Mast M38W och vindmätning. Information

Transkript

1 Mast M38W och vindmätning Information Vårgårda Radio AB i mars

2 Utliggare och dess vindpåkänning relativt mastens bredd. Mätning av vind sker på ett så stort avstånd från masten som möjligt för att undvika den vindturbulens som annars stör mätningen. Alltså är en smal mast att föredra eftersom de utliggare som skall hålla anemometern kan göras korta. En kort utliggare ger en liten kraft i masten och det vill man eftersträva eftersom vridkraften, torsionen, då blir minimal. Två exempel: Mastsida 700 mm Mastsida 375 mm Vindens Utliggare på mastsida Vridande Utliggare på mastsida Vridande medel. medel- kraft totalt kraft totalt hastighet 7 x sida diameter ink anem. 7 x sida diameter ink anem. [m/s] [m] [mm] [kg] [m] [mm] [kg] En bred mast fordrar kraftigare dimension på en utliggare på grund av dess längd. Tabellen säger att eftersom en bred mast kräver en lång utliggare så blir vridkraften väsentligt större än i en smal mast som inte behöver lika lång utliggare. Observera att det är medelvind som utgångspunkt. Normal medelvind i Sverige är som högst runt m/s. En bred mast känner då en vridande kraft på cirka 39 kg. En smal mast känner endast 10 kg vilket är endast en fjärdedel. I en vindby har vinden generellt sett ca 25 % högre hastighet. Jämförelsevis, med samma medelvind som i förra fallet, blir därför vindstötens hastighet cirka 34 m/s. Detta ger i den breda masten en påkänning som är 60 kg medan den smalare endast känner 17 kg. Alltså mindre än en tredjedel jämfört med den bredare masten. 2

3 Stagad eller fristående mast. En mast kan konstrueras på olika vis beroende på den önskade användningen. Vanligen ser vi stålmaster som är helt fristående utan några staglinor. En sådan mast är tung på grund av att det är just stål som används. Ju högre en sådan mast är desto tyngre blir den. En fristående mast har fördelen att staglinor inte tar upp en stor yta på markplanet. Nackdelen är istället att den nedre delen på en sådan mast måste klara av det stora böjmomentet som uppstår i mastens fot vid vindpåkänning. De tvärstag som ingår i konstruktionen är därför oftast väldigt mycket kraftigare i den nedersta delen jämfört med de översta delarna. En 60 meter hög fristående stålmast kan väga åtskilliga ton. Priset på en sådan konstruktion står inte långt efter den imponerande synen masten ger. Staglinor innebär ingen större nackdel för en mast som skall fungera som vindmätmast. Dock fordrar givetvis en stor eller bred mast kraftigare staglinor medan en mindre mast fordrar mindre kraftiga linor. De krafter som uppstår i staglinorna under kraftig vindpåkänning beror av hur stor vindyta som masten representerar. En smal mast är en mindre vindyta medan en bred mast är en större. En stor vindyta innebär en stor kraft i staglinorna. Fördelarna som en bred mast ger kan innebära att andra egenskaper inverkar negativt. Ofta är pris och vikt avgörande faktorer. Möjligheten och kostnaden att få en mast uppsatt på den avsedda platsen kan också vara helt avgörande. Transportsituation och kostnad. En mast med mycket låg egenvikt måste inte samtidigt innebära lägre fraktkostnad än en tyngre mast. Transportören tar oftast betalt för den volym som godset upptar. En mast som har låg egenvikt kan därför innebära en lika stor transportkostnad som en tyngre stålmast, under förutsättning att man då jämför samma storlek på masterna. Vanligen beräknar transportören om godsets volym är mera värdefullt än dess vikt. Vanligt är att en kubikmeter lastvolym motsvarar 280 kg vikt. På det viset uppstår en gränslinje mellan volymberäknad fraktkostnad och viktberäknad. Då en kubikmeter gods överstiger 280kg i egenvikt är det just dess vikt som blir riktgivande i transportkostnaden. En större stålmast kan överskrida denna gräns. En mast konstruerad i exempelvis aluminium kommer sällan över den gränsen. Utöver denna transportbedömningen finns det ytterligare en som kallas långgods. Gods som är sex meter långt eller längre omfattas vanligen av ytterligare ökning av transportkostnaden. Anskaffningskostnad och materialpris. Priset på en mast kan variera beroende av vilket materialet den är konstruerad av och storleken på konstruktionen. Vanligen är en bred mast dyrare än en smal mast och en smal stålmast ofta billigare än en aluminiummast. Att göra en bedömning av lägsta anskaffningskostnaden för en vindmätmast kan vara svårt. Generellt sett kan man säga att stål är ett material som till lägre kostnad kan ge en produkt med hög styrka än en aluminiummast med samma styrka. Aluminium är ett porösare material än stål och fordrar kraftigare konstruktion för att uppnå en styrka som motsvarar den man finner hos en stålmast. Ökade råvarupriser på den internationella marknaden har sedan en del år tillbaka starkt påverkat mastprodukterna och stålet har inte stått långt efter i den prisökning som skett på aluminium. Andra material har inte haft någon större framgång för mastkonstruktioner för höga höjder. Ett mycket starkt och samtidigt mycket lätt material är Titan. Det har haft viss framgång på andra områden men kan inte helt lätt appliceras som en mastprodukt på grund av det höga priset på råvaran. 3

