Actiunea vantului

Actiunea vantului

Daca nu exista obstacole miscarea vantului este liniara.

Se produc miscari turbionare care se suprapun peste miscarea de fond a aerului. Turbulenta vitezei vantului are un caracter spatial longitudinal, transversal si vertical. Viteza vantului variaza in timp pentru terenuri cu rugozitati diferite.

Viteza vantului la o inaltime z este data de viteza vantului la inaltimea z + viteza fluctuanta a vantului fata de viteza medie.

V_tz = V_z + V_t

La nivelul pamantului se produce o miscare turbulenta. In aceasta zona viteza instantanee variaza mult in timp si de la un punct la altul. Cu cat inaltimea fata de teren este mai mica viteza vantului scade si creste turbulenta. La o inaltime suficient de mare numita inaltimea gradientului vitezei, aceasta se stabilizeaza. Curgerea devine lenta si este caracterizata de o valoare limita a vitezei numita gradientul vantului. VIteza vantului se masoara cu anemometre.

Determinarea valorilor normate ale vitezei vantului.

Viteza vantului se considera o valoare aleatoare. Pentru calcul, pentru determinarea valorii normate a vitezei vantului se considera forta globala pe directia vantului F_w. Aceasta, pe o arie de constr. de referinta, orientata perpendicular pe directia vantului, se determina cu relatia:

F_w = q_ref x C_v(z) x c_f x c_d x A_ref,

unde q_ref = forta propriu-zisa;

C_v(z) = factor de expunere la inaltimea z deasupra terenului;

c_f = coeficient aerodinamic de forta;

c_d = coeficient de raspuns dinamic la vant al constructiei;

A_ref = aria de referinta.

Valorile factorului de rafala depind in mod esential de intervalul de timp de mediere a vitezei de referinta a vantului.

Valoarea maxima a presiunii vantului la o inaltime z considerata fata de teren:

q_x(z) = c_x(z) x c_f(z) x q_ref

Acesti coeficienti c_(z) pot fi considerati 1 daca nu se asteapta cresteri ale vitezelor vantului datorate efectului de tunel de vant.

Pentru actiunea vantului in proiectare se foloseste codul de proiectare privind bazele proiectarii si actiunii asupra constructiilor a actiunii vantului. (indicative NP 082 - 04, aprobat in 15.02.2005).

In acest cod de proiectare exista o harta de unde se pot lua valorile caracteristice ale vitezei vantului pe un interval mediu de recurenta de 50 de ani, cu 2% probabilitate de depasire intr-un an (pe zone).

Tot aici sunt date valorile caracteristice ale presiunii de referinta a vantului mediate pe 10 minute, tot pe intervalul mediu de recurenta de 50 de ani, cu 2% probabilitate.

Acest cod de proiectare cuprinde principiile, elementele si datele de baza necesare pentru proiectarea la vant a constructiilor din Romania.

Efectele vantului asupra constructiilor si structurilor depend de proprietatile vantului (viteza si turbulenta), de forma, dimensiunile si orientarea constructiei fata de directia vantului, de proprietatile dinamice ale structurii, de amplasamentul construit invecinat. Atat viteza vantului cat si raspunsul structurii la vant sunt modelate ca marimi aleatoare. Actiunea vantului este evaluata fie de presiunea vantului, fie de fortele produse de vant pe constructii si structuri.

Presiunile sau fortele din vant actioneaza perpendicular normal pe suprafata expusa si in unele cazuri trebuie considerate suplimentar si fortele de frecare orizontale tangentiale.

Raspunsul structurilor si constructiilor la vant poate fi clasificat in urmatoarele tipuri:

raspuns static sau cvasistatic;

raspuns datorita turbulentei si curgerii aerului in spatele structurii;

raspuns resonant, provocat de vartejuri, galopare;

raspuns provocat de interferenta unor constructii vecine amplasamentului constructiei.

Raspunsul total pe directia vantului datorita turbulentei poate fi considerat suma componentelor care actioneaza cvasistatic sau suma dintre o componenta rezonanta fluctuanta, provocata de acele fluctuatii avand frecventa in vecinatatea frecventelor proprii ale structurii.

Pentru majoritatea structurilor avand frecventa fundamentala sub 1 Hz, componenta rezonanta este neglijabila si raspunsul la vant poate fi simplificat considerandu-se static.

Actiunea vantului considerata in proiectarea structurilor se poate produce prin forte excesive si instabilitate pentru structura in ansamblu si pentru elementele componente.

Actiunea vantului poate fi considerate prin deplasari si rotiri excessive ale elementelor structurale.

O alta varianta este prin forte dinamice repetate care pot duce la oboseala elementelor structurale (deci prin forte dinamice repetate).

Instabilitate aerodinamica si in acest caz miscarea structurii la vant produce forte aerodinamice care amplifica miscarea.

Miscari ale caror caracteristici pot cauza disconfortul oamenilor din cladire.

Efectele vantului pentru structuri neuzuale de complexitate si dimensiuni diferite, pe structuri cu inaltime mare (antene, poduri suspendate), pentru acestea se fac studii speciale.

