6. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND SOLICITĂRILE STRUCTURILOR DE REZISTENȚĂ ALE SERELOR AMPLASATE PE ACOPERIȘURILE CLĂDIRILOR 6.1. Obiectivele… [310606]

6. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND SOLICITĂRILE STRUCTURILOR DE REZISTENȚĂ ALE SERELOR AMPLASATE PE ACOPERIȘURILE CLĂDIRILOR

6.1. Obiectivele cercetărilor experimentale

Cercetarea experimentală reprezintă unul din modurile principale de abordare a problemelor de investigare științifică fundamentală sau aplicativă. [anonimizat] o [anonimizat]-se problemele științifice pe căile cele mai scurte si mai puțin costisitoare.

Studiile teoretice permit stabilirea interdependenței dintre diferiți parametri ai proceselor tehnice, a [anonimizat] (fizica, chimia, biologia etc.).

[anonimizat] o [anonimizat], [anonimizat] a legilor care determină evoluția fenomenului cercetat.

[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

Obiectivul principal al cercetărilor experimentale din această lucrare a constat în măsurarea în tunelul aerodinamic a presiunilor/[anonimizat], la acțiunea frontală și laterală a vântului, care suflă cu viteze diferite.

În vederea atingerii obiectivului principal al acestor cercetări a [anonimizat]:

• stabilirea corectă a numărului de machete de sere și a [anonimizat], [anonimizat].;

realizarea practică a [anonimizat], dar care se deosebesc prin numărul de pante ale acoperișurilor și prin unghiurile de înclinare ale acestora și adaptarea lor la cerințele studiului în tunelul aerodinamic utilizat;

•stabilirea unei metodici riguroase de cercetare experimentală în vederea studiului presiunilor și a [anonimizat] [146] ( Codul de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului Asupra Construcțiilor INDICATIV CR 1-1-4/2012), care să confere garanția că rezultatele obținute prin cercetare sunt corecte;

•determinarea presiunilor/[anonimizat], dar și asupra acoperișurilor înclinate cu unghiuri diferite;

•determinarea forțelor de apăsare exercitate de vântul care suflă cu viteze diferite pe direcțiile frontale și laterale ale celor cinci machete,

•calculul coeficienților globali de rezistență aerodinamică a modelelor de sere cercetate și compararea lor cu cei prevăzuți în CR 1-1-4/2012

•prelucrarea, analiza și interpretarea rezultatelor cercetărilor experimentale și compararea lor cu cele obținute la cercetările teoretice.

În scopul desfășurării cu succes a cercetărilor experimentale au fost desfășurate o serie de activități preliminare care au vizat, în special, cunoașterea performanțelor și a modului de lucru cu tunelul aerodinamic utilizat la aceste cercetări.

6.2. Obiectele cercetărilor experimentale

Obiectele cercetărilor experimentale sunt reprezentate de cinci machete de sere (fig. 6.1), realizate din material plastic cu grosimea de 2,5 mm. Pentru a se putea compara rezultatele cercetărilor experimentale, între ele, dar și cu cele ale cercetărilor teoretice, s-a stabilit ca suprafețele bazelor și înălțimile tuturor machetelor să fie identice, deosebirile dintre ele constând în numărul de pante ale acoperișurilor, unghiurile de înclinare ale acestora și volumele utile.

Fig. 6.1. Cele 5 machete de sere realizate pentru cercetările experimentale

Machetele cu numerele 1, 2, și 3 au acoperișurile alcătuite din câte două pante (conforme cu figura 4.5 din CR 1-1-4/2012); macheta nr.4 are acoperișul format din patru pante (conformă cu figura 4.9 din CR 1-1-4/2012 ), care formează o coamă, iar macheta nr. 5 are acoperișul format din patru pante identice, care formează un vârf. Pentru a se conferi machetelor suficientă rigiditate la acțiunea vântului, panourile din material plastic au fost fixate cu șuruburi pe profile modelate din tablă cu grosimea de 1,5 mm.

Deoarece tunelul aerodinamic este prevăzut cu 16 tuburi cu diametrele exterioare de 3 mm, utilizate pentru măsurarea presiunii exercitată de vânt, în pereții verticali frontali și laterali, precum și pe pantele acoperișurilor au fost practicate, în poziții considerate reprezentative, mai multe orificii cu diametrele de 3 mm. Orificiile care nu au fost utilizate la măsurarea presiunilor au fost acoperite cu bandă adezivă. De asemenea, la măsurarea forțelor de împingere exercitate de vânt asupra machetelor toate orificiile au fost acoperite.

De asemenea, la toate machetele s-a executat în placa de bază câte un orificiu cu diametrul de 30 mm prin care s-au introdus în interiorul machetelor și s-au fixat în orificiile practicate în pereți și acoperișuri tuburile pentru măsurarea presiunii/depresiunii vântului. Orificiul din plăcile de bază (v. fig. 6.2…6.6) a servit și la fixarea cu ajutorul unor cleme adecvate, a machetelor în tunelul aerodinamic.

Tabelul 6.1

Caracteristicile geometrice ale machetelor de sere utilizate la cercetările experimentale

Caracteristicile geometrice ale machetelor folosite la cercetările experimentale sunt precizate în tabelul 6.1., în care notațiile au următoarele semnificații (a se vedea și figurile 6.3…6.7): α1- unghiul format de pantele principale ale acoperișului; α2 – unghiul format de pantele secundare ale acoperișului; Ab-aria bazei, egală la toate machetele; H –înălțimea machetei, egală la toate modelele; V volumul interior al machetei; Afv aria peretelui frontal vertical; Afac aria suprafeței acoperișului frontal; Alv – aria peretelui vertical lateral; Alac.-aria suprafeței acoperișului lateral; At – suprafața totală a pereților și acoperișului.

Trebuie precizat că formele celor 5 machete de sere nu s-au ales întâmplător, ele fiind rezultatul analizei celor mai multe dintre formele de sere care se utilizează în prezent pe sol sau pe acoperișurile clădirilor. Înseamnă că asemenea forme satisfac nu numai cerințele de mediu pentru un mare număr de plante, dar corespund și sub aspect economic, în sensul utilizării unor materiale și echipamente accesibile sub aspectul raportului fiabilitate/preț, fiind verificate de practică.

În mod detaliat caracteristicile geometrice ale celor cinci machete se prezintă în figurile 6.2…6.6, în care cu a se notează schița, iar cu b – fotografia fiecărei machete, denumite și modele.

6.3. Metodica cercetării experimentale

În vederea atingerii obiectivului principal și obiectivelor subsidiare ale cercetărilor experimentale s-a conceput și s-a urmărit metodica generală prezentată în figura 6.8.

Aspectul principal care s-a avut în vedere la proiectarea metodicii (programului) cercetărilor experimentale a fost acela de a se respecta elementele principale prevăzute în Codul de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului asupra Construcțiilor INDICATIV CR 1-1-4/2012. Din analizele efectuate în Capitolul 3 asupra construcțiilor de sere clasice (pe sol) și a tendințelor se referitoare la cele amplasate pe acoperișurile clădirilor se constată că se preferă formele care să asigure la cel mai înalt nivel cerințele plantelor față de factorii de mediu, să fie rezistente la acțiunea vântului și a altor intemperii etc., iar cele de pe acoperișuri să satisfacă cerințele de arhitectură urbanistică.

Din aceste considerente machetele de sere au acoperișurile cu două sau patru pante , iar coeficienții de rezistență aerodinamică din Codul specificat au în vedere direcțiile frontale și laterale din care suflă vântul În felul acesta rezultatele cercetărilor experimentale pe aceste machete se pot compara cu cele specificate în normele respective. Pe de altă parte, viteza maximă care poate fi imprimată curentului de aer în tunelul aerodinamic disponibil pentru cercetările experimentale este de 30 m/s, satisfăcătoare pentru condițiile climatice din România, dar insuficientă pentru condițiile din alte țări (ex. SUA).

