Verfassen einer technischen Analyse dieser Größenordnung – insbesondere in Bezug auf die Windlastkoeffizienten von Winkelstahl Sendemast Querarme in verschiedenen Gierwinkeln – erfordert ein tiefes Eintauchen in die Fluiddynamik, strukturelle Zuverlässigkeit, und die Nuancen internationaler Designvorschriften wie IEC 60826, ASCE 74, und EN 1993-3-1.

Aerodynamische Impedanz und die Grenzschicht-Herausforderung

Wenn wir die Gitterstruktur eines Sendemastes betrachten, Wir betrachten nicht nur ein statisches Objekt; Wir betrachten einen komplexen Filter für turbulente kinetische Energie. Die Winkelstahlelemente (L-Profile) sind aerodynamisch “scharf.” Im Gegensatz zu kreisförmigen Abschnitten, die bei hohen Reynolds-Zahlen eine Drag-Krise erleben, Winkelstahl ist über einen weiten Bereich betrieblicher Windgeschwindigkeiten im Wesentlichen Reynolds-unabhängig. Die Strömungsablösung erfolgt ortsfest an den scharfen Kanten.

Der Kern des Problems liegt in der Berechnung des Windlastbeiwerts ($C_t$) Bei einer Traverse liegt das Zusammenspiel der einzelnen Glieder und die Abschirmwirkung im Vordergrund. Wenn der Wind bei a auf die Traverse trifft $0^\circ$ Winkel (senkrecht zur Längsfläche), Die vorderen Elemente erzeugen einen Wirbelstrom mit hoher Turbulenz und reduziertem Schwung. Die hinteren Mitglieder, sitze darin “Geschwindigkeitsdefizit” Zone, nicht den gleichen dynamischen Druck erfahren. Das ist das “Abschirmfaktor” ($\eta$), Dies ist eine Funktion des Festigkeitsverhältnisses ($\phi$).

jedoch, wenn sich der Windwinkel ändert – sagen Sie es $45^\circ$ oder $60^\circ$– wird diese Abschirmung asymmetrisch. Das Effektive “projizierte Fläche” ($A_n$) Änderungen, aber nicht linear. In vielen traditionellen Designcodes, Die Windlast auf einen Gitterabschnitt wird vereinfacht, indem ein Gesamtkraftkoeffizient verwendet wird, der auf die projizierte Fläche einer Seite angewendet wird. Aber für Winkelstahl-Traversen, die oft komplex sind “K” oder “X” Verspannung, Der Luftwiderstandsbeiwert schwankt stark, weil der “Schärfe” Der Winkelstahl zeigt dem Wind bei jedem Giergrad ein anderes Profil.

Die Physik des Widerstandskoeffizienten ($C_f$)

Im tiefsten technischen Sinne, Der Luftwiderstandsbeiwert für ein isoliertes Winkelelement beträgt ungefähr $2.0$ wenn der Wind weht “innen” der V-Form und etwas weniger beim Auftreffen auf den Scheitelpunkt. Bei Integration in eine Turmtraverse, Wir müssen das Seitenverhältnis berücksichtigen. Entlang, Eine schlanke Traverse verhält sich anders als eine kurze, Stummelig wegen der Wirbel an der Endspitze.

Schauen wir uns die Standardwerte an, die normalerweise als Basis verwendet werden, bevor wir sie analysieren “Anstellwinkel” Variationen.

Tabelle 1: Grundwiderstandskoeffizienten ($C_{ft}$) für Gitterstrukturen (Allgemeine Referenz)

Hinweis: Bei diesen Werten wird davon ausgegangen, dass der Wind senkrecht zum Gesicht steht. Das “Winkeleffekt” ist es, was diese Tabelle komplizierter macht.

Das Phänomen des schiefen Windes

Wenn der Wind nicht senkrecht ist, wir begegnen dem “Kosinusgesetz” Irrtum. Einfache Trigonometrie legt nahe, dass die Kraft abnehmen sollte $\cos^2(\theta)$, Empirische Windkanaltests zeigen jedoch, dass dies bei Winkelstahltürmen selten der Fall ist. Aufgrund der dreidimensionalen Natur des Gitters, bei a $45^\circ$ Winkel, der Wind könnte “sehen” eine höhere Stahldichte als bei $0^\circ$.

Erforschung von Hochspannungsleitungen (besonders $500\text{kV}$ und $800\text{kV}$ UHV-Leitungen) weist darauf hin, dass die maximale Windlast auf die Traverse häufig in einem schiefen Winkel auftritt, normalerweise in der Nähe $30^\circ$ zu $60^\circ$, statt bei $0^\circ$. Dies liegt daran, dass “sich öffnen” der Aussteifungsglieder. Der Wind strömt durch die Vorderseite und trifft auf die zuvor abgeschirmten Teile der Rückseite.

Computergestützte Fluiddynamik (CFD) vs. Windkanaltests

In der Neuzeit, Wir verwenden die Large-Eddy-Simulation (DER) um diese Koeffizienten zu modellieren. Die Herausforderung bei Winkelstahl ist die “Wirbelablösung” von den scharfen Kanten. Diese Wirbel können mit der Eigenfrequenz des Querarms in Resonanz geraten, was zu aeroelastischer Instabilität führt.

Wenn wir uns die Druckkoeffizienten ansehen ($C_p$) über die Oberfläche eines einzelnen L-Profils innerhalb des Querarms, Wir stellen fest, dass der Sog auf der Leeseite des Flansches der Haupttreiber der Widerstandskraft ist. Wenn der Querarm abgewinkelt ist, Ein Flansch des Winkelstahls könnte sich mit der Strömung ausrichten, den individuellen Luftwiderstand erheblich reduzieren, während der andere Flansch zu einem wird “Bluffkörper,” es zu maximieren.

Tabelle 2: Vergleichend $C_t$ Variationen nach Gierwinkel ($\theta$) für typische Querarmstabilität ($\phi \approx 0.2$)

Die obige Tabelle verdeutlicht eine gefährliche Diskrepanz. Herkömmliche vereinfachte Codes gehen oft davon aus, dass der Winkel zunimmt, die Last sinkt. jedoch, für einen Querarm, Die gesamte Windstärke kann tatsächlich Zunahme wenn der Wind direkter auf die Längsträger der Querstrebe und die Diagonalaussteifung trifft.

Die Rolle von Sekundärverstrebungen und Knotenblechen

Wir ignorieren oft die kleinen Dinge – Knotenbleche, Bolzen, und sekundäre redundante Mitglieder. jedoch, in Winkelstahltürmen, diese können das Festigkeitsverhältnis um erhöhen $5\%$ zu $10\%$. Noch wichtiger, Sie erzeugen lokale Turbulenzen “Reisen” der Fluss, verhindert eine saubere aerodynamische Erholung. In meiner Analyse, das “wirksam” Die Breite eines Elements sollte um einen Faktor erhöht werden (normalerweise $1.05$ zu $1.15$) diese Zusammenhänge bei der Berechnung des Windlastkoeffizienten zu berücksichtigen.

Strukturelle Reaktion und Zuverlässigkeit

Warum ist das für den Ingenieur wichtig?? Wenn wir die Windlast bei a unterschätzen $45^\circ$ Winkel, Wir entwerfen die Hauptbeinelemente und die Querarmbefestigungen unzureichend. Das “gegen den Wind” Das Bein des Turms nimmt die angesammelte Last auf. Wenn der Koeffizient $C_t$ ist vorbei $30\%$, der Sicherheitsfaktor von $1.5$ wird effektiv erodiert $1.1$.

Außerdem, Der Querarm ist nicht nur ein Ausleger; Es handelt sich um ein Strukturelement, das bei schrägem Wind einer Torsion unterliegt. Der Wind drückt nicht nur auf die Traverse “zurück”; es versucht, es zu verdrehen, weil der Druckmittelpunkt nicht mit dem Schermittelpunkt des Querarmabschnitts übereinstimmt. Diese Exzentrizität wird durch den winkelabhängigen Windlastbeiwert noch verstärkt.

Erweiterte Formulierungen für Windlast

Sich auf ein Mehr zubewegen “wissenschaftlich” und “tief” Berechnung, Wir sollten die Kraft als Vektorsumme des Widerstands betrachten ($D$) und heben ($L$) Komponenten relativ zur Windrichtung, Lösen Sie sie dann in das lokale Koordinatensystem des Turms auf (Längs und quer).

Die Gesamtkraft $F$ kann ausgedrückt werden als:

Woher:

• $q$ ist der dynamische Geschwindigkeitsdruck.

• $G_z$ ist der Böenreaktionsfaktor (Aufgrund ihrer Höhe und Flexibilität sollte sie bei Traversen höher sein).

• $C_t$ ist unser variabler Koeffizient.

• $A_n$ ist die projizierte Nettofläche.

Das “WAHR” $C_t$ für einen schiefen Winkel $\theta$ lässt sich besser durch eine elliptische oder polynomische Anpassung als durch eine einfache Kosinusfunktion modellieren. Für ein Winkelstahlgitter, eine empfohlene Anpassung für den Koeffizienten $C_{t(\theta)}$ könnte aussehen:

Woher $\alpha$ und $\beta$ sind Konstanten, die aus dem Soliditätsverhältnis und den Elementtypen abgeleitet werden.

Abschließende Gedanken und zukünftige Richtungen

Die Untersuchung von Winkelstahl-Sendemasten verlagert sich von quasistatischen Annahmen hin zu dynamischen, winkelsensitive Realitäten. Das “Anstellwinkel” ist kein Reduktionsfaktor; in vielen Fällen, Es handelt sich um einen Verstärkungsfaktor für bestimmte Elemente innerhalb der Querarmbaugruppe.

Wir müssen uns von der Vorstellung verabschieden, dass die “Worst-Case-Szenario” Der Wind trifft immer frontal auf den Turm. Das komplexe Zusammenspiel der Abschirmung, Wiederanheftung der Turbulenzen, und der hohe Widerstand, der L-Profilen innewohnt, lässt darauf schließen, dass für Türme darüber hinausgegangen wird $50\text{m}$, eine volle $360^\circ$ Eine Windlastanalyse ist erforderlich. Die verwendeten Koeffizienten müssen die widerspiegeln “Gipfel” in schiefen Winkeln gefunden, nicht nur die “Standard” Werte, die in Lehrbüchern des 20. Jahrhunderts zu finden sind.

Der nächste Schritt dieser Forschung wäre die Integration dieser winkelabhängigen Koeffizienten in eine nichtlineare Finite-Elemente-Analyse (FEA) um zu sehen, wie sich die Umverteilung der Kraft auf die Knickfähigkeit des Hauptturmkörpers auswirkt.