Δράσεις του ανέμου επί των κατασκευών

Οι δράσεις του ανέμου είναι καθοριστικές για τη μορφή και τη διαστασιολόγηση των τεχνικών έργων. Έχουν γίνει εκτεταμένες θεωρητικές και πειραματικές έρευνες, αλλά και μακρόχρονες παρατηρήσεις και στατιστικές επεξεργασίες, προκειμένου να προσδιορισθούν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά και να επιτευχθεί η κατά το δυνατόν ακριβής αποτίμηση του τρόπου δράσης του ανέμου.

Δεν θυμάμαι αν ο Αίολος είχε έναν ή περισσότερους ασκούς. Νομίζω όμως ότι στον πολυμήχανο Οδυσσέα έδωσε μόνον έναν ασκό, όπου μέσα του έκλεισε όλους τους ανέμους, αφήνοντας έξω μόνο τον Ζέφυρο, προκειμένου να τον βοηθήσει να γυρίσει στην Ιθάκη. Ασχέτως αν στο τέλος η περιέργεια των συντρόφων του, να δουν μήπως κρυβόταν κάποιος θησαυρός μέσα στον ασκό, τους οδήγησε να τον ανοίξουν, την ώρα που αυτός κοιμόταν, κι έτσι χάλασε το σχέδιο της επιστροφής, αφού οι απελευθερωμένοι απ’ τον ασκό αέρηδες, τους έφεραν μύριες ταλαιπωρίες και τους γύρισαν πάλι πίσω, στην Αιολία, στο πλωτό νησί του Αιόλου.

Αυτοί οι άνεμοι, γνωστοί απ’ τα πολύ παλιά χρόνια, έγιναν αργότερα αντικείμενο ζωγράφων, ποιητών, τραγουδοποιών και κάθε είδους καλλιτέχνη. Ακόμη και σε γραμματόσημα απεικονίσθηκαν, με τα γνωστά αρχαϊκά τους ονόματα (Βορέας, Καικίας, Απηλιώτης κ.λπ.), τα τόσο θελκτικά και προκλητικά για τη φαντασία των μυθομανών και των ονειροπαρμένων. Τα πράγματα μπήκαν στη θέση τους και η απομυθοποίηση μας προσγείωσε στην πραγματικότητα, όταν αργότερα εξηγήθηκε πλήρως το φαινόμενο της δημιουργίας των ανέμων αλλά και όλων των συμπαρομαρτούντων (κυκλώνες, τυφώνες, ανεμοστρόβιλοι, καταιγίδες, λαίλαπες, αληγείς άνεμοι, κ.λπ.).

Οι δράσεις του ανέμου είναι από τις πλέον σημαντικές και καθοριστικές για τη μορφή και τη διαστασιολόγηση των τεχνικών έργων (κτίρια, γέφυρες κ.λπ.). Για το λόγο αυτό έχουν γίνει εκτεταμένες θεωρητικές και πειραματικές έρευνες, αλλά και μακρόχρονες παρατηρήσεις και στατιστικές επεξεργασίες, προκειμένου να προσδιορισθούν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά και να επιτευχθεί η κατά το δυνατόν ακριβής αποτίμηση του τρόπου δράσης του ανέμου επί αυτών.

Tα αποτελέσματα των ερευνών που διαρκούν μέχρι και σήμερα, έχουν αξιοποιηθεί και περιλαμβάνονται στον πλέον σύγχρονο σχετικό κανονισμό, τον Ευρωκώδικα 1-Μέρος 1-4, χαρακτηριστικά αποσπάσματα του οποίου παρουσιάζονται στη συνέχεια. Τεκμηριώνεται έτσι το γεγονός, ότι η επίδραση της ανεμοπίεσης στις κατασκευές πρέπει να αντιμετωπίζεται με ιδιαίτερη προσοχή και επιμέλεια από τους μελετητές μηχανικούς.

Γένεση και φύση των ανέμων

Άνεμος λοιπόν είναι το φαινόμενο της οριζόντιας μετακίνησης αερίων μαζών σε σχέση με την επιφάνεια της γης. Η δημιουργία των ανέμων οφείλεται στην ανομοιόμορφη κατανομή της ατμοσφαιρικής πίεσης στην επιφάνεια της γης. Η ατμοσφαιρική πίεση, δηλαδή η δύναμη που ασκείται πάνω στη μονάδα επιφάνειας λόγω του βάρους της υπερκείμενης στήλης αέρα, εκφράζεται σε μονάδες μιλιμπάρ (mb), όπου 1 mb=100 N/m2. Η μέση τιμή της ατμοσφαιρικής πίεσης στη στάθμη της θάλασσας κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 950~1050 mb. Η άμεση σχέση μεταξύ ανέμου και κατανομής της πίεσης συνεπάγεται την εύκολη απεικόνιση της κίνησης του ατμοσφαιρικού αέρα με τη βοήθεια χαρτών κατανομής ατμοσφαιρικής πίεσης, στους οποίους οι ισοβαρείς γραμμές αντιστοιχούν στα σημεία ίσης ατμοσφαιρικής πίεσης.