Deși nu se precizează explicit în metodica de cercetare din figura 6.7, au fost necesare mai multe repetări ale cercetărilor până au fost eliminate micile disfuncțiuni și s-au însușit toate elementele cerute de normele din construcții referitoare la aceste cercetări.

a

b

Fig. 6.2.Caractericticile geometrice ale modelui nr. 1

a

b

Fig. 6.3.Caractericticile geometrice ale modelui nr. 2

a

b

Fig. 6.4. Caracteristicile geometrice ale modelului nr. 3

a

b

Fig. 6.5. Caracteristicile geometrice ale modelului nr. 4

a

b

Fig. 6.6. Caracteristicile geometrice ale modelului nr. 5

Fig. 6.7. Metodica generală a cercetărilor experimentale

6.4. Echipamentele și aparatura folosite la cercetarea experimentală

Principalul echipament utilizat la cercetările experimentale a fost tunelul aerodinamic HM170 Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany [91], aflat în Laboratorul pentru Studierea Energiei Eoliene din cadrul Departamentului.de Design de Produs, Mecatronică și Mediu de la Universitatea Transilvania din Brașov, a cărui vedere generală se prezintă în figura 6.8.

Fig. 6.8. Tunelul aerodinamic HM170 Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany [127], [91]

Acesta este un tunel subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită).Elementele constructive ale acestui tunel sunt specificate în figura 6.9. Zona de măsurare are secțiunea de 287×287 mm și lungimea de 365 mm, este confecționată din plexiglas transparent, iar suprastructura se deplasează longitudinal pentru introducerea și scoaterea obiectelor supuse cercetărilor experimentale..

Fig.6.9. Structura tunelului aerodinamic [91]

Modelul experimental 1 este fixat în secțiunea de măsurări 2. Aerul este absorbit în tunel prin pâlnia de alimentare 5, iar curgerea laminară este asigurată prin secțiunea 4 (eventualele componente transversale ale circulației aerului sunt reduse la zero). Curgerea laminară a aerului este accelerată de aproximativ 3,3 ori în secțiunea 3, iar în zona 6 a tunelului se realizează decelerarea vitezei aerului, care este exhaustat în exterior prin ventilatorul 7 [91].

Echipamentul pentru măsurarea forțelor constă din traductorul de forță 8, care este solidar cu modelul experimental 1 (fig.6.10). Prin acest traductor, în interiorul tunelului se pot realiza măsurări (după două direcții–împingere și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de împingere (drag) și de portanță (lift). Valorile măsurate pentru forțe se pot vizualiza pe ecranul amplificatorului 9 ( fig.6.10).

Fig. 6.10. Sistemul de măsurare[91] Fig. 6.11. Tubul manometric [91] Fig. 6.12. Panoul de comandă [91]

Viteza aerului în secțiunea de măsurări 2 se poate citi la tubul manometric înclinat 10 (fig.6.11). Panoul de comandă 11 (fig.6.12) conține un comutator principal ON/OFF de alimentare cu energie electrică, un buton de oprire de urgență, un buton de reglare a vitezei aerului (convertor în frecvență) și un comutator ON/OFF al ventilatorului.

Șina 12 permite translatarea peretelui lateral al secțiunii de măsurări și accesul la interiorul secțiunii Sistemul este amplasat pe batiul 13 prevăzut cu role.

Măsurarea presiunilor se realizează cu manometrul multitub (fig. 6.13) atașat tunelului.

Fig. 6.13 Vedere a manometrului multitub pentru măsurarea presiunilor [93]

Manometrul multitub (fig.6.14) [93] conține 16 tuburi Prandtl de tip manometru cu scală gradată 2, montate pe un panou rabatabil 1. Fiecare tub manometric este prevăzut, în partea superioară, cu o duză de conexiune 3. Alimentarea cu apă se realizează prin intermediul rezervorului 4, conectat la tubul de legătură 5. Prin construcție, manometrul multitub oferă posibilitatea de măsurare a presiunilor absolute sau relative ale aerului, a presiunilor statice sau dinamice ale aerului aflat în curgere. Panoul se poate orienta în 3 poziții de înclinare prin intermediul pârghiei 6, oferind astfel posibilitatea de măsurare a presiunilor foarte mici. Înclinarea panoului se poate citi pe indicatorul 7: 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o). Fixarea pe direcție verticală a panoului se realizează prin intermediul șuruburilor 8, ținând seama de indicatorul 10. Fixarea panoului pe standul 11 se realizează prin șuruburile de strângere 9.

Fig. 6.14 Structura manometrului multitub pentru măsurarea presiunilor [92]

Pentru alimentarea cu apă, rezervorul se fixează la mijlocul tuburilor manometrice și se alimentează cu apă până la jumătatea înălțimii rezervorului (fig.6.15).

Fig.6.15. Alimentarea cu apă [93] Fig.6.16. Nivelul apei [93] Fig.6.17. Reglarea înclinării [93]

La alimentarea cu apă, duzele superioare ale tuburilor manometrice sunt neconectate, și conform principiului vaselor comunicante, nivelul apei este același în rezervor și în toate tuburile (fig.6.16), ținând seama de presiunea atmosferică.

Pentru acuratețea măsurătorilor se poate regla înclinarea panoului (fig.6.17) la 1:2 (63,4o), 1:5 (78,7o), 1:10 (84,3o), prin acționarea pârghiei 6 (v. fig. 6.14) și citirea indicatorului 7.

Anemometrul termic (fig. 6.18) face parte din aparatura necesară utilizării tunelului aerodinamic, cu ajutorul său reglându-se și verificându-se viteza curentului de aer în timpul desfășurării cercetărilor experimentale[47].

Fig.6.18. Anemometrul termic atașat tunelului aerodinamic [47]

Anemometrul termic are următoarea structură și facilități: 1 – senzor de tip marcă tensometrică; 2 – buton on; 3 – buton off; 4 – buton de luminare a ecranului; 5 – buton de calcul a valorii medii măsurate; 6 – setare a unității de măsură; 7 – buton de calibrare; 8 – buton de memorare; 9 – buton de ștergere a valorii memorate; 10 – buton de afișare a valorii minime, maxime, medii măsurate de la activarea butonului “on”; 11 – buton de afișare a temperaturii măsurate; 12 – buton de afișare a vitezei vântului măsurate; 13 – buton derulare jos; 14 – buton derulare sus; 15 – afișare valoare temperatură măsurată; 16 – afișare viteză a vântului măsurată.

6.5. Desfășurarea cercetărilor experimentale

Cercetările experimentale s-au desfășurat în Laboratorul pentru studierea energiei vântului din cadrul Departamentului.de Design de Produs, Mecatronică și Mediu de la Universitatea Transilvania din Brașov, ultimele probe făcându-se în data de 19. 03. 2016.

Pregătirile pentru efectuarea cercetărilor experimentale au vizat verificarea stării tehnice a machetelor și dispozitivelor adiacente acestora, funcționarea la parametrii nominali a tunelului aerodinamic, anemometrului și a celorlalte echipamente aflate în dotarea acestuia și necesare acestor cercetări.

6.5.1. Măsurarea presiunii exercitată de vânt asupra machetelor

Pentru măsurarea presiunilor se realizează sistemul de testare conform schemei din figura 6.19, ținând seama de următoarele aspecte:

Fig.6.19. Sistemul de măsurare a presiunilor[93]

duzele superioare ale tuburilor manometrice sunt conectate prin intermediul furtunurilor flexibile 1 la duzele cilindrului 2;

duza rezervorului 3 este conectată printr-un furtun flexibil la secțiunea de măsurare 4,pentru măsurarea presiunii statice (măsurarea presiunii statice se poate realiza și fără această conexiune, prin intermediul manometrului înclinat 10 al tunelului aerodinamic ( v. fig.6.17);

se înclină manometrul multitub pentru a asigura un domeniu de măsurare de ±500 Pa (în cazul înclinării, valoarea citită trebuie împărțită la factorul de înclinare);

se aliniază rezervorul 3 la poziția 0 prin deplasarea pe verticală;

pe panoul de comandă 11 (v. fig. 6.9) al tunelului aerodinamic, butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.6.20);

Fig.6.20. Panoul de comandă al tunelului aerodinamic [93]

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (fig.6.20);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul tunelului vt (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 (fig.6.14);

în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului (fig.6.20);

pentru fiecare valoare reglată a vitezei aerului în interiorul tunelului se citesc valorile presiunilor pe manometrul multitub.

