Башенные краны и ветер

При разработке элементы конструкции башенного крана рассчитываются на предельную ветровую нагрузку, при которой обеспечивается эксплуатация крана с полезной нагрузкой. В инструкции по эксплуатации крана производитель указывает максимальную скорость ветра, свыше которой работа крана не допускается. «Инструкция для крановщиков по безопасной эксплуатации башенных кранов» РД 10-93-95: «Крановщик обязан прекратить работу крана, если скорость ветра превышает допустимую величину, указанную в паспорте крана».

Кроме того, в паспорте крана указываются допустимое при работе крана давление ветра (в кгс/м²) и расчетная скорость ветра (в м/с) на высоте до 10 м. Эти давление и скорость не опасны для самого крана, но груз при его подъеме (в зависимости от его парусности и массы) под действием ветра будет раскачиваться, что опасно для устойчивости крана и находящихся около груза людей. В связи с этим в СНиП III-A. 11-70 «Техника безопасности в строительстве» (актуализованы в 2020 г.) запрещено выполнение монтажных работ на высоте в открытых местах при скорости ветра 9,5–12,4 м/с, а также при обледенении, сильном снегопаде, дожде, грозе и тумане, исключающих видимость в пределах фронта работ. При монтаже конструкций, имеющих большую парусность и габариты (вертикальных глухих панелей, ферм и т. п.), а также монтаже в зоне примыкания к эксплуатируемым зданиям (сооружениям) работа прекращается при скорости ветра 7,5–9,8 м/с. СНиП 12-04-2002: «Безопасность труда в строительстве. Часть 2. Строительное производство»: «Запрещается выполнять монтажные работы на высоте в открытых местах при скорости ветра 15 м/с и более». Работа любого крана при низкой температуре окружающего воздуха должна прекращаться при достижении допустимого значения, указанного изготовителем в паспорте крана. Если допустимое значение не указано в паспорте крана, работа должна быть прекращена при температуре –20 °С.

Заметим, что существует много нормативных документов, регламентирующих работу башенных кранов, принятых в разное время и подвергавшихся правкам. Если в разных документах требования различаются, из двух норм следует выбирать более строгую. Однако находящиеся на земле бригадир и прораб, а также сидящие в своих кабинетах начальник стройки и руководитель строительной компании смогут определить, равна ли скорость ветра 9 или 9,5 м/с. При работе башенных кранов для отслеживания силы ветра и соблюдения нормативных требований по безопасности используется, как правило, штатная измерительная аппаратура крана, дисплей которой находится в кабине, и показания на этом дисплее могут постоянно меняться, если ветер порывистый. Система подает аварийный сигнал, если скорость ветра достигает заданных предельных значений, и даже может заблокировать определенные движения крана, которые могут быть опасными. Но если аварийного сигнала нет, решение о продолжении или прекращении работы принимают конкретный крановщик и бригадир на основании своего опыта, т. е. субъективно, «на глазок».

В таких случаях всегда есть риск, что работники могут пропустить опасные порывы ветра, и это приведет к аварии. Или же наоборот, крановщик может сослаться на неблагоприятные погодные условия и остановит кран, тогда как в реальности ветер не настолько силен и можно продолжать работать. Сила ветра воспринимается людьми субъективно, и ветер, который кажется опасным одному, другой посчитает нормальным. Но скорость и направление ветра могут быстро меняться, он может дуть порывами. К тому же следует учитывать, что скорость ветра может быть совершенно разной у земли и наверху. Надежная и точная оценка ветровой нагрузки возможна только при непосредственном измерении силы ветра.

Руководители стройки могут принимать верные решения, только когда данные о силе ветра и ветровой нагрузке на башенные краны и другие высокие объекты будут поступать к ним в реальном или близком к реальному времени. Нужно заметить, что во многих компаниях, где охрана трубы организована на высоком уровне, устанавливаются собственные жесткие правила: при определенной скорости ветра работа башенных кранов полностью останавливается без всяких исключений.

