Opis przypadku

Analizowany obiekt to smukły, lekki komin stalowy DN355 ze stali nierdzewnej, o wysokości ponad 5,0 m, zamocowany powyżej dachu obiektu przemysłowego. Mimo pozornej prostoty, pojawia się problem drgań własnych oraz spełnienia warunków użytkowalności.

Wzbudzenia wirowe - podstawy teoretyczne

Wzbudzenia wirowe (wiry Kármána) powstają przy opływie wiatru wokół smukłych elementów o przekroju cylindrycznym. Oderwania wirów z przeciwnych stron komina powodują drgania poprzeczne. Zjawisko staje się niebezpieczne, gdy częstotliwość oderwań pokrywa się z częstotliwością drgań własnych konstrukcji, czyli przy tzw. prędkości krytycznej wiatru.

Na częstotliwość drgań i prędkość krytyczną wpływają:

• geometria i schemat statyczny komina,
• masa własna i masa elementów dodatkowych,
• materiał oraz warstwy izolacyjne.

Wymagania normowe

Zgodnie z PN-EN 1991-1-4 E.1.2, wzbudzenia wirowe należy analizować, gdy stosunek największego do najmniejszego wymiaru przekroju poprzecznego przekracza 6. Dla kominów warunek ten zwykle nie jest spełniony ze względu na ich smukłość.

Norma dopuszcza pominięcie analizy, jeżeli prędkość krytyczna wiatru spełnia warunek:

Vcrit > 1,25 Vm. W przeciwnym przypadku należy uwzględnić dodatkowe siły bezwładności Fw. Dodatkowo norma EN 1993-3-2 wprowadza klasy kominów oraz rygorystyczne ograniczenia dopuszczalnej amplitudy drgań.

Problem zwiększania grubości ścianki

W analizowanym przypadku średnica i wysokość komina są narzucone technologicznie. Przy schemacie wspornikowym jedynym intuicyjnym rozwiązaniem wydaje się zwiększenie grubości ścianki. W praktyce:

• nie eliminuje to wzbudzeń wirowych,
• zwiększa siły bezwładności,
• nie pozwala spełnić kryteriów użytkowalności.

Możliwe sposoby ograniczenia drgań

Literatura i normy wskazują następujące rozwiązania:
a) urządzenia aerodynamiczne (spirale, spojlery, skrzela),
b) tłumiki drgań (masy podwieszane),
c) dodatkowe konstrukcje wsporcze (odciągi, ramy).

Zgodnie z EN 1993-3-2 B.2(1), urządzenia aerodynamiczne są skuteczne jedynie dla kominów o liczbie Scrutona Sc > 8. W tym przypadku warunek ten nie jest spełniony, co wymusza zastosowanie dodatkowej konstrukcji wsporczej.

Dodatkowe ograniczenia projektowe

Komin pracuje w wysokiej temperaturze, co powoduje znaczne wydłużenia termiczne. Generuje to duże siły w elementach wsporczych. Dodatkowo możliwe jest jedynie posadowienie na betonowych balastach o zróżnicowanej lokalizacji.

Analizowane warianty rozwiązań

Wariant 1 – odciągi linowe ze sprężynami

Zalety:

• Uniwersalny i regulowany zestaw montażowy.
• Mniejsze zużycie stali.

Wady:

• Rozwiązanie nietypowe i rzadko stosowane.
• Dodatkowe siły ściskające od naciągu i temperatury.
• Ograniczenie maksymalnej temperatury pracy komina.
• Konieczność montażu przez firmę specjalistyczną.
• Duża podatność układu i większe przemieszczenia poziome.
• Ryzyko zmęczenia sprężyn i problemy z ich ochroną.
• Wymagana okresowa kontrola i regulacja.

Dodatkowym problemem jest ograniczona nośność dostępnych sprężyn. Aby spełnić wymagania osiowe, konieczne jest równoległe stosowanie minimum trzech sprężyn, co zwiększa sztywność układu i siły w cięgnach. Nośność ogranicza także masa balastów i siła tarcia zabezpieczająca je przed przesunięciem.

Wariant 2 – sztywne podpory z luźną obejmą

Zalety:

• Rozwiązanie sprawdzone, stabilne i trwałe.
• Standardowe elementy stalowe, łatwe w ochronie antykorozyjnej.
• Obejma umożliwia swobodny przesuw termiczny komina.
• Brak dodatkowych sił osiowych w kominie.
• Dobre usztywnienie i małe przemieszczenia poziome.
• Brak konieczności regulacji i kontroli okresowej.

Wady:

• Konieczność indywidualnego projektowania zastrzałów.
• Większe zużycie stali niż w wariancie pierwszym.

Usztywnienie za pomocą sztywnych zastrzałów jest rozwiązaniem powszechnie stosowanym, także dla bardzo wysokich kominów przemysłowych. Luźna obejma, o średnicy większej od średnicy komina, pozwala na swobodne wydłużenia termiczne, dzięki czemu balasty przenoszą wyłącznie obciążenia wiatrem.

Podsumowanie

Przedstawiony przykład pokazuje, że w przypadku smukłych kominów stalowych oddziaływanie wiatru oraz ryzyko wzbudzeń wirowych często stanowią czynnik decydujący o doborze rozwiązania konstrukcyjnego. Intuicyjne zwiększanie masy lub grubości ścianki nie zawsze prowadzi do poprawy pracy konstrukcji, a w wielu przypadkach może wręcz pogorszyć warunki użytkowalności. Kluczowe znaczenie ma właściwe rozpoznanie mechanizmu drgań, spełnienie wymagań normowych oraz uwzględnienie wpływu temperatury pracy i ograniczeń montażowych.

Analiza porównawcza dwóch wariantów pokazuje wyraźny kompromis pomiędzy zużyciem materiału, podatnością układu, wymaganiami eksploatacyjnymi oraz niezawodnością rozwiązania w długim okresie użytkowania. W praktyce projektowej wybór optymalnego wariantu powinien każdorazowo wynikać z całościowej oceny warunków technicznych, technologicznych i eksploatacyjnych, a nie wyłącznie z kryterium ekonomicznego lub minimalizacji ilości stali.

W tym kontekście warto postawić pytanie otwarte do projektantów i inwestorów - który z przedstawionych wariantów - system odciągów linowych ze sprężynami czy sztywne podpory z luźną obejmą - uznaliby Państwo za bardziej racjonalny i bezpieczny w podobnych warunkach projektowych?