Wibracje masztów oświetleniowych

W artykule dokonano analizy rodzajów wibracji masztów (słupów) oświetleniowych, oceniono wpływ na wibracje miejsc zamontowania masztów oraz oddziaływania środowiska naturalnego.

Ponadto zaprezentowano kilka rozwiązań mających na celu zminimalizowanie wpływu drgań słupów na zamontowane na nich urządzenia oświetleniowe. Problemy związane z wibracją masztów pojawiają się również w telewizji dozorowej, chociażby w przypadku montażu kamer, w szczególności szybkoobrotowych, ze zmiennym zoomem. Wibracje masztów są wysoce niepożądane w przypadku dużego powiększenia optycznego obiektywów kamer. Tak więc poniższy artykuł oraz opisane w nim porady na pewno okażą się przydatne również w CCTV.

Projekt słupa oświetleniowego

Słupy oświetleniowe są projektowane tak, aby sprostać specyficznym wymogom dotyczącym ochrony środowiska, nośności oraz estetyki. Ich wykorzystanie regulują rozmaite standardy, wytyczne i przepisy, wydawane np. przez American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), American National Standards Institute (ANSI) czy lokalne władze budowlane. Te standardy i przepisy oparte są na analizach teoretycznych, badaniach oraz na bieżącej praktyce branży. Biorą one pod uwagę bezpośredni nacisk wiatru na słup oraz element oświetleniowy; odkształcanie, siły działające osiowo i skręcające, a także drugorzędne efekty ruchu (gdy słup oraz element oświetleniowy na skutek wygięcia przez wiatr znajdują się niecentralnie względem podstawy) oraz działanie wysokiej temperatury u podstawy słupa na obszar przylegający do spawu. Projekt słupa oświetleniowego wymaga wzięcia pod uwagę warunków terenowych, takich jak szybkość wiatru (permanentnego lub podmuchów), wysokość słupa i charakterystyka elementów doczepianych. Przy wyborze konkretnego projektu należy rozważyć wszystkie zmienne.

Na słupy już istniejące właściwie bez widocznej przyczyny mogą oddziaływać niebezpieczne wibracje. Zwykle słupy oświetleniowe projektuje się lub wybiera na podstawie map obrazujących średnią siłę wiatrów w okresie pięćdziesięciu lat. Mapami tymi dysponują urzędy centralne oraz lokalne władze budowlane. Wskazują one minimalny nacisk wiatru o prędkości 70 mil/h (110 km/h), jednak nie biorą pod uwagę pewnych uwarunkowań, które mogą powodować pojawianie się groźnych wibracji. Ewentualność wibracji jest często pomijana przez osoby projektujące słupy, ponieważ tak trudno ją przewidzieć. Zjawisko to może powodować stały, relatywnie słaby wiatr wiejący z prędkością 10-30 mil/h (16-48 km/h), czynniki topograficzne lub struktura, do której słup zamontowano. Badania wykazały, że naturalne turbulencje strumienia powietrza o prędkości powyżej 30 mil/h zapobiegają powstawaniu wibracji. Podsumowując, groźne wibracje nie są efektem zastosowania wybrakowanych materiałów, wadliwego wykonania lub wykorzystania nieprawidłowego projektu.

Wibracje

W odniesieniu do słupów obserwuje się dwa rodzaje wibracji Pierwszy czasami nazywany jest kołysaniem (sway). Maksymalne odchylenie następuje na szczycie słupa, a odchylenie całości względem punktu środkowego podstawy w różnych kierunkach nie jest równomierne. Kołysanie posiada niską częstotliwość wynoszącą około 1 cyklu na sekundę (rys. 1). Ta forma wibracji zwykle nie powoduje uszkodzenia słupa ani elementu oświetleniowego.

Wibracje drugiego rodzaju mogą być najbardziej groźne dla konstrukcji, pojawiają się mniej więcej w połowie słupa i charakteryzują równym odchyleniem w obu kierunkach od punktu środkowego (rys. 2). Ich częstotliwość jest wyższa - zwykle wynosi 3 do 6 cykli na sekundę.

Wibracje drugiego rodzaju pojawiają się, gdy występuje synchronizacja wiatru z częstotliwością naturalnych wibracji słupa. Takie zjawisko jest nazywane rezonansem (rys. 3). Gdy stały wiatr o niedużej sile owiewa słup, zamiennie po jednej lub po drugiej stronie konstrukcji pojawiają się zawirowania wywołujące oscylacje przemieszczające (displacement oscillations) działające prostopadle do kierunku wiatru. Najpoważniejsza sytuacja ma miejsce, gdy wystąpi synchronizacja częstotliwości zawirowań z naturalną częstotliwością wibracji słupa, co w konsekwencji może doprowadzić do zmęczenia materiału i zniszczenia słupa.

Czynniki wpływające na wibracje

W każdej lokalizacji działają inne czynniki mogące prowadzić do pojawienia się wibracji wywołujących zmęczenie materiału. Aby stwierdzić, czy istnieje takie zagrożenie, należy czynniki te brać pod uwagę na równi z uwarunkowaniami dotyczącymi środowiska i struktury.

Czynniki wpływające na wibracje to:

1. Całkowite obciążenie słupa oraz długość wiązki światła. Niskie obciążenie oraz długość słupa równa lub przekraczająca 25 stóp (760 cm) w połączeniu ze sobą mogą w znacznym stopniu przyczynić się do pojawienia destruktywnych wibracji.
2. Kształt. Proste, kwadratowe słupy częściej padają ofiarą wibracji niż słupy o innych kształtach, jednak żaden kształt słupa nie eliminuje tego problemu.
3. Procedury instalacyjne. Słupy zostały zaprojektowane, aby utrzymywać obciążenie. Nigdy nie należy instalować słupa bez zainstalowanego elementu oświetleniowego.

