საზღვრული შრის ქარის გვირაბები: სტრუქტურული ქარის ინჟინერია კოშკების, ხიდებისა და სტადიონებისთვის
როგორ აღადგენს საზღვრული შრის ქარის გვირაბები ატმოსფერულ ქარს კოშკებისა და ხიდების მასშტაბურ მოდელებზე, რა ტესტები არსებობს და რას მოითხოვს ASCE 49-21.
ქარი შენობასთან არ მოდის როგორც ერთგვაროვანი ნაკადი. ის მოდის როგორც ატმოსფერული საზღვრული შრე: უფრო ნელი მიწასთან ახლოს, უფრო სწრაფი სიმაღლეზე, ტურბულენტური ყველა მასშტაბში და უკვე შეშფოთებული ქარის მიმართულებით არსებული ყველა დაბრკოლებით. საზღვრული შრის ქარის გვირაბი (BLWT) სწორედ ამის აღსადგენად არსებობს, რათა კოშკის მოდელმა გამოსცადოს ისეთივე ქარი, როგორსაც რეალური სტრუქტურა შეხვდება.
ეს აერონავტიკული ტესტირებისგან განსხვავებული დისციპლინაა. აეროდინამიკაში თქვენ ბევრს მუშაობთ, რათა ნაკადი სუფთა იყოს. ქარის ინჟინერიაში კი ბევრს მუშაობთ, რათა ის სწორად იყოს „ბინძური“.
1. რატომ არ არის სტანდარტები ყოველთვის საკმარისი
საპროექტო სტანდარტები (კოდები) იძლევა საიმედო ქარის დატვირთვ ებს სტანდარტულ რელიეფზე არსებული რეგულარული ფორმებისთვის. თანამედროვე არქიტექტურა ხშირად არც ერთია და არც მეორე. შევიწროებული და დაგრეხილი კოშკები, ღია პოდიუმის დონეები, დიდი კონსოლები, დიდი მალის მქონე სახურავები და მეზობელი მაღალსართულიანი შენობების მჭიდრო კლასტერები სცდება იმ გეომეტრიებს, რომლებზეც სტანდარტის ფორმულები იყო დაკალიბრებული.
სტანდარტები ამას აღიარებს: ქარის გვირაბის პროცედურა მიღებული ალტერნატიული გზაა მთავარ ჩარჩოებში — ASCE 7 ჩრდილოეთ ამერიკაში, EN 1991-1-4 ევროპაში — და ტესტირება ხშირად ერთადერთი გზაა ისეთი დიზაინის დასასაბუთებლად, რომელსაც ცხრილები ვერ აღწერს.
კომერციული ლოგიკა, როგორც წესი, უფრო მარტივია, ვიდრე ტექნიკური. უჩვეულო კოშკზე სტანდარტებზე დაფუძნებული დატვირთვები ხშირად კონსერვატიულია, ხოლო კონსერვატიზმის საფასური ფოლადითა და ბეტონით იფარება შენობის მთელ სიმაღლეზე. ტესტირებამ, რომელიც ამცირებს საპროექტო დატვირთვებს, შეიძლება თავისი ღირებულება მრავალჯერ აანაზღაუროს სტრუქტურაში. ზოგჯერ პირიქით ხდება და ვლინდება დატვირთვის ისეთი შემთხვევა, რომელიც სტანდარტს არასდროს გაუთვალისწინებია — რაც გაცილებით მეტი ღირს.
2. რით განსხვავდება BLWT
გრძელი მისადგომი. მოდელის ზემოთ (ნაკადის მიმართულებით) განთავსებულია განვითარების მონაკვეთი — შპილები, ბარიერები და ხორკლიანობის ელემენტების ველი — რომლის ამოცანაა სწორი პროფილის მქონე ტურბულენტური საზღვრული შრის ფორმირება. სწორედ ამიტომ არის BLWT-ის სატესტო მონაკვეთები გრძელი: ატმოსფეროს აღსადგენად მანძილია საჭირო.