Η ανομοιόμορφη κατανομή της ατμοσφαιρικής πίεσης είναι αποτέλεσμα πολλών παραγόντων, κυριότερος από τους οποίους είναι η άνιση θέρμανση της επιφάνειας της γης.
Η μετάδοση θερμότητας από μία ορισμένη περιοχή της γης προς το γειτονικό κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας, προκαλεί διαστολή του αέρα προς τα αμέσως ανώτερα στρώματα, με ταυτόχρονη πτώση της πίεσης στο κατώτερο αυτό στρώμα. Αυτό συνεπάγεται μετακινήσεις αερίων μαζών από τις υψηλότερες προς τις χαμηλότερες πιέσεις, δηλαδή από τα ψυχρά προς τα θερμότερα στρώματα.

Τα κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσματα του ανέμου είναι η διεύθυνση και η έντασή του. Η διεύθυνση είναι κάθετη στις ισοβαρείς γραμμές με φορά προς την περιοχή των χαμηλών πιέσεων, ενώ η ένταση είναι αντιστρόφως ανάλογη προς τις μεταξύ των ισοβαρών γραμμών αποστάσεις. Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά του ανέμου είναι η περιστροφή της γης (δυνάμεις Coriolis), η τριβή του ανέμου στην επιφάνεια του εδάφους, ο βαθμός τραχύτητας της επιφάνειας, η ύπαρξη λόφων, χαραδρών κ.λπ.

Πάνω από έναν τόπο ο άνεμος δεν έχει σε κάθε ύψος την ίδια διεύθυνση και ένταση. Είναι μάλιστα δυνατόν, ο άνεμος που πνέει κοντά στο έδαφος, να είναι τελείως αντίθετος με αυτόν ο οποίος πνέει σε υψηλότερες στάθμες, πράγμα που οπτικά διαπιστώνεται από την αντίθετη κίνηση των νεφών, σε σχέση με τον επιφανειακό άνεμο.

Άνεμος και κατασκευές

Για τους μηχανικούς, εκείνο που έχει σημασία είναι ο τρόπος δράσης του ανέμου πάνω στα τεχνικά έργα (πολυώροφα κτίρια, γέφυρες, ιστοί τηλεπικοινωνιών κ.λπ.), τα οποία βρίσκονται στην επιφάνεια του εδάφους, μέσα στο κατώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας. Αυτό σημαίνει, ότι αφενός πρέπει να είναι γνωστά τα κύρια χαρακτηριστικά του ίδιου του ανέμου (διεύθυνση, ταχύτητα, στροβιλισμοί κ.λπ.), κι αφετέρου η συμπεριφορά της κατασκευής στη δράση του ανέμου. Ο προσδιορισμός των κύριων χαρακτηριστικών επιτυγχάνεται με μακρόχρονες παρατηρήσεις, μετρήσεις και στατιστική επεξεργασία, χωρίς να είναι ποτέ δυνατή η απόλυτα ακριβής αποτίμησή τους, και από την άλλη μεριά, εργαστηριακά πειράματα μέσα σε τούνελ αέρα, με κατάλληλη κλίμακα των ομοιωμάτων των κατασκευών ή των επιμέρους λεπτομερειών τους, δίνουν τον τρόπο δράσης του ανέμου επί αυτών (κατανομή πιέσεων κ.λπ.).

