در مقاله آزمایش تونل باد و توزیع فشار باد بر روی چهار مدل سازه چادری به اندازه گیری مدل سازه چادری می پردازیم.
این آزمایش بر روی سازه های چادری با اشکال و ساختارهای مختلف و در چهار سالن مجزا از دانشگاه صنعتی کراکوف، واقع در کشور لهستان پیاده سازی شده است.
بر اساس اندازه گیری ها، میزان توزیع ضریب فشار باد بر روی این سازه ها با مقادیر میانگین و حداکثر ضرایب تعیین گردیده است.
تحلیلها، مقایسه ها و نتایج به دست آمده از این تست برای طراحان سازه مفید و حائز اهمیت است.
معرفی آزمایش تونل باد و توزیع فشار باد بر روی مدل سازه چادری
در این آزمایش تونل باد، تمرکز اصلی تحقیقات بر روی متغییرهای زاویه باد، ناهمواری زمین و مدل سقف سازه بوده است.
سازه های مورد آزمایش با استفاده از پروفیل آلمینیومی مقاوم ساخته شده است و جنس پوشش پارچه ای آن ها PVC می باشد.
با این حال وزن سبک و انعطاف پذیری بالای این نوع سازه، می تواند آن را در برابر وزش باد، آسیب پذیر کند.
بنابراین اگاهی از میزان مقاومت سازه در برابر توزیع فشار باد بر روی دیواره های جانبی و سقف برای طراحان سازه ضروری می باشد.
کاربرد این سازه ها به طور معمول در ساختمان های صنعتی و کم ارتفاع، سوله های ورزشی و انبارها می باشد.
در گذشته تحقیقات بسیاری برای تاثیر وزش باد بر روی اشکال هندسی مختلف، صورت پذیرفته است.
نتیجه این تحقیقات حاکی از آن است که نوع هندسه سازه بر توزیع فشار روی دیواره های آن تاثیر مستقیم دارد. به ویژه در
سازه های سبک، فشارهای وزش باد محلی هم می تواند ایمنی سازه را دچار مشکل کند.
شرح مدل های سازه چادری
مدلها ی مورد استفاده در آزمایش تونل باد در مقیاس های زیر ساخته شده اند:
مدل الف: 1:37.5 – مدل ب: 1:62.5 – مدل ج: 1:71.4 – مدل د: 1:16
در طراحی مدل های “الف تا ج” از پوشش فوم پلی استایرن اکسترود شده (XPS (استفاده شده است. اما در تهیه مدل “د” ، ورق پلکسی گالس به کار رفته است.
لازم به ذکر است که برش این ورقه ها توسط لیزر انجام شده است.
همگی مدل ها شامل پایه، سقف و دیواره های جانبی می باشند. در شکل 1 می توانید شماتیک مدل ها را مشاهده فرمایید.
شرح تحقیق آزمایش تونل باد و توزیع فشار باد بر روی چهار مدل سازه چادری
• شبیه سازی الیه مرزی
این آزمایشات در تونل باد دانشگاه صنعتی کراکو اجرا شده است. ابعاد اصلی این تونل عبارت است از:
عرض: 2.20 متر طول: 10 متر ارتفاع: 1.40 متر
در بررسی های اولیه، ساختار جریان باد مشخص شد و سپس پروفیل باد با استفاده از یک مانع با ارتفاع 20 سانتی متر ایجاد گردید.
برای اندازه گیری میانگین و نوسان سرعت باد، از دماسنج هایی در 6 نقطه از تونل و درقسمتهای مرتفع ( حدود 30 سانتی متر از سطح کف) استفاده شد.
با بررسی پروفیل باد کم توان و داده های به دست آمده از اندازه گیریها، پارامترهای پروفیل باد به شرح زیر تعیین گردید:
اگر:
مشخصات وزش باد و میزان تلاطم آن درشکل 2 نشان داده شده است: نقاط قرمز، مقادیر به دست آمده از
آزمایش های تونل باد و نقاط سیاه، نحوه عملکرد آنان را نمایش می دهدکه با رگرسیون حداقل مربع تعیین شده است.
