Větrné tunely pro dnešní stavebnictví

Větrné tunely typu BLWT

Kromě statických zatížení poskytují větrné tunely BLWT i veškerá data o dynamických účincích vyvolaných jak náhodnou vírovou skladbou nabíhajícího větru, tak oscilacemi tlaku na závětrné straně objektů. Zpřesnění zátěže modelováním ve větrném tunelu vede velmi často k podstatným úsporám materiálu vzhledem k návrhovým hodnotám podle norem. U štíhlých rozměrných konstrukcí, typicky u mostů, vysokých budov, stožárů, věží či komínů, experimenty naopak odhalí kritické režimy jejich chování v silném větru.
Způsob modelování přízemní struktury atmosférického větru (či ?simulace? této struktury, což je spíše pracovním názvem) byl vyvinut a optimalizován spojeným úsilím kanadského, amerického, britského a francouzského výzkumu, a spolu s ním také všechny náležitosti experimentální práce s modely, ale i způsob aplikace těchto výsledků pro dimenzování konstrukcí (největší zásluhy jsou zde přičítány Allanu Davenportovi, UWO). Urychlování vývoje výpočetní a měřicí techniky, jež provází BLWT po celou dobu jejich existence, zvyšuje dnes produktivitu testů vzájemným těsnějším propojováním těchto hardwarových technik. Miniaturní tlakové skenery s rychlostí přepínání až 20 kHz, které jsou programovány a ovládány z PC, nahrazují dnes individuální tlakové snímače. Ve spojení s PC se uskutečňuje kvantitativní sledování celých turbulentních polí. K tomu jsou dodávány systémy ?global imaging? využívající výkonových laserů, jako je dnes rozšířený 2D a 3D systém PIV (particle image velocimetry). Vektor okamžité rychlosti částic unášených proudem se zde vyhodnocuje pomocí dvojic záblesků (pokrok zaznamenal i vývoj stopujících částic). Staví se nové BLWT a jejich průřezy dosahují značných rozměrů. Data z BLWT jsou přijímána jako hodnověrná k projektování i validaci výpočetních metod. Není přitom těžké doložit, že i experimentální pracoviště VZLŮ se v důsledku řady dotovaných projektů a dalších státních dotací ocitlo na úrovni celosvětového standardu.

¤ BLWT Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu, a.s., Praha

Historie

Myšlenka přiblížit experimenty s modely staveb realitě užitím silné mezní vrstvy místo rovnoměrného proudění vznikla v Dánsku v poválečném období, kdy struktura atmosféry prostudovaná do stometrových výšek odhalila její příbuznost s mezními vrstvami na povrchu aerodynamických těles, intenzivně zkoumanými především v letectví. Průkopníkem myšlenky byl Martin Jensen, který zformuloval hlavní podmínku modelové podobnosti ? soulad geometrického měřítka modelu a mezní vrstvy. Jeho jméno nese velký větrný tunel v Danish Maritime Institute, kde byly v devadesátých letech modelovány účinky větru na gigantický Normandia bridge. Mezi řadou nejrůznějších objektů byl v tomto ústavu zkoušen i model baziliky s šikmou věží v Pise s přilehlou městskou zástavbou.

Simulace atmosférické struktury a její kontrola

Větrné tunely BLWT, jejichž hlavní části již asi 25 let nedoznávají změn, užívají pasivní simulační systémy s polem umělé drsnosti, což jsou kostky či jiné geometrické prvky pravidelně rozmístěné na dně pracovního kanálu v délce nejčastěji 12 až 20 m. Výběr alternativního drsného pole se řídí požadovanou kategorií drsnosti terénu v souhlase se stavebními kódy [1]. Na vstupu drsného pole bývá umístěn vírový generátor podporující rozvíření proudu blízko nad povrchem (u hladších terénů je to obdélníková bariéra, jinak trojúhelníkové překážky, či eliptické nože s bariérou ve tvaru cimbuří pro nejvyšší kategorie drsnosti). Pohybem vzduchu po drsném poli nabývá mezní vrstva tloušťky kolem 1 m a přechází do stavu energetické rovnováhy, tj. na dalším úseku se její struktura již nemění. Výškové rozložení střední rychlosti, intenzity turbulence (v blízkosti drsných elementů je to asi 30?35 % střední rychlosti) a dalších statistických veličin zde aproximuje profily atmosférického větru. Platí to především v rozsahu technicky důležité povrchové vrstvy, kde důsledky rotace země na rychlostní profil není třeba brát v úvahu (její tloušťka bývá 70 až 100 m).
Charakteristiky modelované mezní vrstvy, které se získávají anemometrem se žhaveným vláknem, jsou pro hodnověrnost výsledků velmi důležité a tvoří součást dokumentace k modelovým experimentům. U štíhlých staveb a mostů je z hlediska vybuzených oscilací důležitá též energetická skladba vírů různé velikosti. Tuto dokládá turbulentní spektrum větru monitorované na jedné či více referenčních výškách. Pro experimenty s mosty bývají žádány též prostorové korelace rychlostních fluktuací v určitém směru. Měřítko modelu pro test v BLWT se nemá příliš odchýlit od měřítka adjustované mezní vrstvy, které se při standardním uspořádání simulačního systému pohybuje nejčastěji mezi 1:300 až 1:400.

Modelování silových účinků větru na budovy a konstrukce

Větrná zátěž se nejčastěji získává početním zpracováním záznamů nestacionárních tlaků z několika set bodů na modelu na požadované charakteristiky. Frekvenční hranice rovnoměrné odezvy měřicích linek se snímači a hadičkami má pokrývat pásmo alespoň do 100 Hz. Výsledné údaje o tlacích a rychlostech se vyjadřují bezrozměrnými součiniteli, nebo jsou po úmluvě se zadavatelem převedeny na výpočtovou rychlost větru v určité nadzemní výšce.
Působení modálních sil na tuhý model lze měřit i přímo, speciálními vysokofrekvenčními vahami. Výrobně nejnáročnější jsou však aeroelastické modely štíhlých objektů (např. mostů), jež vykonávají ve větru oscilace přiměřené skutečnému objektu. Pohyby se zde snímají akcelerometry s velikostí několik mm, fixovanými k povrchu, nebo též bezkontaktně laserovými přístroji. K vyvození závěrů se spektrální charakteristiky zátěže či odezvy obecně porovnávají s výsledky modální analýzy, tj. s vlastními frekvencemi kmitání nosné konstrukce objektu, případně jeho součástí (obložení, střechy, aj.). Účelem zkoušek je postupnými úpravami konstrukce oddálit oblast rezonance za silných větrů. Informace o náležitostech modelování v BLWT ? od požadavků kontroly simulovaného proudění s atmosférickou strukturou až po způsoby aplikace experimentálních dat na stavby ? podává v třídění náročnosti pro projektanty a provozovatele větrných tunelů příručka ASCE [4].

¤ Maximální tlakové rozdíly působící na střechy nástupišť (zpracováno selekcí pro veškeré azimuty větru)

Nové ekologické aplikace. Působení větru na chodce v okolí budov

Po nástupu exploatace BLWT k modelování rozptylu plynných emisí, který byl dovršen v závěru 20. století, se dnes jako nové aplikace z oblasti ekologie objevují také otázky ventilace budov [3] a dále zmiňovaný výzkum větrných podmínek chodců.
Výskyt silných větrů, zvláště u staveb výrazně převyšujících okolní zástavbu, doprovázejí nežádoucí jevy komplikující pohyb osob v jejich blízkosti. Velké atmosférické víry se značnou kinetickou energií se o vrcholy takových budov tříští, doprovázeny vznikem sestupných pohybů vzduchu na fasádách (downwash) vyvolávajících nečekaně silné údery u paty objektů. První prevencí jsou zde přístavby, chránící těsné okolí hlavních vchodů. Je však třeba předvídat i nebezpečné interakce s obdobnými jevy na okolních budovách. Základní orientaci poskytují zde speciální softwary. Zabudované databáze poskytují však omezené možnosti. Důsledné posouzení situace, kterou může vyvolat umístění nových budov, vyžaduje proto přímé modelování se zahrnutím širšího okolí, jaké je dnes běžnou součástí studií k projektům větších stavebních objektů, skupin budov či celých městských celků. Správa měst jako jsou Boston, Toronto, New York a San Francisco vyžadovala například modelování větrné zátěže chodců v BLWT k projektům již na počátku 90. let [4]. Problematikou pohody chodců a volbou jejich kritérií se zabýval nedávný evropský projekt COST C14 [5].
Efektivní měření rychlosti větru mezi budovami v modelové výšce několika mm vyžaduje speciální prostředky. Méně pohodlná, dosud však využívaná metoda posypu poskytuje pouze rozložení střední rychlosti, zatímco úplný popis místní větrné situace k porovnání  s kritérii větrné pohody, jaká jsou dnes ujednocována v evropském a celosvětovém měřítku (únosnost přízemní větrné expozice je hodnocena s ohledem na druhy lidské aktivity, ale i na biologické a další faktory pobytu osob, nacházejících se v exteriéru), zahrnuje kromě střední rychlosti převážně i stanovení turbulence. Časový záznam přízemního větru na modelu, příslušný hodinovému pozorování v plném měřítku pro každý směr větru, se s využitím meteorologických dat zpracovává na četnost překročení zvolené úrovně efektivní rychlosti pro jednotlivá místa [4]. Střední rychlost i míru turbulence na modelu mohou poskytnout poměrně jednoduché sondy tvořené koncentrickými trubičkami (Irwinovy sondy), resp. záznam jejich tlakového signálu. Jsou všesměrové a k měření, které se uskutečňuje při 16 či 24 azimutech větru, se jimi dá osadit více míst modelu. Ve VZLÚ, a.s., byly tak vyšetřovány větrné podmínky chodců na peronech v rámci modelové studie k inovaci nádraží Salzburg. Podobná měření byla součástí experimentální studie k projektu výškových staveb s úpravou okolí v Ostravě.

Důležité pojmy:
Turbulentní proudění ? vířivé proudění s náhodnou strukturou, která se dá současnými experimentálními metodami sledovat k získání jeho statistického popisu. Turbulentní struktura větru způsobuje dynamické namáhání budov a konstrukcí, které je rutinně modelováno ve větrných tunelech typu BLWT.

Mezní vrstva ? oblast přilehlá povrchu tělesa, kde se rychlost proudění důsledkem tření mění z nuly u povrchu na plnou hodnotu rychlosti okolního proudu. Mezní vrstva atmosféry má na plochém terénu tloušťku 350 až 500 m, na nerovném terénu i více. Parametry profilu i tloušťka mezní vrstvy závisí na drsnosti povrchu, kterou například tvoří porosty a zástavba. Vyšší tloušťku a intenzitu turbulence vykazuje oproti hladkému terénu mezní vrstva nad městy.

Energetická rovnováha ? kinetická energie vírů v turbulentní mezní vrstvě přijímaná z okolního proudění na jejím nerovném okraji se po postupném rozmělňování vírů uvnitř mezní vrstvy mění v tepelnou energii. Rovnováha mezi produkcí kinetické energie a její disipací se projevuje neměnným výškovým rozložením veličin napříč mezní vrstvou (střední rychlost má například logaritmické rozložení) a standardním tvarem turbulentního spektra (s typickým mocninným průběhem v pásmu vyšších frekvencí).

Obrázky jsou přetištěny se svolením zadavatelů experimentů.

Použitá literatura
[1] ČSN P ENV 1991-2-4 (73 0035) Zásady navrhování a zatížení konstrukcí. Část 2-4: Zatížení konstrukcí ? Zatížení větrem. ČNI, srpen 1997
[2] Jirsák M., Zachoval D.: Modelování větrné expozice s vlivem údolí Vltavy, Zpráva. VZLÚ V-1838/2005
[3] Jirsák M. a kol.: Tlaková a koncentrační měření na 3D modelu budovy pro optimalizaci ventilačních vstupů a výstupů, Zpráva VZLÚ V-4029/2006
[4] Wind Tunnel Studies of Buildings and Structures, ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 67, American Society of Civil Engineers, 1999 (v r. 2008 se počítá s vydáním českého překladu ve zpracování autora)
[5] Delpech P., Baker C. J. et al.: Pedestrian wind comfort assessment criteria: A comparative case study, 4EACWE Prague 2005, 82?83, #217.