Piirkihi tuuletunneli katsetused hoonetele

Tuul ei jõua hooneni ühtlase vooluna. See saabub atmosfääri piirkihina: maapinna lähedal aeglasemalt, kõrguse kasvades kiiremini, olles igal tasandil turbulentne ja juba häiritud kõigest, mis asub tuulepealsel küljel. Piirkihi tuuletunnel (BLWT) on loodud selle taasesitamiseks, et torni mudel kogeks midagi sarnast tuulele, millega reaalne konstruktsioon kokku puutub.

See on lennunduskatsetustest erinev distsipliin. Aerodünaamikas nähakse vaeva, et muuta vool puhtaks. Tuuletehnikas nähakse vaeva, et muuta see korrektselt "mustaks".

1. Miks standarditest alati ei piisa

Projekteerimisnormid annavad usaldusväärseid tuulekoormusi korrapäraste kujude jaoks standardsel maastikul. Kaasaegne arhitektuur pole sageli kumbki neist. Kitsenevad ja keerdus tornid, avatud poodiumitasandid, suured konsoolid, suure sildeavaga katused ja naaberpilvelõhkujate tihedad klastrid jäävad kõik väljapoole geomeetriaid, mille jaoks normide valemid kalibreeriti.

Normid tunnistavad seda: tuuletunneli protseduur on aktsepteeritud alternatiivne tee peamistes raamistikes — ASCE 7 Põhja-Ameerikas, EN 1991-1-4 Euroopas — ja katsetamine on sageli ainus viis põhjendada lahendust, mida tabelid ei suuda kirjeldada.

Kommertsloogika on tavaliselt lihtsam kui tehniline. Normipõhised koormused ebatavalisel tornil kipuvad olema konservatiivsed ning konservatiivsuse eest makstakse terase ja betooniga kogu hoone kõrguse ulatuses. Katse, mis vähendab arvutuslikke koormusi, võib end konstruktsiooni arvelt mitmekordselt ära tasuda. Mõnikord läheb see aga vastupidi ja paljastab koormusolukorra, mida normid pole kunagi ette näinud — mis on väärt märkimisväärselt rohkem.

2. Mis teeb BLWT erinevaks

Pikk eeljooks. Mudelist ülesvoolu asub arendussektsioon — tornid, tõkked ja karedusdetailide väli —, mille ülesanne on kasvatada õige profiiliga turbulentne piirkiht. Seetõttu on BLWT katseosad pikad: atmosfäär vajab taastekitamiseks vahemaad.

Sobitatud profiilid, mitte ainult sobitatud kiirus. Simulatsioon peab taasesitama keskmise kiiruse profiili kõrguse suhtes, turbulentsi intensiivsuse profiili ja turbulentsi integraalsed pikkusskaalad, mis kõik on kooskõlas sihtmaastiku kategooriaga. Kui keskmine kiirus on õige, kuid turbulents vale, saadakse enesekindlad, ent valed vastused.

Geomeetriline skaala. Hoonemudelid ehitatakse tavaliselt väikestes mõõtkavades — sõltuvalt tunneli suurusest ja eesmärgist enamasti vahemikus 1:200 kuni 1:500 — ning kiiruse ja aja skaalad tulenevad geomeetrilisest skaalast. Aja skaleerimine on see, mis muudab mõneminutilise tunneli töö võrdväärseks tunniajase täiemahulise tormiga.

Ümbrus on osa mudelist. Naaberhoonete lähiümbruse mudel kuni määratud raadiuseni asub koos uuritava konstruktsiooniga pöördlaual ja seda pööratakse läbi erinevate tuulesuundade, sest naabertorni häirete mõjud võivad koormuses domineerida.

