Dynamika kotvených stožárů

METODICKÝ A KONCEPČNÍ PŘÍSTUP
Inženýrské konstrukce jmenované v předešlém odstavci jsou citlivé na zatížení větrem. Jedná se o problém interakce konstrukce a tekutiny (vzduchu). Problém je obecně charakterizován oboustrannou vazbou, tj. není možné řešit odděleně konstrukci a tekutinu. Proudění tekutiny vzduchu je samo o sobě již značně komplikovaným jevem závislým na celé řadě vnějších faktorů. Oblastí zájmu je z pohledu stavebního inženýrství přízemní vrstva atmosféry nazývaná mezní vrstvou (boundary layer). V této vrstvě je proudění vzduchu značně složité, neboť dochází ke kontaktu vzdušného proudu s terénem a překážkami jako jsou stromy, domy a jiné stavby. Tyto překážky způsobují ve vzdušném proudu vznik výrazných poruch-turbulencí. Rychlost vzdušného proudu tedy není konstantní, ale kolísá v čase. Proudění je dále ovlivněno termickými proudy v atmosféře, různou úrovní stratifikace vzdušného proudu (tj. množství vody a prachu přenášené vzduchem) a celou řadu dalších faktorů. Úlohu interakce konstrukce a tekutiny lze zjednodušit, pokud budou dodržena určitá pravidla a podmínky.

Významnou a inženýrsky náročnou lanovou konstrukcí je kotvený stožár. Kotvené stožáry jsou díky svým velkým výškám, kterých dosahují, zpravidla využívány jako vysílače nebo přenašeče signálu pozemního televizního a nebo rozhlasového vysílání, eventuálně rádiových vln.

Základními konstrukčními a funkčními částmi kotveného stožáru jsou dřík, kotevní lana, kotevní a základové bloky a funkční vybavení (zpravidla antény). Konstrukce tělesa stožáru je příhradová nebo plnostěnná, ukotvená v několika výškových úrovních kotevními lany do kotevních bloků. Na dřík stožáru jsou osazeny (obvykle do jeho horní části) anténní systémy, kabina obsluhy, případně jiné funkčně závislé vybavení.

Obr. 1 – Rychlost větru

Vlastnosti kotvených stožárů
Kotevní lana kotveného stožáru vykazují vlivem své malé ohybové tuhosti při jejich zatížení značné hodnoty přemístění. Odezvu kotveného stožáru na zatížení je proto třeba analyzovat podle teorie II. řádu. Tuhost lanové podpory je charakterizována nelineární závislostí mezi jejím zatížením a její aktuální tuhostí, viz Fischer, Pirner [5]. Dále je možné pro určitý předem zvolený úsek zatížení, resp. výchylky pružiny její nelineární charakteristiku aproximovat lineárním průběhem F-u závislosti a tedy aplikací lineární pružiny, o konstantní tuhosti. Významným faktorem ovlivňujícím jak statickou tak dynamickou odezvu kotveného stožáru je předpětí lanového systému. Příliš nízká hodnota předpětí není vhodná, neboť při účincích větru může dojít k úplnému odlehčení některých kotevních lan. Příliš vysoká hodnota také není vhodná, neboť při účincích větru může dojít k vyčerpání únosnosti některých kotevních lan, kromě toho vysoká hodnota předpětí negativně ovlivňuje stabilitu dříku stožáru.

Vazba mezi zatížením a odezvou konstrukce
Tuhost lanové podpory není ve všech směrech jejího působení shodná. Klimatická zatížení stožáru naproti tomu působí v libovolném směru. Důsledkem je, že je třeba analyzovat účinek zatížení na kotvený stožár pro různé směry působení daného zatížení na konstrukci. Tento jev je významný zejména pro dominantní zatížení kotvených stožárů, tj. pro vítr.

Odezva kotveného stožáru na účinek dynamických zatížení závisí na jeho modálních charakteristikách. Vlastní frekvence a tvary stožáru jsou ale ovlivněny jeho zatíženími. Je tedy třeba rozhodnout, nakolik je vliv větru, námrazy a teploty rozhodující pro změnu odezvy stožáru na zatížení dynamickou složkou větru a odtrháváním vírů.

Zatížení větrem
Kotvené stožáry jsou vzhledem ke své malé tuhosti tělesa stožáru a velkým výškám, velmi citlivé na zatížení větrem, který je také jejich dominantním zatížením. Zatížení větrem vyvolá na konstrukci stožáru relativně složitou odezvu skládající se ze statického přemístění konstrukce, dále náhodných dynamických přemístění ve směru a kolmo ke směru větru a střídavých kmitů ve směru kolmém ke směru větru. Pro konstrukci stožáru je možné považovat za velmi nebezpečné zejména posledně jmenované kmity vyvolávající únavové jevy.

Stanovení odezvy na zatížení větrem
Základní otázkou při stanovení odezvy kotveného stožáru na zatížení větrem je korektní stanovení tlaků větru na konstrukci a dostatečně výstižný a jednoduchý model odezvy na tato zatížení.

• Stanovení zatížení
  Vítr je ve své fyzikální podstatě velmi složitý proces, který je pro teoretické účely zpravidla charakterizován jako náhodný jev. Snahou vědeckých a výzkumných pracovníků zabývajících se otázkou velikosti zatížení větrem tedy je najít takový dostatečně jednoduchý model zatížení větrem, který souhlasí, pokud možno do značné míry, s realitou.
• Stanovení odezvy
  Pokud je zatížení stožáru chápáno jako stochastické je zřejmé, že i odezva na toto zatížení má tento charakter. Výpočet odezvy založený na statistických vlastnostech větru tedy předpokládá znalosti jak ze stavební dynamiky tak z oblasti matematické statistiky a teorie náhodných jevů. Situaci dále komplikuje vzájemná oboustranná vazba mezi zatížením a zpravidla nelineární odezvou konstrukce. Cílem výzkumu v této oblasti je vytvoření spolehlivé metodiky založené na pokud možno statistických vlastnostech zatížení spolu s linearizací vazby zatížení-odezva.

Celý tenx naleznete taktéž v čb. příloze časopisu Konstrukce 2/2008. Předplatné.

Autor

• (red)