Content area
Abstract
1.1. Szélmérnöki alapfogalmak
A dolgozat témájának tárgyalását alapvetően az építőmérnöki ismeretanyagra alapozom, ezért a kutatásom célkitűzésének megfogalmazása megkívánja néhány szélmérnöki alapfogalom áttekintését.
A szélmérnöki tudományterület hivatott a légköri határréteg szele és az ember, illetve az épített környezet kölcsönhatását tárgyalni (IAWE, 2011). A szakterület felöleli a meteorológiai, az áramlástani és a szerkezetdinamikai ismereteket. Alkalmazási területe kiterjed a legkülönfélébb építmények szerkezeti vizsgálatára (magas épületek, hidak, tornyok), de szorosan kapcsolódik az energia iparághoz is (szélturbinák). Közvetetten kapcsolódik a hasonló környezeti hatásoknak kitett létesítményekhez, pl. tengeri olajfúró tornyok, kikötők.
Szélnek nevezzük a Föld légkörének mozgását, a szél szerkezeteket érő hatásait aerodinamikai hatásoknak, a szerkezeteket terhelő erőket aerodinamikai erőknek, illetve széltehernek. A szél örvényessége, azaz turbulenciája következtében fellépő erők (terhek) a széllökés-terhek. Az aeroelaszticitás az aerodinamikai erők és a szerkezeti hajlékonyság kölcsönhatása, amely a szerkezet túlzott mértékű elmozdulásaihoz és tönkremeneteléhez vezethet. Ezek közül a hidak merevítőtartójának periodikus aerodinamikai stabilitásvesztési formáját belebegésnek nevezzük, az ezt létrehozó erőket pedig öngerjesztett erőknek.
A szélmérnökséggel kapcsolatos fogalmak közül a turbulens szél jellemzőit és a szerkezetekre kifejtett hatásának vizsgálatát a 2. fejezetben, a hidakat érő aeroelasztikus hatásokat a 3. fejezetben ismertetem.
1.2. A belebegésvizsgálat rövid történeti áttekintése
Az aeroelasztikus jelenségek intenzív vizsgálata az I. világháborúval, a repülőgépek megjelenésével kezdődött. A két háború közötti időszakban – a repülőgépszárnyakat idealizáló – síklapra analitikus levezetést készített Theodorsen (1935). Ekkor az aeroelasztikus jelenségekre még csak a repülőgép iparágban fordítottak figyelmet, nevezetesen a repülőgépszárnyak megfelelő alakjának felvételére, illetve az észlelt „beremegések” megértésére.
Az építőipar egészen a Tacoma Narrows híd 1940-ben bekövetkezett tönkremeneteléig nem foglalkozott az aeroelasztikus hatásokkal. Pontosabban, már a híd üzemelése közben megfigyeltek nagy mértékű mozgásokat, annak ellenére, hogy a szerkezetet a megfigyelések időpontjában fellépő szélsebességnél nagyobb szélsebességre méretezték. Az észlelések vizsgálatának szakvéleménye azonban már csak a tragédia bekövetkezte után készült el (Billah és Scanlan, 1991). A híd merevítőtartójának leszakadásának okait neves szakemberek vizsgálták. A tönkremenetelt okozó hatások közül Farquharson (1949) és Bleich (1948) vizsgálatai kizárták a Kármán-féle örvényleválásokat. Ezt a mozgások frekvenciáival támasztottak alá, és megmutatták, hogy a tönkremenetelt a merevítőtartó elmozdulásainak visszacsatolt hatása a szélerőkre, röviden az aeroelasztikus hatások okozták. A kialakult periodikus mozgást, jellege miatt, táncolásnak, később belebegésnek (flutter) nevezték el. A belebegési instabilitás elkerülésére a kritikus szélsebességre egymástól függetlenül Selberg (1961) és Rocard (1963) empirikus képletet adott.
A hidak merevítőtartóinak lamináris áramlásban való vizsgálatára a repülőgépszárnyakra levezetett analitikus összefüggéseket igyekeztek használni, az eltéréseket Klöppel és Thiele (1967) csökkentő szorzók bevezetésével javasolta figyelembe venni. Scanlan és Tomko (1971) a szorzók helyett a keresztmetszetre jellemző aeroelasztikus hatásokat leíró belebegési derivatívum ok bevezetését javasolta. Kísérletekkel igazolták, hogy az aeroelasztikus hatásokat keltő öngerjesztett erők a szerkezet mozgásai és sebességei függvényében lineáris kapcsolattal jól jellemezhetők. A belebegési derivatívumok közül néhányat csak később vezettek be a jelenség teljes leírása érdekében.
Az eltelt évtizedek alatt a szakterület kutatása szerteágazott. Egyrészt a belebegés jelenségét kísérlik megérteni (Bartoli és Mannini, 2008; Nakamura, 1978), illetve az instabilitás kezelését könnyebbé tenni közelítő, egyszerűsített képletekkel. Más kutatók (Chen A., He, et al., 2002; Chen X. és Kareem, 2006) a belebegés pontosabb leírását a vizsgált szabadságfokok növelésében látják. Megint mások további módusokat kívánnak figyelembe venni (Chen X. és Kareem, 2006), esetleg még a derivatívumok további egyszerűsítése mellett is (Øiseth és Sigbjörnsson, 2011). Kísérletek folynak a nemlinearitás figyelembevételére, annak ellenére, hogy az a jelenség posztkritikus leírására lehet a leginkább alkalmas, amely hidak esetében nem feltétletül érdekes, viszont energiatermelő berendezések kifejlesztésében rendkívül fontos, pl. Windbelt (Humdinger Wind Energy LLC., 2011), Caracoglia (2010), FlutterMill (Tang et al., 2009).
A könnyebb kezelhetőség végett a tervezőmérnökök számára léteznek egyszerűsített képletek (Rocard, 1963; Selberg, 1961), közelítő méretezési eljárások (Klöppel és Thiele, 1967), kézikönyvek (Cremona és Foucriat, 2002; Simiu és Scanlan, 1996). Az MSZ 15021/1- 86 (1986) nem ismerte a jelenséget, az érvényben lévő MSZ EN 1991-1-4:2007 (2007) már igen, de összetettsége miatt csak felhívja a figyelmet a jelenség létezésére és szakemberhez irányítja a tervezőt.
