Risico's minimaliseren op het sportveld
In het licht van de recente incidenten met lichtmasten bij twee hockeyclubs in Delft en Den Haag willen wij het belang van preventieve veiligheidsmaatregelen nogmaals onderstrepen. Wij hebben de afgelopen weken geconstateerd dat er veel onduidelijkheid en onzekerheid is ontstaan over de veiligheid van sportveldmasten. Als onafhankelijk inspectiebedrijf met meer dan 20 jaar ervaring op het gebied van inspecties van onder andere sportveldmasten willen wij door kennisdeling een bijdrage leveren om de kans op herhaling te minimaliseren. De materie is te complex en te veelomvattend om volledig te behandelen, maar met dit artikel willen wij vanuit onze expertise inzicht verschaffen in de basisprincipes en een aantal do’s and don’ts meegeven. Omwille van de leesbaarheid voor personen zonder technische achtergrond of kennis van LED-verlichting is dit artikel zoveel mogelijk geschreven zonder gebruik te maken van jargon.
Het is een veelvoorkomende misvatting dat een lichtmast met LED-armaturen minder zwaar belast wordt dan een mast met hetzelfde aantal conventionele armaturen. Om te kunnen bepalen of een bestaande lichtmast geschikt is voor de ombouw naar LED-armaturen zijn twee zaken van belang:
Om een betrouwbare berekening te kunnen maken moeten onder andere de volgende gegevens bekend zijn:
De locatie van de lichtmast: de basis voor de berekening van de windbelasting is de windsnelheid, waarbij de windsnelheid sterk van de omgeving afhankelijk is.
Mastgegevens: op te vragen bij de betreffende mastleverancier. Als de mastgegevens onverhoopt niet beschikbaar zijn zullen de gegevens op locatie moeten worden opgenomen. Hierbij moet helaas worden vermeld dat niet altijd alle gegevens zijn te achterhalen. Denk bijvoorbeeld aan de staalsoort van een lichtmast. In het geval dat er gegevens ontbreken is het van belang dat er wordt uitgegaan van het meest aannemelijke ‘worst case’ scenario. In dit geval gaan wij dan in onze berekeningen uit van constructiestaal S235.
Windvangend oppervlak LED-armatuur: afhankelijk van:
Cx-waarde LED-armatuur: de aerodynamische coëfficiënt is een waarde die de luchtweerstand van een armatuur kwantificeert. Voorbeeld: een bolvormig armatuur ondervindt veel minder luchtweerstand dan bijvoorbeeld een vlakke plaat en heeft dus een lagere Cx-waarde. De meeste gerenommeerde LED-leveranciers bepalen/berekenen de Cx-waarden met behulp van geavanceerde software of door middel van een relatief kostbare windtunneltest, waarbij de luchtweerstand van het armatuur onder verschillende hoeken wordt gemeten. Wanneer de Cx-waarde niet bekend is gaan wij in onze berekeningen uit van een waarde van 1.0 (NEN-EN 40-3-1: 2013).
Lichthinderkappen: belangrijk om te vermelden is dat kappen die op een armatuur worden geplaats om lichthinder tegen te gaan vaak een negatief effect hebben op de Cx-waarde en de windbelasting daardoor toeneemt. Hier dient in de berekening rekening gehouden mee te worden.
Gewicht LED-armatuur: inclusief eventuele driver, ophangbeugels, bevestigingsmaterialen, etc. Het gewicht heeft invloed op de sterkte, stijfheid en op de eigenfrequenties van een mast.
Relatieve positie zwaartepunt LED-armatuur: t.o.v. het middelpunt van de lichtmast.
De resultaten van de berekening laten zien of een lichtmast aan de norm voldoet. De belangrijkste criteria zijn:
Wanneer de ULS groter is dan 1 dan zal de mast worden overbelast en op termijn bezwijken. Dit zal zich uiten in permanente vervorming van het materiaal of zelfs het afbreken van de mast op het zwakste gedeelte. In beginsel is de zwakste plek van alle typen masten, zoals conische, cilindrisch verjongde masten, octa- en multigonale masten, het gedeelte rondom de deuropening (indien aanwezig). Bij stalen cilindrisch verjongde masten kan er echter, in het geval van overbelasting, een nieuwe zwakste plek ontstaan. Er zijn gevallen bekend waarbij na (langdurige) overbelasting er een vermoeiingsbreuk is ontstaan vlak boven de lasnaad (‘heat affected zone’) tussen twee mastdelen. In het geval van vermoeiing begint de breuk als een haarscheurtje en zal, onder invloed van dynamische buigbelastingen door de wind, vanuit het buitenoppervlak richting het binnenoppervlak en in de omtrekrichting doorgroeien. Uiteindelijk zal de mast op deze plek falen. Omdat de mast al dermate is verzwakt is het mogelijk dat de zelfs bij een relatief lage windbelasting faalt. Het is dus van belang om overbelasting te allen tijden te voorkomen!
Een onderbelichte eigenschap van door wind belaste masten is dat ze kunnen gaan trillen. We noemen deze frequentie de eigenfrequentie. Het is een trillingsfrequentie die bij de constructie hoort. Het is een relevante, fysieke eigenschap van de lichtmast, net als zijn wanddikte, diameter en hoogte. De oorzaak hiervan zijn wervelingen van de lucht om de mastbuis. Die zijn makkelijk waar te nemen bij vlaggenmasten: de vlag vertoont bij voldoende wind golven in het doek. We noemen dit Kármán-wervelstraten. Meer gewicht in de top van een mast resulteert in een lage (ongunstigere) eigenfrequentie.
Terug naar de wind: de wind kan er dus voor zorgen dat er Kármán-wervels rond de mast ontstaan met een bepaalde frequentie. Als die frequentie dichtbij de eigenfrequentie van de mast ligt, krijg je een ‘opslingerings-effect’: het zwaaien wordt steeds erger en uiteindelijk zal de mast falen. Het is belangrijk om te bepalen wat de grondfrequentie (= laagste eigenfrequentie) en bijbehorende harmonischen (= veelvoud grondfrequentie) zijn van de mast en of er een onacceptabel risico is dat de mast gedurende zijn leven in die eigenfrequentie aangeblazen zal worden. Normaliter worden masten zodanig ontworpen dat de mast niet gaat resoneren onder invloed van de wind en zou een lichtmast niet of nauwelijks zichtbaar moeten bewegen bij ‘normale’ windsnelheden. In de berekeningen moet dus ook rekening worden gehouden met het dynamische gedrag van de lichtmast. Bij lage eigenfrequenties wordt de windbelasting dan ook vermenigvuldigd met een zogenaamde ‘beta-factor’.
