Δοκιμές σε Αεροσήραγγα Οριακού Στρώματος για Κτίρια

Ο άνεμος δεν φτάνει σε ένα κτίριο ως ομοιόμορφο ρεύμα. Φτάνει ως ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα: πιο αργός κοντά στο έδαφος, πιο γρήγορος με το ύψος, με τυρβώδη ροή σε κάθε κλίμακα, και ήδη διαταραγμένος από οτιδήποτε βρίσκεται προσήνεμα. Μια αεροσήραγγα οριακού στρώματος (BLWT) υπάρχει για να αναπαράγει ακριβώς αυτό, ώστε το μοντέλο ενός πύργου να βιώνει κάτι πολύ κοντά στον άνεμο που θα συναντήσει η πραγματική κατασκευή.

Πρόκειται για έναν διαφορετικό κλάδο από τις αεροναυπηγικές δοκιμές. Στην αεροδυναμική προσπαθείτε σκληρά να κάνετε τη ροή καθαρή. Στην αιολική μηχανική προσπαθείτε σκληρά να την κάνετε σωστά «ακάθαρτη».

1. Γιατί οι κανονισμοί δεν είναι πάντα αρκετοί

Οι κανονισμοί σχεδιασμού δίνουν αξιόπιστα αιολικά φορτία για κανονικά σχήματα σε τυπικό έδαφος. Η σύγχρονη αρχιτεκτονική συχνά δεν είναι τίποτα από τα δύο. Κωνικοί και περιστραμμένοι πύργοι, ανοιχτά επίπεδα βάσης (podium), μεγάλοι πρόβολοι, στέγες μεγάλου ανοίγματος και πυκνά συμπλέγματα γειτονικών ουρανοξυστών, όλα εμπίπτουν εκτός των γεωμετριών για τις οποίες βαθμονομήθηκαν οι τύποι των κανονισμών.

Οι κανονισμοί το αναγνωρίζουν αυτό: η διαδικασία της αεροσήραγγας είναι μια αποδεκτή εναλλακτική οδός στα μεγάλα πλαίσια — ASCE 7 στη Βόρεια Αμερική, EN 1991-1-4 στην Ευρώπη — και οι δοκιμές είναι συχνά ο μόνος τρόπος για να δικαιολογηθεί ένας σχεδιασμός που οι πίνακες δεν μπορούν να περιγράψουν.

Η εμπορική λογική είναι συνήθως απλούστερη από την τεχνική. Τα φορτία βάσει κανονισμών σε έναν ασυνήθιστο πύργο τείνουν να είναι συντηρητικά, και η συντηρητικότητα πληρώνεται σε χάλυβα και σκυρόδεμα σε όλο το ύψος του κτιρίου. Μια δοκιμή που μειώνει τα φορτία σχεδιασμού μπορεί να αποσβέσει το κόστος της πολλές φορές μέσω της κατασκευής. Περιστασιακά συμβαίνει το αντίθετο και αποκαλύπτει μια περίπτωση φόρτισης που ο κανονισμός δεν προέβλεψε ποτέ — κάτι που αξίζει σημαντικά περισσότερο.

2. Τι κάνει μια BLWT διαφορετική

Μεγάλο μήκος διαδρομής. Ανάντη του μοντέλου βρίσκεται ένα τμήμα ανάπτυξης — κώνοι, εμπόδια και ένα πεδίο στοιχείων τραχύτητας — του οποίου η δουλειά είναι να αναπτύξει ένα τυρβώδες οριακό στρώμα με το σωστό προφίλ. Γι' αυτό τα τμήματα δοκιμών των BLWT είναι μεγάλα: η ατμόσφαιρα χρειάζεται απόσταση για να αναδημιουργηθεί.

Αντιστοιχισμένα προφίλ, όχι μόνο αντιστοιχισμένη ταχύτητα. Η προσομοίωση πρέπει να αναπαράγει το προφίλ μέσης ταχύτητας καθ' ύψος, το προφίλ έντασης τυρβώδους ροής και τις ολοκληρωτικές κλίμακες μήκους της τύρβης, όλα σε συμφωνία με την κατηγορία του εδάφους-στόχου. Το να πετύχετε τη μέση ταχύτητα σωστά και την τυρβώδη ροή λάθος παράγει σίγουρες, αλλά λανθασμένες απαντήσεις.