Deoarece echipamentul de testare dispune numai de 16 tuburi pentru măsurarea presiunii a fost necesară o repartizare judicioasă a acestora pe suprafețele expuse acțiunii vântului. La modelele nr. 1, 2 și 3 s-au montat câte 5 tuburi pe peretele vertical frontal, pe un perete vertical lateral și pe o pantă a acoperișului. La machetele nr. 4 și 5 au fost urmărite presiunile de pe patru suprafețe, adică de pe doi pereți verticali și de pe două pante de acoperiș. Celelalte orificii de pe pereții și acoperișul machetelor au fost obturate cu bandă adezivă. De asemenea s-a considerat că pe peretele lateral vertical și pe panta acoperișului din partea opusă, acțiunea curentului de aer este simetrică.

Pentru fixarea capetelor tuburilor la orificiile stabilite ca reprezentative prin pozițiile lor pentru măsurarea presiunilor, s-a demontat suprastructura machetelor de pe plăcile de bază, s-au introdus tuburile prin orificiul cu diametrul de 30 mm din mijlocul acestora și s-au fixat etanș pe pereții și acoperișul fiecărei machete. Suprastructura machetei a fost fixată pe placa de bază, iar întregul ansamblu a fost fixat cu trei cleme metalice pe podeaua tunelului. Marginile machetelor au fost apoi etanșate față de podeaua tunelului cu bandă adezivă.

Fig. 6.21. Pregătirea machetei nr. 1 pentru măsurarea presiunilor exercitate de vânt

În figura 6.21 se prezintă modelul nr. 1 pregătit pentru a fi introdus în tunelul aerodinamic pentru măsurarea presiunii curentului de aer pe pereții și acoperișul său.

Fig. 6.22. Introducerea machetei nr. 1 în tunelul aerodinamic pentru măsurarea presiunilor exercitate de vânt

Fig. 6.23. Macheta nr. 1 fixată în tunelul aerodinamic pentru măsurarea presiunilor la acțiunea laterală a vântului

În figura 6.22 macheta a fost așezată pe podeaua zonei de măsurare a tunelului, iar în figura 6.23 se prezintă momentul reglării unei valori a vitezei vântului prin folosirea sondei anemometrului.

Trebuie precizat că fiecare machetă a fost montată în tunelul aerodinamic în două poziții față de direcția curentului de aer, respectiv într-o poziție frontală și în alta laterală, așa cum se specifică și în Codul de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului asupra Construcțiilor INDICATIV CR 1-1-4/2012.

6.5.2. Măsurarea forței de împingere exercitată de vânt asupra machetelor

Pentru măsurarea forței de împingere exercitată de vânt asupra machetelor se utilizează tunelul aerodinamic din figura 6.8 ținând seama de următoarele aspecte:

pe panoul de comandă 11 (fig.6.12) butonul 2 de alimentare cu energie electrică este poziționat pe ON (fig.6.20);

comutatorul ventilatorului 3 este poziționat pe ON (. fig.6.20);

utilizând butonul de reglare a vitezei aerului 4, se reglează viteza aerului în interiorul tunelului vt (reglarea valorilor se realizează prin citirea acestora la manometrul înclinat 10 (fig.6.14); în caz de urgență se poate utiliza butonul 1 de oprire automată a sistemului v. fig.6.21);

pentru fiecare valoare reglată a vitezei aerului în interiorul tunelului se citesc valorile vitezei aerului va în exteriorul tunelului, la distanțele 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 m de acesta;

măsurarea vitezei se realizează cu anemometrul termic.

Adaptarea machetelor la măsurarea forțelor cu care sunt împinse de curentul de aer cu viteze de 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s, 25 m/s, 27,5 m/s și 30 m/s a pornit de la forma și dimensiunile traductorului de forță 8, pe care se solidarizează machetele pentru cercetarea experimentală 1 (fig.6.10).

O problemă importantă s-a referit la poziționarea corectă a machetelor pe tija etalonată a dispozitivului pentru măsurarea forțelor de împingere exercitate de vânt asupra acestora. În acest scop s-a conceput și realizat suportul din figura 6.24. Tija etalonată este furnizată de firma producătoare a tunelului aerodinamic astfel că de dimensiunile ei a trebuit să se țină seama la proiectarea și realizarea suportului.

Fig. 6.24. Construcția suportului pentru tija etalonată folosită la măsurarea forțelor de împingere

Suportul respectiv este alcătuit dintr-un tub din material plastic, cu diametrul exterior de 30 mm, în interiorul căruia s-au introdus și s-au fixat cu șuruburi două rondele din lemn. Prima dintre acestea este montată la capătul tubului și este profilată astfel încât să se așeze corect față de laturile acoperișurilor (pentru fiecare machetă s-a realizat suportul adecvat). Cu ajutorul unui șurub acționat din exterior rondela s-a poziționat și s-a fixat perpendicular pe placa de bază a machetei. A doua rondelă , cu grosimea de 10 mm s-a fixat cu un șurub la înălțimea de 90 mm (aceeași pentru toate suporturile), aspect esențial pentru stabilirea valorilor forțelor de împingere ale vântului. Prin centrul rondelei s-a practicat un orificiu cu diametrul de 4 mm, prin care trece tija etalonată a sistemului de măsurare a forțelor de împingere. Fixarea acestor rondele față de tijă se face cu un șurub adecvat.

La capătul inferior suportul este prevăzut cu o rondelă cu grosimea de 3 mm, care se presează pe tub și se fixează cu trei șuruburi pe placa de bază a fiecărei machete.

În figura 6.25se prezintă modul în care se montează tija etalonată în suportul descris anterior, iar în figura 6.26 modul în care se montează ansamblul descris în fiecare machetă.

Fig. 6.25. Asamlarea suportului cu tija etalonată

Fig. 6.26. Asamblarea suportului tijei etalonate în una dintre machete, în vederea măsurării forței de împingere a curentului de aer

Pe rând au fost introduse în tunelul aerodinamic toate machetele și supuse acțiunii curentului de aer pe direcțiile frontală și laterală, la vitezele specificate anterior.

6.6. Prelucrarea, analiza și interpretarea rezultatelor cercetărilor experimentale și compararea cu rezultatele cercetărilor teoretice

6.6.1. Rezultatele măsurării presiunii exercitată de vânt pe suprastructura serelor

Conform precizărilor din Capitolul 6.5, măsurarea presiunii s-a făcut pentru fiecare machetă (model) pentru două direcții de acțiune a curentului de aer (vântului), respectiv pe direcția frontală și pe cea laterală (definite astfel conform Codului de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului Asupra Construcțiilor INDICATIV CR 1-1-4/2012). În funcție de numărul de pante ale acoperișului fiecărei machete(două sau patru) cele 16 tuburi Prandtl au fost amplasate pe doi pereți verticali și pe una sau pe două pante de acoperiș.[8]

Rezultatele măsurărilor de la fiecare tub se prezintă tabelar, pentru fiecare model de seră, direcție a vântului și perete vertical sau pantă de acoperiș afectată de curentul de aer. Numerele orificiilor din tabele corespund numerelor înscrise pe orificiile de pe pereții și acoperișurile machetelor.

Valoarea de referință a apei din tuburile manometrului multitub a fost de 21 mbarr, corespunzătoare unei presiuni atmosferice normale. La trasarea graficelor de variație a presiunilor la acțiunea frontală, respectiv laterală a curentului de aer din tunelul aerodinamic valoarea de referință precizată a devenit originea abscisei, pe care s-au considerat, în mm col. H2O, presiunile și depresiunile (sucțiunile) specificate la fiecare model pentru pereții verticali și pentru pantele acoperișurilor.

6.6.1.1. Rezultatele măsurării presiunii exercitată de vânt pe suprastructura modelului nr. 1

Valoarea de referință: 21 mm col H2O Data: 19 03 2016

În cazul acestei machete s-au utilizat 15 din cele 16 tuburi ale manometrului multitub, lăsându-se în rezervă un tub, care ar fi putut fi folosit în situația în care s-ar fi produs o disfuncțiune la unul dintre tuburile activate. S-a considerat că trebuie să se surprindă manifestarea simultană a acțiunii curentului de aer pe trei suprafețe reprezentative, respectiv pe pereții verticali din părțile frontală și laterală și de pe una dintre cele două pante simetrice ale acoperișului, pe care s-au fixat câte 5 tuburi Prandtl pentru măsurarea variațiilor de presiune.

