12_Wichtowski_B_i_inni_Pewne_przypadki_rezonansu_wiatrowego_kominow_stalowych.pdf

XXIV

awariebudowlane

Dr hab. inŜ. B ERNARD W ICHTOWSKI , prof. PS

Politechnika Szczecińska

Dr hab. inŜ. J ERZY A NTONI ś URAŃSKI

Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa

PEWNE PRZYPADKI REZONANSU WIATROWEGO

KOMINÓW STALOWYCH

SAME CASES OF CROSS WIND VIBRATIONS OF STEEL CHIMNEYS

Streszczenie W referacie, na przykładzie pięciu wolno stojących kominów stalowych, przedstawiono

zastosowanie środków zapobiegających drganiom kominów wywoływanym odrywaniem się wirów powietrza

podczas wiatru. Drgania te, powstające w wyniku tzw. wzbudzania wirowego, występują w płaszczyźnie prosto-

padłej do średniej prędkości wiatru i charakteryzują się duŜymi amplitudami wierzchołka komina. Omówiono

zaobserwowane drgania i zastosowane środki zapobiegawcze, którymi były, z jednym wyjątkiem, turbulizatory

spiralne wykonane z okrągłych prętów stalowych o małych średnicach (6 i 8 mm) w porównaniu ze średnicą

kominów. Oceniono skuteczność przyjętych rozwiązań.

Abstract The paper deals with the cross wind vibrations of five free standing steel chimneys. Such vibrations

arising due to vortex shedding called as vortex excitation, are characterized by large amplitudes of chimney’s top.

Observed vibrations and preventive measures against them, used for those chimneys, have been presented. With

one exception they were spiral helices made with round steel bars of small diameters, 6 and 8 mm, as compared

with diameters of chimneys. Effectiveness of such measures is discussed.

1. Wprowadzenie

Stosunkowo częstą przyczyną drgań kominów stalowych pod wpływem wiatru jest

wzbudzanie wirowe, naprzemienne odrywanie się wirów Benarda – Karmana od bocznych

powierzchni komina. Drgania wywołane wzbudzaniem wirowym występują w płaszczyźnie

prostopadłej do kierunku wiatru (zwykle wierzchołek komina zatacza elipsę o dłuŜszej osi

prostopadłej do średniego kierunku wiatru) jako skutek synchronizacji częstotliwości odrywa-

nia się wirów f v z częstotliwością drgań własnych komina f n . Rozpoczynają się one po

osiągnięciu przez wiatr prędkości krytycznej, którą oblicza się ze wzoru

gdzie: f n – częstotliwość drgań własnych komina, Hz,

D – średnica zewnętrzna trzonu komina, m,

St – liczba Strouhala.

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Konstrukcje stalowe

10 m/s, co oznacza, Ŝe kaŜdy komin jest naraŜony na wystąpienie

drgań. Prędkości takie występują często, jednak nie wszystkie kominy drgają. Wynika to z ich

właściwości mechanicznych oraz wpływu otoczenia.

Obszerną analizę 64 kominów przedstawił Pritchard w pozycji [8], w literaturze polskiej

(z wyjątkiem poz. 7) omawiane są pojedyncze przypadki rezonansu wiatrowego kominów

stalowych [9, 10, 11, 12].

Zjawisko rezonansu, z uwagi na częste występowanie krytycznych prędkości wiatru, moŜe

spowodować zniszczenie w wyniku zmęczenia konstrukcji, nawet wówczas gdy obciąŜenie

boczne p y jest mniejsze od obciąŜenia w linii wiatru p x . Najczęściej drgania poprzeczne

kominów stalowych są likwidowane przez zastosowanie turbulizatorów lub tłumików

mechanicznych. Niestety, nie zawsze wybrany sposób jest skuteczny [9, 10, 13, 14]. Dlatego

celowa jest praktyczna ocena skuteczności zastosowanych turbulizatorów na obiektach

istniejących. Dopiero modele opisujące zjawiska wzbudzenia wirowego zweryfikowane na

obiektach w skali naturalnej powinny być wprowadzane do norm projektowania [15, 16].

W referacie, na przykładzie pięciu kominów stalowych, które drgały w wyniku wzbudzania

wirowego, przedstawiono sposoby ich wytłumienia oraz oceniono skuteczność zastosowanego

rozwiązania. Podane uwagi i wnioski mogą być przydatne do likwidacji wirowego wzbudza-

nia drgań podobnych konstrukcji wolno stojących kominów stalowych. Zagadnienie to moŜe

być interesujące z powodu małej liczby publikacji weryfikujących praktyczne metody zapo-

biegania drganiom kominów.