შესაბამისი პროფილები და არა მხოლოდ შესაბამისი სიჩქარე. სიმულაციამ უნდა აღადგინოს საშუალო სიჩქარის პროფილი სიმაღლის მიხედვით, ტურბულენტობის ინტენსივობის პროფილი და ტურბულენტობის ინტეგრალური სიგრძის მასშტაბები, რაც სრულად უნდა შეესაბამებოდეს სამიზნე რელიეფის კატეგორიას. საშუალო სიჩქარის სწორად და ტურბულენტობის არასწორად მიღება იძლევა დამაჯერებელ, მაგრამ არასწორ პასუხებს.
გეომეტრიული მასშტაბი. შენობის მოდელები, როგორც წესი, მცირე მასშტაბებში შენდება — ძირითადად 1:200-დან 1:500-მდე დიაპაზონში, გვირაბის ზომისა და მიზნის მიხედვით — ხოლო სიჩქარისა და დროის მასშტაბები გეომეტრიულიდან გამომდინარეობს. დროის მასშტაბირება არის ის, რაც გვირაბში რამდენიმე წუთიან მუშაობას სრულმასშტაბიანი შტორმის ერთ საათს უტოლებს.
გარემო მოდელის ნაწილია. მეზობელი შენობების მოდელი განსაზღვრულ რადიუსამდე თავსდება მბრუნავ პლატფორმაზე საკვლევ სტრუქტურასთან ერთად და ბრუნავს ქარის მიმართულებების მიხედვით, რადგან მეზობელი კოშკიდან მომდინარე ინტერფერენციის ეფექტებმა შეიძლება დომინირებდეს დატვირთვაზე.
3. ტესტირების ძირითადი ტიპები
- ხისტი წნევის მოდელი. ასობით წნევის გადამწოდი ფასადზე, რომლებიც მაღალი სიხშირით იზომება. იძლევა მოპირკეთების წნევებს — მათ შორის კუთხისა და კიდის პიკებს, რომლებიც განსაზღვრავს მინაპაკეტის სპეციფიკაციას — და, მაღალსიხშირული წნევის ინტეგრაციის მეშვეობით, საერთო დატვირთვებს.
- მაღალსიხშირული ძალის ბალანსი. მსუბუქი ხისტი მოდელი მყარ სასწორზე ზომავს ბაზის მომენტებს; სტრუქტურული დინამიკა გამოიყენება მოგვიანებით, რათა მივიღოთ რეაგირება სხვადასხვა დემპფირებისა და მასის დაშვებებისთვის.
- აეროელასტიური მოდელი. მოდელი აღადგენს სიხისტესა და მასის განაწილებას, ამიტომ სტრუქტურა და ნაკადი ურთიერთქმედებენ. ეს არის მეთოდი თხელი კოშკებისთვის, დიდი მალის მქონე ხიდის სავალი ნაწილებისთვის და ნებისმიერი რამისთვის, რასაც ემუქრება გრიგალით გამოწვეული ვიბრაციის, გალოპირების ან ფლატერის რისკი.
- ქვეითთა ქარის კომფორტი. მიწის დონის ქარის სიჩქარეები პოდიუმისა და შესასვლელების გარშემო, რომლებიც ფასდება კომფორტისა და უსაფრთხოების კრიტერიუმების მიხედვით — ხშირად ეს არის კვლევა, რომელიც ცვლის ლანდშაფტის დიზაინს.
- თოვლისა და დისპერსიის კვლევები. ნამქერ ის დაგროვება სახურავებზე და გამონაბოლქვის ხელახალი შეწოვა შემშვებ სისტემებში.
4. რას ავლენს ტესტირება, რასაც გამოთვლა ვერ ხედავს
ქარის განივი რეაგირება უფრო დიდია, ვიდრე გასწვრივი. თხელი კოშკებისთვის ხშირად გადამწყვეტია ქარის პერპენდიკულარულად გრიგალების მოწყვეტა. სტანდარტები ამას უხეშად ამუშავებს არარეგულარული ფორმებისთვის.
სინქრონიზაცია (Lock-in). როდესაც მოწყვეტის სიხშირე უახლოვდება სტრუქტურულ ბუნებრივ სიხშირეს, რეაგირება დრამატულად ძლიერდება. ამ სტატიის დასაწყისში მოცემული ფოტო ზუსტად ამ მექანიზმის მინიატურაა: კოჰერენტული გრიგალები, რომლებიც წყდება უკანა კიდიდან გარკვეული სიხშირით.
