Széldinamikai vizsgálat

A SZOLNOKI GYALOGOS-KERÉKPÁROS TISZA-HÍD SZÉLDINAMIKAI VIZSGÁLATA

készítette: Pálossy Miklós, Szabó Gergely (Pont-Terv Zrt)

 

 

Általános ismertetés

Áramlásba helyezett testekre, így hídszerkezetekre és azok részeire áramlási erők hatnak. Különleges hidak esetében a karcsú szerkezet különösen érzékeny lehet különféle instabilitási problémákkal kapcsolatban, mint például az örvénygerjesztés, a táncolás vagy a belebegés. Karcsú szerkezetek tervezésénél a korrekt széldinamikai elemzés elengedhetetlen.

 

A szél hatása a saját irányában
– az egyenetlen földfelszín a szelet örvényessé, lökésszerűvé teszi,
– a szélsebesség és torlónyomás számítása (MSZ-magasság függvényében, EC-sok paraméter, Hídszabályzat-egyszerűsített)
– a széllökések intenzitásának növekedésével azok ideje csökken (rezgések gerjesztéséhez 5-10 perc szükséges, az ehhez tartozó „állandó szélsebesség” a legnagyobb szélsebesség érték kb 2/3-a).

 

A szél keresztirányú gerjesztő hatásai

Kármán-féle légörvények okozta gerjesztés (vortex shedding, aeolic excitation)

A test két oldalán felváltva örvények válnak le, melyek a testet oldalirányban mozgatják. Ha ez az örvényleválás periodikus, akkor a testet az állandó sebességű szél is rezgésre gerjesztheti.

 

Körhenger alakú testekre a Reynolds szám függvényében az alábbi tartományok definiálhatók:

  • lamináris (nincs örvényleválás),
  • nagyrészt lamináris (periodikus örvényleválás),
  • szubkritikus (turbulens áramlás, aperiodikus örvényleválás),
  • transzkritikus (turbulens áramlás, ismét periodikus örvényleválás)

Megjegyzések:
-  nagy rezgésamplitúdóknál (általában nagy szélsebességeknél a transzkritikus tartományban) az örvényleválást a szerkezet sajátrezgése is „vezérelheti”,
– körtől eltérő szelvényekre (pl. hídkeresztmetszetek)külön kell meghatározni a Strouhal számot és a keresztirányú alaki tényezőt,
-  a számításoknál (szinuszosan változó) keresztirányú gerjesztő erő, ebből pedig elmozdulások (rezgésamplitúdók) és feszültségek számíthatók.

 

Az örvényleválásokat jól példázza az Északi tengerben fekvő norvég „Jan Mayen” vulkánsziget lépngelvétele a 2270 m magas Beerenberg hegyről leváló felhő-örvényekkel (felső kép: egy laboratóriumi kísérlet felvétele, alsó kép: a sziget lépngelvétele).

 

Táncolás: áramlástanilag instabil szelvény keresztirányú gerjesztése (galloping excitation)

Áramlástanilag instabil szelvényeknél magának a körüláramlott testnek a mozgása hívja létre és vezérli azokat az erőket, amelyek fenntartják, ill. fokozzák a rezgést (magavezérelte, „öngerjesztett” rezgés.)
Keresztmetszet és szélirány függő, például a keskeny derékszögű négyszögszelvény a hosszabbik oldalával a széliránnyal párhuzamosan állva áramlástanilag stabilis, keresztben állva labilis („tapasztalat vízben mozgatott léccel”).

 

 

A táncolás speciális esete az „eső és szél okozta rezgés”, amelyet pl. hidak függesztő kábeleinél is tapasztaltak. Oka, hogy az egyébként áramlástanilag stabil kör keresztmetszet az egyoldalon összegyűlő, periodikusan mozgó és leváló esőcseppek hatására instabillá válik. („rain and wind induced vibration”).

 

Belebegés (flutter)

Olyan öngerjesztett rezgés, amely a rudak elcsavarodásával kapcsolatban lép fel, mégpedig akkor, amikor a rúd csavarási rezgéshez kapcsolódóan a szélirányra merőleges hajlítási rezgést is végez. Először repülőgépszárnyakon észlelték, de előfordult hidakon is. A keresztmetszet elfordulásának változásával változó felhajtóerő hat rá, amely egy kritikus szélsebesség felett egyre nagyobb rezgéseket kelt.
Megjegyzés:
Az előző pontban példának hozott lapos négyszögszelvényt tehát a rövidebb oldalával párhuzamosan fújó szél táncolási rezgésre, a hosszabb oldalával párhuzamosan fújó szél pedig belebegésre gerjesztheti.

 

 

A Tacoma Narrows híd esete
A szél okozta lengésekkel a Tacoma Narrows híd 1940 november 7-én bekövetkezett leszakadása után kezdtek el behatóbban foglalkozni a mérnökök. A rendkívül karcsúra és légiesre tervezett függőhíd már korábban is hírhedt volt erősebb szelek esetén fellépő nagy lengéseiről, innen kapta a „Galloping Gertie” becenevét is.
A repülőgépszárny profiljához hasonló keresztmetszetű merevítőtartón erősebb szél esetén instabilitást okozó emelő-csavaró hatások (belebegés) léptek fel. A hídra végzetes napon kb. 80 km/h sebességű szél fújt. A növekvő lengések miatt a hidat lezárták, ezután még 30 percig ellenállt a pálya ±45° elcsavarodását is okozó lengéseknek, majd a középső nyílás egy szakasza leszakadt. Innentől kezdve új korszak kezdődött a függőhidak tervezésében, egész új tudományágak születtek a szél okozta dinamikai hatások vizsgálatára.

 

A tervezett szolnoki gyaloghíd

A szerkezet ismertetése

 

A hídszerkezet két 120 méter főnyílású ívvel megtámasztott háromövű rácsos tartós pályaszerkezet. A pályaszerkezet 36 és 42 mm átmérőjű tömör rudak kötik fel az ívekre. Az ívek a függőleges síkkal 40 fokos szöget zárnak be. Az ívtartók a vasbeton alépítménybe teljesen be vannak fogva.

 

 

A vizsgálat célja

A gyaloghíd különleges szerkezeti kialakítása indokolja a részletes széldinamikai vizsgálat elvégzését. A pályaszerkezet és az ívtartók különösen nagy szabad nyílása miatt a híd igen karcsúnak tekinthető, és érzékeny lehet többféle aerodinamikai instabilitás szempontjából is.
A pályaszerkezet esetében a belebegés és az örvénygerjesztés jelenthet problémát. A belebegésnél a hídpálya függőleges mozgása és a hossztengely körüli csavarodása kapcsolódhat időben, ezzel egy igen nagy amplitúdójú lengést eredményezve. Örvénygerjesztéskor a hídpályáról leváló örvények függőleges gerjesztő erőt adnak a merevítő tartóra, így egy rezonancia helyzet állhat elő.
Az ívek kör keresztmetszetéből következően az örvénygerjesztés jelenthet szintén mértékadó dinamikus terhelési esetet. Meg kell vizsgálni továbbá, hogy a két egymást követő ívtartó nem jelent-e valamilyen kedvezőtlen aerodinamikai interakciót, és ezzel egy kedvezőtlenebb terhelési esetet.
A kábeleknél is kedvezőtlen lehet az örvénygerjesztés, de fontos kérdés, hogy a ferde kábelelrendezés miatt már áramlástani szempontból ellipszis alakú kábelekre a táncolás nem probléma-e.

A vizsgálat menete

A céloknál leírtaknak megfelelően a vizsgálat az alábbi feladatokra terjedt ki:
-  A merevítő tartó szekciómodelljének elkészítése és szélcsatorna vizsgálata.
-  A híd körüli áramlás (a sebesség- és nyomásmegoszlás), és ebből az erők és nyomatékok, valamint különböző redukált szélsebességek esetén az aerodinamikai együtthatók meghatározása numerikus szimulációval álló és lengő híd esetén.
-  A két, kifelé dőlő ívtartóról leváló örvények következményeként létrejövő dinamikus gerjesztés elemzése numerikus szimulációval.
– A kábelek galopping instabilitási hajlamának vizsgálata numerikus szimulációval.

A szélcsatorna kísérleteket a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszéke, a numerikus szimulációt a Pont-TERV Zrt végezte el a vizsgálatok közös kiértékelésével.

 

Szélcsatorna kísérlet bemutatása

- a szélcsatorna ismertetése

A kísérleti vizsgálatokat a Tanszék vízszintes, recirkulációs rendszerű szélcsatornájában végeztük el. A 600 kW teljesítményű axiális ventilátorból a közeg két fordulókamrán és a szűkítő konfúzoron át jut a 2,6 m átmérőjű és 4 m hosszúságú nyitott mérőtérbe.  

 

 

- a híd szekciómodellje

A szélcsatorna mérésekhez elkészítettük a híd három ismétlődő eleméből álló, 1:10 léptékű, 1,8 m hosszú, kb. 30 kg tömegű szekció modelljét.     

 

 - a híd modell beerősítése a szélcsatornába

 

 - a híd belebegés sajátosságainak vizsgálata
(az aerodinamikus együtthatók meghatározásához)

olajpermet fújás
lézersík vetítés

 

- a híd szekció modellre ható erő és nyomaték mérése

a modellre ható erők és nyomaték mérésének elrendezése  
számítógépes adatgyűjtés

Szerkezetdinamikai modellek

 
– Térbeli rúdmodell
– Két-szabadságfokú modell a hídpálya belebegés vizsgálatához
– Három-szabadságfokú modell a hídpálya belebegés vizsgálatához

 

Aerodinamikai modellek

A hídpálya, az ívtartók és a függesztő kábelek aerodinamikai jellemzőinek meghatározására numerikus-áramlási szimulációkat készítettünk FLUENT 6.3.26 CFD (Computational Fluid Dynamics) programrendszerrel.

2D numerikus (CFD) háló   
leváló örvények a hídpálya mögött

 

3D numerikus (CFD) háló 
áramvonalak 5 m/s áramlási sebességnél

 

2D CFD háló a két ív interakciójára
áramképek az ellipszis szelvény körül

(egymás mögötti főtartó ívek esete) 

(a ferde függesztőrudat szögben éri a szél)

 

Aerodinamikai vizsgálatok

Az előzőkben – részben a szélcsatorna kísérletekből, részben a numerikus szimulációval – meghatározott aerodinamikai jellemzőkkel elvégezhetők az aerodinamikai számítások. A mértékadó szélsebesség 36 m/s (130 km/h).
Az eredményeket az alábbi táblázatban foglaljuk össze:

Sz.elem

Hatás

Vizsgálat eredménye

Megjegyzés

Pálya

örvénygerjesztés

A helyettesítő dinamikus erő:

qdin = 2,7 kN/m << qhasznos =
= 25 kN/m,
megfelel

Ezt támasztja alá, hogy a szélcsatorna-kísérletek során nem tapasztaltunk határozott leváló örvényeket.

táncolás

 

megfelel

A belebegés vizsgálata magában foglalja.

belebegés

A kritikus szélsebesség:
Ucr = 75,4 m/s >
> Umértékadó = 36 m/s,

 megfelel

A  jól egybevágó szélcsatorna és CFD aerodinamikus együtt-hatókkal, a szerkezetdinamikai és áramlástani modellek együttes alkalmazásával

Ív

szélirányú hatás
(széllökés)

Az Eurocode szerinti ekvivalens statikus teher 0.80 kN/m² , jelentősen kisebb a hídszabályzat szerintinél

A hídszerkezetekre vonatkozó magyar helyettesítő torló nyomás értéke 3.00 kN/m², az ívek erre lettek méretezve

keresztirányú hatás (örvénygerjesztés)

Az ív tövében fellépő feszültséglengések és az ív legnagyobb lengés amplitúdói nem jelentősek.
Δσ = 10.8<ΔσL = 14,6 N/mm2

Az U = 73 km/h szélsebességnél az ív tetőpontjának mozgása ~2cm-es amplitúdójú

Az ívtartó esetében megvizsgáltunk nagy mennyiségű örvénygerjesztési terhelési esetet (első 20 lengésalak)

Két ívtartó aerodinamikai interakciójának vizsgálata

A két ív aerodinamikai egymásra hatása nem jelent számottevő hatást, emiatt nem mértékadó.

A szélfelőli ívtartóról leváló örvények az áramlásban az árnyékolt oldalon levő ív felé már egy periodikus áramlás formájában érkeznek. Az ebből adódó többlet terhelést CFD szimulációval határoztuk meg

Kábel

örvénygerjesztés

A számított lengés amplitúdók kicsik (0,5 mm), megfelel

A terhelő erőt és a frekvenciáját az ívhez hasonlóan az Eurocode előírásai alapján vettük fel.

táncolás

A kritikus szélsebesség:
Ucr = 47,4 m/s >
> 1,25 x Umértékadó = 45 m/s,
 megfelel

A táncolással szembeni biztonság megítéléséhez CFD szimulációval határoztuk meg az ellipszis táncolási tényezőjét.


Megjegyzés:
A „legveszélyesebb” esetként vizsgált pálya-belebegésre közöljük a mértékadó hajlítási és csavarási lengésalakokat. A frekvencia közel lévén ezek elvileg kombinálódhatnak, de a viszonylag merev szerkezetnél – mint ezt a részletes vizsgálat is kimutatta – megfelelő biztonság adódik.

6. f=1.6709Hz (merevítőtartó hajlítólengése)  7. f=2.0209Hz (merevítőtartó csavarólengése)