Η ανάλυση των δεδομένων γίνεται ακόμη πιο δύσκολη λόγω των ανωμαλιών της γήινης επιφάνειας, της τριβής επί των πεδιάδων, δασών, λόφων, κ.λπ. Για το λόγο αυτό γίνονται διάφορες απλοποιητικές παραδοχές, έτσι ώστε η εκτίμηση του τελικού τυποποιημένου φορτίου που θα ληφθεί υπόψη στην ανάλυση της κατασκευής, να γίνεται μεν με εύκολο τρόπο, χωρίς όμως να απέχει πολύ από την πραγματικότητα. Η ανάγκη της όσο το δυνατόν καλύτερης προσέγγισης προς την πραγματικότητα είναι περισσότερο επιτακτική ιδιαίτερα στις ευαίσθητες στην καταπόνηση αυτή κατασκευές (π.χ. μεταλλικές ή ξύλινες), όπου η επιρροή της ανεμοπίεσης είναι σημαντική και η συμβολή της στη συνολική εντατική κατάσταση πολύ μεγάλη. Επιπλέον, ενώ οι ασκούμενες δυνάμεις στις κατασκευές είναι δυναμικής φύσεως, εντούτοις, για τους συνήθεις υπολογισμούς γίνεται η παραδοχή ότι επενεργούν στατικά, εκτός ειδικών περιπτώσεων (π.χ. ιστοί τηλεοράσεων, καπνοδόχοι, κρεμαστές γέφυρες κ.λπ.), όπου επιβάλλεται να ληφθεί υπόψη ο δυναμικός χαρακτήρας της ανεμοπίεσης. Όσον αφορά την ίδια την κατασκευή, τα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την ένταση και την κατανομή της ανεμοπίεσης είναι: οι διαστάσεις της κατασκευής σε κάτοψη, η διαμόρφωση του περιγράμματος, η ύπαρξη ανοιγμάτων στις όψεις, το σχήμα και η τραχύτητα της προσβαλλόμενης επιφάνειας, η γωνία προσβολής, ο περιβάλλων την κατασκευή χώρος κ.α. Οι κανονισμοί των διαφόρων χωρών, με τη βοήθεια διαγραμμάτων και πινάκων, και για δεδομένη ταχύτητα ανέμου στη θέση ανέγερσης της υπό μελέτη κατασκευής, δίνουν συντελεστές για τον υπολογισμό της ανεμοπίεσης στα διάφορα σημεία της κατασκευής.

Σήμερα, σε σχέση με τον άνεμο και την επίδρασή του επί των κατασκευών, ο πλέον σύγχρονος κανονισμός είναι ο Ευρωκώδικας 1 (ΕΝ1991 – Μέρος 1-4), στον οποίο έχουν περιληφθεί όλα τα τελευταία συμπεράσματα της έρευνας σε διεθνές επίπεδο. Ένα μέρος αυτού του κανονισμού, ο οποίος αποτελεί το βασικό “εργαλείο” για τον μελετητή μηχανικό, παρουσιάζεται σ’ αυτό το άρθρο, με επιλογή των πλέον χαρακτηριστικών τμημάτων του. Το κείμενο που ακολουθεί, χωρίς κατά κανένα τρόπο να υποκαθιστά το σώμα του κανονισμού του οποίου η έκταση είναι αρκετά μεγάλη (περίπου 150 σελίδες) φιλοδοξεί εν τούτοις να δώσει μια “εικόνα” του, και να τονίσει τη σοβαρότητα και την επιμέλεια με την οποία πρέπει να αντιμετωπίζεται η δράση του ανέμου επί των κατασκευών, ανεξάρτητα από το δομικό υλικό (χάλυβας, σκυρόδεμα, ξύλο κ.λπ.). Ο Ευρωκώδικας 1, παρέχει κανόνες και μεθόδους υπολογισμού των δράσεων λόγω ανέμου σε κτίρια και έργα πολιτικού μηχανικού, καθώς και στα επιμέρους στοιχεία και προσαρτήματά τους για ύψη μέχρι 200 m. Παρέχει επίσης κανόνες για γέφυρες με άνοιγμα μέχρι 200 m, υπό την προϋπόθεση ότι ικανοποιούν τα κριτήρια δυναμικής απόκρισης. Δεν καλύπτονται οι καλωδιωτές γέφυρες με ευθύγραμμα καλώδια και οι κρεμαστές γέφυρες, καθώς και ιστοί υποστηριζόμενοι από καλώδια, δικτυωτοί πύργοι και στύλοι φωτισμού.

