Внутрие нагрузки. определение реакции сооружения на ветровую нагрузку, основанное, как правило, на решении задач статики и динамики сооружений
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
11.3.4 Резонансное вихревое возбуждение 11.3.1 Для зданий и сооружений, удовлетворяющих условию h/d > 10, необходимо проводить их поверочный расчет на резонансное вихревое возбуждение здесь h - высота сооружения- его характерный поперечный размер в направлении, перпендикулярном средней скорости ветра. 11.3.2 Критические скорости ветра V cr,i , при которых происходит резонансное вихревое возбуждение пой собственной форме колебаний, определяются по формуле V cr,i = f i d/St, мс, (11.11) где f i , Гц, - собственная частота колебаний пой изгибной собственной форме d, м, - поперечный размер сооружения St - число Струхаля поперечного сечения, определяемое экспериментально или по справочным данным для круглых поперечных сечений St = 0,2; для сечений с острыми кромками (в т.ч. и прямоугольных) - St = 0,11. 11.3.3 Резонансное вихревое возбуждение не возникает в том случае, если V cr,I > эк, (11.12) где эк) - максимальная скорость ветра на уровне z эк ,определяемая по формуле эк) где w 0 , Паи определяются в соответствии с указаниями 11.1.4 и 11.1.6. Для зданий и башенных сооружений с плавно изменяющейся формой поперечного сечения, а также труби мачт без оттяжек эк = 0,8h. 11.3.4 Ветровые нагрузки, возникающие при резонансном вихревом возбуждении, допускается определять в соответствии с указаниями Д приложения Д. 11.3.5 Динамическая комфортность При оценке комфортности пребывания людей в зданиях (динамическая комфортность) расчетные значения ветровой нагрузки принимаются равными w c = 0,7w p , (11.14) где w p - нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки (11.1.8). При этом максимальное ускорение этажа здания не должно превышать величины a c,max = 0,08 мс) 11.4 Применение закона Вейбулла для исследования ветровых нагрузок В метеорологии для моделирования скорости ветра v используется распределение Вейбулла: где P(v) - вероятность того, что скорость ветра не превысит значения v; и β - коэффициенты, определяемые для каждой метеостанции и зависящие от ветрового режима данной местности. (Для района Москвы, например, водной из работ приведены значения = 4,42 и β = 0,15). В нормах Москва – 4-ый ветровой район по скорости ветра в зимний период, ой подавлению ветра Распределение ограничено со стороны одного из экстремальных значений минимального или максимального) точкой Хи неограничено в противоположном направлении. В MathCAD функция Γ(z) возвращает гамма-функцию Эйлера от z (To type Γ, press G [Ctrl] G.) Аналогично снеговой нагрузке, используем понятие периода повторяемости T v0 как средний промежуток времени между превышениями скорости ветра уровень v0. Вероятность этого превышения равна a = P (v > v0) =1− P(v) Примем в качестве условной зоны корреляции скорости ветра произведение τ = aT v0 , откуда выражаем период повторяемости Из этой формулы можно получить скорость v0, соответствующую данному периоду повторяемости T vo , проведя следующие преобразования v T v0 ln Откуда искомая скорость равна Зона корреляции для скорости ветра в первом приближении =1 сутки T v0 = 18250=365*50, где 50 – период повторяемости Учитывая, что ветровое давление w0 связано со скоростью ветра зависимостью (Для горных и малоизученных , 61 , 0 2 50 0 v w ) , можно перейти к формуле, связывающей нормативное ветровое давление с периодом повторяемости T v0 : Нормативное ветровое давление вычисляется, исходя из периода повторяемости 50 лет. Коэффициент надежности для ветровой нагрузки γf = 1,4. Зона корреляции для скорости ветра в первом приближении может быть принята равной одним суткам τ = 1 сутки, отсюда могут быть вычислены скорость и давление Для описания распределения годичных или месячных максимумов скорости ветра используется, как и для максимумов снеговой нагрузки, двойное экспоненциальное распределение Гумбеля max max exp В таблице приведены статистические характеристики ветрового давления для семи ветровых районов, вычисленные с использованием двойного экспоненциального распределения. Из этой таблицы хорошо видно, что нормативное значение ветрового давления, установленное в нормах, весьма близко к математическому ожиданию. Таким образом, в вероятностных расчетах, где используются не нормативные или расчетные значения нагрузок, а математические ожидания и коэффициенты вариации, для ветровой нагрузки можно использовать приведенные в нормах значения 0 w для соответствующего ветрового района. Таблица Статистические характеристики ветрового давления Ветровой район Нормативное ветровое давление Математическое ожидание скоростного напора, Па Среднее квадратичное отклонение, Па Коэффициент вариации скоростного напора I II III IV V VI VII 230 300 380 480 600 730 850 200 270 360 480 600 700 850 88,0 99,9 115,2 148,8 168,0 189,0 204,0 0,44 0,37 0,32 0,31 0,28 0,27 0,24 12 ГОЛОЛЕДНЫЕ НАГРУЗКИ 12.1. Образование и изучение гололедных отложений Гололедные отложения на конструкциях различного назначения образуются в результате осаждения и замерзания переохлажденных капель воды при наличии тумана, мороси, дождя * замерзания мокрого снега * сублимации водяного пара В зависимости от процессов образования отложений воды разработана классификация наземного обледенения. Группа Процесс образования наземного обледенения Подгруппа Условия протекания процесса Вид обледенения 1 Сублимация водяного пара - водяной пар переходит непосредственно в лед, минуя стадию воды А Возгонка пара в лед Иней, кристаллическая изморозь Б Тоже, при тумане Кристаллическая изморозь Кристаллизация переохлажденной воды - за счет осаждения и замерзания переохлажденных капель воды А Замерзание капель тумана Зернистая изморозь Б Замерзание капель мороси и дождя Гололед 3 Кристаллизация непереохлаж- денной воды - при осаждении и замерзании непере охлажденной воды и мокрого снега А Замерзание дождевой или талой воды Замерзшая вода Б Замерзание мокрого снега Замерзшее отложение снега (наледь) Как видно из таблицы, вид гололедных отложений зависит от размеров водяных капель и скорости их замерзания при соприкосновении с конструкциями Поскольку спектр размеров капель воды в атмосфере весьма широк, на конструкциях могут возникать сложные гололедообразования, состоящие из нескольких видов или наслоений, которые называются смешанными. Средняя плотность такой смеси может колебаться в широких пределах, поскольку зависит оттого, какой вид льда в ней преобладает. На образование гололедных отложений на конструкциях, кроме перечисленных метеорологические условий (температура, влажность, осадки, влияет еще целый ряд факторов • высотное положение элементов • характерные размеры поперечного сечения элементов диаметр, ширина, высота • скорость и направление ветра • характер подстилающей поверхности степь, водоем, лес, населенный пункт и т.д.; В частности, связь скорости ветра и повторяемости различных видов гололедных отложений иллюстрируется графиком Рис. 12.1. Повторяемость образования различных гололедно- изморозевых отложений 1 - иней, 2 - кристаллическая изморозь, 3 - зернистая изморозь, 4 – гололед Аварии конструкций из-за перегрузки гололедом Аварии конструкций могут возникнуть из-за перегрузки гололедом. Особенно большое влияние гололедные нагрузки оказывают на надежность и аварийность конструкций воздушных линий (ВЛ) связи и электропередачи. Методы измерения гололеда А. Измерения с помощью гололедного станка. На метеорологических станциях большая часть инструментальных наблюдений за го- лоледными отложениями проводится этим простейшим методом. Основной частью гололед- ного станка являются жесткозакрепленные (постоянные) и съемные (сменные) стержни провода) диаметром 5 мм длиной 90 см, прикрепленные к трем стойкам на высоте 2 мот уровня земли. Два провода ориентированы в меридиональном направлении («север-юг»), два провода - в широтном направлении («запад-восток»). Съем параметров осуществляется четыре раза в сутки, а при образовании гололеда - через 2 часа. В процессе наблюдений на постоянном проводе измеряют большой диаметр (по линии наибольшей величины отложения) и малый диаметр (в направлении, перпендикулярном большому диаметру. Вес отложения измеряется с помощью сменного провода. Недостатки этой методики гололедных измерений • невысокая точность измерений при визуальном определении мест максимальных размеров отложения • заметные погрешности, которые могут возникать при переходе от нагрузок на провод станка к нагрузкам на реальные линии из-за разности высот • несоответствие расположения метеостанций местам расположения реальных линий электропередачи, в то время как существующая методика переноса гололедных нагрузок с учетом микроклиматических особенностей местности основана на значительных допущениях. Альтернативы описанным методами их аналогам в настоящее время еще нет, и разрабатываемые автоматические измерители массы гололеда поверяются по показаниям прямых ручных измерений массы гололеда на проводах или их имитаторах. Б. Измерения на гололедных постах В связи с особой важностью объективной оценки гололедных нагрузок на конструкции ВЛ электропередачи в середине х годов прошлого века были введены в эксплуатацию гололедные посты на электрических подстанциях. На этих постах используются провода большого диаметра (10 и 24 мм, расположенные на стандартной высоте 10 м. Основное достоинство гололедных постов заключается в том, что они размещены непосредственно в местах максимальной концентрации воздушных линий. Недостатками постов являются дискретность проведения измерений и невысокая точность замеров. В. Инструментальные измерения гололеда. В различных отраслях промышленности, в том числе газовой, нефтяной, химической и др, разработаны и используются сигнализаторы гололедно-изморозевых отложений, назначение которых - выработка сигнала тревоги при начале гололедообразования, В качестве примеров можно привести акустические сигнализаторы, в том числе отечественный СО и швейцарский EW-МО, принцип действия которых основан на увеличении частоты собственных колебаний мембраны из-за увеличения жесткости, вызываемого гололедом. Разработаны также оптические сигнализаторы начала гололедообразования. Для проведения измерений скорости ветра при гололеде необходимо применять анемометры с подогревом 12.2 Нормирование гололедных нагрузок в СП 20.13330.2011 12.1 Гололедные нагрузки необходимо учитывать для воздушных линий электропередачи и связи, контактных сетей электрифицированного транспорта, антенно-мачтовых устройств, шпилей, вентилируемых фасадов зданий, для решетчатых ограждений балконов, стен и покрытий высотных зданий, расположенных на высоте 150 ми более, и подобных сооружений. 12.2 Нормативное значение линейной гололедной нагрузки для элементов кругового сечения диаметром до 70 мм включительно (проводов, тросов, оттяжек, мачт, вант и др) i, Нм, следует определять по формуле i = b k 1 (d + b k 1 ) g 10 -3 (12.1) Нормативное значение поверхностной гололедной нагрузки i', Па, для вентилируемых фасадов зданий и других элементов следует определять по формуле i' = b k 2 g (12.2) В формулах b - толщина стенки гололеда, мм (превышаемая один разв лет, на элементах кругового сечения диаметром 10 мм, расположенных на высоте 10 м над поверхностью земли, принимаемая по таблице 12.1, а на высоте 200 ми более - по таблице 12.2. Для других периодов повторяемости или при наличии метеорологических данных для района строительства толщину стенки гололеда следует принимать по специальным техническим условиям, утвержденным в установленном порядке k - коэффициент, учитывающий изменение толщины стенки гололеда по высоте и принимаемый по таблице 12.3 ; d, мм, - диаметр провода, троса 1 - коэффициент, учитывающий изменение толщины стенки гололеда в зависимости от диаметра элементов кругового сечения и определяемый по таблице 12.4; 2 - коэффициент, учитывающий отношение площади поверхности элемента, подверженной обледенению, к полной площади поверхности элемента и принимаемый равным 0,6; - плотность льда, принимаемая равной 0,9 г/см 3 ; g, мс, - ускорение свободного падения. Таблица Гололедные районы (принимаются по карте 4 приложения Ж) I II III IV V Толщина стенки гололеда b, мм Не менее 3 5 10 15 Не менее 20 Таблица Высота над поверхностью земли, м Толщина стенки гололеда b, мм, для разных районов 1 района голо- ледности азиатской части V района гололедности игорных местностей северной части европейской территории остальных 200 15 Принимается на основании специальных обследований Принимается по карте 4, г приложения Ж 300 20 Тоже Тоже, по карте 4. д 45 400 25 » » по карте 4, е 60 Таблица Высота над поверхностью земли, м 5 10 20 30 50 70 100 Коэффициент k 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Таблица Диаметр провода, троса или каната, мм 5 10 20 30 50 70 Коэффициент 1 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 Примечания (к таблицам 12.1- 12.4) 1 В V районе, горных и малоизученных районах, обозначенных на карте 4 приложения Ж, а также в сильнопересеченных местностях (на вершинах гори холмов, на перевалах, на высоких насыпях, в закрытых горных долинах, котловинах, глубоких выемках и т.п.) толщину стенки гололеда необходимо определять на основании данных специальных обследований и наблюдений. 2 Промежуточные значения величин следует определять линейной интерполяцией. 3 Толщину стенки гололеда на подвешенных горизонтальных элементах кругового сечения (тросах, проводах, канатах) допускается принимать на высоте расположения их приведенного центра тяжести. Коэффициент надежности по нагрузке для гололедной нагрузки следует принимать равным 1,3, за исключением случаев, оговоренных в других нормативных документах. 12.3 Нормативное значение ветровой нагрузки на покрытые гололедом элементы следует принимать равным 25 % нагрузки w , определяемой согласно 11.1 Примечания В отдельных районах, где наблюдаются сочетания значительных скоростей ветра с большими размерами гололедно-изморозевых отложений, толщину стенки гололеда и его плотность, а также давление ветра следует принимать в соответствии с фактическими данными. 2 При определении ветровых нагрузок на элементы сооружений, расположенных на высоте болеем над поверхностью земли, диаметр обледенелых проводов и тросов, установленный с учетом толщины стенки гололеда, приведенной в таблице 12.2, необходимо умножать на коэффициент, равный 1,5. Для определения гололедной нагрузки на горизонтальные элементы круговой цилиндрической формы диаметром до 70 мм толщину стенки гололеда, приведенную в таблице 12.2, следует снижать на 10 %. 12.4 Температуру воздуха при гололеде независимо от высоты сооружений следует принимать в горных районах с отметкой болеем- минус 15 Сот дом- минус 10 С для остальной территории для сооружений высотой дом- минус 5 С, болеем- минус 10 С. Примечание - В районах, где при гололеде наблюдается температура ниже минус 15 С, ее следует принимать по фактическим данным. Кроме того, в V районе, горных и малоизученных районах СНГ, а также в сильнопересеченных местностях (на вершинах гори холмов, на перевалах, на высоких насыпях, в закрытых горных долинах, котловинах, глубоких выемках и т.п.) толщину стенки гололеда необходимо определять на основании данных специальных обследований и наблюдений. При исследованиях было выявлено, что фактическая скорость ветра при максимальном гололеде (также при периоде повторяемости 10 лет) составляет 0,12-0,8 максимальной скорости (при норме - 0,5 максимальной скорости. Вследствие этого, а также в результате возможного превышения наветренной площади обледеневшего провода ветровые нагрузки на провод при гололеде могут в 1,5...2,0 превосходить нормативные значения. Анализ сочетаний гололедных и ветровых нагрузок не выявил корреляционной связи между скоростью ветра и весом, диаметром и плотностью отложений. В 2016 г появился ГОСТ Р ИСО 12494-2016 Основы проектирования строительных конструкций. Определение гололедных нагрузок. Дата введения 01 мая 2017. Стандарт идентичен международному стандарту ИСО 12494:2001*, "Обледенение строительных конструкций в результате атмосферного воздействия Стандарт предназначен для применения при определении массы гололеда и ветровой нагрузки на обледеневшую конструкцию для следующих типов конструкций - мачты - башни - антенны и антенные сооружения - тросы, оттяжки, ванты и т.д.; - канатные дороги (подвесные дороги - конструкции горнолыжных подъемников - здания или их части, которые могут подвергнуться обледенению - вышки для специальных типов сооружений, включая линии электропередачи, ветряные турбины и т.д. Примечание - Выше упомянуты некоторые типы конструкций, однако нужно рассматривать и другие типы. Проектировщики должны думать о том, какие типы конструкций чувствительны к непредвиденному обледенению, и поступать соответственно. Во многих случаях только некоторые части сооружений следует рассчитывать на гололедные нагрузки, так как они более уязвимы к непредвиденному обледенению, чем сооружение в целом. Основные воздействия от обледенения - это повышенные вертикальные нагрузки на обледеневшую конструкцию и повышенное лобовое сопротивление, вызываемое увеличением наветренной площади. Последнее может привести к большим ветровым нагрузкам, чем при отсутствии обледенения Различные типы конструкций проявляют большую или меньшую чувствительность к обледенению. Несколько таких примеров приведено ниже a) Растянутые стальные тросы, канаты, оттяжки и т.д. обычно очень чувствительны к обледенению соответственно, оно может привести к значительному повышению растягивающих усилий в этих элементах. b) Тонкие решетчатые конструкции, в частности мачты с оттяжками, чувствительны к возрастанию осевых сжимающих усилий с ростом обледенения конструкции. c) Антенны и антенные конструкции легко подвергаются перегрузкам при возрастании гололеда, если они небыли предусмотрены. В частности, небольшие крепежные детали не выдерживают при добавлении повышенной нагрузки к другим воздействиям, так как лед способен с легкостью удвоить нормальную нагрузку. d) "Провисание льда" на ненесущих элементах может оказаться разрушительным. Нене- сущие элементы, такие как антенны и тросы, могут подвергаться воздействию непредусмотренных гололедных нагрузок, так как лед провисает на элементах, покрывает их или давит на них. При этом такое воздействие может оказаться значительно более высоким, чем обычная нагрузка от их обледенения. e) Нагрузка от нарастающего гололеда может легко привести к деформации или повреждению элементов ограждающих конструкций (обшивки и т.д.) и вызвать их разрушение, если лед не сбросить прежде, чем усилия значительно возрастут Для того чтобы выразить ожидаемое значение толщины стенки гололеда, образовавшегося на определенной площадке, вводится понятие "ледовый класс" (IC). Ледовый класс - параметр, который должен использоваться проектировщиками для определения предполагаемой степени обледенения на данной площадке. Ледовые классы определяются характеристическим значением толщины стенки гололеда на контрольном коллекторе с летним периодом повторяемости. Данный контрольный коллектор представляет собой цилиндр диаметром 30 мм и длиной не менее 0,5 м, расположенный на высоте 10 м над поверхностью земли и медленно поворачивающийся вокруг своей оси. Ледовые классы определяют и для гололеда, и для изморози, так каких характеристики отличаются друг от друга. Класс ICG предназначен для гололедных отложений, a ICR - для изморозевых отложений (мокрый снег рассматривают в данном случае как изморозь) Ледовый класс (IC) Толщина стенки гололеда, мм Масса гололеда , кг/м Диаметр цилиндра, мм 10 30 100 300 G1 10 0,6 1,1 3,1 8,8 G2 20 1,7 2,8 6,8 18,1 G3 30 3,4 5,1 11,0 28,0 G4 40 5,7 7,9 15,8 38,5 G5 50 8,5 11,3 21,2 49,5 G6 Следует использовать в случае экстремального обледенения. Ледовый класс (IC) Масса льда , кг/м Диаметр изморози, мм, для объектов диаметром мм Плотность изморози, кг/м 300 500 700 900 R1 0,5 55 47 43 40 R2 0,9 69 56 50 47 R3 1,6 88 71 62 56 R4 2,8 113 90 77 70 R5 5,0 149 117 100 89 R6 8,9 197 154 131 116 R7 16,0 262 204 173 153 R8 28,0 346 269 228 201 R9 50,0 462 358 303 268 R10 Следует использовать в случае экстремального обледенения. Рисунок 1 - Тип обледенения как функция скорости ветра и температуры воздуха Рисунок 2 - Типичное изменение массы гололеда с высотой над уровнем земли Примечание - Высотный коэффициент Приложение С Теоретическое моделирование гололеда Приложение А уравнения в стандарте Гололедные нагрузки, рассматриваемые здесь, являются характеристическими нагрузками и определяются как нагрузки с периодом повторяемости 50 лет или вероятностью ежегодного превышения 0,02. рассмотрены два сочетания нагрузок от ветра и гололеда. При первом сочетании нагрузок воздействие ветра с низкой вероятностью превышения обычно сочетается с воздействием от обледенения с высокой вероятностью превышения. При втором сочетании нагрузок высокую вероятность превышения имеет ветровая нагрузка, а низкую вероятность превышения — гололедная нагрузка. Последние 40 - 45 лет на метеорологических станциях СССР-СНГ систематически определяется масса гололеда на погонный метр гололедного станка, которая затем пересчитывается на нормативную толщину стенки гололеда, в частности на Останкинской телевизионной башне в Москве и метеорологической мачте в Обнинске. В описании максимальных значений гололедных нагрузок, как и других атмосферных воздействий, довольно широкое распространение получило экстремальное распределение Гумбеля. Интегральная функция распределения x x P exp Распределение Гумбеля используется при экстраполяции экстремумов нагрузок (годичных, месячных и др, в частности, гололедных нагрузок, на более длительный срок. Используя период повторяемости Т, можно получить значение расчётной нагрузки S для любого периода однократного превышения 1 1 ln ln T s . Это важно, т.к. периоды наблюдений на метеостанциях составляют 35-40 лета расчетные значения должны определяться с повторяемостью 50-500 лет. Пример использования шкалы коэффициентов надежности по гололедной и ветровой нагрузке для европейской части России. Вид нагрузки Период повторяемости, лета а V f 5 0 0 а V Гололедная 1,47 0,052 0,035 1,77 0,084 0,047 2,08 0,117 0,056 Ветровая при гололеде 2,19 0,228 0,104 3,24 0,506 0,156 4,65 0,774 0,166 Примечание. Коэффициенты надежности вводятся к нормативной ветровой нагрузке, определенной для периода повторяемости 10 лети скорости ветра с минутным осреднением. Как видно из таблицы, достоверность коэффициентов не вызывает сомнения, поскольку коэффициенты вариации этой нагрузки весьма невелики (0,047... 0,056). Статистические расчеты показали, что коэффициенты надежности по ветровой нагрузке при гололеде не зависят от величины нагрузки, имеют относительно большие коэффициенты вариации (0,104...0,166) и значительно (в 1,5…2,0 раза) превышают соответствующие коэффициенты надежности по максимальной ветровой нагрузке. Это связано стем, что ветровую нагрузку при гололеде определяет не только скорость ветра, но и аэродинамическое сопротивление обледеневшего провода и его наветренная площадь. Основная вероятностная модель, используемая для описания, прогнозирования и нормирования гололедных нагрузок, - это модель годичных максимумов гололедно- изморо- зевых отложений на гололедном станке. Многолетние исследования показали, что интегральная кривая распределения годичных максимумов массы гололеда (или толщины его стенки) также хорошо описывается распределением Вейбулла, x x P exp - вероятность что масса гололеда или толщина его стенки не превысит величину х. Период повторения нагрузки вычисляется как ) ( 1 Для определения предельного расчетного значения толщины стенки гололеда b(T ef ), используемого для расчета конструкций со сроком службы T ef , рекомендуется следующая формула 1 ) 5 где , - параметры распределения Вейбулла, определяемые по оценкам математического ожидания и стандарта толщины стенки гололеда п - среднее число случаев (частота) гололеда в течение года. Для T ef =40-120 лет обеспеченность расчетного значения P=0.8 |