Tiivistelmä. Työn tavoitteena on määrittää Ylivieskan uuden kirkon kellotapulin tuulen vaste. Kellotapuli on korkea ja hoikka teräsristikkorakenteinen masto. Rakenteen keveys ja joustavuus altistaa tuulen staattiselle ja dynaamiselle kuormalle.
Työn ensimmäisessä osassa käydään läpi värähtelyn ja tuulen ominaisuuksia teoreettisesta ja laskennallisesta lähtökohdasta. Toisessa osassa lasketaan näillä keinoilla tapulin värähtelyominaisuuksia ja vaste tuulen kuormalle. Tuulen harmoninen poikkisuuntainen kuorma lasketaan Eurokoodin mukaisesti ja CFD-ohjelmalla mallintaen. Käsin laskettuja tuloksia verrataan FEM-mallinnuksen tuloksiin.
Mitoitusosio tehdään käyttäen Mathcad-ohjelmaa käsinlaskuihin. FEM-mallinnukseen käytetään kahta ohjelmaa. Robot Structural Analysis -ohjelmalla mallinnetaan tapulin ominaistaajuuksia, tuulikuorman jakautumista, tapulin staattista ja dynaamista taipumaa sekä kiihtyvyyksiä. SimScale-ohjelmalla varmistetaan värähtelymitoitus ja tutkitaan tuulen ohivirtauksen poikittaiskuormaa.
Tuulikuormaa käsitellään staattisena ja dynaamisena tuulen suuntaisena kuormana. Tuulen ohivirtauksen aiheuttama pyörreratailmiön kuorma on harmonista ja tuulelle poikittaissuuntaista.
Tuloksina saatiin kellotapulin alimmat ominaistaajuudet, taipumat, kiertymät ja kiihtyvyydet. Alimmat ominaistaajuudet ovat matalia 2,37 Hz ja 2,82 Hz. Pyörreratailmiö ei kuitenkaan ilmene näillä taajuuksilla. Suurimat taipumat ylittävät suositusraja-arvon H/500, mutta ovat hyväksyttävissä. Käyttörajatilan taipuma on noin H/350 ja murtorajatilassa noin H/200.
Eurokoodin ohjeet toimivat staattisen kuorman mitoituksessa, mutta dynaamisen kuorman mitoitus poikkeaa muista laskennoista. Dynaamisen kuorman varmaan laskemiseen tarvitaan tuulitunnelitestausta joko pienoismalleilla tai virtuaalisesti.Analysis of wind effects on a steel mast : bell tower of new Ylivieska Church. Abstract. The subject for this thesis is to determine the wind effects for the bell tower of new Ylivieska church. The bell tower is tall and slender lattice steel tower. The lightweight and flexible frame exposes the bell tower to static and dynamic wind loads.
The first part of the thesis deals with the properties of vibrations and wind from a theoretical and calculational point of view. In the second part, the vibration characteristics of the bell tower and the response to the wind load are calculated by these means. The harmonic transverse load of the wind is calculated according to the Eurocode and modeled with a CFD program. The manually calculated results are compared with the results of the FEM modeling.
The design section uses Mathcad for manual calculations. Two programs are used for FEM modeling. Robot Structural Analysis is used to model the natural frequencies, the distribution of the wind load, the static and dynamic deflections, and the accelerations of the bell tower. SimScale is used to ensure the natural frequencies and to model the transverse load of the wind.
The wind load is treated as a static and dynamic load in the wind direction. The load caused by vortex shedding is harmonic and transverse to the wind.
Calculations results include lowest natural frequencies, deflections, rotations, and accelerations. The lowest natural frequencies are 2.37 Hz and 2.82 Hz. Fortunately, the vortex shedding phenomenon does not occur at these frequencies. The maximum deflections exceed the recommended limit value of H/500 but are acceptable. The deflection in the service limit state is about H/350 and in the ultimate limit state about H/200.
The Eurocode guidelines work for static load sizing, but dynamic load sizing differs from other calculations. To reliably calculate the dynamic load, wind tunnel testing is required either on scale models or virtually
