Особливості розрахунку на витривалість баштових споруд при дії вітрових навантажень
DOI:
https://doi.org/10.32347/2522-4182.15.2024.97-109Ключові слова:
вихрове збудження, інерційні коливання, вітрове навантаження, баштова споруда, розрахунок на витривалістьАнотація
В даній статті описаний вплив явища вихрового збудження при дії фронтального вітру на баштові споруди суцільного перерізу. Явище вихрового збудження відбувається при швидкостях вітру вищих за певні критичні, які за шкалою Бофорта відповідають слабкому і помірному вітру із дуже великою кількістю циклів, що потребує розрахунку конструкцій на витривалість.
Додатковою особливістю даного аспекту є те, що явище вихрового збудження є достатньо невідомим в широкій інженерній практиці в Україні і вперше посилання на необхідність розрахунку споруд на вихрове збудження з’явилося із впровадженням зміни 2 до ДБН В.1.2-2:2006 "Навантаження і впливи. Норми проєктування" лише в 2020р.
В даній статті наведений аналіз наявних методик розрахунку і стану положень національних норм щодо розрахунку баштових споруд на комплексний вплив вітру. Зокрема вказано на проблеми розрахунку конструкцій на динамічну дію при розрахунку на фронтальний вітер. Також проведена оцінка критичних швидкостей для реальних баштових споруд та орієнтовної кільксті коливальних циклів на рік, що відбуваються в процесі нормальної експлуатації. Так було виявлено, що кількість циклічних автоко-ливань від вихрового збудження з коефіцієнтом асиметрії напружень ρ=-1 складає від 2 до 15 млн на рік, що свідчить про необхідність обмеження напружень в конструкціях та їх деталях до значень межі витривалості.
В статті наведені обчислення значення меж витривалості для різних груп конструкцій, проаналізована доцільність застосування марок сталей підвищеної міцності. Також виконаний аналіз зниження кількості циклів при перевищенні напруженнями межі витривалості і доведено, що незначні перевищення напружень в межах 3..5% можуть істотно в рази знижувати витривалість конструкцій. Цей висновок особливо актуальний при розрахунку решітчастих проcторових конструкцій, що мають зовнішню огороджувальну оболонку, яка створює в конструкції ефект впливу вітру, аналогічний суцільностінчастій конструкції. Такі особливості актуальні наперед усього для масштабних монументальних споруд.
Посилання
Davenport, A. G. The Application of Statistical Concepts to the Wind Loading of Structures. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 1961. –Vol.19 – p.449-4722.
Simiu E., Scanlan R.H. Wind Effects on Structures: //Fundamentals and Applications to Design. New York: John Wiley, 1996, 704 p.
Vickery, B.J., Basu, R.I.: Across-wind vibrations of structures of circular cross-section. Part II - Development of a mathematical model
for full-scale application //Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 12 (1983), pp. 75-97.
Piccardo, G., Solari, G. – Closed Form Prediction of 3D Wind-excited response of slender structures. Journal of Wind Engineering
in Industrial Aerodynamics, 1998; 74-76: 697-708.
Solari, G. – The role of analytical methods for evaluating the wind-induced response of structures, Journal of Wind Engineering in
Industrial Aerodynamics, 90, 1453-1477, 2002
Repetto, M.P. and Solari, G. (2002) Dynamic Crosswind Fatigue of Slender Vertical Structures. Wind and Structures, 5, 527-542.
https://doi.org/10.12989/was.2002.5.6.527
Scruton, C.: An Introduction to Wind Effects on Structures – Oxford University Press, Oxford, UK, 1981
Rumman, W.S.: Basic structural design of concrete chimneys. ASCE, Journal of the Power Division, 96 (1970), pp. 309-318.
Ruscheweyh, H.: Dynamische Windwirkung an Bauwerken, Band 2 - Praktische Anwendungen. Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin,1982.