• ویژگی های آزمایش تونل باد
پس از مراحل فوق، اکنون مدلها در محل مورد آزمایش قرار گرفتند. برای تغییر و بررسی زاویه وزش باد، از یک فضای دایره ای و چرخان با قطر 2 متر استفاده شده است.
میزان تغییر زاویه 45 درجه معین گردیده است. شکل 3 و 4 جهت گیری مدلها را باتوجه به جهش وزش باد نمایش می دهد.
با توجه به تقارن سازه های چادری آزمایش شده، نقاط اندازه گیری فقط به نصف توزیع شده است. همچنین سرعت فشار باد (qref ) را به عنوان تابعی از زمان در نظر می گیریم.
مقادیر (qref ) در نقطه مرجع به عنوان اختلاف کل فشار حاصل از یک لوله پرانتل و یک پراب فشار استاتیکی محاسبه گردیده است.
حال نوبت به اندازه گیری فشارهای وارده به دیواره های بیرونی مدل های سازه چادری است، برای این کار سنسورهای فشار سنج بر روی دیواره های سازه تعبیه شده است.
این فشارسنج ها در ارتفاعات مختلف از سطح زمین بر روی تمامی دیواره ها قرار گرفته است.
سنسورها همزمان به اسکنرهایی متصل هستند که امکان جمع آوری لحظه ای اطلاعات و سری های زمانی فشار آنی باد را فراهم می کنند.
سرعت اسکن هر سری 200 هرتز بوده و داده ها در مدت 30 ثانیه ثبت می شوند. برای اندازه گیری ها از یک اسکنر فشار موازی 64 کاناله استفاده شده است.
سپس نتایج به دست آمده در هر نقطه برای محاسبه توزیع فشار باد در کل درون ریزی شدند و بدین ترتیب ضرایب فشار برای مقاطع مختلف
سازه تعیین شد.
• معانی و تعاریف اساسی
فشار باد بر روی سطوح خارجی سقف و دیوارهای جانبی اندازه گیری شد ه و میانگین ضرایب فشار باد در مدل ها طبق فرمول زیر محاسبه شد:
اگر:
حداقل و حداکثر مقادیر محل ی ضرایب فشار باد بر اساس میزان فشار باد و انحراف معیار میانگین فشار باد و با استفاده
از فرمول ها ی زیر محاسبه گردیده است.
اگر:
ضرایب محاسبه شده بر اساس فرمول ها ی قبلی برای 8 زاویه تعیین شده است. جریان باد مطابق با شکل 3 در نظر
گرفته شده است.
در طراحی دیواره های اصلی و باربر سازه، نکات زیر باید در نظر گرفته شود:
1. حداکثر و حداقل فشار باد محلی هرگز به طور همزمان در نقاط مختلف از سطح یک سازه چادری رخ نمی دهد.
بنابراین، در فرآیند طراحی دیواره های اصلی و باربر تنها برخی از مقادیر متوسط فشار باد محلی را می توان مدنظر قرار داد.
2. با توجه به این موضوع که سازه های چادری به طور معمول به عنوان سازه موقت بنا می گردند. بنابراین محاسبه میزان وزش باد بر روی این اجسام عملی منطقی و موجه است.
3. معمولا دیواره های باربر یک سازه چادری از نظر هندسی وساخت و ساز مشابه هستند. در واقع از مواد مشترک، اتصاالت مشابه و مقاطع عرضی یکسان استفاده می نمایند.
4. تعداد نقاط جریان هوا برای هر سازه چادری متفاوت است که در میانگین تاثیر باد باید لحاظ گردد. محاسبات ذکر شده در این مقاله تنها برای مسائل استاتیکی قابل استفاده است. چنانچه بخواهیم مواردی نظیر وزن خود سازه، بارهای ناشی از بارش برف، حرارت و… را نیز در نظر بگیریم. محاسبات پیچیده تری را پیش رو خواهیم داشت.
5. وزش باد یک فرآیند تصادفی و وابسته به موقعیت زمانی و مکانی است. بنابراین برای محاسبه دقیق، شناخت فرکانسهای محیطی و زمانی ضروری است.