4 Material och egenskaper. Aluminium finns i en lång rad olika legeringar. En legering innebär att olika material satts samman till ett enhetligt material Detsamma gäller stålprodukter. Uttrycket stål från gamla bilar används då och då i dagligt tal och betyder att det är inte helt rent från restprodukter. Därav namnet eftersom detta stål ofta är återanvänd råvara från återvinning. Stål kan ha olika sammansättning och en mastprodukt kan därför vara tillverkad av olika kvaliteter. En fackverkskonstruktion som konstruerats av aluminium innebär oftast att den bästa möjliga legeringen har använts då man eftersträvar högsta möjliga styrka på konstruktionen. En stålkonstruktion kan uppnå samma styrka utan att den högsta stålkvaliteten använts. Vad gäller oxidering, eller rost, är det numera ingenting som man låter vara avgörande eftersom ytbehandlingen kan utföras mycket effektivt. Aluminium oxiderar också men den oxiden har ingen skadlig inverkan på konstruktionen. Man har förr talat om att en stålmast rostar på insidan eftersom man använder rör i konstruktionen. Numera används ofta homogent material och därför finns ingen inre sida som kan oxidera. I gengäld blir vikten betydligt större. Resning av mast. Resningen av en mast kan ske på en rad olika vis. Man får beakta tillgången på väg och öppen terräng. En mast som är avsedd att monteras på en svårtillgänglig plats kan innebära försvårade transportmöjligheter. En tung mast innebär naturligtvis ytterligare försvårande omständigheter om transporten skall ske genom terrängen. Med helikoptertransport underlättas oftast detta. En stålmast innebär givetvis en större last och flera flygningar än en aluminiumkonstruktion. Kranbil kräver transportväg av tillräcklig kvalitet. En mast som är mer än cirka 60 meter ställer ytterligare krav på kranbilen och kan representera ett försvårande. Helikoptermontering av masten på plats genom att bygga masten successivt kräver en arbetsinsats omfattande flera personer kontinuerligt och dessutom en viss tillräcklig mastbredd eftersom masten skall vara enkelt klätterbar. I detta bör tidsåtgången för en mastresning beaktas då personalkostnaden ökar med tiden det tar att slutföra arbetet. En ideal situation beskriver en persons arbete att på egen hand utföra allt arbete. För detta krävs så kallat kasettlyft. Byggsättet består i att en maskinell utrustning långsamt lyfter upp masten som därigenom byggs underifrån. En mast konstruerad av ett lätt material är då att föredra framför ett tungt material. Likaså är en smal mast enklare att hantera än en bred. Stagning och kraftpåkänning. Stagning krävs för en mast som inte är fristående. Ofta tänker man sig att det uppstår kolossala krafter i staglinor under en storm. Vid en närmare studie finner man att så inte behöver vara fallet. Vindens energimängd ökar kvadratiskt med vindhastigheten. Vindtrycket definieras som: q = 0,64 * v 2 ; v = vindhastigheten i m/s - A - Vindtryck. En vindhastighet av 2 m/s ger ett vindtryck på 2,56 N/m 2 (0,26 kg/m 2 ). Om vindhastigheten dubblas blir vindtrycket 10,24 N/m 2 ( 1,04 kg/m 2 ) vilket är 4 gånger. Alltså bör man hålla i minnet att en liten ökning av vindhastigheten innebär egentligen en mycket större ökning av den påkänning som uppstår i masten och dess staglinor. Detta är samma typ av förhållande som man känner till från trafiken som säger att om man dubblar fordonets hastighet så fyrdubblar man bromssträckan. Dubblas vindhastigheten fyrdubblas vindtrycket. 4

5 -B - Kraftfördelningen av stagning. Det finns ytterligare en aspekt i vindtryck och staglinor. Den kraft som uppstår av vindtrycket i en mast påverkar inte bara dragkraften i staglinan. Det uppstår också en vertikal kraft i mastens riktning ned mot foten. Det beror på att staglinan löper snett ner mot marken från sitt fäste i masten. Om linan hade löpt rakt ut från masten i rät vinkel hade inte någon vertikal kraft uppstått nedåt i masten. - C - Vinkeln vid staginfästning. Man bör ta hänsyn till den vinkel som staglinan har i förhållande till masten. Generellt sett strävar man efter att ha en vinkel som är 45 grader. Det innebär att avståndet från mastens fot till markfästet för staglinan är lika stort som från mastfoten till fästet av linan uppe i masten. Ibland är detta alltför stort för att vara praktiskt. Man minskar då på vinkeln men håller den vanligen över 35 grader. - D - Markfästen. En mast som har många stagvåningar har också flera stycken markfästen. Det är inte nödvändigt att sprida ut markfästena ur stabilitetssynpunkt men mängden stagvajer blir väsentligt mindre om de nedre våningarna har sina egna markfästen närmare mastfoten. En mycket tung och bred mast kan dock behöva sprida markfästena på grund av hållfasthetskrav i markfästena. Riskfaktor och stabilitet Vid en bedömning av minsta möjliga kostnad hos en vindmätmast behöver man titta närmare på stabiliteten. Det finns krav som skall uppfyllas som fastställts genom Boverkets Författningssamling BFS 2003:6 och BKR7. Man indelar byggnader i olika klasser. En vindmätmast kan placeras i riskfaktor γ n =1,0 som innebär att vid en utförd hållfasthetsberäkning skall konstruktionen ha en 3,7-faldig säkerhetsfaktor. Alla de krafter som uppstår vid normal belastning skall ligga inom säkerhetsgränsen. Vind i Sverige. Lång tids mätning av medelvindshastigheten i Sverige har utförts av SMHI och har visat att mellan m/s hör till de högsta uppmätta värdena. Det finns en 2 %-ig risk att högre medelvind uppstår under en 50-års period. Här kan vara intressant att betänka att den högsta uppmätta medelvinden enligt Uppsala Universitet var 40 m/s och inträffade på Öland den 17/ Den högsta byvinden uppmättes i Tarfala den 20/ till 81 m/s. Vindfördelning med höjd. Vindhastigheten från marken upp till ungefär 20 meters höjd är väsentligt lägre än på hög höjd. Det innebär att när ett vindtryck uppstår i en mast som är meter hög så sker den större delen av vindpåkänningen högst upp i konstruktionen. Enligt resonemanget kan dimensioneringen av staglinor därför göras efter den kraftupptagning som sker högt upp. Om linorna i de lägre stagvåningarna håller samma tålighet kan ingen försvagning uppstå i de nedre delarna. I skogstät terräng bör man planera noggrant för att undvika möjligheten till omkullfallande träd. En saboterad stagvåning innebär en allvarligt försämrad stabilitet. Låg kostnad för mätning = smal mast och stagning? Stagning är tätt förknippad med en mast som har ett måttligt prisläge. En smal och lätt mast fordrar inte lika dyrbara staglinor som en bred och tung mast. En smal mast 5

6 kräver oftast fler stagvåningar än en bred. Orsaken till detta är att det vindtryck som uppstår på mastsidan orsakar en så kallad stödreaktion kring staglinans fäste i masten. En mycket lätt mast innebär att materialet den är konstruerad av ger en generellt sett svagare mast än en tung mast i samma storlek. En tung mast kräver i gengäld betydligt kraftigare stagmateriel. Det går utmärkt att finna en konstruktion som motsvarar önskad lägsta prisbild och samtidigt önskad högsta styrka. Om vi tittar på en mastmodell med beteckningen M38W som är trekantig med en ungefärlig sida av 38 centimeter kan vi se följande för den möjliga bygghöjden med ett stagvåningsavstånd som är nio meter. Bygghöjd Stagvinkel i mast på mast 45gr 40gr 35gr m m/s Masten M38W tillverkas i 3m sektioner vilket ger udda höjdsiffror. Tabellen grundar sig på BFS 2003:6 BKR7 med säkerhetsfaktor 3,7 vid γ n =1,0. Vindhastigheten beskriver medelvinden. En 114-trådig stålvajer kan användas. En minskad vinkel i stagfästet i masten ger en lägre kraftpåkänning i vajern medan den vertikala kraften i masten ökar. Motsatsen föreligger vid en ökad vinkel. Vi kan generellt sett göra en uppskattning på en vindmätmast som M38W till cirka 1400 kr per meter om vi bortser från stagmaterielen. Vikten är endast cirka 5,5 kg per meter. Sammantaget innebär detta att en 80 meter hög vindmätmast har en initialkostnad på runt kr och väger cirka 440 kg. Prisbilden är ungefärlig exkl moms och slutkostnaden beror av varierande faktorer. Slutresultatet blir ändock att en smal mast kräver mindre av stagmaterielen och mindre utliggare vilket i sin tur leder till att den totala kostnaden blir minimal. Anemometer servicetillgänglighet och MTBF En detalj som många fäster avseende vid är att den utrustning som monteras kan behöva underhåll. Det kan vara försvårande i en mast som inte helt inbjuder till klättring och samtidigt är alltför hög för en lylftkorg. Då man ser till hur länge mätningen skall utföras bör man därför även se till MTBF (Mean Time Between Failiure) hos den utrustning man ämnar använda. Sådan information tillhandahålls av leverantören av anemometrarna. En MTBF som är större än timmar ( 2 år) behöver ingen service för en mätning som är på kortare tid. Det finns anemometrar som har en MTBF på 10 år. Vid osäkerhet har en smal mast ytterligare den fördelen att en extra anemometer kan monteras med samma korta utliggningsavstånd från mastsidan. 6