От чего зависит скорость ветра

Как известно, разница температур и плотности между воздушными массами создает разницу атмосферного давления, в результате чего и возникает ветер. В зимнее время, когда массы холодного воздуха движутся из полярных регионов на юг, разница в температурах воздушных масс достигает больших величин, и это порождает особенно сильные ветры. Поэтому в зимнее время нужно уделять повышенное внимание контролю за параметрами ветра.

А в приморских районах в дневное время солнечные лучи нагревают землю быстрее, чем прогревается морская вода. В результате днем ветер дует со стороны моря на берег. Ночью земля остывает быстрее моря, и направление ветра меняется – с берега в море. В приморских регионах повышенное внимание следует уделять контролю суточных изменений направления ветра.

Скорость ветра обычно возрастает с увеличением высоты – расстояния от земли. На величину скорости оказывают сильное влияние такие факторы, как неровности поверхности земли, наличие построек, деревьев и других препятствий вблизи места измерения.

Скорость ветра обычно измеряется в м/с или км/ч, а иногда в условных единицах (баллах) по шкале Бофорта. Ветер со скоростью более 4 м/с начинает создавать дискомфорт (перенос пыли, мусора), при скорости более 6 м/с начинается перенос снега и песка; ветер со скоростью более 15 м/с может обрывать ветки деревьев и разрушать легкие элементы зданий. Буря определяется как ветер, дующий у поверхности земли со скоростью 63–74 км/ч. Термином «ураган» определяются ветры, дующие со скоростью свыше 75 км/ч.

Чаще всего ветер дует неровно, с порывами. Порывы – это скачкообразные усиления и ослабления ветра. Общая закономерность такова, что порывистость ветра возрастает с увеличением его скорости. Порывистость тем больше, чем больше турбулентность.

Турбулентность ветра

В воздушном потоке ветра всегда имеется турбулентность. Теплый воздух поднимается вверх, холодный опускается вниз, или на пути воздушного потока встают какие-то препятствия – здания, мачты, холмы. В результате в потоке ветра возникают многочисленные вихри и струи разных размеров, от нескольких сантиметров до десятков метров, движущиеся беспорядочно по всем направлениям, даже перпендикулярно к основному направлению ветра и в обратном направлении (как показано на картинке). Турбулентность в воздушном потоке, как правило, не видна глазу.

В нашем воображении турбулентность обычно ассоциируется с высокой скоростью ветра, но на самом деле это не обязательно так: любой ветер, даже слабый, имеющий беспорядочный характер движения, считается турбулентным. Обратная ситуация тоже возможна: ветер может быть сильным, но не турбулентным, если воздушный поток ровный.

Влияние турбулентности ветра на краны

Башенный кран – это прочная металлическая конструкция. Она способна выдерживать очень высокие нагрузки. Но существует и другой тип разрушения конструкций, которое может произойти при приложении сил гораздо меньшей величины – усталостное разрушение.

Усталостное разрушение может произойти, если конструкция подвергается циклическому воздействию сил. Такие нагрузки очень опасны, потому что они сравнительно невелики и, казалось бы, не могут причинить вреда прочной конструкции, но действуя циклически, они мало-помалу в конце концов приводят к усталости и разрушению металла. Башенные краны испытывают циклические нагрузки, когда турбулентный ветер хаотически толкает и раскачивает башенный кран. Действие турбулентного ветра прибавляется к действию других нагрузок, действующих на кран во время работы.

Резонансные колебания. Все конструкции, включая башенные краны, имеют так называемую собственную частоту, с которой они стремятся вибрировать под воздействием внешних сил. Если турбулентный ветер создает переменную силу с частотой, близкой к собственной частоте конструкции крана, амплитуда вынужденных колебаний многократно усиливается. Это явление называется резонанс и может возникнуть даже при действии относительно небольших нагрузок.

Поскольку турбулентный ветер может вызвать резонансную вибрацию и усталостное разрушение конструкции башенного крана, следует тщательно контролировать погодные условия во время работы крана.