Ruscheweyh, H.: Practical experiences with wind-induced vibrations, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 33
(1990), pp. 211-218
Connor, R.J., Collicott, S.H., DeSchepper, A.M., Sherman, R.J. and Ocampo, J.A. (2012) Fatigue Loading and Design Methodology for
High-Mast Lighting Towers. The National Academies Press, Washington.
https://doi.org/10.17226/22792
Maria Pia Repetto, Solari, G. – Directional Wind-Induced Fatigue on Slender Vertical Structures, Journal of Structural Engineering,
ASCE, July, 2004, 10032-1040
James, W.D. (1983) Effects of Reynolds Number and Corner Radius on TwoDimensional Flow around Hexdecagonal
Cylinders. AIAA 16th Fluid and Plasma Dynamics Conference, Danvers, 12-14 July 1983, 1-11.
https://doi.org/10.2514/6.1983-1705
Zhengliang Li, Zhisong Wang, Jiahong Li and Siyuan Liu. Experimental Study on VortexInduced Vibration of Steel Tubes in
Transmission Towers at Various Inflow Conditions, Buildings (MDPI) 2023, 13(1), 252;
https://doi.org/10.3390/buildings13010252.
Qin, W.-F., Shi, J.-Y., Yang, X., Xie, J., Zuo, S. Characteristics of wind loads on Twin-Towerstructure in comparison with single tower (2022)
Engineering Structures, 251, art. no. 112780.
https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112780
Priyan M., Shiromal F., John H., Tharaka G., Yousef Abu-Zidan, Priyan D. Wind induced fatigue analysis of Lotus Tower //Mast.
Nineteenth Australasian Wind Engineering Society Workshop, April 4-6, 2018, Torquay, Victoria , 5p
Rakočević, M., Popović, S.: Calculation procedure for determining wind action from vortex-induced vibration with verification of
fatigue strength of steel structures, GRAĐEVINAR, 70 (2018) 9, pp. 793-809,
https://doi.org/10.14256/JCE.2125.2017
Krishnappa, L., Sander, A., Thoben, K.-D. Aerodynamic Devices to Reduce/Suppress Vortex Induced Vibrations on a Wind Turbine
Tower: A Review. (2022) Journal of Physics: Conference Series, 2265 (3), art. No. 032053
https://doi.org/10.1088/1742-6596/2265/3/032053
Wang, D., Zhao, Z., Liu, Y., Ma, Y., Liu, H., Chen, M. Study on vortex induced resonance mechanism between tower and blade of large
wind turbine (2023) Taiyangneng Xuebao/Acta Energiae Solaris Sinica, 44 (10), pp. 306-312.
http://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-084
Пічугін С.Ф. Тенденції розвитку норм вітрового навантаження на будівельні конструкції // Сучасні технології та методи розрахунків у будівництві: Зб. наук. праць. Вип. 18. – Луцьк: Луц. НТУ, 2022. – С. 98 – 116.
https://doi.org/10.36910/6775-2410-6208-2022-8(18)-12
Колякова В.М., Лялько В. Вплив вітру на телевізійну вежу (2019) //International scientific-practical conference of young scientists/ Build master class, рр.160.
Корсун В.І., Віноградова Т. М., Калмиков Ю.Ю., & Волков А. С. (2010). Порівняльний аналіз результатів розрахунків стовбура димової труби Н= 250 м на дію вітрового навантаження. // Сучасне промислове та цивільне будівництво, 6(1), 5-13.
Нужний В.В. Вихрове вітрове збудження у баштових спорудах суцільного перерізу. Сучасні технології та методи розрахунків у будівництві Зб. наук. праць. Вип. 21. – Луцьк: Луц. НТУ, 2024. – с. 138 – 151.
https://doi.org/10.36910/6775-2410-6208-2024-11(21)-15
Нужний В, Дауров М. (2024) Розрахунок баштової споруди на витривалість з врахуванням вихрового збудження. Будівельні конструкції. Теорія і практика (14).- с. 102-113.
https://doi.org/10.32347/2522-4182.14.2024.102-113
Nuzhnyj, V., & Bilyk, S. (2024). Revealing the influence of wind vortex shedding on the stressed-strained state of steel tower structures
with solid cross-section. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(1 (129), 69–79.