Γεωμετρική κλίμακα. Τα μοντέλα κτιρίων κατασκευάζονται συνήθως σε μικρές κλίμακες — συχνά στο εύρος 1:200 έως 1:500 ανάλογα με το μέγεθος της αεροσήραγγας και τον στόχο — και οι κλίμακες ταχύτητας και χρόνου ακολουθούν τη γεωμετρική. Η χρονική κλιμάκωση είναι αυτή που κάνει λίγα λεπτά λειτουργίας της αεροσήραγγας ισοδύναμα με μία ώρα καταιγίδας σε πλήρη κλίμακα.

Ο περιβάλλων χώρος είναι μέρος του μοντέλου. Ένα μοντέλο εγγύτητας των γειτονικών κτιρίων σε μια καθορισμένη ακτίνα τοποθετείται σε μια περιστρεφόμενη πλατφόρμα μαζί με την υπό εξέταση κατασκευή, και περιστρέφεται σε διάφορες διευθύνσεις ανέμου, επειδή τα φαινόμενα παρεμβολής από έναν γειτονικό πύργο μπορούν να κυριαρχήσουν στη φόρτιση.

3. Οι κύριοι τύποι δοκιμών

Άκαμπτο μοντέλο πίεσης. Εκατοντάδες σημεία λήψης πίεσης σε όλη την πρόσοψη, με δειγματοληψία σε υψηλό ρυθμό. Παράγει πιέσεις επικάλυψης — συμπεριλαμβανομένων των αιχμών στις γωνίες και τις ακμές που καθορίζουν τις προδιαγραφές των υαλοπινάκων — και, μέσω ολοκλήρωσης πίεσης υψηλής συχνότητας, τα συνολικά φορτία.
Ζυγός δυνάμεων υψηλής συχνότητας. Ένα ελαφρύ άκαμπτο μοντέλο πάνω σε έναν δύσκαμπτο ζυγό μετρά τις ροπές βάσης· η δομική δυναμική εφαρμόζεται εκ των υστέρων για την εξαγωγή αποκρίσεων για διαφορετικές παραδοχές απόσβεσης και μάζας.
Αεροελαστικό μοντέλο. Το μοντέλο αναπαράγει την ακαμψία και την κατανομή μάζας, ώστε η κατασκευή και η ροή να αλληλεπιδρούν. Αυτή είναι η μέθοδος για λεπτούς πύργους, καταστρώματα γεφυρών μεγάλου ανοίγματος και οτιδήποτε διατρέχει κίνδυνο δονήσεων λόγω στροβιλισμών, καλπασμού (galloping) ή πτερυγισμού (flutter).
Αιολική άνεση πεζών. Ταχύτητες ανέμου στο επίπεδο του εδάφους γύρω από τη βάση και τις εισόδους, οι οποίες αξιολογούνται βάσει κριτηρίων άνεσης και ασφάλειας — συχνά είναι η μελέτη που αλλάζει τον σχεδιασμό του περιβάλλοντος χώρου.
Μελέτες χιονιού και διασποράς. Συσσώρευση χιονοστιβάδων στις στέγες και επανεισαγωγή καυσαερίων στις εισαγωγές αέρα.

4. Τι εντοπίζουν οι δοκιμές που χάνουν οι υπολογισμοί

Η εγκάρσια απόκριση στον άνεμο είναι μεγαλύτερη από τη διαμήκη. Για λεπτούς πύργους, η απόσπαση στροβίλων κάθετα στον άνεμο συχνά κυριαρχεί. Οι κανονισμοί το αντιμετωπίζουν αυτό με χονδροειδή τρόπο για ακανόνιστα σχήματα.

Συντονισμός (Lock-in). Όταν η συχνότητα απόσπασης πλησιάζει μια δομική ιδιοσυχνότητα, η απόκριση ενισχύεται δραματικά. Η φωτογραφία στην αρχή αυτού του άρθρου δείχνει ακριβώς αυτόν τον μηχανισμό σε μικρογραφία: συνεκτικοί στρόβιλοι που αποσπώνται από ένα χείλος εκφυγής σε μια καθορισμένη συχνότητα.

Στρέψη. Οι ασύμμετρες πιέσεις του ομόρρου σε μια μη συμμετρική κάτοψη παράγουν στρεπτικές ροπές που τα απλά μοντέλα δυνάμεων δεν αναπαριστούν.