Οι δράσεις του ανέμου κατατάσσονται στις μεταβλητές, καθορισμένες δράσεις. Θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ταυτόχρονη επιρροή και άλλων δράσεων επί της κατασκευής (π.χ. χιόνι, κυκλοφορία, πάγος), που είναι δυνατόν να επιφέρουν αλλαγές στην επιφάνεια αναφοράς ή σε κάποιους συντελεστές, καθώς επίσης και αλλαγές του σχήματος κατά τη φάση κατασκευής, που θα μπορούσαν να αλλάξουν την εξωτερική και εσωτερική πίεση ή τα δυναμικά χαρακτηριστικά. Οι κατασκευές οι οποίες είναι ευαίσθητες σε δυναμικές καταπονήσεις, πρέπει να σχεδιάζονται και για φορτία κόπωσης. Οι εύκαμπτες κατασκευές (όπως καλώδια, καπνοδόχοι, ιστοί, γέφυρες, ορισμένα πολυώροφα κτίρια κ.λπ.), πρέπει να σχεδιάζονται έτσι ώστε να αντέχουν στη δυναμική επιρροή της τυρβώδους ροής του ανέμου, η δράση του οποίου είναι μεταβαλλόμενη συναρτήσει του χρόνου.

Επιτρέπεται, πέραν της μεθοδολογίας η οποία προτείνεται σ’ αυτό το Μέρος του Ευρωκώδικα, να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικές μέθοδοι, εφόσον βασίζονται σε αναλυτικές και αριθμητικές τεχνικές που έχουν επαληθευθεί, καθώς και σε μετρήσεις επί τόπου αλλά και σε πειραματικά αποτελέσματα μέσα σε τούνελ αέρα, όπου η προσομοίωση του ανέμου και του περιβάλλοντος την κατασκευή χώρου έχει γίνει με επαρκή ακρίβεια.

Πίεση λόγω ανέμου επί των επιφανειών

Οι δράσεις του ανέμου επί των κατασκευών και επί των επιμέρους στοιχείων τους προσδιορίζονται λαμβάνοντας υπόψη ταυτόχρονα τόσο τις εξωτερικές όσο και τις εσωτερικές πιέσεις ανέμου. Στον Πίνακα 1 φαίνεται η διαδικασία προσδιορισμού των δράσεων αυτών.

  Πίνακας 1. Διαδικασίες για τον υπολογισμό των δράσεων του ανέμου
 Παράμετρος  Παράγραφος αναφοράς στο EN 1991-1-4
 Πίεση ταχύτητας αιχμής qp
 βασική ταχύτητα ανέμου vb  4.2 (2)P
 ύψος αναφοράς ze  Κεφάλαιο 7
 κατηγορία εδάφους  Πίνακας 4.1
 χαρακτηριστική πίεση ταχύτητας αιχμής qp  4.5 (1)
 ένταση στροβιλισμού Iv  4.4
 μέση ταχύτητα ανέμου  vm  4.3.1
συντελεστής τοπογραφίας co(z)  4.3.3
συντελεστής τραχύτητας cr(z) 4.3.2
Πιέσεις ανέμου
συντελεστής εξωτερικής πίεσης  cpe Κεφάλαιο 7
συντελεστής εσωτερικής πίεσης  cpi Κεφάλαιο 7
εξωτερική πίεση ανέμου:  we=qp cpe 5.1 (1)
εσωτερική πίεση ανέμου:  wi=qp cpi 5.1 (2)
Δυνάμεις ανέμου σε κατασκευές
δυναμικός συντελεστής:  cscd 6
δύναμη ανέμου Fw υπολογιζόμενη από τους συντελεστές δύναμης 5.2 (2)
δύναμη ανέμου Fw υπολογιζόμενη από τους συντελεστές πίεσης 5.2 (3)

Εξωτερική πίεση we
Η πίεση του ανέμου η οποία δρα κάθετα στις εξωτερικές επιφάνειες μιας κατασκευής, προκύπτει από τη σχέση:

exisosi1                           (1)
όπου:
qp (ze)= η πίεση ταχύτητας αιχμής.
ze= το ύψος αναφοράς για την εξωτερική πίεση.
cpe= ο συντελεστής εξωτερικής πίεσης.

Εσωτερική πίεση wi
Η πίεση του ανέμου η οποία δρα κάθετα στις εσωτερικές επιφάνειες μιας κατασκευής, προκύπτει από τη σχέση:

exisosi2                            (2)

όπου:
qp (zi)= η πίεση ταχύτητας αιχμής.
zi= το ύψος αναφοράς για την εσωτερική πίεση.
cpi= ο συντελεστής εσωτερικής πίεσης.