Presiunea vantului pe suprafete

Presiunea vantului la inaltimea z deasupra pamantului pe suprafete rigide exterioare sau interioare W(z):

W_(z) q_ref x c_c(z) x c_p,

unde q_ref = sarcina vantului (presiunea de referinta a vantului);

c_c(z) = factorul de expunere la inaltimea z;

c_p = coeficientul aerodinamic de presiune care poate fi cu o valoare

diferita pentru suprafata exterioara si alta valoare pentru cele interioare.

Presiunea vantului pe un element este suma algebrica a presiunilor si sectiunilor pe cele 2 fete ale elementelor.

Presiunea este cea orientate catre suprafata elementului, iar suctiunea este cea orientate dinspre suprafata.

P cu plus

S cu minus

Fortele din vant

Fortele actaonand asupra unei structuri sau asupra unui element structural se determina astfel:

ca forta globala sau prin insumarea presiunilor actionand pe suprafetele structurii. Forta din vant va fi evaluate pentru directia cea mai defavorabila a vantului fata de structura. Forta globala pe directia vantului, pe o arie de constructie de referinta orientate perpendiculara pe directia vantului se determina cu relatia:

F_w = q_ref x C_c(z) x c_f x c_d x A_ref,

unde q_ref = forta propriu-zisa;

C_c(z) = factorul de expunere;

c_f     = coeficient aerodinamic de forta;

c_d = coeficient de raspuns dinamic la vant al constructiei;

A_ref = aria de referinta, orientate perpendicular pe directia vantului.

Viteza de referinta a vantului se noteaza U_ref. Aceasta este viteza vantului mediate pe o durata de 10 minute, determinate la inaltimea de 10 m, in camp deschis si avand o probabilitate de depasire intr-un an de 0,02%. Intervalul mediu de recurenta este de 50 de ani.

Presiunea de referinta (q_ref) este presiunea vantului calculate functie de viteza de referinta si este functie de densitatea aerului:

q_ref = ½ ρ U_ef² ,

unde = densitatea aerului care variaza in functie de altitudine, temperature, latitudine si anotimp

Pentru aerul standard ρ = 1,25 kg/m³, iar q_ref este data in Pascali.

Presiunea de referinta a vantului in Romania, determinate din viteza de referinta mediate pe 10 minute si avand 50 de ani intervalul mediu de recurenta, este indicate in harta de zonare din codul de proiectare.

Rugozitatea terenului sau suprafetei terenului

Reprezinta o masura a marimii vartejurilor vantului turbulent la suprafata terenului.

In codul de proiectare, lungimea de rugozitate in [mm] pentru diferite terenuri este in tabel.

Variatia vitezei medii a vantului este functie de inaltamea terenului si de factorul de rugozitate. Acestea sunt date tot in codul de proiectare ca valori pentru diferite tipuri de teren.

Este dat si raportul intre viteza medie a vantului si viteza de referinta pentru diferite categorii de terenuri.

Intensitatea turbuentei vantului este de fapt coeficientul de variatie al fluctuatiilor vitezei in jurul vitezei medii.

Intensitatea se noteaza cu I si se studiaza la o inaltime z deasupra terenului, calculandu-se cu raportul dintre radacina patrata din valoarea medie patratica a fluctuatiilor fata de medie ale vitezei pe directia vantului si viteza medie a vantului la inaltimea z.

c_f si c_d depind de geometria constructiei, de unghiul de atac al vantului, de categoria de rugozitate a suprafetei terenului si exista 2 moduri de evaluare a efectelor vantului asupra constructiei:

a)     cu coeficient de presiune;

b)     cu coeficient de forta.

La cladiri coeficientii de presiune depend de marimea ariei expuse, functie de aceste arii sunt date valori in codul de proiectare.

Pentru acoperisuri in primul rand ele pot fi plate si sunt considerate plate daca panta este + 4⁰.

Pentru calcul se ia in considerare inaltimea de referinta a acoperisului si lungimea. Daca sunt foarte lungi trebuie luate in calcul si fortele de frecare. Valorile sunt in tabel.

Acoperis cu o panta:

Sunt divizate in zone functie de strasina (sus sau jos).

			La cele lungi se iau in considerare si fortele de frecare.

Acoperis cu doua pante:

P

Acoperis cu mai multe pante:

Pentru fiecare panta se ia in considerare pentru fiecare panta. Se ia h_ref inaltimea maxima.

Acoperisuri cilindrice si cupole:

Se ia h_ref inaltimea pana la inceperea cupolei si sunt dati coeficientii de referinta in tabel.

Presiunea pe peretii exterioari sau pe aciperisuri este si functie de structura acoperisului sau a peretilor.

In cazul peretilor exteriori sau acoperisurilor cu mai multe straturi de inchideri (termosistem sau placari cu BCA), forta din vant este calculate separate pentru fiecare strat de inchidere.

Pentru fiecare strat pe partea interioara sau exterioara sunt dati coeficientii in functie de permeabilitatea la aer a straturilor si de grosime si se gasesc in codul de proiectare functie de felul peretelui sau acoperisului.

Zonarea actiunii vantului asupra constructiilor pe teritoriul Romaniei

Aceasta a rezultat din analize anuale ale vitezei vantului, la 10 m deasupra terenului (de statii meteo), iar rezultatele au fost ordonate in tabele, structurate dupa modelul codului american, viteza caracteristica avand perioada de 50 de ani si coeficientul de variatie functie de maximele anuale date de statiile din Romania pe o perioada de     20 - 50 de ani.