2. Charakterystyka zastosowanych turbulizatorów

Środkami konstrukcyjnymi stosowanymi do redukcji amplitudy drgań powodowanych

odrywaniem się wirów są:

– urządzenia niezaleŜne typu mechanicznego (tłumiki, odciągi),

– urządzenia typu aerodynamicznego (turbulizatory),

– obydwa typy jednocześnie [12, 14, 17].

Pierwszy typ zmienia charakterystykę dynamiczną konstrukcji, a drugi turbulizując opływ

nie dopuszcza do powstania wirów Benarda-Karmana. Mechaniczne tłumiki drgań poprzecz-

nych wymagają dokładnego zestrojenia ze sobą elementu tłumiącego z kominem i ciągłego

nadzoru. Wielokrotna regulacja rozłoŜona w długim okresie czasu, zaleŜna od warunków

wiatrowych oraz zmiana elementów układu tłumiącego jest niekiedy trudna w wypadku, gdy

komin jest w ciągłej eksploatacji.

Autorzy referatu preferują drugi typ urządzeń tzn. turbulizatory spiralne z odcinków pierście-

nia, a w szczególności z prętów okrągłych. Turbulizatory te (rys.1) zostały dokładnie zbadane

w tunelach aerodynamicznych [1, 2, 3, 18] i uznaje się je za najbardziej proste i skuteczne.

Bardzo skuteczne są turbulizatory spiralne Scrutona, wykonane w postaci trzech spiral

o szerokości 0,1 D i skoku 5 D , zakładane w górnej części komina o długości równej 0,4

wysokości (rys.1a). Normy angielskie Ŝądają montaŜu takich turbulizatorów na wszystkich

kominach [18]. Turbulizatory spiralne zwiększają powierzchnię naporu wiatru i współczynnik

aerodynamiczny C x . W obliczeniach naleŜy dla tej części komina, na której są one załoŜone

przyjąć współczynnik aerodynamiczny o 100% większy, czyli C x = 1,4.

900

Podczas synchronizacji występuje zjawisko sprzęŜenia zwrotnego między przepływem

powietrza a drgającym kominem. Komin sam zaczyna generować naprzemiennie odrywające

się wiry od coraz dłuŜszego odcinka trzonu, w miarę wzrostu wygięć komina w płaszczyźnie

prostopadłej do kierunku wiatru. Zjawisko to zostało omówione m.in. w [1, 2, 3], a obliczanie

obciąŜenia bocznego w [4, 5, 6, 7]. W przypadku kominów stalowych prędkości krytyczne

wynoszą najczęściej ok. 5

Wichtowski B. i inni: Pewne przypadki rezonansu wiatrowego kominów stalowych

względem

tworzącej (rys.1c,d). Ich dodatkową zaletą jest to, Ŝe zwiększają współczynnik aerodyna-

miczny tylko o 35% w stosunku do walca gładkiego (rys.2b), czyli C x = 0,7

1,35 = 0,95, a nie

1,4 – jak w przypadku turbulizatora z blach.

Rys. 1. Turbulizatory: a, b) spiralne potrójne; c, d) z prętów okrągłych

Rys. 2. Wyniki badań modelowych skuteczności turbulizatorów z prętów okrągłych: a) amplituda względna, b)

współczynnik oporu aerodynamicznego (1 – d/D = 1/200, 2 – d/D = 1/80, 3 – d/D = 1/26, 4 – bez przerywaczy) [2]

901

Najczęściej, z uwagi na prostotę montaŜu, są stosowane turbulizatory nawinięte spiralnie

z czterech drutów okrągłych, najlepiej o średnicy D /200 (rys.2a) pod kątem 11

Konstrukcje stalowe

3. Charakterystyka omawianych kominów

Ogólne dane konstrukcyjne omawianych pięciu kominów stalowych wolno stojących

przedstawiono na rys. 3 i w tablicy 1. Są to kominy jednoprzewodowe bez izolacji termicznej

o wysokości od 30,5 do 38,3 m, usytuowane w I strefie wiatrowej. Wszystkie kominy mają

przewody spalinowe z rur spawanych ze stali niestopowej gatunku St3SY („a”, „b”, „d”)

i St3S („c1” i „c2”) o średnicach od 815 do 1500 mm. Kominy odprowadzające spaliny

z kotłowni zakładów przemysłowych („a”, „b”) oraz kotłowni duŜego szpitala („c1” i „c2”)

uŜytkowane były w sposób ciągły, a komin „d” obsługujący kotłownię rejonową był wykorzy-

stywany sezonowo. Wszystkie kominy wykonstruowano z rurowych segmentów o długoś-

ciach od 1,0 do 8,0 m, które połączono między sobą kołnierzowo na śruby.