Как измерить турбулентность ветра?

Для того чтобы оценить, насколько опасен турбулентный ветер для башенного крана, степень турбулентности необходимо измерить. Физически турбулентный ветер, дующий со средней скоростью, например, 50 км/ч, ощущается совершенно иначе, чем постоянный ветер, имеющий такую же скорость 50 км/ч. Но как измерить турбулентность, чтобы не ориентироваться на субъективные впечатления? Говоря простыми словами, мы можем определить величину турбулентности как степень беспорядочности в движениях ветра. К сожалению, приборы и системы измерения параметров ветра обычно предназначены только для определения его скорости и направления и не измеряют интенсивность турбулентности. Однако, если скорость ветра измеряется, можно рассчитать ее среднее значение за какой-то период времени. Если имеет место турбулентность, скорость ветра в точке измерения будет очень быстро изменяться вокруг среднего значения – то меньше, то больше. Вот почему для того, чтобы вы­явить турбулентность воздушного потока, нужна быстродействующая и точная измерительная аппаратура.

Числовое значение турбулентности ветра. Как уже было сказано выше, величина средней скорости ветра сама по себе ничего не говорит о наличии или отсутствии турбулентности. Мы должны проанализировать, насколько скорость ветра отклоняется вверх и вниз от среднего значения. В западной технической литературе интенсивность турбулентности – это процентное соотношение отклонений скорости ветра (в точке измерения) вверх и вниз от среднего значения.

Например, предположим, средняя скорость ветра равна 40 км/ч. Если реальная скорость ветра изменяется от 36 до 44 км/ч, отклонение от среднего значения составляет 4 км/ч, степень турбулентности равна всего 10%, и физически ветер будет восприниматься как ровный. Если же скорость ветра изменяется от 20 до 60 км/ч, отклонение скорости (вверх и вниз) от средней величины составляет 20 км/ч, и следовательно, интенсивность турбулентности будет равна 50%. Физически ветер будет восприниматься как очень турбулентный.

Обратите внимание: средняя скорость ветра в обоих случаях равна 40 км/ч, т. е. примерно 11 м/с. При такой скорости по нормам можно не прекращать работу башенного крана. Однако, если степень турбулентности равна 50%, ветер резко меняет скорость и направление, башенный кран следует остановить. И руководители работ, даже находясь вдали от строительного объекта, имея объективные данные о степени турбулентности ветра, могут дать указание (или утвердить решение бригадира на объекте) о прекращении работ. Так на наглядном примере мы видим, насколько важно измерять не только скорость ветра, но и степень его турбулентности при помощи надежной системы мониторинга.

Отметим, что по ГОСТ Р 54418.2–2014 «Возобновляемая энергетика», относящемуся к ветроэнергетическим установкам, интенсивность турбулентности определяется сложнее, чем в западной традиции: это «отношение среднеквадратичной пульсации скорости ветра к средней скорости ветра, определенной из того же самого набора выборок измеренной скорости ветра, которое берется за указанный период».

Как измеряются параметры ветра

Частота измерения скорости и порывистости ветра. Порывы ветра являются одним из самых опасных атмосферных явлений, а продолжительность их составляет всего несколько секунд. Если регистрирующее устройство недостаточно быстро производит замеры, оно не сможет надежно измерить параметры порывов ветра. Скорость ветра должна измеряться примерно через каждые 0,1–0,25 сек. Такая частота позволяет измерить короткие всплески величины скорости, которые причиняют самые большие разрушения во время бурь и ураганов. Однако считается, что частота измерений один раз в 1–2 сек достаточна для того, чтобы руководители современного строительства и операторы могли оценить, насколько безопасно выполнять работы башенным краном.

В соответствии с ГОСТ 32575.3–2013 «Краны грузоподъемные. Ограничители и указатели. Часть 3. Краны башенные» п. 9.4 «Сигнализатор должен давать непрерывные усредненные показания скорости ветра. Интервал осреднения – 5  сек».

Современные электронные системы измерения параметров ветра обеспечивают точность порядка 0,00002%, скорость ветра при этом определяется с точностью до 0,01 м/с.

Измерение направления ветра. Для безопасности башенных кранов и других конструкций большое значение имеет, с какой именно стороны дует ветер, в частности, если ветер дует со стороны наибольшей парусности.

Направление определяют в румбах (их 16) или угловых градусах относительно севера (географического, а не магнитного!), и указывается, откуда дует ветер (а не в какую сторону!). То есть восточный ветер – тот, что дует с востока (90° по шкале), южный – который дует с юга (180°) и западный – с запада (270°).

Комбинированный прибор, состоящий из анемометра и флюгера, называют анеморумбомером, флюгер-ветромером и т.п. (aerovane – англ.). Современные электронные анеморумбомеры оснащаются средствами телематической связи для беспроводной передачи данных на центральный компьютер и в облако на хранение. Также применяются самопишущие приборы для непрерывной регистрации направления и скорости ветра – анеморумбографы.

Анемометры

В соответствии с Приказом № 533 Федеральной службы по технологическому надзору (бывший Ростехнадзор), «Правилами безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения», башенный кран как высотное сооружение должен быть оборудован анемометром. При этом тип измерителя не регламентируется. При опасных скоростях ветра крановый анемометр способен подать тревожные сигналы и автоматически блокировать основные движения башенного крана.

Ультразвуковой. Необходимую частоту и точность измерений обеспечивают современные ультразвуковые анемометры. Эти приборы не имеют подвижных деталей и оснащаются подогревом. Поэтому их (а еще лучше ультразвуковые метеостанции с ультразвуковыми анемометрами-термометрами) рекомендуется использовать на высотных башенных кранах.

Прибор измеряет скорость передачи акустических сигналов между излучателем и приемником, расположенными на концах тонких рычагов. На основе комплексных показаний от двух пар датчиков определяется и скорость, и направление ветра. Искажения воздушного потока, вносимые рычагами, на которых установлены датчики, являются недостатком приборов данного типа, который можно уменьшить, вводя в показания поправки, которые определяются по результатам поверочных испытаний в аэродинамической трубе.

Различают двухмерные и трехмерные ультразвуковые анемометры. Двухмерный анемометр может измерять скорость и направление только горизонтальных потоков воздуха. Трехмерный анемометр способен проводить измерения трех компонент направления движения потока.

Трехчашечный. Также одним из наиболее популярных на сегодняшний день приборов для измерения скорости ветра на башенных кранах является трехчашечный анемометр. Преимуществами трехчашечного анемометра являются сочетание постоянного крутящего момента на чашках, точность, высокая прочность и выносливость к неблагоприятным воздействиям. Быстрая реакция трехчашечного анемометра помогает предотвратить аварию башенного крана при измерении порывов ветра, которые длятся короткое время несмотря на большую силу.

Обычный трехчашечный анемометр измеряет только скорость ветра, но существует также два способа измерить направление ветра. К одной из чашек прикрепляется ушко, которое меняет величину силы ветра, действующую на эту чашку, в результате скорость вращения крыльчатки анемометра во время каждого оборота несколько уменьшается и увеличивается, создавая равномерную пульсацию. Направление ветра определяется по угловому положению чашки в момент пульсаций. Второй способ – просто прибавить к анемометру румбометр (флюгер). Преимуществом такого комплексного прибора является то, что скорость и направление ветра измеряются в одной и той же точке.

Точность показаний анемометра может сильно отличаться у разных приборов. Однако в нормальных условиях чашечный анемометр имеет точность в диапазоне от 1 до 5%. Лабораторные специально откалиброванные и регулярно поверяемые приборы имеют более высокую точность.

Крыльчатый. Анемометр крыльчатый, или лопастной – еще одна разновидность этого прибора. Выглядит он как миниатюрная ветряная турбина. Этот анемометр, как подсказывает название, имеет крыльчатку с лопастями, которая всегда разворачивает его в направлении, откуда дует ветер (как правило, у таких приборов имеется еще и «хвост», как у флюгера). Скорость ветра определяется по частоте вращения крыльчатки, как и в чашечном анемометре.

Эти два вида приборов различаются тем, что у лопастного анемометра ось вращения крыльчатки располагается параллельно направлению воздушного потока, а у чашечного – перпендикулярно. К тому же лопастной анемометр может одновременно указывать и скорость, и направление ветра.

Выбор прибора. Аэродинамическая сила, которую создает ветер, пропорциональна его скорости в квадрате. Если скорость ветра увеличивается вдвое, сила ветра возрастает в четыре раза. Любая неточность в измерении скорости ветра приводит к намного большей ошибке в определении ветровой нагрузки. Поэтому при выборе прибора для измерения параметров ветра на башенном кране важно оценить, достаточна ли точность их показаний. В общем случае рекомендуется использовать приборы, обеспечивающие точность измерений скорости ветра в 1–2%.

Как выбрать лучшую систему для удаленного мониторинга параметров ветра

Современная интеллектуальная система мониторинга опасных метеорологических явлений и процессов для кранов должна надежно и точно измерять параметры ветра непосредственно на строительной площадке, собирать данные, поступающие от многих приборов из разных мест, обрабатывать и представлять их на экране дисплея в удобном для чтения формате. Это помогает руководителям принимать ответственные решения.

Но к сожалению, проблема в том, что контроль параметров погоды часто выполняется в местах, где ограничен доступ к обычным проводным средствам связи. Поэтому важно, чтобы ваша аппаратура могла передавать полученные данные по системе сотовой или спутниковой связи GSM, GPS/ ГЛОНАСС и т. п., имеющей широкое покрытие. Это делает измерительную аппаратуру особенно полезной для компаний, у которых строительные объекты разбросаны по отдаленным друг от друга местам.

В мире разработаны системы контроля ветровой нагрузки на башенный кран на основе мобильного приложения для смартфонов. Системы обеспечивают простой и быстрый доступ к данным. Желательно, чтобы протокол связи был совместим с большинством мобильных гаджетов, которые используют работники компании. В этом случае все основные сотрудники вашей организации будут иметь доступ к актуальным параметрам погоды, и не придется снабжать их новой приемной аппаратурой.

Современные интеллектуальные системы измерения скорости ветра оснащаются анемометром какого-либо типа, но совместимы и могут также принимать сигналы других датчиков и анемометров.

Кроме того, аппаратура мониторинга параметров погоды должна иметь автономный источник питания, например, солнечную батарею или малогабаритную ветряную турбину, а также аккумулятор большой емкости.

Еще одно важное качество, которым должна обладать измерительная аппаратура, это надежное сохранение полученных данных. Во время работы на стройплощадке аппаратура может быть повреждена или утеряна, а вместе с ней и данные, записанные в ее память. Поэтому иметь систему, с которой можно поддерживать удаленную связь, не только удобно для ее владельца, но и полезно для сохранения собранных этой системой данных. Например, очень удобно, если система интегрирована с облачным сервером, в который данные автоматически заносятся и из которого их можно получить.

Аппаратура должна быть «живучей»: сохранять стабильную работу при быстрых изменениях скорости и направления ветра, воздействии поднятой ветром пыли, сильных дождей и снега, т. е. быть пыле- и влагонепроницаемой, а также устойчивой к воздействию чрезмерно высоких и низких температур.

Аппараты мониторинга погоды в процессе эксплуатации могут быть сорваны с мест своего крепления. Поэтому важно, чтобы аппаратура была устойчивой к сильным ударам и не боялась погружения в воду, должна быть предусмотрена надежная защита ее электронных компонентов.

Важно использовать не универсальную измерительную аппаратуру, а специально предназначенную для работы на башенных кранах. Неспециализированные приборы могут иметь слишком низкую скорость сбора данных, недостаточную физическую прочность и способность противостоять суровым воздействиям погоды.