გრეხა (Torsion). ასიმეტრიული კვალის წნევები არ ასიმეტრიულ გეგმაზე ქმნის მგრეხ მომენტებს, რომლებსაც მარტივი ძალის მოდელები ვერ ასახავს.
ინტერფერენცია. არსებულის ქვემოთ (ნაკადის მიმართულებით) განთავსებულმა ახალმა კოშკმა შეიძლება განიცადოს ბაფეტინგის დატვირთვები, რომლებიც ბევრად აღემატება იზოლირებული შენობის მნიშვნელობებს — და ასევე შეიძლება გაზარდოს დატვირთვები მის მეზობელზე, რაც იურიდიული, ისევე როგორც საინჟინრო საკითხია.
ლოკალური პიკები. მოპირკეთების დაზიანებები ხდება კუთხეებში, პარაპეტებსა და სახურავის კიდეებზე. იქ არსებული პიკური შეწოვები არის დეტალური, გეომეტრიაზე დამოკიდებული შედეგი, რომელსაც მხოლოდ გაზომვა უზრუნველყოფს.
5. რას მოითხოვს სტანდარტები
ASCE/SEI 49-21, Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures, ადგენს მინიმალურ მოთხოვნებს ამ ტესტების ჩატარებისა და ინტერპრეტაციისთვის — საზღვრული შრის სიმულაცია, ლოკალური და ფართობზე გასაშუალოებული დატვირთვები, ქარის საერთო ეფექტები, აეროელასტიურად აქტიური სტრუქტურები, ექსტრემალური ქარის კლიმატი და თოვლის დატვირთვის მოდელის კვლევები — და აკმაყოფილებს ASCE 7-ის ქარის გვირაბის ტესტირების მოთხოვნებს. ევროპაში, EN 1991-1-4 უზრუნველყოფს შესაბამის ჩარჩოს ქარის ზემოქმედებისთვის, სადაც ტესტირება არის გზა იმ სტრუქტურებისთვის, რომლებიც სცდება მის ფარგლებს.
ობიექტის მფლობელისთვის პრაქტიკული დასკვნა ასეთია: არ არის საკმარისი ფლობდეთ გვირაბს, რომელიც ქარს წარმოქმნის. შედეგების მიღება დამოკიდებულია იმის დემონსტრირებაზე, რომ სიმულირებული საზღვრული შრე, მოდელის მასშტაბი, ინსტრუმენტაცია და სტატისტ იკური დამუშავება აკმაყოფილებს აღიარებულ სტანდარტს.
6. რას ნიშნავს ეს, თუ თქვენ აშენებთ ობიექტს
BLWT არის სპეციფიკური მანქანა და არა საერთო დანიშნულების გვირაბი, რომელსაც დამატებული აქვს მბრუნავი პლატფორმა:
- სიგრძე მოდელამდე — განვითარების მონაკვეთი ხორკლიანობის ელემენტებისა და შპილებისთვის ხშირად დომინირებს შენობის ფართობზე.
- განივკვეთი მორგებულია მეზობელი შენობების მოდელზე , და არა მხოლოდ საკვლევ სტრუქტურაზე, სადაც ბლოკირება შენარჩუნებულია ლიმიტებში ქარის ყველა მიმართულებით.
- დაბალი, კარგად კონტროლირებადი სიჩქარეები. BLWT-ის მუშაობა მიმდინარეობს ზომიერ სიჩქარეებზე; სტაბილურობა და განმეორებადობა ბევ რად უფრო მნიშვნელოვანია, ვიდრე მაქსიმალური სიჩქარე.
- რეგულირებადი ხორკლიანობა. რელიეფის კატეგორიები იცვლება პროექტების მიხედვით, ამიტომ განვითარების აპარატურა სწრაფად უნდა იყოს გადაკონფიგურირებადი.
- წნევის სკანირება მასშტაბში. ასობით არხი შერჩევის მაღალი სიხშირით, პლუს მათ უკან მდგარი მონაცემთა დამუშავება.
- მოდელების სახელოსნო. მოდელის სწრაფი, ზუსტი დამზადება სერვისის ნაწილია და არა აუთსორსინგზე გატანილი მეორეხარისხოვანი საქმე.