La alegerea poziției fiecărui tub s-a avut în vedere reprezentativitatea lui, adică acestea au fost dispuse atât central, cât și pe margini, motiv pentru care se constată mici variații ale presiunilor înregistrate pe aceeași suprafață a machetei. În schimb, mediile celor 5 valori conduc la rezultate credibile.

Conform metodicii (programului) de cercetare experimentală precizat în figura 6.7, fiecare model de seră a fost expus acțiunilor frontală și laterală a curentului de aer la toate vitezele prestabilite. În tabelele 6.2, 6.3 și 6.4 sunt prezentate variațiile de presiune pe cele trei suprafețe pentru cazul în care direcția curentului de aer este frontală față de machetă (pozițiile frontală și laterală sunt preluate din Codul CR 1-1-4/2012).

Tabelul 6.2

Model 1:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.3

Model 1:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.4

Model 1:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea frontală a curentului de aer

Fig.6. 27. Variația presiunii pe suprastructura modelului M1, la acțiunea frontală a curentului de aer

Din tabelele 6.2, 6.3 și 6.4, precum și din reprezentarea grafică a lor în figura 6.27 se constată:

curentul de aer provoacă apăsare (presiune) numai pe peretele frontal vertical, în timp ce pe peretele vertical lateral și pe acoperiș se produce depresiune (sucțiune);

pentru o creștere a vitezei curentului de aer până la 30 m/s presiunea exercitată pe peretele frontal vertical a crescut cu 23 mm col H2O,în timp ce depresiunea de pe peretele lateral vertical a avut valoarea de – 62 mm col H2O, iar pe panta laterală a acoperișului a scăzut la -34 mm col H2O.

În tabelele 6.5, 6.6 și 6.7 sunt prezentate variațiile de presiune pe cei trei pereți ai modelului nr.1, atunci când direcția curentului de aer este laterală față de macheta respectivă, iar în figura 6.28 sunt trasate graficele variațiilor presiunilor și depresiunilor în funcție de viteza curentului de aer.

Tabelul 6.5

Model 1:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.6

Model 1:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.7

Model 1:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Fig.6.28. Variația presiunii pe suprastructura modelului M1, la acțiunea laterală a curentului de aer

Se constată că de data aceasta se exercită presiune numai pe peretele lateral vertical (21 mm col H2O), în timp ce pe peretele frontal vertical și pe panta acoperișului expusă curentului de aer se manifestă depresiuni. Cea mai pronunțată depresiune se constată pe peretele frontal vertical, adică la viteza curentului de aer de 30 m/s, depresiunea a fost de -72 mmcolH2O. Pe acoperișul lateral depresiunea a fost de -15 mm col. H2O.

6.6.1.2. Rezultatele măsurării presiunii exercitată de vânt pe suprastructura modelului nr. 2

La macheta nr.2 s-au utilizat tot câte 5 tuburi pe fiecare dintre cei doi pereți verticali și pe una dintre cele două pante simetrice ale acoperișului. De asemenea, cercetările experimentale s-au făcut pentru direcțiile frontală și laterală a curentului de aer față de arhitectura machetei, la vitezele prestabilite ale acestuia. Deosebirile dintre cele două machete se referă la unghiurile pe care le formează pantele acoperișului, care determină modificări ale suprafețelor expuse curentului de aer și ale volumului interior al serei, conform datelor precizate în tabelul 6.1.

Tabelul 6.8

Model 2:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.9

Model 2:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.10

Model 2:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea frontală a curentului de aer

Fig.6.29. Variația presiunii pe suprastructura modelului M2, la acțiunea frontală a curentului de aer

Rezultatele înregistrate la fiecare tub al tunelului aerodinamic la acțiunea frontală a curentului de aer sunt înscrise în tabelele 6.8, 6.9 și 6.10, iar în figura 6.29 se reprezintă grafic variațiile presiunilor în funcție de viteza aerului.

Rezultatele sunt similare cu cele de la modelul nr. 1, în sensul că presiunea se exercită numai pe peretele frontal vertical, în timp ce pe peretele lateral vertical și pe panta acoperișului lateral se manifestă depresiuni. La valoarea maximă a curentului de aer (30 m/s), presiunea maximă pe peretele frontal vertical a fost de 23 mm col H2O, iar depresiunile au fost de -59 mm col H2O pe peretele lateral vertical și de -35 mm col H2O pe acoperișul lateral.

În tabelele 6.11, 6.12 și 6.13 se prezintă rezultatele măsurărilor făcute pe machete nr. 2 în tunelul aerodinamic, la acțiunea laterală a curentului de aer față de acest model, iar în figura 6.30 aceleași rezultate sunt prezentate grafic.

Tabelul 6.11

Model 2:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.12

Model 2:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.13

Model 2:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Fig.6.30. Variația presiunii pe suprastructura modelului M2, la acțiunea laterală a curentului de aer

Valoarea maximă a presiunii pe peretele lateral vertical a fost de 23 mm col H2O, iar depresiunile maxime au fost de -23 mm col H2O pe acoperișul lateral și de -60 mm col H2O pe peretele frontal vertical.

6.6.1.3. Rezultatele măsurării presiunii exercitată de vânt pe suprastructura modelului nr. 3

Forma machetei nr. 3 este asemănătoare cu a machetelor nr. 2 și nr. 1, deosebindu-se prin unghiurile pantelor acoperișului, dimensiunile pereților și acoperișului expuse curentului de aer și volumul intern al serei. Ca și în celelalte situații, s-a respectat programul de cercetare experimentală, în sensul că pe cei doi pereți verticali și pe o pantă a acoperișului s-au amplasat câte 5 tuburi Prandtl, direcția curentului de aer a fost frontală și laterală față de machetă, iar viteza acestuia a luat valorile stabilite inițial.

În tabelele 6.14, 6.15 și 6.16 sunt prezentate rezultatele măsurării presiunii/sucțiunii de la toate tuburile utilizate, pentru cazul acțiunii frontale a vântului, iar în figura 6.31 acestea sunt prezentate grafic.

Tabelul 6.14

Model 3:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.15

Model 3:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.16

Model 3:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea frontală a curentului de aer

Fig.6.31. Variația presiunii pe suprastructura modelului M3, la acțiunea frontală a curentului de aer

Se constată și în acest caz că numai pe peretele frontal vertical se exercită presiune (22 mm col H2O), în timp ce pe peretele vertical lateral (-56 mm col H2O) și pe panta acoperișului ( -33 mm col H2O) se manifestă depresiune.

În tabelele 6.17, 6.18 și 6.19 sunt prezentate rezultatele măsurărilor pe cei doi pereți verticali și pe acoperișul lateral al machetei nr. 3 dacă poziția acesteia a fost laterală față de direcția curentului de aer. În figura 6.32 rezultatele respective sunt expuse grafic.

Se constată că cea mai mare valoare a presiunii de pe peretele lateral vertical a fost la viteza maximă a curentului de aer, adică a avut valoarea de 19 mm col H2O, iar depresiunile au avut valori de -19 mm col H2O pe acoperișul lateral și de -85 mm col H2O pe peretele frontal vertical.

Tabelul 6.17

Model 3:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.18

Model 3:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.19

Model 3:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Fig.6.32. Variația presiunii pe suprastructura modelului M3, la acțiunea laterală a curentului de aer

6.6.1.4. Rezultatele măsurării presiunii exercitată de vânt pe suprastructura modelului nr. 4

Macheta nr. 4 se deosebește semnificativ de primele trei machete , prin aceea că are acoperișul format din patru pante, două câte două simetrice. În acest caz sunt expuși acțiunii frontale sau laterale a curentului de aer doi pereți verticali, unul frontal și unul lateral, respectiv două pante de acoperiș, una frontală și alta laterală.

Această situație a impus ca la fiecare din cele patru suprafețe să se atașeze numai câte 4 tuburi Prandtl, din cele 16 ale manometrului multitub, astfel încât să se poată observa simultan efectul acțiunii curentului de aer asupra suprastructurii viitoarei sere amplasată pe acoperișul unei clădiri.

Și în acest caz s-a respectat programul stabilit pentru cercetările experimentale, adică direcția curentului de aer a fost mai întâi frontală și apoi laterală față de structura machetei.