Παρεμβολή. Ένας νέος πύργος που τοποθετείται κατάντη ενός υφιστάμενου μπορεί να δεχτεί φορτία ριπών (buffeting) πολύ πάνω από τις τιμές ενός μεμονωμένου κτιρίου — και μπορεί επίσης να αυξήσει τα φορτία στον γείτονά του, γεγονός που αποτελεί νομικό αλλά και μηχανικό ζήτημα.

Τοπικές αιχμές. Οι αστοχίες της επικάλυψης συμβαίνουν σε γωνίες, στηθαία και άκρα στεγών. Οι αιχμές υποπίεσης εκεί είναι ένα λεπτομερές, γεωμετρικά ειδικό αποτέλεσμα που μόνο η μέτρηση παρέχει.

5. Τι απαιτούν τα πρότυπα

Το ASCE/SEI 49-21, Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures, καθορίζει τις ελάχιστες απαιτήσεις για τη διεξαγωγή και την ερμηνεία αυτών των δοκιμών — προσομοίωση οριακού στρώματος, τοπικά και μέσα επιφανειακά φορτία, συνολικές επιπτώσεις ανέμου, αεροελαστικά ενεργές κατασκευές, ακραίο αιολικό κλίμα και μελέτες μοντέλων φορτίου χιονιού — και ικανοποιεί τις απαιτήσεις δοκιμών σε αεροσήραγγα του ASCE 7. Στην Ευρώπη, το EN 1991-1-4 παρέχει το αντίστοιχο πλαίσιο για τις δράσεις του ανέμου, με τις δοκιμές να αποτελούν την οδό για κατασκευές εκτός του πεδίου εφαρμογής του.

Για τον ιδιοκτήτη μιας εγκατάστασης, η πρακτική ανάγνωση είναι η εξής: δεν αρκεί να διαθέτει μια αεροσήραγγα που παράγει άνεμο. Η αποδοχή των αποτελεσμάτων εξαρτάται από την απόδειξη ότι το προσομοιωμένο οριακό στρώμα, η κλίμακα του μοντέλου, η οργανολογία-μετρήσεις και η στατιστική επεξεργασία πληρούν ένα αναγνωρισμένο πρότυπο.

6. Τι σημαίνει αυτό εάν κατασκευάζετε την εγκατάσταση

Μια BLWT είναι ένα ειδικό μηχάνημα, όχι μια αεροσήραγγα γενικής χρήσης με την προσθήκη μιας περιστρεφόμενης πλατφόρμας:

Μήκος πριν από το μοντέλο — το τμήμα ανάπτυξης για τα στοιχεία τραχύτητας και τους κώνους συχνά κυριαρχεί στο αποτύπωμα του κτιρίου.
Διατομή διαστασιολογημένη για το μοντέλο εγγύτητας , όχι μόνο για την υπό εξέταση κατασκευή, με το φαινόμενο απόφραξης (blockage) να διατηρείται εντός ορίων σε όλες τις διευθύνσεις του ανέμου.
Χαμηλές, καλά ελεγχόμενες ταχύτητες. Οι εργασίες σε BLWT γίνονται σε μέτριες ταχύτητες· η σταθερότητα και η επαναληψιμότητα έχουν πολύ μεγαλύτερη σημασία από τη μέγιστη ταχύτητα.
Ρυθμιζόμενη τραχύτητα. Οι κατηγορίες εδάφους αλλάζουν ανά έργο, επομένως ο εξοπλισμός ανάπτυξης πρέπει να μπορεί να αναδιαμορφωθεί γρήγορα.
Σάρωση πίεσης σε κλίμακα. Εκατοντάδες κανάλια με υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας, συν τη διαχείριση δεδομένων που τα υποστηρίζει.
Ένα εργαστήριο κατασκευής μοντέλων. Η γρήγορη και ακριβής κατασκευή μοντέλων αποτελεί μέρος της υπηρεσίας, όχι μια εκ των υστέρων εξωτερική ανάθεση.
Μια περιστρεφόμενη πλατφόρμα και σύστημα μετακίνησης (traverse) ενσωματωμένα στον αεροδυναμικό σχεδιασμό αντί να προστεθούν αργότερα — η ίδια αρχή που περιγράφουμε στο

[Article not found: wind-tunnel-flow-visualization-techniques]

Η επιλογή του κυκλώματος ακολουθεί την ίδια λογική όπως και αλλού: δείτε το

[Article not found: closed-circuit-vs-open-circuit-wind-tunnels-for-research]

και το

[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]

μας.