Rys. 3. Konstrukcja omawianych 5 kominów stalowych

Po upływie 4, 6 i 3 lat od zmontowania kominów „a”, „b”, „d” i bezpośrednio po zamonto-

waniu dwóch bliźniaczych kominów „c1” i „c2” zaobserwowano występowanie drgań

o wyraźnie widocznej amplitudzie przemieszczeń poziomych. Zjawisko występowało kaŜdo-

razowo przy wietrze z kierunku zachodniego, z kierunku przeciwnego do drabin zamontowa-

nych od strony wschodniej. Drgania kominów odbywały się w kierunku prostopadłym do

wiatru, a amplituda przemieszczenia wierzchołka komina „a” i „d”, według relacji naocznych

902

Wichtowski B. i inni: Pewne przypadki rezonansu wiatrowego kominów stalowych

świadków, wynosiła około 80 i 60 cm, natomiast pomierzone amplitudy w kominach „b”,

„c1” i „c2” osiągały 95 i 60

Tablica 1. Dane techniczne kominów

Kominy (rys.3)

Cecha

„a”

„b”

„c1”, „c2”

„d”

Wysokość całkowita, H , m

38,3

45,0

32,0

30,5

Średnica, D , m

1,25

1,50

1,016

0,815

2; t = 10

3; t = 8

2; t = 6

Liczba segmentów i projektowa

grubość blachy, t , mm

1; t = 7

5; t = 5

6; t = 10

1; t = 10

3; t = 8

Poziom czopucha i jego

wymiary, m

3,6

0,42 x 1,2

3,5

0,6 x 1,7

5,9

0,5 x 1,3

3,2

0,45 x 1,6

Czas wystąpienia drgań od

zmontowania

po 4 latach po 6 latach

zaraz po

zmontowaniu

po 3 latach

Amplituda drgań u wierzchołka

komina, A , m

0,80

0,95 1)

0,70 1)

0,60

A / D

0,64

0,63

0,69

0,73

Okres drgań własnych, T 1 , s

1,17

1,35

1,00

1,14

Krytyczna prędkość wiatru,

V cr , m/s

5,9

6,2

5,6

4,0

Liczba Reynoldsa, Re /10 5

4,9

6,2

3,8

2,7

Współczynnik siły bocznej, c lat

0,2

0,45

0,7

Masa górnej 1/3 wysokości

komina, kg/m

170

385

215

135

Liczba Scrutona, Sc

2,1

3,3

4,0

3,9

Środki tłumiące

3 odciągi

turbulizatory

oraz MTD 2)

turbulizatory

prętowe

turbulizatory

prętowe

Średnica prętów, mm

–

4 x

4 x f 6

+ 4 x

Długość odcinka z

turbulizatorami, h , m

–

21,0

16,0

9,0

h / H

–

0,46

0,50

0,30

/ D

–

1/188

1/169

1/136

1) Zmierzone za pomocą teodolitu

2) Turbulizatory z 4 prętów

8 mm okazały się nieskuteczne;

drgania wytłumiono za pomocą masowego tłumika drgań (MTD).

8 mm oraz z 8 prętów

W tablicy 1 obliczenia okresu drgań własnych, liczby Reynoldsa oraz liczby Scrutona wyko-

nano według [15], a wartości współczynnika siły bocznej c lat podano dla kominów bez turbuli-

zatorów. Jednocześnie przyjęto logarytmiczny dekrement tłumienia

903

70 cm. Szczególnie długotrwałe wzbudzenie wirowe występo-

wało w kominie „b”, niekiedy przez 15–20 godzin.

d s = 0,012, a masę drabiny

15 kg/m. W przypadku komina „a” naleŜy dodać masę pomostu, rozłoŜoną na górny odcinek

komina, proporcjonalnie do sił bezwładności. Pominięto teŜ masę połączeń kołnierzowych,

stąd rzeczywista liczba Scrutona jest więc nieco większa.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: