Dynamiczne działanie wiatru

W obliczeniach traktuje się działanie wiatru jako obciążenie statyczne, zakładając wzrost parcia wiatru od zera do ostatecznej wartości w w sposób powolny i ciągły. W rzeczywistości - ze względu na różne czynniki m.in. zmienne prędkości wiatru i inne zjawiska aeromechaniczne - działanie wiatru ma charakter dynamiczny i wywołuje drgania kominów. Ustalenie „modelu” pracy dynamicznej komina nie jest dotąd dokonane jednoznacznie (program uprawnienia budowlane na komputer).

Istnieją dwa poglądy na powstawanie drgań:
1 drgania komina powstają wskutek działania pojedynczych lub powtarzalnych porywów wiatru,
2 drgania komina w strumieniu powietrza o stałej prędkości występują wskutek powstawania tzw. wirów Karmana.
Hipoteza pierwsza idealizuje działanie wiatru jako poziome, jednokierunkowe, o prędkości zmiennej w czasie wg dowolnego prawa oraz przyjmuje okresową powtarzalność wzrostu prędkości (program uprawnienia budowlane na ANDROID).

Te okresowe wzrosty prędkości nazywamy porywami (lub podmuchami) wiatru. Wywołują one (wymuszają) sprężyste drgania giętne komina w płaszczyźnie równoległej do kierunku działania wiatru. Pojedynczy poryw wprawia ustrój w drgania, dalsze, jeśli następują z tym samym okresem (lub jego wielokrotnością) co okres drgań własnych ustroju, powodują wzrost amplitudy i zjawisko rezonansu, które może doprowadzić do katastrofy (uprawnienia budowlane). Oczywiście jest to daleko posunięta idealizacja zjawiska. Kilkakrotna powtarzalność porywów w tych samych odstępach czasu jest wyjątkowa, a drgania ustroju są tłumione i wskutek tego szybko wygasają. Praktycznie więc rezonans wiatrowy jest zjawiskiem wyjątkowym, jednak przy powtarzalności porywów może dojść do znacznego zwiększenia wychyleń.

Ujęcie obliczeniowe sprowadza się tu do określenia drgań własnych konstrukcji i obliczenia współczynnika zwiększającego (dynamicznego), który wprowadza się następnie do obliczeń wytrzymałościowych.
Zasadniczymi parametrami są w tym ujęciu okres drgań własnych konstrukcji oraz okres rozwinięcia się porywu wiatru (program egzamin ustny).

Weryfikacja doświadczalna hipotez drgań

Okres rozwinięcia się porywu wiatru, a więc czas w jakim następuje powtarzalność porywów, powinien być określony z pomiarów meteorologicznych. Dotąd w Polsce nie zajmowano się dokładnie tym zagadnieniem i nie zestawiano pomiarów tego typu. Za granicą prowadzi się pomiary dotyczące przede wszystkim powtarzalności porywów przy największych prędkościach wiatru, co jest zupełnie zrozumiałe, gdyż te są dla konstrukcji najbardziej niebezpieczne.

Hipoteza druga - drgań konstrukcji w strumieniu powietrza o stałej prędkości - poparta jest doświadczeniami w tunelach aerodynamicznych. Idealizuje ona działanie wiatru jako jednokierunkowe, poziome, o stałej prędkości.
Komin (w najprostszym przypadku traktowany jako pręt walcowy) znajduje się w polu przepływu strumienia powietrza poruszającego się w płaszczyźnie prostopadłej do jego osi. Powietrze opływając komin powoduje powstawanie tzw. wirów Karmana, które tworzą się na przemian po obu stronach pręta, a których działanie wywołuje periodyczne wychylenia, a więc drgania pręta w kierunku poprzecznym, prostopadłym do kierunku ruchu powietrza.

Odstępy powstawania wirów Karmana, a tym samym drgań pręta, są zależne od wielu parametrów, przede wszystkim zaś - od prędkości przepływu (opinie o programie). Przy pewnej prędkości (krytycznej) okres tych drgań może pokrywać się z okresem drgań własnych konstrukcji, i jak w hipotezie pierwszej doprowadzić do rezonansu i znacznego zwiększenia amplitud wychyleń.
Weryfikacja doświadczalna hipotez drgań wysokich kominów jest dość trudna (segregator aktów prawnych).

Wszystkie przeprowadzone w naturze pomiary stwierdzają występowanie drgań budowli przy działaniu wiatru. Wibrogramy wskazują zależność drgań od zmiany prędkości wiatru i pozwalają określić drgania jako tłumione. Drgania odbywają się w płaszczyźnie poziomej w dwóch kierunkach. Tak np. obserwacje wierzchołków wież czy kominów wykazały, że opisują one elipsę, której oś (najczęściej krótsza) pokrywa się z kierunkiem działania wiatru.

Nie wiadomo jednak, w jakim stopniu elipsa ta jest wywołana zmianą kierunku wiatru przy porywie, a w jakim stopniu wirami Karmana. W rezultacie drgania te wywołane są prawdopodobnie obiema przyczynami. Wydaje się, że w wysokich kominach żelbetowych o dużych średnicach drgania powstają przede wszystkim wskutek porywów, w niższych zaś o małych średnicach - wskutek wirów Karmana (promocja 3 w 1).