Virvelinduserte tverrsvingninger

Virvelinduserte tverrsvingninger er bevegelser av en konstruksjon som står i en væskestrøm og hvor bevegelsen av konstruksjonen er på tvers av væskestrømmen. Virvelinduserte tverrsvingninger er kompliserte og er fortsatt ikke fullt ut forstått. De er et samvirke der lasten påvirker konstruksjonen og omvendt. Det er også mange faktorer som påvirker svingningene. Det produseres store mengder forskningsrapporter, og vi har fortsatt mange år med forskning igjen.

Teksten nedenfor er i hovedsak skrevet med tanke på konstruksjoner i luft, men er i stor grad også anvendelig for konstruksjoner som står i vann.

Redusert hastighet

For en rørkonstruksjon beskrives bevegelsene som en funksjon av redusert hastighet. Redusert hastighet er væskehastigheten dividert produktet av egenfrekvensen av konstruksjonen og diameteren. Tverrsvingninger oppstår når den reduserte hastigheten overskrider om lag fire. I modellforsøk stanser tverrsvingningen nå den reduserte hastigheten ved om lag 8-10, men i naturlige omgivelser er svingninger observert ved langt høyere verdier.

Det er ulike oppfatninger av hvordan hastigheten påvirker tverrsvingningene. Noen har ment at når hastighetene eller Reynoldstallet når et visst nivå blir væskestrømningen så turbulente at en ikke vil få tverrsvingninger. Dette er ikke allment akseptert. I en konstruksjonsanalyse vil en bruke løftkoeffisienter i Morisons formel som funksjon av Reynoldstallet.

Stabilitetstall og væskehastighet

Utsvinget fra tverrsvingningene avtar med økende stabilitetstall. En har tidligere antatt at tverrsvingninger ikke er et problem for utmatting dersom stabilitetstallet er mindre enn et visst nivå (16-25) fordi utsvinget da er lite. Men det er påvist skader ved høyere stabilitetstallet når antall sykler er høyt.

Størrelsen på utsvinget

Størrelsen på utsvinget vil være avhengig av en rekke faktor som:

• Dempning av konstruksjonen. For sveiste enkeltstaver i luft vil dempningen være lav – typiske 0,15% av kritisk dempning.
• Innspenning og svingeformene av konstruksjonen som påvirker egenperiodene.
• Kjølvannseffekter fra konstruksjoner som står foran den betraktede konstruksjonen i væskeretningen
• Parallelle konstruksjoner kan kunne føre til at det fremre konstruksjonen laget virvler i egenfrekvensen til det bakre konstruksjonen. Hovedeffekten ser ut til å være at svingningene starter ved høyere hastigheter og høyere redusert hastighet enn for enkeltstaver. En kan også få større utsving, når geometriene er uheldige.
• I noen tilfeller svinger ikke konstruksjonene som en og en stav, men i egenfrekvensen til en ramme. Rammen kan være mange staver, men også to tilstøtende staver. Det som starter fenomenet er når virvel fra enkelstaver blir avløst i egenperioden til rammen.
• Et tilsvarende problemstilling opptrer dersom forholdet mellom egenfrekvensene til to tilstøtende staver er 1:2. Da kan en også få virvelinduserte tverrsvingningene – kalt parametrisk eksitasjon.
• Roterende utstyr som vibrerer i egenperioden til staver eller rammer kan bidra til å vedlikeholde virvelinduserte tverrsvingningene.

Ikke sylindriske tverrsnitt

Kvadratiske og andre ikke sylindriske tverrsnitt er også utsatt for virvelinduserte tverrsvinginger. Ved ikke sylindriske tverrsnitt økes den reduserte hastigheten som må til for å få svingninger, men svingningene vil bli større enn for en sylinder. En konstruksjon med kvadratiske tverrsnitt kan få dobbelt så store utsving som en sylinder.

Når en ikke har en sirkulær sylinder må en også sjekke at en ikke kan få galloping.

Kilder

• Eurokode 1. Actions on structures. General actions. Wind actions, EN 1991-1-4, 2005.
• Blevins R D: Flow-induced vibrations, Krieger Publishing Company, 2001.