7. Ποιος το πληρώνει

Η πελατειακή βάση είναι σταθερή και θεσμική: κατασκευαστές ψηλών κτιρίων, αρχιτεκτονικά και στατικά μελετητικά γραφεία, αρχές γεφυρών, έργα σταδίων και αεροδρομίων, και όλο και περισσότερο ασφαλιστικές εταιρείες και φορείς πολεοδομικού σχεδιασμού που ενδιαφέρονται για τον άνεμο στο επίπεδο των πεζών και την ανθεκτικότητα σε ακραίους ανέμους.

Οι περιοχές χωρίς BLWT εξάγουν αυτήν την εργασία — μοντέλα, μηχανικοί και αμοιβές ταξιδεύουν σε μια αεροσήραγγα αλλού, προσθέτοντας εβδομάδες στα χρονοδιαγράμματα. Αυτό είναι το επιχείρημα που συνήθως δικαιολογεί μια εθνική ή πανεπιστημιακή εγκατάσταση, παράλληλα με το ερευνητικό έργο που αυτή επιτρέπει.

8. Προδιαγραφές μιας αεροσήραγγας οριακού στρώματος

Εάν σχεδιάζετε μια τέτοια εγκατάσταση, τέσσερα δεδομένα διαμορφώνουν το concept: οι ψηλότερες και μεγαλύτερες κατασκευές που σκοπεύετε να δοκιμάσετε, οι κατηγορίες εδάφους που πρέπει να προσομοιώσετε, ο αριθμός των καναλιών πίεσης που χρειάζεστε, και το εάν οι αεροελαστικές δοκιμές περιλαμβάνονται στο πεδίο εφαρμογής από την αρχή.

Σχεδιάζουμε, κατασκευάζουμε και θέτουμε σε λειτουργία (commissioning) προσαρμοσμένες αεροσήραγγες γύρω από το πρόγραμμα μετρήσεων, με το τμήμα ανάπτυξης, την οργανολογία-μετρήσεις και τον χειρισμό του μοντέλου να σχεδιάζονται από το αεροδυναμικό concept. Πείτε μας τι χρειάζεται να δοκιμάσετε και θα σας επιστρέψουμε μια εννοιολογική διάταξη, τη διαστασιολόγηση των τμημάτων και μια εκτίμηση ισχύος.

Πηγές και σημειώσεις

ASCE/SEI 49-21, Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures — πεδίο εφαρμογής, καλυπτόμενα θέματα και η σχέση του με το ASCE 7: Σελίδα έκδοσης ASCE, Καταχώριση στο ηλεκτρονικό κατάστημα ANSI. Το πλήρες κείμενο του προτύπου είναι έγγραφο επί πληρωμή (το ASCE Amplify απαιτεί σύνδεση συνδρομητή) — δεν παρατίθεται σύνδεσμος εδώ.
Το EN 1991-1-4 (Ευρωκώδικας 1, δράσεις του ανέμου σε κατασκευές) αναφέρεται ως το ευρωπαϊκό πλαίσιο· συμβουλευτείτε το τρέχον εθνικό προσάρτημα για διατάξεις ειδικές ανά έργο.
Γεωμετρικές κλίμακες περίπου 1:200 έως 1:500 αποτελούν τυπική πρακτική και εξαρτώνται από το μέγεθος της αεροσήραγγας, τη λεπτομέρεια του μοντέλου και το έδαφος-στόχο· δεν αποτελούν απαίτηση του κανονισμού.
Οι οδηγίες σχεδιασμού εγκαταστάσεων (μήκος τμήματος ανάπτυξης, απόφραξη σε όλες τις διευθύνσεις, αναδιαμορφώσιμη τραχύτητα, αριθμός καναλιών) αποτελούν μηχανική πρακτική της TunnelTech.
Οι εικόνες ροής προέρχονται από δοκιμές της TunnelTech και απεικονίζουν τον μηχανισμό απόσπασης που αναφέρεται στο κείμενο· δεν προέρχονται από μελέτη μοντέλου κτιρίου.

Αεροσήραγγες Οριακού Στρώματος: Δομική Αιολική Μηχανική για Πύργους, Γέφυρες και Στάδια