Vliv turbulence na únavu tenkých ocelových konstrukcí, vyvolanou větrem

Abstract

Zatížení větrem je často rozhodujícím účinkem pro štíhlé ocelové konstrukce a konstrukční prvky. Navzdory značnému množství nashromážděných poznatků v oboru stavební aerodynamiky však dosud chybí pochopení některých důležitých aspektů tohoto zatížení. Konkrétně je nutná simulace drsnosti v široké škále relativních drsností, zejména s ohledem na standardy používané v České republice. Předkládaná disertační práce je zaměřena především na experimentální výzkum. Zvláštní důraz je přitom kladen na vliv turbulence proudění, jakož i na účinky drsnosti povrchu a ledových akrecí nosných lan. Výsledky výzkumu ukazují, že indukované víry vibrace lan jsou značně ovlivněné změnami v turbulenci toku a drsnosti povrchu lan. Zejména zvýšení intenzity turbulence přicházejícího proudu způsobuje snížení amplitudy indukované víry vibrace lan s ledovýmy sedimenty. Akrece ledu způsobuje změnu (zvýšení nebo snížení) amplitudy v závislosti na orientaci ledu pro každou studovanou úroveň intenzity turbulence toku. Drsnost povrchu vinutých lan snižuje rozsah rychlostí lock-in efektu („uzamknutí frekvencí“) ve srovnání s referenčním hladkým modelem, přičemž největším dopad ma zvýšení úhlu vinutí. Hysterézní charakter amplitudové odezvy pro rostoucí a klesající rychlost je pozorovaný u všech modelů a pro všechny intenzity turbulencí. Uvedené výsledky poskytují projektantům štíhlých ocelových konstrukcí s lany některé důležité poznatky, protože turbulence proudění a drsnost povrchu lan prokazatelně a výrazně ovlivňují indukované víry vibrace lan, což zase může výrazně změnit dynamické vlastnosti a životnost konstrukcí s nosnými lany.

Wind loads frequently are critical for steel slender structures and structural elements. However, despite the important knowledge in the field, there is a lack of understanding of some important aspects. Namely, the simulation of the roughness in wide range of relative roughnesses, is needed especially with respect to the codes and standards in the Czech Republic. Present study focused on experimental research. A particular focus is on the influence of flow turbulence, as well as on the effects of surface roughness and ice accretion of structural cables. VIV of structural cables proved to considerably modify due to changes in flow turbulence and surface roughness of structural cables. In particular, increasing the turbulence intensity of the incoming flow causes a reduction in the amplitude of VIV of ice-accreted structural cables. The ice accretion causes the peak amplitude to change (increase or decrease) depending on the ice orientation for each studied level of flow turbulence. According to the results surface roughness of helical strand cables reduces the lock-in range comparing to reference smooth model whereby the greatest impact is an increase of lay angle. The hysteresis character of amplitude response caused by the direction of velocity change observed for all of models and turbulence intensities. The reported results provide some important findings for bridge designers, as flow turbulence and cable surface roughness clearly prove to considerably influence VIV of structural cables, which in turn may considerably alter the dynamic characteristics and lifetime of cable-supported bridges.