با درنظر گرفتن همه موارد فوق، لازم است از یک روش محاسبه ساده برای تعیین میزان تاثیر وزش باد در تونل های شبیه سازی شده استفاده نماییم.
این فرمول بر اساس مدل قطعی شبه استاتیک می باشد که در ابتدای مقاله به آن اشاره کرده ایم.
1. مبنای تعیین کنش های شبه استاتیک قطعی فرمول (1) و فرمول (2) است که در آن ضریب فشار محلی، مربوط به سازه ها ی باربر است.
بنابراین در ملاحضات بعدی فرمولهای زیر مورد استفاده قرار گرفتند.
2. حداقل و حداکثر مقادیر همه از ضرایب C هستند که برای هر جهت وزش باد و برای هر دیواره به صورت زیر مشخص می گردد:
3. همچنین می توان از یک روش مشابه دیگر برای تعیین حداقل و حداکثر مقادیر استفاده نمود. بدین صورت که:
4. پس از محاسبه موارد بالا، اکنون باید تفاوت ضرایب تعیین گردد. یعنی:
تمامی ضرایب به صورت شماتیک در شکل 5 ارائه شده است.
5. کمیت های فوق مبنایی برای تعیین عملکرد هر کدام از دیواره ها مطابق فرمول های زیر است:
6. میزان عملکرد باد، حداکثر و حداقل مقادیر دیواره برای یک جهت مشخص و در واحد طول دیواره با فرمولهای زیر محاسبه می گردد:
فرض کنیم که:
L: فاصله بین دیواره های مجاور
Y: ضریب عملکرد وزش باد (پیشنهاد میگردد ضریب ایمنی جزئی در سطح 1.5 نیز لحاظ گردد، معمولا سطح 1.3 برای ساختمانهای معمولی در نظر گرفته می شود) تمامی ضرایب حرکت باد در تونلها مطابق استاندارد 1991-1-4 EN/PN Eurocode می باشد.
با در نظر گرفتن نکات فوق، ضرایب شامل موارد زیر است:
بود
البته در پردازش داده ها و تجزی ه و تحلیل های بیشتر، نتایج آزمون ها نیز در نظر گرفته خواهد شد.
• نتایج آزمایشات تونل باد
نتایج به دست آمده در شکل 6، نحوه توزیع ضرایب فشار متوسط باد را در سطوح خارجی تمامی مدلها نشان می دهد.
فقط به دلیل تقارن، نتایج در 3 زاویه وزش باد (0 درجه، 45 درجه، 90 درجه) برای مدل ها ی A، B و C و در 5 زاویه وزش باد (0 درجه، 45 درجه، 90 درجه، 135 درجه، 180 درجه) برای مدل D تعیین شده است.
علاوه بر این، مقادیر ضرایب حداکثر و حداقل فشار متوسط باد (Cpe ) برای هر دو دیوار جانبی، تلاقی لبه مقاطع و مقطع میانی در جداول 4-1 به صورت خلاصه آورده شده است.
پس از آنالیز مدل A نتایج زیر را می توان استخراج کرد:
بیشترین فشار منفی در نیمه مقاطع ظاهر می شود. بیشترین ضریب فشار باد (cpe )مقدار 2.6 است. که این عدد در قسمت میانی سقف و با جهت وزش 45 درجه باد رخ می دهد.
حداقل ضریب فشار باد، مقدار 1.0 می باشد که در دیواره های جانبی با جهت وزش باد صفر درجه رخ داده است.
بیشترین عملکرد باد در زاویه 45 درجه و در لبه های سازه و کمترین عملکرد مربوط به جهت 90 درجه و قسمتهای میانی سازه می باشد.
در مورد مدل B، بالاترین مقدار cpe در سقف سازه و در جهت وزش باد 45 درجه شکل گرفته و حداقل ضریب آن 1.1 است که در دیواره جانبی و در همان جهت وزش باد به وقوع پیوسته است.
بیشترین تاثیر باد در این مدل در زاویه 45 درجه وزش باد رخ داده است. در مورد مدل C، با توجه به شباهت شکل ظاهری سازه به مدل B، تفاوت مقادیر بسیار ناچیز است.