Wpływ infrastruktury i środowiska naturalnego

Obecność szczególnych warunków wiatrowych w konkretnej lokalizacji może być zależna od wielu czynników - m.in. od struktury, na której zamontowano słup. Czynniki te mogą oddziaływać na większym terenie lub być ograniczone do konkretnych miejsc. Na pojawianie się wibracji prowadzących do zmęczenia materiału wpływają takie czynniki jak:

• instalacja na górnym poziomie parkingu wielopoziomowego; wpływ otaczającej słup konstrukcji oraz przenoszenie wibracji wywoływanych przez poruszające się pojazdy;
• bliskość lotniska lub montaż na lotnisku; brak elementów rozpraszających prąd powietrza oraz obecność turbulencji wywoływanych przez samoloty;
• instalacja na mostach; brak elementów rozpraszających prąd powietrza oraz obecność wibracji wywoływanych przez poruszające się pojazdy;
• rejony u stóp wzniesień; prądy powietrza z wyższych partii gór mogą tworzyć stałe, groźne wiatry;
• rozległe, płaskie tereny; w połączeniu z brakiem elementów rozpraszających prąd powietrza mogą pojawiać się stałe, niezbyt silne wiatry i destruktywne wibracje;
• stałe, niezbyt silne wiatry; mogą pojawiać się na terenach równinnych.

Nie jest to pełna lista, inne czynniki mogą wpływać na efekty działania wiatru

Potencjalne rozwiązania

Aby zminimalizować efekt zmęczenia materiału spowodowany wibracjami, fabrycznie lub na miejscu montażu instaluje się elementy absorbujące wibracje lub tłumiące je. Można też zaprojektować słup w taki sposób, aby był odporny na efekty tego zjawiska - szczególnie gdy na miejscu instalacji stwierdzono jego zagrożenie.

Projektowanie słupów odpornych na wibracje opiera się na doborze materiałów o niewyczerpanej odporności na zmęczenie. Jest to jednak bardzo kosztowne i często przekracza budżet projektu.Tańszym rozwiązaniem jest zastosowanie elementów tłumiących wibracje, instalowanych fabrycznie lub na miejscu montażu. Ta druga możliwość ma jeszcze tę zaletę, że urządzenie tłumiące zostanie zamontowane tylko wtedy, gdy jest to konieczne.

Alternatywą jest odpowiedni kształt słupa. Chociaż wibracje działają na wszystkie typy słupów, najbardziej podatne na nie są proste konstrukcje o kwadratowym przekroju. Z kolei słupy o okrągłej podstawie, zbiegające się ku górze, rozbijają zawirowania powietrza powodujące rezonans. Dlatego też zastosowanie zwężającego się słupa o okrągłym przekroju z elementem tłumiącym wibracje wydaje się najlepszym rozwiązaniem, choć nie gwarantuje zapobieżenia destruktywnym wibracjom.

Inspekcja słupa

Słupy, podobnie jak każde inne urządzenie, powinno się poddawać regularnej inspekcji. Zaleca się, by przeprowadzać ją co trzy miesiące. Szukanie skutków wibracji jest bardzo ważne, ponieważ w przypadku jej występowania awaria może nastąpić w relatywnie krótkim czasie. Potencjalne następstwa wibracji są bardzo poważne - od uszkodzenia elementu oświetleniowego do katastrofy słupa. Wczesne jej oznaki daje się zaobserwować. Są to m.in.: szumy wewnątrz słupa, odpadanie części elementu oświetleniowego (np. nakrętek), krótka żywotność lamp itp. Jeżeli występuje którekolwiek z tych zjawisk, należy przeprowadzić dalszą inspekcję w miejscu, gdzie słup łączy się z płytą mocującą. Śladów zmęczenia materiału szukać należy tuż nad spawem mocującym w postaci drobnych pęknięć (rys. 5.)

Możliwości inspekcji są następujące:

1. Inspekcja wizualna. W miejscach zmęczenia materiału na stalowych słupach pojawi się rdza.
2. Test penetracji czerwonego barwnika. kontrola możliwości penetracji spawów i obecności pęknięć wywołanych przez zmęczenie materiału. Sprawdza się to w przypadku aluminiowych lub stalowych słupów, które nie wykazują śladów rdzy.
3. Zdjęcia rentgenowskie. Ta technika wymaga wysłania słupa do laboratorium, co zabiera czas i jest bardzo kosztowne. Jednak w pełnych sytuacjach takie postępowanie staje się niezbędne.

Zaleca się, aby wszelkie problemy weryfikował licencjonowany inżynier. Jeżeli zmęczenie materiału zostanie wykryte, konstrukcje, które ucierpiały, muszą zostać rozebrane. Przy pozostałych słupach należy po zakończeniu inspekcji zamontować elementy tłumiące wibracje. Nawet po przeprowadzeniu niezbędnych poprawek przyszłe inspekcje pozostają niezbędne.

Informacja zawarta w tym dokumencie oparta jest na dostępnych danych i powinna być wykorzystywana w celu minimalizacji przypadków zmęczenia materiału. Należy pamiętać, że opisane uwarunkowania pozwalają jedynie szacować szanse wystąpienia tego zjawiska, i że mogą jeszcze istnieć istotne czynniki, które nie zostały dotąd rozpoznane.

Opracował: Andrzej Sosiński
Źródło: Lithonia Lighting

Zabezpieczenia 6/2006