Πίεση ταχύτητας αιχμής qp(z)

Η πίεση ταχύτητας αιχμής σε ύψος z, η οποία περιλαμβάνει μέσες και μικρής διάρκειας διακυμάνσεις ταχύτητας, προσδιορίζεται από τη σχέση:

exisosi3(3)

όπου:
ρ= η πυκνότητα του αέρα, η οποία εξαρτάται από το υψόμετρο, τη θερμοκρασία και τη βαρομετρική πίεση που αναμένονται σε μια περιοχή κατά τη διάρκεια ανεμοθύελλας (ρ = 1,25 Kg/m3).
Ιν (z)= η ένταση του στροβιλισμού σε ύψος z.
ce (z)= ο συντελεστής έκθεσης και δίνεται από την παρακάτω σχέση:

exisosi4(4)

qb = είναι η βασική πίεση που δίνεται από τη σχέση:

exisosi5(5)

 

όπου:
vb = η βασική ταχύτητα ανέμου, που ορίζεται ως συνάρτηση της διεύθυνσης του ανέμου και της εποχής του έτους, στα 10 m πάνω από έδαφος κατηγορίας ΙΙ, σύμφωνα με τη σχέση:

exisosi6(6)

Στη σχέση αυτή είναι:
cdir = ο συντελεστής διεύθυνσης
(ίσος με 1,0).
cseason = ο συντελεστής εποχής
(ίσος με 1,0).
vb,0 = η θεμελιώδης τιμή της βασικής ταχύτητας του ανέμου, η οποία είναι η χαρακτηριστική μέση ταχύτητα του ανέμου 10 λεπτών, ανεξάρτητα από τη διεύθυνσή του και την εποχή του έτους, στα 10 m πάνω από το έδαφος, σε ανοικτή περιοχή με χαμηλή βλάστηση, όπως γρασίδι και με μεμονωμένα εμπόδια ανά αποστάσεις μεταξύ τους τουλάχιστον 20 φορές το ύψος των εμποδίων (έδαφος κατηγορίας ΙΙ).

Σύμφωνα, λοιπόν, με το Εθνικό Προσάρτημα, η θεμελιώδης τιμή της βασικής ταχύτητας του ανέμου vb,0 για τη χώρα μας ορίζεται σε:

33 m/s για τα νησιά και παράλια μέχρι 10 km από την ακτή και 27 m/s για την υπόλοιπη χώρα. Η μέση ταχύτητα του ανέμου vm(z), σε ύψος z πάνω από το έδαφος εξαρτάται από την τραχύτητα του εδάφους και την τοπογραφική διαμόρφωση, προσδιορίζεται δε από τη σχέση:

exisosi7(7)

όπου:
cr(z) = ο συντελεστής τραχύτητας.
c0(z) = ο συντελεστής τοπογραφικής διαμόρφωσης.

Η ένταση του στροβιλισμού Iv(z) σε ύψος z υπολογίζεται από τις σχέσεις:
exisosi8(8)

 

όπου:
kI = ο συντελεστής στροβιλισμού (ίσος με   1,0).
Για επίπεδο έδαφος όπου c0(z) = 1, ο συντελεστής έκθεσης ce(z) δίνεται στο διάγραμμα 1, ως συνάρτηση του ύψους z πάνω από το έδαφος και της κατηγορίας εδάφους.

Διάγραμμα 1. Διάγραμμα συντελεστή έκθεσης ce(z) για c0=1,0 και kI=1,0
Διάγραμμα 1. Διάγραμμα συντελεστή έκθεσης ce(z) για c0=1,0 και kI=1,0

Τελική πίεση

Σχήμα 1. Πίεση επί των επιφανειών
Σχήμα 1. Πίεση επί των επιφανειών

Η τελική πίεση του ανέμου επί ενός τοίχου ή ενός επιμέρους στοιχείου είναι η διαφορά των πιέσεων επί των επιφανειών του τοίχου ή του στοιχείου, λαμβάνοντας υπόψη τη φορά των πιέσεων αυτών.
Η πίεση που κατευθύνεται προς την επιφάνεια λαμβάνεται ως θετική, ενώ η αναρρόφηση, το διάνυσμα της οποίας απομακρύνεται από την επιφάνεια, λαμβάνεται ως αρνητική. Στο σχήμα 1 φαίνονται μερικά παραδείγματα σήμανσης της πίεσης.

To άρθρο συνεχίζεται στην ηλεκτρονική έκδοση με τις εξής ενότητες:
– Δυνάμεις ανέμου
– Συντελεστές τραχύτητας και τοπογραφικής διαμόρφωσης
– Δυναμικός συντελεστής cscd
Building Green Magazine 14

Παραγγείλτε τώρα το τεύχος


Σε ηλεκτρονική μορφή για τη συμπλήρωση του αρχείου σας.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνσή σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *