva, koji su vei od neke granine vrijednosti, zvane kritina vrijednost Reynoldsovog broja (ReKR) koeficijent otpora praktiki neovisan o brzini strujanja. Moe se smatrati da e raspored tlakova na modelu biti ispravno reproduciran ako je ReM > ReKR 4 103.

Slika 8.9 Ispitivanje modela segmenta Maslenikog mosta u vjetrovnom tunelu 8.6 Numeriko modeliranje Za sigurno i racionalno dimenzioniranje pojedinih graevinskih objekata je potrebno poznavati silu koja nastaje od djelovanja vjetra. Osim izgradnje fizikalnih modela u vjetrovnim tunelima, sve ee se koriste i numeriki modeli. U vrijeme razvoja informatike tehnologije razvijaju se i numerike metode opisivanja toka fluida (eng: Computational Fluid Dynamics skraeno CFD) te postaju vaan alat u svim podrujima dinamike fluida. CFD se koristi u rjeavanju svih jednadbi koje opisuju tok fluida (jednadbe kontinuiteta, jednadbe ouvanja energije itd.). Prednosti CFD lei u



mogunosti opisivanja toka oko promatranih tijela (objekata) bre i jeftinije nego sa fizikalnim modelima.

Slika 8.10. Prikaz strujnica za sluaj optjecanja oko velikog vjetrobrana koji titi promet na mostu od olujnih vjetrova (FLUENT)

Odabir odgovarajueg matematikog modela je osnovni preduvjet za uspjenost numerikog modeliranja strujanja fluida. Odabir matematikog modela se temelji na oekivanom reimu strujanja, obino se u proraun uvode sljedee pretpostavke:

strujanje je turbulentno strujanje je nestlaivo i izotermno (M


- uvjeti na zavjetrinskoj strani modeliranog prostora tj. izlazni rubni uvjet i - rubni uvjet zida ime se zapravo opisuje razvoj graninog sloja.

Na granicama gdje fluid ulazi u domenu u kojoj se modelira strujanje koristi se tzv. rubni uvjet ulazne brzine kod kojeg se na spomenutoj granici zadaje veliina i smjer vektora brzine te veliina turbulentne kinetike energije i disipacije turbulentne kinetike energije. Za tlak se zadaje nulti normalni gradijent tlaka. Kod ovog rubnog uvjeta treba voditi rauna da se ulazna granica postavi dovoljno daleko od objekta na koji fluid nastrujava odnosno na mjestu gdje je struja zraka neporemeena.

Kod izlaznog rubnog uvjeta se zadaju nulti normalni gradijenti za sve nepoznate varijable. Kod primjene ovog rubnog uvjeta treba voditi rauna da se na odgovarajuoj granici ne smije dogoditi povratno strujanje tj. na toj granici mora fluid strogo izlaziti iz domene. Ovaj se rubni uvjet primjenjuje na svim granicama domene koje predstavljaju vrstu stjenku. U podruju polja strujanja uz vrstu stjenku, javljaju se veliki gradijenti brzine, a to znai da se tu deava intenzivan transport koliine gibanja. Zbog toga tonost opisa strujanja uz zid odreuje tonost ukupnog rjeenja.

0

10

20

30

40

50

1 10 100 1000 10000

y +

U+

U y+ +=

Unutarnji dio graninog slojaVanjski dio

graninog sloja

Viskozni podsloj Logaritamski podslojPrijelazni podsloj

( )1 lnU y B+ += +

Slika 8.11. Struktura turbulentnog graninog sloja

Eksperimenti pokazuju da se turbulentni granini sloj moe podijeliti na unutarnji i vanjski dio, pri emu u unutarnjem dijelu vrijedi da je produkcija turbulentne kinetike energije priblino jednaka disipaciji. Unutarnji dio graninog sloja se moe podijeliti na tri podsloja: viskozni podsloj, prijelazni podsloj i podruje logaritamskog zakona. U viskoznom podsloju strujanje se moe smatrati laminarnim zbog ega molekularna viskoznost ima dominantnu ulogu u transportu koliine gibanja. U logaritamskom podsloju glavnu ulogu u transportu koliine gibanja ima turbulencija te se utjecaj molekularne viskoznosti moe zanemariti. U prijelaznom podsluju je utjecaj molekularne viskoznosti i turblencije jednako vaan.