تنها تفاوت میان مدل B و C در طول سازه می باشد که سبب ایجاد ضریب 3.6 در سقف و در جهت وزش 45 درجه باد گردیده و حداقل ضریب نیز به عدد 1.3 در دیواره جانبی رسیده است.
اما نتایج به دست آمده از مدل D را می توان به این صورت فرموله کرد:
بالاترین مقدار ضریب به دست آمده در جهت وزش صفر درجه باد، عدد 3 را نشان می دهد و حداقل آن 1.6 در و در جهت وزش باد 45 درجه می باشد.
حداقل و حداکثر ضرایب فشار مدل ها در تمامی سطوح به صورت دقیق در جدول 5 ذکر گردیده است.
شکل ،10 حداقل و حداکثر مقادیر اندازه گیری شده فشار باد بر روی دیوارها ی جانبی و سقف تمام مدلها را مقایسه می کند.
جهت باد عمود بر دیوار جانبی 0 درجه بوده و توزیع فشار در سقف ها ی مورد تجزیه و تحلیل بستگی به شکل مدلها دارد.
در سطح مقطع لبه کمترین مقدار از میانگین ضرایب فشار باد 1.8 و برای مدل C می باشد.
حداکثر میزان فشار باد در سطح مقطع برای تمامی مدل ها مورد تجریه و تحلیل قرار گرفت.
برای مدل های A، B و C حداکثر میزان فشار منفی در وسط مقطع سازه رخ می دهد.
اما مدل D نتایج نسبتا متفاوتی را به ما داده است، در این مدل بیشترین فشار منفی را می توان در قسمتهای پایینی دیواره ها شاهد بود.
میانگین ضریب فشار باد در مدل A، برای جریان باد 90 درجه و در سطح مقطع میانی می باشد.
همچنین در لبه های سازه و در زاویه وزش باد 45 درجه شاهد بیشترین ضریب مقدار خواهیم بود.
در این آزمایش تفاوت نتایج مدل B و C به دلیل ظاهر هندسی مشابه، اهمیتی دو چندان دارد.
تنها تفاوت این دو مدل در طول سازه می باشد که سبب بیشتر شدن میزان فشار منفی در مدل C گردد.
این روند در تمامی نتایج به دست آمده نیز قابل مشاهده است.
پس می توان نتیجه گرفت که طول سازه با میانگین ضریب فشار باد رابطه ای عکس دارد.
هرچه طول کمتر باشد مقدار ضریب فشار بیشتر می شود.
به طور کلی در اکثر موارد مورد تجزیه و تحلیل، ضریب فشار متوسط باد در قسمت میانی سطح مقطع و لبه سازه ها رخ داده است.
شکل هندسی سازه نیز تاثیر شایانی در افزایش یا کاهش مقدار ضریب فشار دارد. باالترین مقدار ضریب فشار به دست آمده در زاویه وزش 45 درجه باد بوده است.
بنابراین بهتر است تمامی این موارد در هنگام طراحی سازه های چادری مدنظر قرار گیرد.
نتیجه گیری مقاله آزمایش تونل باد و توزیع فشار باد بر روی چهار مدل سازه چادری
در نهایت پس از اندازه گیری توزیع فشار باد بر رو ی سطوح مختلف مدل ها به نتایج زیر دست یافتیم:
مدل هندسی سازه
در مسائلی که در این مقاله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته اند، شکل هندسی سازه چادری تأثیر قابل توجه ی بر عملکرد باد دارد.
سطوح
بالاترین مقادیر فشار باد منفی در لبه سقف ظاهر می شود، به ویژه درسطح مقطع لبه برای زاویه وزش باد 45 درجه. چنانچه لبه های سقف، تیزی داشته باشند، این مقدار به حداکثر ممکن خواهد رسید.
مقادیر ضرایب فشار باد
بالاترین مقادیر فشار باد مثبت روی دیواره های جانبی طولی برای جریان باد با زاو یه 90 درجه می باشد.
لطفا پس از مطالعه مقاله نظرات خود را برای ما ثبت نمایید با تشکر سازه آریا.