03.7. Воздействие ветра и гололеда

На надежность технических систем ветер оказывает разнообразное влияние: в одних случаях - благоприятное, в других - неблагоприятное влияние на процессы в материалах машин. Кроме того, ветер при больших скоростях действует как силовой (нагрузочной) фактор, создавая дополнительные напряжения. Сила ветра зависит от перепада давлений воздуха, т.е. от расстояния между изобарами.

На технические изделия, расположенные вне помещений, действует ветер и гололед. При обледенении увеличивается размер и масса изделий, что приводит к возрастанию действующих на них аэродинамических и физических нагрузок. Кроме того, гололед и гололедица, действуя на влажные гигроскопические материалы, вызывают образование частичек льда в порах, что снижает электрическое сопротивление этих материалов. Наиболее опасна гололедица, возникающая после оттепели и дождя при резком похолодании. При замерзании влаги, проникшей в материал, происходят микроразрушения этого материала, вызываемые увеличением объема льда.

Оценка влияния гололедно-ветрового режима (ГВР), формируемого случайными метеорологическими факторами (МФ), проводится вероятностно-статистическими методами.

Для расчета интенсивности х параметров гололедно-ветрового режима используют распределение Гудрича ,
где К_хГ, n_xГ - параметры уравнения Гудрича, аппроксимирующие распределение вероятной интенсивности х (определяется по экспериментальным результатам климатологических воздействий).

Исследования статистических связей между толщиной стенки d эквивалентного гололеда (ЭГ) и максимальными скоростями ветра v при гололедно-изморозительных образованьях (ГИО) показывают, что связь между этими переменными незначительна и уравнение двумерного распределения накопленных относительных частот сочетаний d и v имеет вид

где К_dГ, n_dГ, К_vГ, n_vГ - параметры уравнения Гудрича, характеризующие режимы ЭГ и ГИО соответственно;
d_ср, v_ср - среднее значение толщины стенки ЭГ и скорости ветра при ГИО соответственно.

При расчете прочности изделий используют метод эквивалентных нагрузок, основанных на обработке графиков загрузки изделий во времени. Для построения этих графиков (рис. 3.7.1) необходимы сведения о суммарной продолжительности ветра и эквивалентного гололеда (ЭГ)  (суммарная продолжительность действий интервала интенсивности МФ).

Рис. 3.7.1. Зависимость толщины стенки ЭГ d от суммарной продолжительности гололеда 

При переходе льда в жидкую фазу увеличенные размеры пор во многих случаях сохраняются, что создает рыхлость материала. Лед или вода снижают сопротивление электрических проводников. Сухой снег при метелях оказывает истирающее воздействие на поверхности материалов.

Как уже говорилось, ветер оказывает силовое динамическое воздействие на элементы систем.
Распределенная ветровая нагрузка р на 1 м³ наветренной поверхности определяется зависимостью
р=q₀n_hcb,
где q₀ - динамическое давление ветра на высоте 10 м над поверхностью земли, Па;
n_h - поправочный коэффициент на увеличение динамического давления в зависимости от высоты над поверхностью земли;
с - аэродинамический коэффициент, зависящий от аэродинамических свойств элементов машины;
b - коэффициент, учитывающий воздействие, вызываемое пульсацией динамического давления ветра.

Динамические нагрузки вызывают наибольшие напряжения, когда частота пульсации ветра совпадает с частотой собственных колебаний элементов.

Скорость ветра во времени изменяется непрерывно и в широких пределах, изменяется и динамическое давление ветра q₀. На пульсацию давления влияет неоднородность атмосферы, характеристика циркуляции воздуха. Интенсивность пульсации по высоте некоррелирована и пульсации динамического давления ветра близки к нормальному закону распределения.

Пульсация динамического давления ветра может рассматриваться как стационарный случайный процесс, и при этом дисперсия пульсаций давления ветра характеризуется уравнением по М.Ф. Барштейну:
где m(y_s) - коэффициент пульсации динамического давления;
q_ps - среднее значение динамического давления на S-м участке;
k_w - число средних квадратичных отклонений;
y_s - координаты точки S.

Динамическая нагрузка, определяемая пульсацией динамического ветра с учетом собственных колебаний элемента, будет определяться зависимостью

где М_s - масса S-го участка металлоконструкций;
n - число степеней свободы металлоконструкций;
_j - среднее значение коэффициента, учитывающего формы деформации металлоконструкции при свободных колебаниях j-го тона;
- среднее значение коэффициента динамичности при колебаниях j-го тона.