Испитување во аеродинамичен тунел и дефинирање на влијанието на дејство на ветер врз Антенскиот систем на Водно

Локациските услови, сложеноста на објектот, неговата важност и природните услови за изградба и експлоатација, несомнено го позиционираат Антенскиот систем за контрола и мониторинг на радиофреквенции на територијата на Република Македонија во групата на најкомплексни инженерски објекти во нашата држава, па и пошироко во регионот. Лоциран на врвот на планината Водно во Скопје, на надморска висина од 1034 m, повлекува огромна листа на влијанија, фази и аспекти кои се вклучени и се земени предвид при изработката на проектот и негова реализација на терен. Притоа, лесно може да се дојде до едноставен заклучок дека ветерот како периодична природна појава на врвот на една планина и неговото влијание на напонско деформационата состојба на конструктивниот систем е навистина одлучувачки фактор за кој е неопходен сериозен пристап и знаење.

Предмет на проблематика:

При проектирање на Антенскиот систем и дефинирање на дејството на ветер, наидено е на две пречки. Прва која се јавува е непостоењето на регистрирани метеоролошки услови  на самата локација за минимален период од 10 години, неопходни за теоретско предвидување на дејството на ветерот за повратен период од 50 години, согласно важечките регулативи во Република Македонија. Втората, како поголем одлучувачки фактор, претставува сложената топографија која има големо влијание при определување на карактеристиките на ветерот, а истата не е соодветно третирана во нашите правилници. Грубата поделба за разгледување на објектите во две групи (објекти на надморска височина од 0-1000 м и објекти над 1000 м) доведуваат до несоодветно дефинирање на пресметковната почетна брзина. Понатаму, истата помножена со факторот на топографијата, земен од Европските прописи ја зголемува неа за максимум 1,6 пати. Од наведеново, доколку се разгледаат два објекти на 990 м надморска височина и на 1034 м, се добива разлика од 44% во основната брзина, а за само 44 м разлика во надморската висина.

Од овие две главно наведени причини, а во согланост со препораките дадени во Еврокодот 1 (дел за дејство на ветер), пристапено е кон моделско испитување на Антенскиот систем во аеродинамичен тунел како додаток на теоретските постапки дадени во техничката регулатива за дефинирање на притисок на ветерот кој се предава на конструкцијата, почитувајќи ја топографијата и надморската висина на локацијата.

Испитување во тунел

Аеродинамичкиот тунел CRIACIV со гранични слоеви, каде е извршено испитувањето, се наоѓа во Центарот за истражувачки работи при Универзитетот за Аеродинамика на конструкции и Инженерство на ветер во Прато, Италија. Тунелот е од типот на тунел со отворено циркулирање. Лонгитудинална должина на тунелот е 22 м, попречните пресеци варираат од 2,20 х 1,60 м до 2,40 х 1,60 м. Атмосферскиот граничен слој се развива во еден сегмент со должина од околу 10 м и го следи делот за тестирање. Моторот дозволува да се добие максимална брзина на ветер од 28-30 м/сек (реалната максимална брзина на ветер зависи од опремата која е инсталирана за генерирање на турбуленција). Излезот од тестовите, пак, се состои од временски записи на коефициенти за аеродинамичен притисок. Извршител на експерименталните испитувања е „Ingenieurgesellschaft Nieman & Partner GbR“, спроведени од страна на проф. д-р Ханс Ниман, реномиран експерт во светски рамки во полето на аеродинамиката.

Тунел во Центарот за истражувачки работи на Универзитетот за Аеродинамика на конструкциите и Инженерство на ветер во Прато, Италија

Внатрешност на тунелот

Цел и тек на експерименталната анализа:

Истражувањата се состојат од две испитувања. Првото испитување е мерење на притисоци на тридимензионалниот модел на Антенскиот систем изложен на атмосферски ограничен слој на проток на ветерот, а второто, мерење на силите на издвоен модел на рог изложен на рамномерно и турбулентно дејство на ветер.
Моделот на Антенскиот систем кој е збир од повеќе конструктивни делови (темел, стебло, антенска решетка со антена, платформи и рогови) е направен во размер од М=1:120 и е изработен од пластични материјали користејќи ја техниката на тридимензионално принтање, иновативна техника на производство која овозможува изработка на физички модели со определени физичко-механички карактеристики и високо ниво на прецизност, избегнувајќи го притоа човечкиот фактор за грешка.

Модел на Антенскиот систем поставен за испитување во аеродинамичкиот тунел

Вториот модел на сегмент од роговите со својата специфична геометрија е направен во размер М=1:40, а изработен од дрво со вметнато цврсто јадро од цевка изработена од карбонски влакна.

Модел на сегмент од конструктивен елемент т.н. рог поставен за испитување во аеродинамичкиот тунел

Моделот на Антенскиот систем е инструментиран со 192 сензори за мерење на притисок, поставени на 10 нивоа по неговата висина, со напреден 64 канален систем за аквизиција и обработка на податоците. Целта на аеродинамичките експериментални испитувања на физичкиот модел на Антенскиот систем е да се дефинираат вредностите на притисокот на ветерот кој се предава на стеблото, платформата и роговите, како и соодветните сили од позитивниот и негативниот притисок на ветерот. Со оглед на сложената геометрија на објектот и топографијата на теренот, влијанието на ветерот е истражувано за 40 правци хоризонтално ротирајќи околу оската на конструктивниот систем на физичкиот модел поставен во аеродинамичкиот тунел. Врз основа на извршените експериментални истражувања, со примена на методот „корелација на одговорот на товарот“ – LRC (Load Response Correlation) добиени се еквивалентни статички притисоци со кои понатаму е извршена анализа на Антенскиот систем, односно армирано-бетонското јадро, роговите, платформата и темелната конструкција во осум правци: север, исток, југ, запад, североисток, југоисток, југозапад  и северозапад. Моделот на рогот е изработен со цел да се дознае Рејнолдсовиот ефект и влијанието на правецот на ветeрот. Рејнолдсовиот ефект е испитуван на влијание од 0 и 90 степени. Врз основа на извршените експеримнтални истражувања добиени се вредностите на силите што дејствуваат на пресекот на рогот како и доказ за стабилноста на роговите под дејство на ветер.

По извршените испитувања и аналогија со прописите на Швајцарија и Австрија, констатирано е дека за објекти лоцирани на терени повисоки од 1000 м, во вредноста на основната брзина на ветерот е вклучен и факторот на топографијата. Заради овие причини, повторена е постапката за дефинирање на влијанието на дејството на ветерот. Од мерењето во аеродинамичкиот тунел, добиени се притисоците на ветерот на површината од конструкцијата во функција од нејзината висината Z, во вид на коефициент кој вклучува геометрија на конструкција и топографија на локација и како таков се множи со притисок на ветерот дефиниран според одредбите на стандардот што е на сила во Република Македонија, со што е добиена најнеповолна комбинација на товарење која ја дефинира напонската и доформационата состојба на конструкцијата.

Заклучок:

Од обемните експериментални истражувања лесно може да се воочи дека влијанието на геометријата на објектот, топографијата на теренот, како и природните услови од аспект на ветер, имаат значително влијание за дефинирање на дејството на ветерот врз напонско деформациската состојба на објектот. Со тоа се потврдува потребата од детални и сеопфатни лабораториски испитувања со цел прецизно дефинирање на влијанието на ветер, особено во случај на комплексни инженерски објекти.

Ивона Стефановска, дипл.град.инж.

Ирена Смилјаноска, дипл.инж.арх.