3. Peamised katsetüübid

Jäik survemudel. Sajad survemõõtepunktid üle fassaadi, mida sämplitakse suure sagedusega. Annab fassaadikatte rõhud — sealhulgas nurga- ja servatipud, mis määravad klaasimise spetsifikatsioonid — ning kõrgsagedusliku rõhu integreerimise kaudu ka kogukoormused.
Kõrgsageduslik jõukaal. Kerge jäik mudel jäigal kaalul mõõdab baasmomente; konstruktsioonidünaamikat rakendatakse hiljem, et tuletada reaktsioonid erinevate summutus- ja massieelduste jaoks.
Aeroelastne mudel. Mudel taasesitab jäikuse ja massi jaotuse, nii et konstruktsioon ja vool interakteeruvad. See on meetod saledate tornide, suure sildeavaga sillatekkide ja kõige muu jaoks, mida ohustab keeristest põhjustatud vibratsioon, galopeerimine või laperdamine (flutter).
Jalakäijate tuulemugavus. Maapinna tasandi tuulekiirused poodiumi ja sissepääsude ümber, mida hinnatakse mugavus- ja ohutuskriteeriumide alusel — sageli on see uuring, mis muudab maastikukujundust.
Lume ja dispersiooni uuringud. Lume kogunemine katustele ja heitgaaside tagasitõmbumine sissevõtuavadesse.

4. Mida katsetamine tabab, kuid arvutus jätab märkamata

Tuuleristine reaktsioon on suurem kui tuulesuunaline. Saledate tornide puhul on sageli määravaks tuulega risti toimuv keeriste eraldumine. Normid käsitlevad seda ebakorrapäraste kujude puhul algeliselt.

Sünkroniseerumine (Lock-in). Kui keeriste eraldumise sagedus läheneb konstruktsiooni omavõnkesagedusele, võimendub reaktsioon dramaatiliselt. Selle artikli alguses olev foto kujutab täpselt seda mehhanismi miniatuurselt: koherentsed keerised eralduvad tagaservast kindla sagedusega.

Vääne. Ebasümmeetrilise põhiplaani ebasümmeetrilised järelvoolu rõhud tekitavad väändemomente, mida lihtsad jõumudelid ei kajasta.

Interferents. Olemasolevast tornist allavoolu paigutatud uus torn võib kogeda puhangulisi koormusi, mis ületavad tunduvalt eraldiseisva hoone väärtusi — ja võib suurendada ka koormusi oma naabril, mis on nii juriidiline kui ka insenertehniline küsimus.

Lokaalsed tipud. Fassaadikatete purunemised toimuvad nurkades, parapettidel ja katuseservades. Sealsed maksimaalsed imemised on peenekoeline, geomeetriaspetsiifiline tulemus, mida pakub ainult mõõtmine.

5. Mida standardid nõuavad

ASCE/SEI 49-21, Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures, sätestab miinimumnõuded nende katsete läbiviimiseks ja tõlgendamiseks — piirkihi simulatsioon, lokaalsed ja pindalakeskmised koormused, üldised tuulemõjud, aeroelastselt aktiivsed konstruktsioonid, äärmuslik tuulekliima ja lumekoormuse mudeluuringud — ning rahuldab ASCE 7 tuuletunneli katsetamise nõudeid. Euroopas pakub EN 1991-1-4 vastavat raamistikku tuulekoormuste jaoks, kusjuures katsetamine on lahendus konstruktsioonidele, mis jäävad selle käsitlusalast välja.

Rajatise omaniku jaoks on praktiline järeldus järgmine: ei piisa ainult tuult tekitava tunneli omamisest. Tulemuste aktsepteerimine sõltub selle tõestamisest, et simuleeritud piirkiht, mudeli mõõtkava, mõõteinstrumentatsioon ja statistiline töötlus vastavad tunnustatud standardile.