În tabelele 6.20. 6.21, 6.22 și 6.23 se prezintă rezultatele înregistrate la fiecare din cele 16 tuburi la acțiunea frontală a curentului de aer, iar în figura 6.33 aceste valori sunt reprezentate grafic în funcție de viteza curentului de aer.

Tabelul 6.20

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.21

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul frontal la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.22

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.23

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea frontală a curentului de aer

Fig.6.33. Variația presiunii pe suprastructura modelului M4, la acțiunea frontală a curentului de aer

Și de data aceasta se remarcă faptul că se exercită presiune numai pe peretele frontal vertical (valoarea maximă 20 mm col H2O), în vreme ce pe peretele lateral vertical (-62 mm col H2O), pe acoperișul frontal (-18 mm col H2O) și pe acoperișul lateral (-33 mm col H2O) se manifestă depresiuni (sucțiuni).

Din figura 6.33 se constată că până la viteze ale curentului de aer de 15 m/s efectul presiunii / depresiunii asupra machetelor este nesemnificativ, dar se face tot mai vizibil pe măsură ce crește viteza curentului de aer.

În tabelele 6.24, 6.25. 6.26 și 6.27 și în figura 6.34 sunt redate rezultatele obținute în urma expunerii modelului nr.4 de machetă acțiunii laterale a curentului de aer la diferite viteze.

Se constată că presiunea maximă pe peretele vertical lateral a fost de 31 mm col H2O , în timp ce pe peretele frontal vertical (-30 mm col H2O), pe acoperișul lateral (-17 mm col H2O) și pe acoperișul frontal (-36 mm col H2O) s-au manifestat depresiuni cu valorile specificate

Tabelul 6.24

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele lateral vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.25

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.26

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea laterală a curentului de aer

Tabelul 6.27

Model 4:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul frontal la acțiunea laterală a curentului de aer

Fig.6.34. Variația presiunii pe suprastructura modelului M4, la acțiunea laterală a curentului de aer

Din figura 6.34 se rețin creșterile relativ ponderate ale presiunilor/depresiunilor pe suprastructura acestui model de machetă, ceea ce o recomandă să fie folosită în zone expuse unor vânturi cu viteze mai mari.

6.6.1.5. Rezultatele măsurării presiunii exercitată de vânt pe suprastructura modelului nr. 5

Modelul nr. 5 de machetă are caracteristic faptul că este o construcție simetrică față de mai multe planuri, în acest caz direcțiile frontală și laterală ale curentului de aer fiind similare.

În tabelele 6.28, 6.29, 6.30 și 6.31, precum și în figura 6.35 sunt prezentate rezultatele măsurării presiunii/depresiunii exercitată de curentul de aer, cu diferite viteze, asupra celor doi pereți verticali și celor două pante de acoperiș .Și în acest caz au fost disponibile câte 4 tuburi Prandtl la fiecare suprafață, iar dispunerea lor s-a făcut în așa fel încât să se surprindă și cele mai particulare zone ale acestora. De fapt, variațiile rezultatelor pentru aceeași suprafață, în aceleași condiții de experimentare, se explică numai prin pozițiile tuburilor respective față de marginea, colțul sau baza suprafeței.

Tabelul 6.28

Model 5:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele frontal vertical la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.29

Model 5:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul frontal la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.30

Model 5:Valorile măsurate ale presiunii pe peretele vertical lateral la acțiunea frontală a curentului de aer

Tabelul 6.31

Model 5:Valorile măsurate ale presiunii pe acoperișul lateral la acțiunea frontală a curentului de aer

Fig.6.35. Variația presiunii pe suprastructura modelului M5, la acțiunea frontală (laterală) a curentului de aer

În cazul modelului nr. 5 se constată o situație similară cu cea întâlnită la celelalte modele, adică se exercită presiune la deplasarea curentului de aer pe direcție frontală pe o singură suprafață (peretele vertical frontal 31 mm col H2O),iar pe celelalte suprafețe se produce depresiune (peretele vertical lateral – 30 mm col H2O; acoperișul frontal – 17 mm col H2O; acoperișul lateral -36 mm col H2O).

6.6.2. Rezultatele măsurării forței exercitată de vânt pe suprastructura serelor

Pentru fiecare model (machetă) și pentru fiecare viteză prestabilită a curentului de aer din tunelul aerodinamic s-au înregistrat forțele de împingere înscrise în tabelul 6.32 la acțiunea frontală, respectiv în tabelul 6.33, la acțiunea laterală acestuia.

Tabelul 6.32

Valorile forțelor de împingere asupra machetelor, înregistrate la acțiunea frontală a vântului, N

Tabelul 6.33

Valorile forțelor de împingere asupra machetelor, înregistrate la acțiunea laterală a vântului, N

Deoarece forțele de împingere exercitate de vânt în tunelul aerodinamic asupra machetelor ar fi cele reale numai dacă punctul de contact al acestora cu tija etalonată a sistemului de măsurare se află la înălțimea de 302 mm [93], a fost necesară corecția acestora, specificată de furnizorul echipamentului , prin care să se țină seama de faptul că la toate machetele contactele cu tijele etalonate s-a făcut la înălțimea de 150 mm, adică:

, (6.1)

în care Fm este valoarea forței măsurată și citită la echipamentul specializat 9 al tunelului aerodinamic (fig. 6.11), iar Fcor este valoarea corectată (reală) a forței de împingere a machetelor de către curentul de aer din tunelul aerodinamic.

Valorile corectate ale acestor forțe de împingere sunt înscrise în tabelele 6. 34 și 6. 35

Tabelul 6. 34

Valorile corectate ale forțelor de împingere a machetelor, la acțiunea frontală a vântului, N

Tabelul 6. 35

Valorile corectate ale forțelor de împingere a machetelor, la acțiunea laterală a vântului, N

Se constată că la acțiunea frontală a curentului de aer machetele nr. 1, nr. 2 și nr.3 opun forțe de rezistență destul de apropiate, în special la vitezele mari ale vântului.

Cea mai redusă forță de rezistență la împingere s-a înregistrat, în cazul acțiunii frontale a vântului , la macheta nr. 4, care a fost cu circa 12% mai mică decât la macheta nr. 3.

La macheta nr. 5 forța de împingere a curentului frontal de aer s-a situat la o valoare medie între forțele de împingere ale primelor trei machete și forța de împingere a machetei nr. 4.

În cazul acțiunii laterale a curentului de aer se constată o creștere cu 10…13% a forțelor de împingere la machetele nr. 1, nr. 2 și nr. 3, cea mai mare valoare înregistrându-se la macheta nr. 1.

Creșterea forței de împingere se manifestă și la macheta nr. 4, dar și la acțiunea laterală a curentului de aer aceasta este mai mică față de forțele înregistrate la primele trei machete cu peste 10%.

Aspectul deosebit se constată în cazul acțiunii laterale a curentului de aer la macheta nr. 5, la care forțele de rezistență la împingere sunt identice cu cele constatate la acțiunea frontală a acestui curent și sunt cu 15…18% mai mici decât forțele măsurate la primele trei forme de machete.

6.6.3. Valorile coeficienților de rezistență aerodinamică la acțiunea de împingere a vântului

Pentru calculul coeficientului aerodinamic de rezistență la acțiunea de împingere a vântului a-a utilizat relația (4.1), adică:

, (6.2)

unde: ρ este densitatea aerului, kg/m3; A – aria suprafeței machetei expusă vântului, m2; cd – coeficientul de rezistență aerodinamică a machetelor la acțiunea curentului de aer; v – viteza curentului de aer (vântului), m/s.

Pentru o temperatură a aerului T = 18°C, presiunea barometrică p = 1026 mbar și umiditatea relativă a aerului 60%, densitatea aerului are valoarea de kg/m3.

Coeficienții de rezistență aerodinamică cd, calculați cu relația (6.2), recomandată și de furnizorul tunelului aerodinamic [93], și cu forțele de împingere corectate din tabelele 6.34 și 6. 35 sunt înscriși în tabelul 6.36 pentru fiecare model de machetă și viteză prestabilită a vântului la acțiunea frontală , respectiv în tabelul 6.37 la acțiunea laterală a acestuia, iar în figurile 6.36 și 6.37 se reprezintă grafic variațiile acestor coeficienți în funcție de viteza curentului de aer.

