Model tests of global stability of two types of lightning protection masts under wind action

Andrzej Flaga,

Renata Kłaput,

Agnieszka Kocoń

Abstrakt

The paper presents results of wind tunnel experiments of wind action on two free-standing lighting protection masts: cantilevered and tripod. Own similarity criteria concerning phenomenon of global stability loss were used in these tests. It was determined whether masts fulfill the requirements of overturning and shift global stability in range of base wind velocities adequate for Poland and different categories of terrain roughness according to the Eurocode [13]. Two possible forms of the loss of the global stability of lighting protection masts in strong wind were considered: overturning a mast and shifting of mast as a whole structures. The measurements were conducted for eight directions of wind attack, five positions of masts on the roof, two settings of the mast for tripod mast and one for cantilevered mast, two categories of terrain roughness. Conducted tests allowed to determine whether it is safe to locate tripod mast in all wind zones in Poland. Cantilevered mast can be located safely in I and II wind zone in Poland.

Modelowe testy globalnej stateczności masztów przy silnym wietrze

Streszczenie

W artykule przedstawione zostały wyniki badań oddziaływania wiatru na dwa wolnostojące maszty odgromowe: pojedynczy i na trójnogu. W badaniach tych zastosowano własne kryteria podobieństwa dotyczące zjawiska globalnej utraty stateczności. Określono, czy maszty spełniają warunki stateczności globalnej na obrót i przesuw w zakresie prędkości bazowych wiatru adekwatnych dla Polski i różnych kategorii chropowatości terenu według Eurokodu [13]. Rozpatrywano dwie możliwe formy utraty globalnej stateczności masztów przy silnym wietrze: wywrócenie masztu (jako całości) i przesunięcie masztu (jako całości). Pomiary przeprowadzono dla ośmiu kierunków natarcia wiatru, pięciu położeń masztu na dachu, dwóch ustawień masztu na trójnogu i jednego ustawienia masztu pojedynczego, dwóch kategorii chropowatości terenu. Przeprowadzone badania pozwoliły na stwierdzenie, czy bezpiecznie jest ustawić maszt na trójnogu we wszystkich strefach wiatrowych w Polsce. Wykazano, że maszt pojedynczy może być ustawiony w I i II strefie wiatrowej w Polsce. 

Słowa kluczowe: wind tunnel test, masts, similarity criteria, global stability , badania modelowe, maszty, kryteria podobieństwa, globalna stateczność
References

[1] Schafer B.L., Banks R.W., Holmes J.D., Wind-induced oscillations of a free-standing tower, Proceedings of the 8th Conference on the ‘In situ Behaviour of Structures’, Bacu, Romania, 20–22 September 1990.

[2] Holmes J.D., Glass T., Cook B.W., Schafer B.L., Banks R.W., The dynamic characteristics and response to wind of tall free-standing lattice towers’, Proceedings of the 2nd National Structural Engineering Conference, Adelaide, Australia, 3–5 October 1990.

[3] Holmes J.D., Schafer B.L., Banks R.W., Wind-induced vibration of a large broadcasting tower, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 43/1-3, 1992, 2101–2109.

[4] Haritos N., Stevens L.K., The assessment of response of tall free-standing towers to along-wind loading, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 14, 1983, 331–344.

[5] Ahmad M.B., Pande P.K., Krishna P., Self-supporting towers under wind loads, ASCE, J. Struct. Eng, 110, 1984, 370–384.

[6] Mackey S., Ko P.K.L., Lam L.C.H., Response of a 180-ft latticed tower to high winds, Proceedings of the 2nd USA-Japan Research Seminar on Wind Effects on Structures, Kyoto, Japan, September 1974, University Press of Hawaii, 1976.

[7] Célio F., Carril J., Nicholas I., Reyolando M.L.R.F., Experimental study of the wind forces on rectangular latticed communication towers with antennas, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91/8, 2003, 100F–1022.

[8] Gioffrè M., Gusella V., Materazzi A.L., Venanzi I., Removable guyed mast for mobile phone networks, wind load modeling and structural response, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, May 2004, Vol. 92, Issue 6, 463–475.

[9] Peil U., Nölle H., Guyed masts under wind load, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1992, Vol. 43, Issues 1–3, 2129–2140.

[10] Holmes J.D., Banks R.W., Roberts G., Drag and aerodynamic interference on microwave dish antennas and their supporting towers, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, December 1993, Vol. 50, 263–269.

[11] Gioffrè M., Gusella V., Materazzi A.L., Venanzi I., Removable guyed mast for mobile phone networks, wind load modeling and structural response, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, May 2004, Vol. 92, Issue 6, 463–475.

[12] Jiang W.Q., Wang Z.Q., McClure G., Wang G.I., Geng J.D., Accurate modelling of joint effects in lattice transmissions towers, Engineering Structures 33(2011) 1818–1827.

[13] PN-EN 1991-1-4 Eurocode 1: Actions on structures. Part 1–4: General actions. Wind actions; PKN, November, 2008.