6. Mida see tähendab, kui ehitate rajatist

BLWT on spetsiifiline masin, mitte üldotstarbeline tunnel, millele on lisatud pöördlaud:

Pikkus enne mudelit — karedusdetailide ja tornide arendussektsioon domineerib sageli hoone jalajäljes.
Ristlõige on dimensioneeritud lähiümbruse mudeli jaoks , mitte ainult uuritava konstrukiooni jaoks, hoides blokeeringu piirides kõigi tuulesuundade puhul.
Madalad, hästi kontrollitud kiirused. BLWT töö toimub mõõdukatel kiirustel; stabiilsus ja korratavus on palju olulisemad kui tippkiirus.
Reguleeritav karedus. Maastikukategooriad muutuvad projektiti, seega peab arendusriistvara olema kiiresti ümberkonfigureeritav.
Surve skaneerimine suures mahus. Sajad kanalid suure sämplimissagedusega, lisaks nende taga olev andmetöötlus.
Mudelitöökoda. Kiire ja täpne mudelite valmistamine on osa teenusest, mitte sisseostetud järelmõte.
Pöördlaud ja traavers , mis on integreeritud aerodünaamilisse disaini, mitte lisatud hiljem — sama põhimõte, mida kirjeldame jaotises

Voolu visualiseerimine tuuletunnelis

Kontuuri valik järgib sama loogikat nagu mujal: vaadake

Suletud vs. avatud ringlusega tuuletunnelid teadustööks

ja meie

Horisontaalsed, vertikaalsed ja kaldtuuletunnelid

7. Kes selle eest maksab

Kliendibaas on stabiilne ja institutsionaalne: kõrghoonete arendajad, arhitektuuri- ja ehitusinseneribürood, sildade ametkonnad, staadionite ja lennujaamade projektid ning üha enam ka kindlustusandjad ja linnaplaneerimisorganid, kes on mures jalakäijate tasandi tuule ja äärmuslike tuulte vastupanuvõime pärast.

Piirkonnad, kus BLWT puudub, ekspordivad seda tööd — mudelid, insenerid ja tasud rändavad mujal asuvasse tunnelisse, lisades programmidele nädalaid. See on argument, mis tavaliselt õigustab riikliku või ülikooli rajatise loomist, lisaks selle võimaldatavale teadusväljundile.

8. Piirkihi tunneli spetsifitseerimine

Kui kavandate sellist rajatist, raamivad kontseptsiooni neli sisendit: kõrgeimad ja suurimad konstruktsioonid, mida kavatsete katsetada, maastikukategooriad, mida peate simuleerima, vajalike survekanalite arv ja see, kas aeroelastne katsetamine on algusest peale kavas.

Me projekteerime, toodame ja võtame kasutusele kohandatud tuuletunneleid, mis on ehitatud mõõtmisprogrammi ümber, kusjuures arendussektsioon, mõõteinstrumentatsioon ja mudelite käsitsemine on planeeritud alates aerodünaamilisest kontseptsioonist. Öelge meile, mida teil on vaja katsetada , ja me saadame teile kontseptuaalse paigutuse, sektsioonide mõõtmed ja võimsushinnangu.

Allikad ja märkused

ASCE/SEI 49-21, Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures — käsitlusala, hõlmatud teemad ja selle seos standardiga ASCE 7: ASCE väljaande leht, ANSI veebipoe kirje. Standardi täistekst on tasuline dokument (ASCE Amplify nõuab tellimusega sisselogimist) — siin pole lingitud.
EN 1991-1-4 (Eurokoodeks 1, tuulekoormused konstruktsioonidele) on viidatud kui Euroopa raamistikule; projektispetsiifiliste sätete osas konsulteerige kehtiva rahvusliku lisaga.
Geomeetrilised skaalad ligikaudu 1:200 kuni 1:500 on tüüpiline praktika ja sõltuvad tunneli suurusest, mudeli detailsusest ja sihtmaastikust; need ei ole normatiivne nõue.
Rajatise projekteerimise juhised (arendussektsiooni pikkus, blokeering eri suundades, ümberkonfigureeritav karedus, kanalite arv) on TunnelTech inseneripraktika.
Voolupildid pärinevad TunnelTech katsetustest ja illustreerivad tekstis viidatud keeriste eraldumise mehhanismi; need ei pärine hoonemudeli uuringust.