Tabelul 6. 36

Valorile coeficienților de rezistență aerodinamică la acțiunea frontală a vântului

Fig. 6.36. Variația coeficienților de rezistență aerodinamică ai machetelor la acțiunea frontală a curentului de aer

În tabelele 6.36 și 6.37 s-au făcut și mediile valorilor coeficienților de rezistență aerodinamică pentru fiecare model de machetă, care oferă o imagine globală a performanțelor diferitelor soluții constructive de sere amplasabile pe acoperișurile clădirilor, referitoare la comportamentul lor la acțiunea vântului.

Tabelul 6.37

Valorile coeficienților de rezistență aerodinamică la acțiunea laterală a vântului

Fig. 6.37. Variația coeficienților de rezistență aerodinamică ai machetelor la acțiunea laterală a curentului de aer

Se constată că la valori diferite ale vitezelor vântului coeficienții de rezistență aerodinamică au valori diferite. Totuși, formele relativ apropiate ale celor 5 machete de sere supuse cercetărilor experimentale conduc la gruparea sensibilă a valorilor coeficienților de rezistență aerodinamică, atât la acțiunea frontală, cât și la acțiunea laterală a vântului, pentru o viteză precizată a acestuia. Această situație se explică și prin folosirea în calcule a relației simplificate (6.2) și nu a relației (4.2), în care se au în vedere și forțele de frecare dintre curentul de aer și suprastructura machetelor.

De fapt, pentru aplicații practice cercetările experimentale ar trebui să se facă doar pentru vitezele maxime ale vântului din zona de amplasare clădirii pe care urmează să se construiască o seră pentru legume sau flori,adică să se determine câte un coeficient de rezistență aerodinamică pe direcțiile frontală și laterală de acțiune a curentului de aer.

Din analiza rezultatelor înscrise în tabelele 6.36 și 6.37 și din reprezentările grafice din figurile 6. 36 și 6.37 se constată următoarele:

coeficienții de rezistență aerodinamică ai machetelor supuse cercetărilor experimentale se încadrează între limitele înscrise în tabelele 4.2, 4,4 a, b și 4.5 din Codul de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului Asupra Construcțiilor indicativ CR 1-1-4/2012, referitoare la valorile recomandate pentru acoperișuri cu două pante (1,98…0,75pe machete, 1,5…0,6 în tabele), respectiv cu patru pante ( – 1,51.. 0,63 pe machete; -1,2..-0,5 în tabele);

pentru toate machetele cercetate, coeficienții de rezistență aerodinamică la acțiunea frontală a curentului de aer sunt mai mari cu 20..25% comparativ cu cei calculați la acțiunea laterală a curentului de aer. Face excepție macheta nr. 5, la care acoperișul din patru pante este simetric, astfel că, indiferent de direcția vântului coeficientul de rezistență aerodinamică are aceeași valoare;

în cazul machetelor nr. 1, nr.2, și nr.3, cu acoperișurile în două pante, cei mai mici coeficienți de rezistență aerodinamică la acțiunea frontală a vântului se manifestă la macheta nr. 2, la care unghiul format de pantele acoperișului este cel mai mare (1200). În ordine crescătoare se situează machetele nr.1 și nr.3, la care unghiurile pantelor sunt de 1100, respectiv de 900;

la acțiunea laterală a curentului de aer valorile cele mai mici ale coeficienților de rezistență aerodinamică le prezintă macheta nr. 2. la care pantele acoperișului sunt mai puțin înclinate față de verticală, comparativ cu înclinările acoperișurilor celorlalte machete;

la machetele nr. 4 și nr. 5, cu acoperișurile în patru pante coeficienții de rezistență aerodinamică la acțiunea frontală vântului sunt mai mici cu 15..20% decât la machetele cu acoperișurile în două pante; în schimb, la acțiunea laterală a vântului coeficienții de rezistență aerodinamică ai acestor forme de sere au fost mai mari decât la cele cu acoperișurile în două pante;

la acțiunea frontală a vântului, macheta nr. 5, cu acoperișul format din patru pante simetrice prezintă coeficienți de rezistență aerodinamică mai reduși cu până la 10% comparativ cu cei ai machetei nr. 4, la care pantele sunt simetrice două câte două; în schimb, la acțiunea laterală a vântului coeficienții de rezistență aerodinamică sunt mai mici la macheta nr. 4 cu 5…10% decât la macheta nr. 5.

6.6.4. Comparație între rezultatele cercetărilor teoretice și experimentale

Pentru compararea rezultatelor cercetărilor teoretice cu cele ale cercetărilor experimentale s-au considerat reprezentative variațiile forțelor de împingere cu care curentul de aer acționează asupra celor 5 machete de sere, pe direcțiile frontale și laterale ale acestora.

În cazul simulărilor teoretice la acțiunea frontală a curentului de aer (fig. 6.38), se constată că la vitezele mici ale acestuia forțele de împingere sunt grupate puternic, deosebirile constructive dintre machete fiind nesemnificative. În schimb, la viteze ale curentului de aer de peste 20 m/s apar diferențe sesizabile, forța frontală de împingere asupra machetei cu acoperișul din 4 pante și unghiul dintre pante de 90o fiind cu circa 75% mai mică decât forța de împingere asupra machetei cu 2 pante și unghiul de 120o.

Fig.6.38. Variațiile forțelor de împingere asupra machetelor la acțiunea frontală a vântului, rezultate în urma simulărilor teoretice

În cazul cercetărilor experimentale în tunelul aerodinamic la acțiunea frontală a curentului de aer (fig. 6.39) se observă o diferență între forțele de împingere asupra diferitelor machete, începând de la viteze ale vântului de peste 15 m/s. Cele mai bune rezultate se constată la macheta nr. 4, cu acoperișul din 4 pante inegale și unghiul pantelor principale de 115o, la care forța frontală de împingere este cu circa 12% mai mică decât la macheta nr.1, cu acoperișul din 2 pante egale și unghiul pantelor de 110o.

Fig.6.39. Variațiile forțelor de împingere asupra machetelor la acțiunea frontală a vântului, rezultate în urma cercetărilor experimentale în tunelul aerodinamic

În figura 6.40 se prezintă variația forței de împingere obținută prin simulare teoretică, la acțiunea laterală a curentului de aer asupra modelelor de sere cercetate. Și în acest caz forța laterală de împingere asupra modelului cu acoperișul din 4 pante și unghiul dintre pante de 90o este cu circa 100% mai mică decât forța de împingere asupra modelului cu 2 pante și unghiul de 100o.

Fig.6.40. Variațiile forțelor de împingere asupra machetelor la acțiunea laterală a vântului, rezultate în urma simulărilor teoretice

În figura 6.41 se prezintă variațiile forțelor de împingere asupra machetelor la acțiunea laterală a curentului de aer , rezultate în urma cercetărilor experimentale în tunelul aerodinamic. În acest caz cele mai bune rezultate le oferă macheta nr. 5, cu acoperișul din 4 pante egale, care formează un vârf. De fapt, la această machetă forța de împingere este identică pentru cele două direcții de acțiune ale curentului de aer, ceea ce înseamnă că la acțiunea curentului de aer pe direcție laterală forța respectivă este mai mare pentru celelalte machete, în special pentru cele cu acoperișul din 2 pante.

Fig.6.41. Variațiile forțelor de împingere asupra machetelor la acțiunea laterală a vântului, rezultate în urma cercetărilor experimentale în tunelul aerodinamic

6.7. Concluzii privind cercetările experimentale

1. Obiectivul principal al cercetărilor experimentale din această lucrare a constat în măsurarea în tunelul aerodinamic a presiunilor/depresiunilor și forțelor de împingere care se exercită pe suprafețele frontale, laterale și pe acoperișurile unor machete de sere amplasabile pe acoperișurile clădirilor, la acțiunea frontală și laterală a vântului, care suflă cu viteze diferite. Pentru rezolvarea obiectivului principal a fost necesară parcurgerea secvențială și rezolvarea unui număr de 7 obiective subsidiare.

2. Obiectele cercetărilor experimentale sunt reprezentate de cinci machete de sere, realizate din material plastic cu grosimea de 2,5 mm. Pentru a se putea compara rezultatele cercetărilor experimentale, între ele, dar și cu cele ale cercetărilor teoretice, s-a stabilit ca suprafețele bazelor și înălțimile tuturor machetelor să fie identice, deosebirile dintre ele constând în numărul de pante ale acoperișurilor, unghiurile de înclinare ale acestora și volumele lor utile.

3. Formele machetelor sunt asemănătoare cu formele de sere pe care practica le-a validat ca fiind satisfăcătoare, atât pentru cerințele plantelor față de mediu, cât și din punct de vedere al rezistențelor la solicitările mecanice exercitate de curenții de aer la acțiunea frontală și laterală cu viteze diferite. De asemenea, formele acoperișurilor acestor machete sunt asemănătoare cu formele acoperișurilor clădirilor analizate în Codul de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului asupra Construcțiilor INDICATIV CR 1-1-4/2012.

4. Machetele cu numerele 1, 2, și 3 au acoperișurile alcătuite din câte două pante (conforme cu figura 4.5 din CR 1-1-4/2012 ); macheta nr.4 are acoperișul format din patru pante (conformă cu figura 4.9 din CR 1-1-4/2012 ), care formează o coamă, iar macheta nr. 5 are acoperișul format din patru pante identice, care formează un vârf. Pentru a se conferi machetelor suficientă rigiditate la acțiunea vântului, panourile din material plastic au fost fixate cu șuruburi pe profile modelate din tablă cu grosimea de 1,5 mm.

5. În pereții verticali frontali și laterali, precum și pe pantele acoperișurilor au fost practicate, în poziții considerate reprezentative, mai multe orificii cu diametrele de 3 mm. Orificiile care nu au fost utilizate la măsurarea presiunilor au fost acoperite cu bandă adezivă. De asemenea, la măsurarea forțelor de împingere exercitate de vânt asupra machetelor toate orificiile au fost acoperite. La toate machetele s-a executat în placa de bază câte un orificiu cu diametrul de 30 mm prin care s-au introdus în interiorul machetelor și s-au fixat în orificiile practicate în pereți și acoperișuri tuburile pentru măsurarea presiunii/depresiunii provocată de curenții de aer.

6. În vederea atingerii obiectivului principal și obiectivelor subsidiare ale cercetărilor experimentale s-a conceput și s-a urmărit o metodică generală complexă. Aspectul principal care s-a avut în vedere la proiectarea metodicii (programului) cercetărilor experimentale a fost acela de a se respecta elementele principale prevăzute în Codul de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului asupra Construcțiilor INDICATIV CR 1-1-4/2012, unde vântul suflă pe direcțiile frontale și laterale.

7. Principalul echipament utilizat la cercetările experimentale a fost tunelul aerodinamic HM170 Educational Wind Tunnel. G.U.N.T. Gerätebau GmBH. Barsbüttel, Germany, aflat în Laboratorul pentru studierea energiei vântului din cadrul Departamentului.de Design de Produs, Mecatronică și Mediu de la Universitatea Transilvania din Brașov. Viteza maximă care poate fi imprimată curentului de aer în tunelul aerodinamic disponibil pentru cercetările experimentale este de 30 m/s, satisfăcătoare pentru condițiile climatice din România, dar insuficientă pentru condițiile din alte țări (ex. SUA). Anemometrul termic face parte din aparatura necesară utilizării tunelului aerodinamic,servind la reglarea și verificarea vitezei curentului de aer din secțiunea tunelului aerodinamic în care se amplasează obiectele supuse cercetărilor experimentale.

8. HM170 este un tunel subsonic (viteza aerului ajunge până la 0,1 Mach), cu circuit deschis (aerul este preluat din exterior și expulzat tot în exterior, cu viteză mărită). Zona de măsurare are secțiunea de 287×287 mm și lungimea de 365 mm, este confecționată din plexiglas transparent, iar suprastructura se deplasează longitudinal pentru introducerea și scoaterea obiectelor supuse cercetărilor experimentale. În interiorul tunelului se pot realiza măsurări (după două direcții –împingere și portanță) referitoare la: forțe, viteze, presiuni, coeficientul aerodinamic de împingere (drag) și de portanță (lift).

9. Echipamentul pentru măsurarea forțelor constă dintr-un traductor de forță care este solidar cu modelul experimental, iar echipamentul pentru măsurarea presiunilor este reprezentat de un manometru multitub care conține 16 tuburi Prandtl de tip manometru cu scală gradată, montate pe un panou rabatabil. Fiecare tub manometric este prevăzut, în partea superioară, cu o duză de conexiune cu diametrul de 3 mm.

10. Cercetările experimentale s-au desfășurat în Laboratorul pentru studierea energiei vântului din cadrul Departamentului.de Design de Produs, Mecatronică și Mediu de la Universitatea Transilvania din Brașov, ultimele probe făcându-se în data de 19.03.2016. Pregătirile pentru efectuarea cercetărilor experimentale au vizat verificarea stării tehnice a machetelor și dispozitivelor adiacente acestora, funcționarea la parametrii nominali a tunelului aerodinamic, anemometrului și a celorlalte echipamente aflate în dotarea acestuia și necesare acestor cercetări.

11. Deoarece echipamentul de testare dispune numai de 16 tuburi pentru măsurarea presiunii a fost necesară o repartizare judicioasă a acestora pe suprafețele expuse acțiunii vântului. La modelele nr. 1, 2 și 3 s-au montat câte 5 tuburi pe peretele vertical frontal, pe un perete vertical lateral și pe o pantă a acoperișului. La machetele nr. 4 și 5 au fost urmărite presiunile de pe patru suprafețe, adică de pe doi pereți verticali și de pe două pante de acoperiș,pe care s-au montat câte 4 tuburi.. Celelalte orificii de pe pereții și acoperișul machetelor au fost obturate cu bandă adezivă.

12. Adaptarea machetelor la măsurarea forțelor cu care sunt împinse de curentul de aer cu viteze de 10 m/s, 15 m/s, 20 m/s, 25 m/s, 27,5 m/s și 30 m/s a pornit de la forma și dimensiunile traductorului de forță, pe care se solidarizează machetele pentru cercetarea experimentală. În acest scop s-a conceput și realizat suportul special pentru machete și pentru tija etalonată furnizată de firma producătoare a tunelului aerodinamic.

13. Măsurarea presiunii s-a făcut pentru fiecare machetă (model) pentru două direcții de acțiune a curentului de aer (vântului), respectiv pe direcția frontală și pe cea laterală (definite astfel conform Codului de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului Asupra Construcțiilor INDICATIV CR 1-1-4/2012. Valoarea de referință a apei din tuburile manometrului multitub a fost de 21 mbar, corespunzătoare unei presiuni atmosferice normale.

14 Rezultatele măsurărilor de la fiecare tub se prezintă tabelar, pentru fiecare model de seră, direcție a vântului și perete vertical sau pantă de acoperiș afectată de curentul de aer. Numerele orificiilor din tabele corespund numerelor înscrise pe orificiile de pe pereții și acoperișurile machetelor. La trasarea graficelor de variație a presiunilor la acțiunea frontală, respectiv laterală a curentului de aer din tunelul aerodinamic valoarea de referință precizată a devenit originea ordonatei, pe care s-au considerat , în mm co. H2O, presiunile și depresiunile (sucțiunile) specificate la fiecare model pentru pereții verticali și pentru pantele acoperișurilor.

15. Din tabelele cu datele înregistrate la măsurarea presiunilor/depresiunilor de pe pereții verticali și de pe pantele acoperișurilor fiecărei machete, la acțiunea frontală sau laterală a curentului de aer, precum și din reprezentarea grafică a lor acestora se constată că vântul provoacă apăsare (presiune) numai pe peretele vertical de pe direcția respectivă, în timp ce pe peretele vertical de pe cealaltă direcție și pe acoperiș se produce depresiune (sucțiune).

De exemplu, în cazul machetei nr. 1, la acțiunea frontală a curentului de aer, pentru o creștere a vitezei curentului de aer până la 30 m/s, presiunea exercitată pe peretele frontal vertical a crescut cu 23 mm col H2O,în timp ce depresiunea de pe peretele lateral vertical a avut valoarea de -62 mm col H2O, iar pe panta laterală a acoperișului a scăzut la -34 mm col H2O. În mod similar se prezintă situația și în cazul celorlalte machete, deosebirile fiind numai de ordin cantitativ.