8.7 Utjecaj vjetra na stabilnost konstrukcija Djelovanje vjetra na stabilnost konstrukcija je definirano normama2. Opisivanje djelovanja vjetra se zasniva na usvajanju referentne brzine vjetra (vref) koja je definirana na osnovu meteorolokih mjerenja. Usljed opstrujavanja zraka oko nekog tijela dolazi do formiranja neravnomjernog rasporeda tlakova po oploju tjela. Poredbeni tlak vjetra (qref ) ovisi o srednjoj brzina vjetra te se odreuje izrazom: qref = vref2 / 2 ...(8.14) pri emu je: vref poredbena brzina vjetra gustoa zraka. Gustoa zraka ovisi o nadmorskoj visini, temperaturi i tlaku zraka koji se oekuje u odreenom vjetrenom podruju. Za potrebe prorauna se najee usvaja vrijednost =1,25 kg/m3. Aerodinamika sila nastaje zbog naravnomjernog rasporeda tlaka a djeluje na konstrukciju ili pojedine elementa konstrukcije, moe se odrediti kao integral tlakova koji djeluju na plohe koje sainjavaju konstrukciju (ova definicija podrazumijeva da konstrukcija ili konstrukcijski elementi nisu osjetljivi na dinamiku pobudu). Sila koja nastaje usljed djelovanja vjetra (Fw) je odreena izrazom: Fw = cf. qref Aref ...(8.15) pri emu je: cf koeficijent otpora oblika Aref poredbena povrina za cf (povrina okomito na smjer strujanja zraka) Kada se rauna sila vjetra na neku graevinsku konstrukciju, uobiajeno je da se ovako izraunata sila jo korigira (mnoi) sa koeficijentom izloenosti vjetru (ce) i dinamikim koeficijentom (cd) koji vodi brigu o nestacionarnosti strujanja tako da je u normama sila djelovanja vjetra definirana jednadbom:

Fw = cf. qref ce cd Aref ...(8.16) Jednadbom 8.16 je definirano statiko optereenje neke graevinske konstrukcije usljed djelovanja vjetra (uz usvajanje dinamike samo sa koeficijentom cd). Prilikom opstrujavanja fluida oko inenjerskih konstrukcija moe doi do ritmikog odvajanja vrtloga (tzv. Karmanovi vrtloga) to je prikazano na slici 8.12.

2 Euronorma ENV 1991-2-4 -Osnove prorauna i djelovanja na konstrukcije - dio 2-4: Djelovanja na

onstrukcije - optereenje vjetrom



Slika 8.12 Odvajanje Karmanovih vrtloga Opisano odvajanje vrtloga moe uzrokovati oscilacije (vibracije) pojedinih elemenata inenjerskih konstrukcija kao to su nosive sajle na mostovima, visoki dimnjaci, antene i sl. U sluaju da se frekvencija odvajanja vrtloga podudara sa vlastitom frekvencijom konstrukcije moe doi do progresivnih oscilacija te do ruenja konstrukcije (Slika 8.13)

Slika 8.13. Tacoma Narrows izvijanje kolnike konstrukcije zbog titranja izazvanog vjetrom 8.8 Utjecaj vjetra na sigurnost prometa U novije vrijeme sve se vei znaaj pridaje utjecaju vjetra na promet, kako u svijetu tako i kod nas, posebice stoga to je nae podruje izloeno jakim i intenzivnim udarima vjetra. Rjeavanju ove problematike mogue je pristupiti na vie naina, a svima je svojstveno da zahtijevaju znanje iz nekoliko podruja znanosti kao to su meteorologija, dinamika konstrukcija, aerodinamika i neke druge, te je stoga interdisciplinarnost osnova za uspjeno rjeavanje ovog problema. Smanjenje nepoeljnog utjecaja vjetra na sigurnost prometa se moe postii izgradnjom vjetrobrana neposredno uz prometnicu ili izmjenom profila brzina u graninom sloju to se postie poumljavanjem. Zbog relativno sporog rasta biljaka koje smanjuju brzinu vjetra u graninomsloju kao i nemogunosti da se na taj nain smanji bvrzina vjetra na viaduktima i mostovima, uz prometnice se ee grade vjetrobrani.