- მბრუნავი პლატფორმა და ტრავერსი ინტეგრირებულია აეროდინამიკურ დიზაინში და არა მოგვიანებით დამატებული — იგივე პრინციპი, რომელსაც ჩვენ აღვწერთ
-ში.
კონტურის არ ჩევა მიჰყვება იგივე ლოგიკას, რასაც სხვაგან: იხილეთ
[Article not found: closed-circuit-vs-open-circuit-wind-tunnels-for-research]და ჩვენი
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison].
7. ვინ იხდის ამაში
კლიენტთა ბაზა სტაბილური და ინსტიტუციონალურია: მაღალსართულიანი შენობების დეველოპერები, არქიტექტურული და სტრუქტურული საინჟინრო კომპანიები, ხიდების სააგენტოები, სტადიონებისა და აეროპორტების პროექტები, და სულ უფრო ხშირად მზღვეველები და ქალაქგეგმარების ორგანოები, რომლებიც დაინტერესებულნი არიან ქვეითთა დონის ქარითა და ექსტრემალური ქარის მიმართ მედეგობით.
რეგიონები, რომლებსაც არ აქვთ BLWT, ამ სამუშაოს ექსპორტს ახდენენ — მოდელები, ინჟინრები და ჰონორარები მიემგზავრებიან ს ხვაგან არსებულ გვირაბში, რაც კვირებს მატებს პროგრამებს. ეს არის არგუმენტი, რომელიც, როგორც წესი, ამართლებს ეროვნული ან საუნივერსიტეტო ობიექტის არსებობას, იმ კვლევით შედეგებთან ერთად, რომელსაც ის იძლევა.
8. საზღვრული შრის გვირაბის სპეციფიკაცია
თუ თქვენ გეგმავთ ასეთ ობიექტს, კონცეფციას აყალიბებს ოთხი საწყისი მონაცემი: ყველაზე მაღალი და დიდი სტრუქტურები, რომელთა ტესტირებასაც აპირებთ, რელიეფის კატეგორიები, რომელთა სიმულაციაც უნდა მოახდინოთ, წნევის არხების საჭირო რაოდენობა და არის თუ არა აეროელასტიური ტესტირება გათვალისწინებული თავიდანვე.
ჩვენ ვაპროექტებთ, ვაწარმოებთ და ექსპლუატაციაში შეგვყავს მორგებული გვირაბები გაზომვის პროგრამის გარშემო, სადაც განვითარების მონაკვეთი, ინსტრუმენტაცია და მოდელის მართვა დაგეგმილია აეროდინამიკური კონცეფციიდან. გვითხარით, რისი ტესტირება გჭირდებათ და ჩვენ დაგიბრუნებთ კონცეპტუალურ განლაგებას, მონაკვეთის ზომებსა და სიმძლავრის შეფასებას.
წყაროები და შენიშვნები
- ASCE/SEI 49-21, Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures — მოქმედების სფერო, განხილული თემები და მისი კავშირი ASCE 7-თან: ASCE publication page, ANSI webstore listing. სტანდარტის სრული ტექსტი ფასიანი დოკუმენტია (ASCE Amplify მოითხოვს გამოწერით ავტორიზაციას) — აქ არ არის მითითებული.
- EN 1991-1-4 (Eurocode 1, wind actions on structures) მოყვანილია როგორც ევროპული ჩარჩო; გაეცანით მიმდინარე ეროვნულ დანართს პროექტის სპეციფიკური დებულებებისთვის.
- დაახლოებით 1:200-დან 1:500-მდე გეომეტრიული მასშტაბები ტიპური პრაქტიკაა და დამოკიდებულია გვირაბის ზომაზე, მოდელის დეტალებსა და სამიზნე რელიეფზე; ისინი არ წარმოადგენს სტანდარტის მოთხოვნას.
- ობიექტის დიზაინის სახელმძღვანელო მითითებები (განვითარების მონაკვეთის სიგრძე, ბლოკირება მიმართულებების მიხედვით, გადაკონფიგურირებადი ხორკლიანობა, არხების რაოდენობა) წარმოადგენს TunnelTech-ის საინჟინრო პრაქტიკას.
- ნაკადის სურათები აღებულია TunnelTech-ის ტესტირებიდან და ასახავს ტექსტში ნახსენებ მოწყვეტის მექანიზმს; ისინი არ არის შენობის მოდელის კვლევიდან.