Внутрие нагрузки. определение реакции сооружения на ветровую нагрузку, основанное, как правило, на решении задач статики и динамики сооружений
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
11.3 Ветровая нагрузка в нормах проектирования Нагрузки и воздействия, возникающие при взаимодействии ветра со строительными конструкциями, по своей природе можно разделить на два типа - воздействия, связанные с непосредственным действием на здания и сооружения максимальных для места строительства ураганных ветров - воздействия, вызывающие интенсивные аэроупругие и неустойчивые изгибные, крутильные и изгибно-крутильные колебания. Воздействия первого типа называются расчетной ветровой нагрузкой, иона подразделяется на среднюю и пульсационную составляющие. К колебаниям второго типа относятся различные формы аэродинамической неустойчивости сооружений (в частности, применительно к высоким зданиям это могут быть галопирования и дивергенция, а также колебания, связанные со срывом вихрей с внешней поверхности сооружений и приводящие к резонансному вихревому возбуждению сооружения на одной из его собственных частот. Колебания этого типа могут возникнуть в зданиях и сооружениях, высота которых значительно превышает их поперечный размер. В связи с этим соответствующие воздействия не учитываются при проектировании невысоких зданий. По СП 20.13330.2011 п Для зданий и сооружений необходимо учитывать следующие воздействия ветра а) основной тип ветровой нагрузки (в дальнейшем - ветровая нагрузка б) пиковые значения ветровой нагрузки, действующие на конструктивные элементы ограждения и элементы их крепления в) резонансное вихревое возбуждение г) аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования, дивергенции и флаттера (см. также раздел 14). Резонансное вихревое возбуждение и аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования необходимо учитывать для зданий и сплошностенчатых сооружений, у которых, где h - высота, d - характерный поперечный размер. Нормативное значение ветровой нагрузки w следует определять как сумму средней wm и пульсационной wp составляющих w = wm + wp. (11.1) При определении внутреннего давления w i пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается не учитывать (нормальное давление w i приложенно к внутренним поверхностям сооружений с проницаемыми ограждениями, с открывающимися или постоянно открытыми проемами. 11.3.1 Средняя составляющая ветровой нагрузки Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки w m в зависимости от эквивалентной высоты z e над поверхностью земли следует определять по формуле w m = w 0 k(z e )c, (11.2) где w 0 - нормативное значение ветрового давления Нормативное значение ветрового давления w 0 принимается в зависимости от ветрового района по таблице 11.1. Таблица Ветровые районы принимаются по карте 3 приложения Ж) а I I I I II I V V V I V II w 0 , кПа 0 ,17 0 ,23 0 ,30 0 ,38 0 ,48 0 ,60 0 ,73 0 ,85 Нормативное значение ветрового давления допускается определять в установленном порядке на основе данных метеостанций Росгидромета (см. 4.4). В этом случае w 0 , Па, следует определять по формуле , 43 , 0 2 50 0 v w (11.3) где 2 50 v - давление ветра, соответствующее скорости ветрам сна уровнем над поверхностью земли для местности типа А (11.1.6), определяемой с минутным интервалом осреднения и превышаемой в среднем один разв лет. k(z e ) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z e ; Эквивалентная высота z e определяется следующим образом (п. 1. Для башенных сооружений, мачт, труби т.п. сооружений z e = z. 2. Для зданий а) при h d z e = h; б) при h 2d: для z h - d z e = h; для 0 < z < h – d z e = d; в) при h > 2d: для z h – d z e = h; для d < z < h - d z e = z; для 0 < z d z e = d. Здесь z - высота от поверхности земли d - размер здания (без учета его стилобатной части) в направлении, перпендикулярном расчетному направлению ветра (поперечный размер h - высота здания. Коэффициент k(z e ) определяется по таблице 11.2 или по формуле (11.4), в которых принимаются следующие типы местности А - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, сельские местности, в том числе с постройками высотой менее 10 м, пустыни, степи, лесостепи, тундра В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой болеем С - городские районы с плотной застройкой зданиями высотой болеем. Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h - при высоте сооружения h домина расстоянии 2 км - прим. Примечание- Типы местности могут быть различными для разных расчетных направлений ветра. Таблица Высотам Коэффициент k для типов местности А В С 5 0,75 0,5 0,4 10 1,0 0,65 0,4 20 1,25 0,85 0,55 40 1,5 1,1 0,8 60 1,7 1,3 1,0 80 1,85 1,45 1,15 100 2,0 1,6 1,25 150 2,25 1,9 1,55 200 2,45 2,1 1,8 250 2,65 2,3 2,0 300 2,75 2,5 2,2 350 2,75 2,75 2,35 480 2,75 2,75 2,75 Коэффициент может быть также рассчитан по формуле k(z e ) = k 10 (z e /10) 2 . (11.4) Значения параметров k 10 и для различных типов местностей приведены в таблице 11.3. Таблица Параметр Тип местности А В С 0,15 0,20 0,25 k 10 1,0 0,65 0,4 10 0,76 1,06 1,78 с - аэродинамический коэффициент принимается по Приложению Д.1Аэродина- мические коэффициенты Аэродинамические коэффициенты внешнего давления се, трения с, внутреннего давления си лобового сопротивления с, поперечной силы су, крутящего момента с, принимают по приложению Д, где стрелками показано направление ветра. Знак плюсу коэффициентов се или с соответствует направлению давления ветра на соответствующую поверхность (активное давление, знак минус - от поверхности (отсос. Промежуточные значения нагрузок следует определять линейной интерполяцией. с - аэродинамические коэффициенты сил (с х и с, крутящего момента (стили давления (с р ); Д.1.1 Отдельностоящие плоские сплошные конструкции Д Прямоугольные в плане здания с двускатными покрытиями Д Прямоугольные в плане здания со сводчатыми и близкими к ним по очертанию Д Круглые в плане здания с купольными покрытиями Д Здания с продольными фонарями Д Здания с зенитными фонарями Д Здания с уступами Д Здания, постоянно открытые с одной стороны Д Навесы Д Сфера Д Сооружения и конструктивные элементы с круговой цилиндрической поверхностью Д Призматические сооружения Д Решетчатые конструкции Д Учет относительного удлинения Д Учет шероховатости внешней поверхности Д Пиковые значения аэродинамических коэффициентов для прямоугольных в плане зданий Для рассмотрения основных закономерностей аэродинамического действия ветрового потока на препятствие рассмотрим поведение потока в некоторой струйке и запишем для нее уравнение Бернулли где V0 и V1 — скорость струи в сечениях 0-0 и 1-1, р — давления в тех же сечениях, — плотность воздуха. Коэффициент пропорциональности называют аэродинамическим коэффициентом. Он определяет ту долю скоростного напора, которая переходит в ветровое давление и обычно находится из экспериментов в аэродинамической трубе. Такого рода эксперименты выполнены для многих типовых моделей зданий и сооружений, в этих опытах устанавливался характер обтекания и замерялись значения давления в характерных точках Каждое здание сточки зрения аэродинамики является плохообтекаемым препятствием. На рисунке ниже изображена картина обтекания производственного здания потоком воздуха, где ясно видны зоны вихреобразован ия, зона турбулентности, которые и определяют распределение ветрового давления по наружным поверхностям здания. Вихреобразование носит особенно интенсивный характер в заветренной области (в зоне аэродинамической тени. Размеры этой области зависят от геометрических характеристик обтекаемого тела и от направления ветрового потока. Некоторые экспериментальные результаты, приведены ниже. Картина вихреобразования в аэродинамическом следу здания существенно меняет значения аэродинамических коэффициентов, в особенности на заветренной и боковых поверхностях. В зависимости от скорости ветра, плотности воздуха, формы здания и шероховатости его наружных стен, наличия соседних сооружений, холмов и т.д. картина вихреобразования и распределения давлений может заметно меняться. Для зданий с Г-образным, П-образным и Т-образным планами изменение картины обтекания в зависимости от направления набегающего потока показано на рисунке ниже. Рисунок - . Перераспределение зон вихреобразования при изменении направления ветра Все это следует иметь ввиду, используя рекомендации различных нормативных документов, например приложений и рекомендаций к СНиП и СП, например, Временные рекомендации по назначению нагрузок и воздействий, действующих на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве, МДС 20-1.2006). И еще одно важное замечание аэродинамические коэффициенты, рекомендуемые нормами, как бы они ни отличались друг от друга, относятся ко вполне определенной геометрической конфигурации здания, причем это, как правило, достаточно простые конфигурации. Вместе стем современная практика строительства все чаще демонстрирует переход к усложненным объемно-планировочным решениями возникает желание каким-то образом перенести данные с одного случая на другой. Рис. 7.12. Значения аэродинамических коэффициентов О том, что это не совсем корректная процедура, свидетельствуют данные, представленные на рисунке ниже, где показано распределение значений аэродинамических коэффициентов по периметру здания, имеющего крестообразную форму плане при двух направлениях ветрового потока. Альтернативный подход основан на использовании данных из технической периодики и или нормативных документов других стран. Например, данные из источников КНР показывают Рисунок - Аэродинамические коэффициента зданий по нормам КНР В новом СП20.13330.11, в отличие от СНиП, введено зонирование, как ив Еврокодах. Рассмотрим пример – здание с с квадратным основанием 16x16 ми высотой 48 м, угол покрытия около 15 градусов. Д Прямоугольные в плане здания с двускатными покрытиями Вертикальные стены прямоугольных в плане зданий Таблица Д Боковые стены Наветренная стена Подветренная стена Участки А ВСЕ Для наветренных, подветренных и различных участков боковых стен (рисунок Д) аэродинамические коэффициенты се приведены в таблице Д. Для боковых стен с выступающими лоджиями аэродинамический коэффициент трения с = 0,1. Рисунок - Зонирование поверхности здания по величине аэродинамического коэффициента Необходимо отметить, что кроме всего прочего Еврокод предусматривает случай приложения ветровой нагрузки по фронту наветренной стены с определенным эксцентриситетом, что дает общее закручивание здания, не учитываемое отечественными нормами. А само наличие такого закручивания было установлено экспериментально, где среди прочих аэродинамических коэффициентов присутствует и коэффициент закручивающего момента Сш. 11.3.2 Пульсационная составляющая ветровой нагрузки Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки w p на эквивалентной высоте следует определять следующим образом а) для сооружений (и их конструктивных элементов, у которых первая частота собственных колебаний f 1 , Гц, больше предельного значения собственной частоты см. 11.1.10), - по формуле w p = w m (z e )v, (11.5) где w m – нормативное значение средней составляющей (рассмотрено выше (z e ) - коэффициент пульсации давления ветра, принимаемый по таблице 11.4 или формуле (z e ) = для эквивалентной высоты z e (см. 11.1.5); v- коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра (см. 11.1.11); Таблица Высотам Коэффициент пульсаций давления ветра для типов местности А В С 5 0,85 1,22 1,78 10 0,76 1,06 1,78 20 0,69 0,92 1,50 40 0,62 0,80 1,26 60 0,58 0,74 1,14 80 0,56 0,70 1,06 100 0,54 0,67 1,00 150 0,51 0,62 0,90 200 0,49 0,58 0,84 250 0,47 0,56 0,80 300 0,46 0,54 0,76 350 0,46 0,52 0,73 480 0,46 0,50 0,68 б) для всех сооружений (и их конструктивных элементов, у которых f 1 < f l < f 2 , где f 2 - вторая собственная частота, по формуле w p = w m (z e )v, (11.7) - коэффициент динамичности, определяемый по рисунку 11.1 в зависимости от параметра логарифмического декремента колебаний (см. 11.1.1) и параметра 1 , который определяется по формуле (11.8) для первой собственной частоты f 1 ; 940 ) ( 1 эк) Здесь w 0 (Па) - нормативное значение давления ветра (11.1.4); эк) - коэффициент, учитывающий изменение давления ветра для высоты эк (11.1.6); f - коэффициент надежности по нагрузке (11.1.12). Для конструктивных элементов эк - высота z, на которой они расположены для зданий и сооружений эк = г, где h - высота сооружений Рисунок 11.1 - Коэффициенты динамичности в) для сооружений, у которых вторая собственная частота меньше предельной, необходимо производить динамический расчет с учетом s первых форм собственных колебаний. Число s следует определять из условия f s < f l < f s+1 ; г) при расчете зданий допускается учитывать динамическую реакцию потрем низшим собственным формам колебаний (двум изгибных и одной крутильной или смешанным крутильно-изгибным). Примечание- При расчете многоэтажных зданий высотой дом и одноэтажных производственных зданий высотой дом при отношении высоты к пролету менее 1,5. размещаемых в местностях типа Аи В (см. 11.1.6), пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается определять по формуле (11.5). 11.1.9 Усилия и перемещения при учете динамической реакции по s собственным формам определяются по формуле , 2 2 s X X (11.9) где Х - суммарные усилия или перемещения X s - усилия или перемещения пой форме колебаний. 11.1.10 Предельное значение частоты собственных колебаний f l , Гц, следует определять по таблице 11.5. Таблица Ветровые районы принимаются по карте 3 приложения Ж) f l , Гц = 0,3 = 0,15 а 0,85 2,6 I 0,95 2.9 II 1,1 3,4 III 1,2 3,8 IV 1,4 4,3 V 1,6 5,0 VI 1,7 5,6 VII 1,9 5,9 Значение логарифмического декремента колебаний следует принимать а) для железобетонных и каменных сооружений, а также для зданий со стальным каркасом при наличии ограждающих конструкций = 0,3; б) для стальных сооружений футерованных дымовых труб, аппаратов колонного типа, в том числе на железобетонных постаментах = 0,15. 11.1.11 Коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления v следует определять для расчетной поверхности коэффициента сооружения или отдельной конструкции, для которой учитывается корреляция пульсаций. Расчетная поверхность включает в себя те части наветренных и подветренных поверхностей, боковых стен, кровли и подобных конструкций, с которых давление ветра передается на рассчитываемый элемент сооружения. Рисунок 11.2 - Основная система координат при определении корреляции v Если расчетная поверхность близка к прямоугольнику, ориентированному так, что его стороны параллельны основным осям (рисунок 11.2), то коэффициент v следует определять по таблице 11.6 в зависимости от параметров и , принимаемых по таблице 11.7. Таблицам Коэффициент v прим, равном 5 10 20 40 80 160 350 0,1 0,95 0,92 0,88 0,83 0,76 0,67 0,56 5 0,89 0,87 0,84 0,80 0,73 0,65 0,54 10 0,85 0,84 0,81 0,77 0,71 0,64 0,53 20 0,80 0,78 0,76 0,73 0,68 0,61 0,51 40 0,72 0,72 0,70 0,67 0,63 0,57 0,48 80 0,63 0,63 0,61 0,59 0,56 0,51 0,44 160 0,53 0,53 0,52 0,50 0,47 0,44 0,38 При расчете сооружения в целом размеры расчетной поверхности следует определять с учетом указаний Д приложения Д, при этом для решетчатых сооружений в качестве расчетной поверхности необходимо принимать размеры расчетной поверхности по его внешнему контуру. Таблица Основная координатная плоскость, параллельно которой расположена расчетная поверхность zoy b h zox а h хоу b а 11.3.3 Пиковая ветровая нагрузка Для элементов ограждения и узлов их крепления необходимо учитывать пиковые положительные и отрицательные w - воздействия ветровой нагрузки, нормативные значения которых определяются по формуле w +(-) = w 0 k(z e )[1 + (z e )] с р,+(-) v +(-) , (1.10) где w 0 - расчетное значение давления ветра (11.1.4); z e -эквивалентная высота (11.1.5); k(z e ) и (z e ) - коэффициенты, учитывающие, соответственно, изменение давления и пульсаций давления ветра на высоте z e (11.1.6 и 11.1.8); с р,+(-) - пиковые значения аэродинамических коэффициентов положительного давления) или отсоса (-); v +(-) - коэффициенты корреляции ветровой нагрузки, соответствующие положительному давлению (+) и отсосу (-); значения этих коэффициентов приведены в таблице 11.8 в зависимости от площади ограждения Ас которой собирается ветровая нагрузка. Таблица А, м < 2 5 10 > 20 v + 1,0 0,9 0,8 0,75 v - 1,0 0,85 0,75 0,65 Аэродинамические коэффициенты с р,+ и с р,- , как правило, определяются на основе результатов модельных испытаний сооружений в аэродинамических трубах. Для отдельно стоящих прямоугольных в плане зданий значения этих коэффициентов приведены на схеме Д приложения Д. Примечание- При определении пиковой ветровой нагрузки (формула (11.10)) принято, что конструктивные элементы ограждения и узлы их крепления к зданию является достаточно жесткими ив них не возникает заметных динамических усилий и перемещений. В случае если собственные частоты системы элементы ограждения - их несущие конструкции- элементы их крепления менее 1,5 Гц, расчетные значения пиковой ветровой нагрузки |