8.8.1 Uinkovitost vjetrobrana - Faktor zatite Podruje u kojem dolazi do znaajnog smanjenja brzine vjetra se naziva tieno podruje. Uinkovitost vjetrobrana ovisi o odnosu izmeu brzine vjetra iza i ispred vjetrobrana, veliini tienog podruja kao i faktoru mahovitosti unutar tienog podruja. Za potrebe odreivanja uinkovitosti se brzina vjetra ispred i iza vjetrobrana moe definirati:

a) u nekoliko karakteristinih toaka (npr. na tri razliite visine) b) kao povrina u kojoj je relativna brzina vjetra manja od zadane c) kao integral profila brzina u nekoj vertikali (npr. u osi vozne trake)

Svaki od navedenih pristupa ima prednosti i mana a najvie se koriste posljednja dva spomenuta pristupa. U literaturi se esto koristi pojam faktor zatite (S) koji je definiran izrazom:

( ) ( )[ ]( )[ ]

= 21

22 ,1,

zvzxvzxSv ...(8.17)

pri emu je: Sv(x,z)-stupanj zatite (v je indeks stupnja zatite) v1(z) - dolazna brzina (prije vjetrobrana) na visini z iznad tla v2(z) - brzina na udaljenosti x i visini z iza vjetrobrana Kao primjer se moe navesti da Sv(x,z)>0,75 znai da se sila na tijelo izloeno vjetru iza vjetrobrana smanjuje za najmanje 75% sile koja bi se javila ispred vjetrobrana odnosno na dolazne vrijednosti. To ujedno znai i da se brzinma smanjila na 50% dolazne jer polovina brzine uzrokuje samo sile. 8.8.2 Tipovi vjetrobrana Osnovni tipovi vjetrobrana su: nepropusni vjetrobran, propusni vjetrobrani i segmentni vjetrobrani Nepropusni vjetrobran formira dobru zatita prometa od vjetra, meutim to rezultira i relativno velikom silom vjetra na samu konstrukciju. Kod nepropusne stijene dolazi do formiranja uzlaznog skretanje dolaznog toka i formiranja zone vrtloenja iza vjetrobrana (slika 8.14). Ovakav vjetrobran znaajno smanjuje srednju brzinu vjetra u tienom podruju ali se javlja i znaajna turbulencija.



Slika 8.14 Slika strujanja za nepropusni vjetrobran

Slika 8.15. Izolinije v/v0 za nepropusni vjetrobran (Raine&Stevenson 1977.) U nepropusne vjetrobrane se ubraja i nasip. Sa aerodinamikog stanovita je razlika izmeu pune ploe (zida) i nasipa u razliitom obliku privjetrinske i zavjetrinske zone to uzrokuje i promjene u strujnoj slici. Kod nasipa su privjetrinski i zavjetrinski pokos u nagibu 1:1,5 (u sluaju da se rade od gabiona mogu biti 2:1) to uzrokuje postepeno uzdizanje zranih masa na privjetrinskom dijelu a moe uzrokovat i djelomino sputanje zranih masa niz zavjetrinski pokos to smanjuje njegovu uinkovitost, tj. smanjuje veliinu tienog podruja. Da bi se smanjilo sputanje zranih masa niz zavjetrinski pokos, na nasipe se mogu ugraditi vertikalne stijene koje formiraju tono odreenu toku separacije vrtloga.

Slika 8.16 Probna dionica vjetrobrana izgraenog kao nasip na autocesti A1



Propusni vjetrobrani su prepreke koje imaju odreenu perforiranost tj. odreen stupanj ispunjenosti. Kod propusnih vjetrobrani je poroznost obino oko 50 60% jer se na taj nain poboljavaju uvjeti za promet i smanjuje sila na vjetrobran.

Slika 8.17 Strujna slika za propusni vjetrobran Propusnost vjetrobrana () je definirana (jednadba 8.18) kao omjer povrine propusnog dijela (Aprop) prema ukupnoj povrini vjetrobrana (Aukupno). Podatak o koeficijentu geometrijske propusnost je prihvaen kao parametar koji dominantno definira uvjete zavjetrinskog toka.

ukupno

prop

AA= ...(8.18)

Vjetrobranom generirana turbulencija na zavjetrinskoj strani bi u idealnom sluaju trebala biti to manjeg intenziteta te bi trebala vremenski i prostorno to bre opadati. Za barijeru zadane geometrijske propusnosti intenzitet turbulencije raste ovisno o veliini otvora u njoj. Poeljno je, naravno, da vjetrobran ima finije (manje) nego grublje (vee) otvore jer se na taj nain postie ravnomjernija disipacija energije iza vjetrobrana.

Slika 8.18 Vjetrobrani na viaduktu Barievii



Danas se na velikim objektima (viadukt Millau, rni kal,..) ugrauju uglavnom propusni vjetrobrani. Prva dva opisana tipa vjetrobrana svoj radni optimum postiu kada je kut nastrujavanja vjetra u odnosu na vjetrobran okomit ili vrlo blizu okomici. Kada je napadni kut vjetra otar u odnosu na os prometnice, tada se kod zidova, ploa i ostalih dugih ravnih vjetrobrana moe javiti kanaliziranje strujanja vjetra. Krajnji efekt ove pojave moe biti posebno nepovoljan jer zbog kanaliziranja strujanja dolazi do poveanja brzine vjetra u voznim trakama (Slika 8.19 lijevo).

Slika 8.19 Primjer kanaliziranja strujanja usljed ugradnje New Jerseya ili nepropusnih vjetrobrana (lijevo) i sprijeavanje kanaliziranja ugradnjom segmentnih vjetrobrana (desno) Da bi se izbjegla pojava kanaliziranja strujanja, upotrebljavaju se segmentni vjetrobrani koji se sastoje od ploha postavljenih priblino okomito na dominantni smjer vjetra.

Slika 8.20 Segmentni vjetrobrani model ispitivan u zranom tunelu (lijevo) i probno polje (desno) Segmentni vjetrobrani stvaranju turbulenciju i strujanje koje se suprostavlja dolaznoj struji vjetra i na taj ju nain usporava. Problem kod ovakvog sustava zatite je izvedba vjetrobrana koji e generirati 'dobru' turbulenciju, odnosno turbulentno polje koje se nee iriti po prometnici, koje e brzo zamirati i koje nee negativno djelovati na vozila u smislu stvaranja nenadanih bonih udara i ostalih negativnih utjecaja koji su posljedica turbulencije. Osim ovih tipova postoje jo mnoge varijacije oblika i kombinacije gore navedenih tipova. Sa estetskog stanovita je vrlo interesantna zatita od nepovoljnog djelovanja vjetra i poveanjem hrapavosti terena (poumljavanje).



Poveanjem hrapavosti se moe znatno smanjiti intenzitet djelovanja vjetra uz tlo.

Slika 8.21. Ponaanje struje zraka nailaskom na stablo (poveanje hrapavosti) Gri (1965) je na osnovi podataka iz literature te provedenih mjerenja profila brzina na Velebitskom prijevoju kod Otarija doao do zakljuka da se u sluaju kad je podruje po kojem se odvija strujanje ogoljeli kr, debljina graninog sloja moe usvojiti sa z1 = 280 m, a eksponent hrapavosti = 1/7. U sluaju da se strujanje odvija iznad podruja obraslog umom (ili neka druga odgovarajua hrapavost) debljina graninog sloja se moe usvojiti sa z2 = 400 m, a eksponent hrapavosti = 2/7. Na osnovu eksponencijalne jednadbe profila brzina u graninom sloju (jednadba 8.11) se moe izraunati da e brzina vjetra na visini od 3 m iznad tla u sluaju ogoljelog kra (zateeno stanje) biti 26.2 m/s a nakon poumljavanja e se smanjiti na 12,3 m/s.

Popis literature:

Barlow,J.B, Rae W.H., Pope A.; Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999


Documents

GF Osoblje Djelovanje Vjetra