17. Referitor la forța de împingere exercitată de curentul de aer asupra machetelor se constată că la acțiunea frontală a curentului de aer machetele nr. 1, nr. 2 și nr.3 opun forțe de rezistență destul de apropiate, în special la vitezele mari ale vântului. Cea mai redusă forță de rezistență la împingere s-a înregistrat, în cazul acțiunii frontale a vântului, la macheta nr. 4, care a fost cu circa 12% mai mică decât la macheta nr.3. La macheta nr. 5 forța de împingere a curentului frontal de aer s-a situat la o valoare medie între forțele de împingere ale primelor trei machete și forța de împingere a machetei nr. 4.

18. În cazul acțiunii laterale a curentului de aer se constată o creștere cu 10…13% a forțelor de împingere la machetele nr. 1, nr. 2 și nr. 3, cea mai mare valoare înregistrându-se la macheta nr. 1. Creșterea forței de împingere se manifestă și la macheta nr. 4, dar atât la acțiunea frontală, cât și la acțiunea laterală a curentului de aer aceasta este mai mică față de forțele înregistrate la primele trei machete cu peste 10%. Aspectul deosebit se constată în cazul acțiunii laterale a curentului de aer la macheta nr. 5, la care forțele de rezistență la împingere sunt identice cu cele constatate la acțiunea frontală a acestui curent și sunt cu 15…18% mai mici decât forțele măsurate la primele trei forme de machete.

19. Pentru calculul coeficienților aerodinamici de rezistență la acțiunea de împingere a vântului s-a utilizat relația recomandată de furnizorul tunelului aerodinamic, unde pentru o temperatură a aerului T = 18°C, presiunea barometrică p = 1026 mbar și umiditatea relativă a aerului 60%, densitatea aerului are valoarea de kg/m3. Acești coeficienți s-au calculat pentru fiecare model de machetă și viteză prestabilită a vântului la acțiunea frontală, respectiv la acțiunea laterală a acestuia.

20. Se constată că la valori diferite ale vitezelor vântului coeficienții de rezistență aerodinamică au valori diferite. Formele relativ apropiate ale celor 5 machete de sere supuse cercetărilor experimentale conduc la gruparea sensibilă a valorilor coeficienților de rezistență aerodinamică, atât la acțiunea frontală, cât și la acțiunea laterală a vântului, pentru o viteză precizată a acestuia. De fapt, pentru aplicații practice cercetările experimentale ar trebui să se facă doar pentru vitezele maxime ale vântului din zona de amplasare clădirii pe care urmează să se construiască o seră pentru legume sau flori, adică să se determine câte un coeficient de rezistență aerodinamică pe direcțiile frontală și laterală de acțiune a curentului de aer, pentru macheta de forma și dimensiunile considerate..

21. Din analiza rezultatelor înscrise în tabele și din reprezentările grafice, coeficienții de rezistență aerodinamică ai machetelor supuse cercetărilor experimentale se încadrează între limitele înscrise în tabelele 4.4,a,b și 4.5 din Codul de Proiectare Evaluare a Acțiunii Vântului Asupra Construcțiilor indicativ CR 1-1-4/2012, respectiv tabelele 4.4, 4.6,a, 4.6,b și 4.7 din această lucrare, referitoare la valorile recomandate pentru pereții verticali și acoperișuri cu două, respectiv cu patru pante.

22. Pentru toate machetele cercetate, coeficienții de rezistență aerodinamică la acțiunea frontală curentului de aer sunt mai mari cu 20…25% comparativ cu cei calculați la acțiunea laterală a curentului de aer. Face excepție macheta nr. 5, la care acoperișul din patru pante este simetric, astfel că, indiferent de direcția vântului coeficientul de rezistență aerodinamică are aceeași valoare.

23. În cazul machetelor nr. 1, nr.2, și nr.3, cu acoperișurile în două pante, cei mai mici coeficienți de rezistență aerodinamică la acțiunea frontală a vântului se manifestă la macheta nr. 2, la care unghiul format de pantele acoperișului este cel mai mare (120o). În odine crescătoare se situează machetele nr.2 și nr.3, la care unghiurile pantelor sunt de 110o, respectiv de 90o.

24. La acțiunea laterală a curentului de aer valorile cele mai mici ale coeficienților de rezistență aerodinamică le prezintă macheta nr. 2. la care pantele acoperișului sunt mai puțin înclinate față de verticală, comparativ cu înclinările acoperișurilor celorlalte machete;

25. La machetele nr. 4 și nr. 5, cu acoperișurile în patru pante coeficienții de rezistență aerodinamică la acțiunea frontală vântului sunt mai mici cu 15..20% decât la machetele cu acoperișurile în două pante; în schimb, la acțiunea laterală a vântului coeficienții de rezistență aerodinamică ai acestor forme de sere au fost mai mari decât la cele cu acoperișurile în două pante.

26. La acțiunea frontală a vântului, macheta nr. 5, cu acoperișul format din patru pante simetrice prezintă coeficienți de rezistență aerodinamică mai reduși cu până la 10% comparativ cu cei ai machetei nr. 4, la care pantele sunt simetrice două câte două; în schimb, la acțiunea laterală a vântului coeficienții de rezistență aerodinamică sunt mai mici la macheta nr. 4 cu 5…10% decât la macheta nr. 5.

27. Pentru compararea rezultatelor cercetărilor teoretice cu cele ale cercetărilor experimentale s-au considerat reprezentative variațiile forțelor de împingere cu care curentul de aer acționează asupra celor 5 modele (machete) de sere, pe direcțiile frontale și laterale ale acestora.

28. În cazul simulărilor teoretice la acțiunea frontală a curentului de aer, se constată că la vitezele mici ale acestuia forțele de împingere sunt grupate puternic, deosebirile constructive dintre machete fiind nesemnificative. În schimb, la viteze ale curentului de aer de peste 20 m/s apar diferențe sesizabile, forța frontală de împingere asupra machetei cu acoperișul din 4 pante și unghiul dintre pante de 90o fiind cu circa 75% mai mică decât forța de împingere asupra machetei cu 2 pante și unghiul de 120o.

29. În cazul cercetărilor experimentale în tunelul aerodinamic la acțiunea frontală a curentului de aer se observă o diferență între forțele de împingere asupra diferitelor machete, începând de la viteze ale vântului de peste 15 m/s. Cele mai bune rezultate se constată la macheta nr. 4, cu acoperișul din 4 pante inegale și unghiul pantelor principale de 115o, la care forța frontală de împingere este cu circa 12% mai mică decât la macheta nr.1, cu acoperișul din 2 pante egale și unghiul pantelor de 110o.

30. Din analiza forței de împingere obținută prin simulare teoretică, la acțiunea laterală a curentului de aer asupra modelelor de sere cercetate se constată că asupra modelului cu acoperișul din 4 pante și unghiul dintre pante de 90o se exercită o forță de împingere cu circa 100% mai mică decât cea care împinge modelul cu 2 pante și unghiul de 100o.

31. Analiza forțelor de împingere asupra machetelor la acțiunea laterală a curentului de aer rezultate în urma cercetărilor experimentale în tunelul aerodinamic arată că cele mai bune rezultate le oferă macheta nr. 5, cu acoperișul din 4 pante egale, care formează un vârf. De fapt, la această machetă forța de împingere este identică pentru cele două direcții de acțiune ale curentului de aer, ceea ce înseamnă că la acțiunea curentului de aer pe direcție laterală forța respectivă este mai mare pentru celelalte machete, în special pentru cele cu acoperișul din 2 pante.

32. Alegerea unui model se seră pentru a fi amplasat pe acoperișul unei clădiri este o problemă total diferită de cea referitoare la un acoperiș normal. Responsabilitatea trebuie să și-o asume un mare număr de specialiști, începând cu arhitecții urbaniști și peisagiști, continuând cu horticultorii, agrotehnicienii, specialiștii în diverse tipuri de instalații și încheind cu inginerii constructori, care trebuie să respecte atât normele legale din domeniul respectiv, să țină seama de experiențele altor intreprinzători, dar să apeleze și la metodele cele mai moderne de simulare teoretică și de cercetare experimentală a comportamentului diferitelor variante de sere la acțiunile factorilor de mediu locali.