Statická a dynamická analýza stožárů při zatížení větrem

Abstract

U vysokých štíhlých konstrukcí, a zejména pak u stožárů, je odezva na zatížení větrem zpravidla stěžejní při posuzování spolehlivosti. Řešení účinků větru na štíhlé konstrukce prochází neustálým vývojem. Jsou získávány nové poznatky o vlastnostech větru a o chování konstrukcí. Jsou vyvíjeny nové metody pro jejich analýzu, případně existující metody jsou hlouběji rozpracovávány či modifikovány. Změnami prochází i normy pro navrhování.Předkládaná disertační práce se zabývá statickou a dynamickou analýzou stožárů při zatížení větrem pomocí obecnějších a přesnějších postupů. Hlavním cílem disertační práce bylo doporučit postupy pro praktické navrhování stožárů v rámci evropských norem.Součástí práce bylo vytvoření programů pro výpočet odezvy štíhlých konstrukcí na zatížení větrem pomocí různých postupů. První skupinu postupů tvoří zjednodušené metody, které jsou často používány pro navrhování konstrukcí stožárů v praxi. Druhou skupinou byly obecnější a přesnější metody jako je spektrální analýza a přímá integrace pohybové rovnice.Metody byly aplikovány na stanovení odezvy několika vybraných konstrukcí. Na základě porovnávání metod na konkrétních příkladech byla ověřována možnost používání jednotlivých metod pro různé typy konstrukcí. Rozborem metod a kritérií pro jejich použití se ukázalo, že některé typy konstrukcí není možné navrhovat pomocí metod, které jsou doporučeny normami ČSN EN. Z tohoto důvodu byl navržen vlastní zjednodušený postup pro stanovení odezvy na zatížení větrem pro konstrukce obecné geometrie, obecného rozložení hmot a návětrných ploch a obecného (malého) útlumu. Postup byl ověřen pro určování odezvy vetknutých stožárů.Součástí disertační práce bylo měření rychlostí větru a rezonanční odezvy stožárů. Z naměřených záznamů rychlosti větru byly zjišťovány jejich statistické charakteristiky (výkonové spektrální hustoty, příp. koherenční funkce turbulence). Byly provedeny teoretické výpočty rezonanční odezvy stožárů a výsledky byly porovnány s naměřenou rezonanční odezvou konstrukcí.

The response of high and slender structures, especially of towers and masts, to wind load is usually crucial for their reliability assessment. The analysis of the wind effects on slender structures is being developed unceasingly. The new knowledge about the wind characteristics and about the behaviour of the structures are acquired. The new methods for analyses are being developed or the existing methods are being extended or modified. Also the standards for design are changing.The presented thesis is focused on static and dynamic analysis of towers and masts loaded by wind using more general and exact approaches. The main aim of this thesis is to recommend the methods for the practical design of towers and masts in accordance with eurocodes.The procedures for computer calculations of response of slender structures to wind action using different approaches were developed. The first group of approaches is constituted by simplified methods that are often used for the design of towers and masts in the design practice. The second group of approaches was composed of the more universal and exact methods like the spectral analysis and the direct integration.These methods were applied for determination of response of several chosen existing structures. The applicability of each method was verified for different kinds of structures using the comparative numerical studies.The study of methods and their criteria have shown that certain kind of structures is not possible to design using methods recommended by eurocodes. Therefore the simplified general approach for determination of response to the wind load is developed and proposed by author in this thesis. This approach is applicable to the structures with the general geometry, general distribution of masses and areas exposed to the wind and with the general (low) damping. This approach was verified on tower response determination.The measurement of the wind velocities and resonant responses of towers and masts have been carried out as a part of the presented thesis. The statistic characteristics of the wind (e.g. the power spectral densities of the wind velocities, resp. the coherence function of turbulence) were evaluated from records of the measured wind velocities. The theoretical calculation of the resonant responses of towers, resp. masts has been carried out for measured parameters of a wind. The results have been compared to the measured resonant response of the structures.