Προσομοίωση και ανάλυση της συμπεριφοράς υπό ανεμοπίεση και βελτιστοποίηση σχεδιασμού ελαφρών, εύκαμπτων, περατών αγροτικών κατασκευών για προστατευμένες καλλιέργειες

Abstract

Βασικό αντικείμενο της παρούσας ερευνητικής εργασίας αποτέλεσε η καινοτόμος μελέτη της συμπεριφοράς περατών και μη πλαισίων που αλληλεπιδρούν με τον άνεμο δημιουργώντας ζώνες προστασίας καλλιεργειών. Το αντικείμενο της μελέτης βασίστηκε στην φυσική παρατήρηση του τρόπου με τον οποίο τα δέντρα ανταποκρίνονται στη ροή του ανέμου δημιουργώντας ένα δυναμικό σύστημα ανεμοφράκτη. Η δυναμική αυτή συμπεριφορά μελετήθηκε πειραματικά και προσομοιώθηκε αριθμητικά μέσω ελαστικά στηριζόμενων και εύκαμπτων πλαισίων. Εκτενής έλεγχος της διεθνούς βιβλιογραφίας απέδειξε την απουσία αντίστοιχων μελετών. Παρά την πρόσφατη ραγδαία ανάπτυξη της χρήσης περατών πλαστικών καλυμμάτων (πλαστικά δίχτυα) ως υλικών κάλυψης ελαφρών αγροτικών κατασκευών, ο σχεδιασμός και η χρήση τους γίνεται συνήθως εμπειρικά. Η μελέτη των ιδιοτήτων των περατών καλυμμάτων και ο σχεδιασμός βελτιωμένων αγροτικών κατασκευών μπορεί να αποτελέσει αποφασιστικό βήμα για την ανάπτυξη του τομέα των αγροτικών κατασκευών και την φιλική προς το περιβάλλον προστασία της γεωργικής παραγωγής. Αρχικά μελετήθηκε η ροή γύρω από ένα υπερυψωμένο σταθερό πλαίσιο, τα φορτία ανέμου πάνω σε αυτό, καθώς και η επίδραση των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών των περατών υλικών κάλυψης στις δυο αυτές παραμέτρους. Στη συνέχεια η μελέτη επικεντρώθηκε σε πλαίσια με ελαστική στήριξη αλλά και εύκαμπτα πλαίσια στα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως κάλυψη γεωργικά δίχτυα. Σε κάθε περίπτωση πραγματοποιήθηκαν συγκρίσεις με σταθερά μη περατά πλαίσια ίδιας γεωμετρίας, ώστε να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα που μπορούν να προκύψουν: α) από τη χρήση των γεωργικών διχτυών, β) από την ελαστικότητα του πλαισίου και γ) από τον συνδυασμό των δυο προαναφερθέντων καινοτόμων εφαρμογών. Αριθμητικές προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη ώστε να ελεγχθεί η δυνατότητα των μεθόδων αυτών να απεικονίσουν με ακρίβεια τη ροή του ανέμου γύρω από τα αντίστοιχα πλαίσια και να υπολογίσουν τις ανεμοπιέσεις που ασκούνται σε αυτά. Συγκρίσεις των αριθμητικών αποτελεσμάτων με πλήρους κλίμακας πειράματα οδήγησαν στην επιβεβαίωση της αξιοπιστίας τους. Ο ολοκληρωμένος σχεδιασμός πλαισίων που αλληλεπιδρούν δυναμικά μέσω ελαστικής στήριξης ή ελαστικότητας με τον άνεμο, σε συνδυασμό με την χρήση των γεωργικών διχτυών, αποδείχθηκε καινοτόμος κατασκευαστική λύση, ικανή να βελτιώσει την αποδοτικότητα, όσον αφορά την παρεχόμενη προστασία, αλλά και να μειώσει τη καταπόνηση και συνεπώς το κόστος συγκριτικά με τις συνήθεις κατασκευές σταθερών και αδιαπέραστων πλαισίων.

The objective of this project was the study of elastic or elastically supported, permeable or non-permeable panels, used as protective structures for sensitive crops. Similarly to the flexible tree windbreaks interacting with the wind, elastic panels and elastically supported panels were studied through full-scale experiments and numerical simulations. The design of such structures was optimized with respect to their performance, minimizing wind loads, thus reducing the corresponding cost. Initially, an elevated panel was studied using permeable or impermeable cladding material. The airflow around a fixed elevated panel was studied, and the wind loads were estimated by analyzing the effect of the aerodynamic characteristics of the permeable agricultural nets on the airflow. Afterwards, elastically supported and elastic panels that used permeable agricultural nets as cladding materials were investigated. In all studied cases, comparisons were made to fixed panels of similar geometry in order to demonstrate the advantages: a) from the use of agricultural nets, b) from the interaction of the panel with the wind and c) from the combination of both. Numerical simulations are a relatively new tool for analyzing fluid dynamics problems, quickly developing in the last decades. In all studied cases numerical simulations have been carried out in order to examine whether they are reliable to represent accurately the airflow around all studied panel types, as well as to calculate wind loads. Comparisons of numerical results with the corresponding full-scale experiments led to the estimation of the validity of the numerical methods. The present results proved that the interaction of elastically supported permeable panels constitute an innovative structural solution for the protection of crops. The protection they provide in their leeward area and the corresponding reduction of wind loads increases while the cost of the structure is reduced, in comparison to the conventional agricultural structures of this type that are impermeable and fixed to the ground. Results taken from the numerical simulations confirmed the reliability of these methods for the calculation of wind loads on every type of panel (elastically supported, flexible) irrespective of the cladding material case. Numerical results on the airflow pattern around the studied structures were in good agreement with the corresponding full-scale experiments when agricultural nets were used.