Analiza wpływu oddziaływania wiatru na maszt według TIA-222-H i EN 1993-3-1

Abstrakt

Praca dotyczy statycznej analizy pomiarowego masztu z odciągami wysokości 100 m zlokalizowanego w północno-zachodniej części Stanów Zjednoczonych w stanie Oregon. W obliczeniach wykonanych programem RFEM rozpatrzono oddziaływanie wiatru na maszt według wytycznych dwóch norm: amerykańskiej TIA-222-H i europejskiej EN 1993-3-1. W artykule wykazano różnice między wynikami obliczeń statycznych rozważanego masztu oraz porównano podejścia i wytyczne normowe. Dynamiczną odpowiedz masztu na działanie wiatru uwzględniono z podziałem na obciążenie średnie na całej wysokości konstrukcji i obciążenia odcinkowe. Według normy amerykańskiej, o liczbie przypadków obciążenia wiatrem na maszt decyduje wysokość konstrukcji. W przeprowadzonej analizie na podstawie wytycznych rozważanych norm uwzględniono odpowiednio 4 i 13 odmiennych przypadków obciążenia wiatrem. Różnica w podejściu normy amerykańskiej w stosunku do normy europejskiej jest widoczna również przy przyjmowaniu wartości podstawowej bazowej prędkości wiatru Norma TIA-222-H nakazuje przyjęcie tej prędkości na podstawie 3-sekundowej prędkości wiatru w porywach, mierzonej na wysokości 10 m nad poziomem gruntu przez 50 lat średniego okresu powtarzalności w kategorii narażenia C. Z kolei norma europejska zaleca uwzględnienie tej prędkości jako wartość średnią 10-minutową o prawdopodobieństwie przewyższenia 0,02 co odpowiada średniemu okresowi powrotu 50 lat. Kolejną różnicę między TIA-222-H i EN 1993-3-1 stanowi uzyskanie końcowych wartości sił wewnętrznych do wymiarowania elementów. W przypadku normy amerykańskiej są to maksymalne wartości sił wewnętrznych jako efekt najbardziej niekorzystnych kombinacji obciążeń odczytane bezpośrednio jako wyniki analizy statycznej masztu. Natomiast w przypadku normy europejskiej ostateczne wyniki analizy należy wyznaczyć jako algebraiczną sumę efektów od obciążenia średniego i obciążeń odcinkowych. Do analizy użyto ramowo-kratowy model obliczeniowego trzonu masztu. Obliczenia prowadzono z uwzględnieniem nieliniowej analizy sprężystej II rzędu, z pominięciem wstępnych imperfekcji trzonu masztu. Z przeprowadzonej analizy można zauważyć, że różnice pomiędzy wynikami sił wewnętrznych w krawężnikach trzonu i sił normalnych w odciągach masztu według obu rozważanych norm są bardzo duże. Różnice te w przypadku najbardziej obciążonych elementów są blisko 46% większe w przypadku normy europejskiej w stosunku do normy amerykańskiej. Przy projektowaniu według EN 1993-3-1 należy zatem stosować większe przekroje poprzeczne elementów konstrukcyjnych masztu. W związku z powyższym można stwierdzić, że procedury amerykańskie są znacznie prostsze i mniej rygorystyczne w porównaniu z normą europejską, a zastępcza metoda statyczna przedstawiona w Eurokodzie pozwala na wyznaczenie dynamicznej odpowiedzi masztu z dużym zapasem bezpieczeństwa. Wyniki analiz numerycznych w programie RFEM zostały skonfrontowane z wynikami uzyskanymi w programie SOFiSTiK.