Внутрие нагрузки. определение реакции сооружения на ветровую нагрузку, основанное, как правило, на решении задач статики и динамики сооружений
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
11 ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ Ветровая нагрузка в соответствии со СП 20.13330.11 относится к кратковременным нагрузкам, не имеющим пониженного нормативного значения. Для некоторых типов сооружений (например, зданий АЭС) для ветровой нагрузки рассматривается экстремальное (особое) значение. Проблема исследования ветровой нагрузки и расчета сооружений на ветровые воздействия распадается натри крупные подзадачи * изучение ветрового режима местности, основанное на использовании результатов метеорологических и климатологических исследований * оценка сил, вызываемых воздействием ветра на сооружение, которые изучаются на основе решений задач теоретической аэродинамики и данных экспериментальных исследований * определение реакции сооружения на ветровую нагрузку, основанное, как правило, на решении задач статики и динамики сооружений. 11.1 Скорость ветра Ветер вызывается разностью давления в атмосфере. Все перепады давления между различными точками земной поверхности прямо или косвенно связаны с перепадами температуры. Если в каком-то районе температура выше, воздух в нем нагревается и поднимается вверх, образуя внизу зону низкого давления, в которую начинает стекаться холодный воздух соседних районов. Чем больше разность давлений в двух областях, тем быстрее между ними движется воздух. Таким образом, изменение скорости и направления ветра объясняется, главным обрезом, изменением температуры. Поэтому естественно ожидать периодических трендов, соответствующих годовому циклу, метеорологическому циклу (длительностью около 4 суток) и суточному циклу инсоляции. И действительно, распределение мощности ветрового потока по частотам, полученное Ван дер Ховеном [14], имеет три пика, соответствующие этим трем циклам (рисунок ниже. Но она содержит еще один пик в области гораздо меньших периодов. Этот четвертый пик, называемый часто микрометеорологическим в противоположность первым трем мак- рометеорологическим пикам, объясняется турбулентностью, возникающей в потоке воздуха при его трении о поверхность земли. Между микро- и макрометеорологическими пиками при значениях периодов от 5 ч домин имеется характерная область для очень малых ординат (спектральный "провал- Справа от этого провала спектр соответствует порывам, вызываемым турбулентностью потока воздуха, и, следовательно, в большой степени зависит от местной шероховатости земной поверхности. Движение атмосферного воздуха можно представить, как сумму взаимодействующих потоков, характеризуемых масштабами от 1 мм до тысяч километров. В метеорологии обычно устанавливают три основные группы атмосферных движений микромасштабные — движения с характерными размерами менее 20 км и масштабом времени порядка 1 ч мезомасштабные — движения с характерными размерами от 20 до 500 км и масштабом времени от 1 до 48 ч синоптические — движения с характерными размерами, превышающими 500 км, и масштабом времени порядка 2 суток и более. Поскольку основной причиной турбулентности воздушного потока является шероховатость местности, окружающей рассматриваемую площадку застройки, то средняя скорость ветра изменяется в зависимости от высоты над уровнем земли. Характерные профили скорости ветра в слое, подверженном турбулентности от взаимодействия потока воздуха с поверхностью земли, приведены на рисунке, из которого видно, что на некотором уровне трение потока воздуха о поверхность земли перестает влиять на его скорость. Этот уровень, обычно называемый градиентным уровнем, тем выше, чем больше шероховатость поверхности. Кроме того, высота этого уровня зависит от скорости ветра. Рисунок - Изменение скорости ветра в зависимости от высоты над поверхностью земли В СП 20 используется следующая классификация поверхностей А — открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра В — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой дом С — городские районы с застройкой зданиями высотой свыше 25 метров. Для этих поверхностей градиентный уровень принят равным равный 300, 350 им соответственно. Ниже градиентного уровня скорость ветра, усредненная на некотором принятом интервале времени, может определяться логарифмическим или степенным законом В формулах через V(z) и V h обозначены скорость ветра на уровне Z и на стандартной высоте установки измерительного прибора обычном параметр шероховатости подстилающей поверхности. СП использует степенную зависимость с показателем степени для указанных выше типов местности равным А = 0,16; вис. Эта зависимость лежит в основе табулированных значений коэффициента k, учитывающего изменение ветрового давления по высоте. Логарифмический закон нашел наибольшее применение в странах Центральной и западной Европы. Анализ наблюдений показал, что профили средних скоростей ветра на больших высотах точнее аппроксимируется степенной функцией, а в приземном слое атмосферы (до высоты 15-20 м) – логарифмической функцией. Для холмистой местности в формулы вносятся поправки, которые корректируют значение скорости ветра V mf на высоте z, соответствующее равнинной местности, до величины Основными характеристиками ветрового потока являются его скорость и направление. Изначально оценка скорости (силы ветра) ветра давалась по ощущению, по степени воздействия ветра на суше и море. Мореплаватели ввели в обращение следующие оценки силы ветра штиль тихая погода слабый ветер небольшой бриз малый ветер свежий ветер топсельный ветер крепкий ветер сильный шквал свирепый ветер шторм ураган. Эти названия использовал английский адмирал Бофорт в своей двенадцатибалльной шкале, которая была предложена в 1806 году. С некоторыми коррективами она используется до сих пор. В настоящее время характеристики ветрового потока измеряются разнообразными приборами (чаще всего анеморумбометрами), и график записи скорости ветра, измеренной таким прибором, будет иметь вид, изображенный на риса Пики и впадины на этой кривой появляются за счет движения вихрей вокруг точки, в которой измерялась скорость ветра. Наиболее удобно представить истинную скорость турбулентного потока в данный момент времени как сумму средней скорости V и пульсацион- ной скорости V: t V V V Пульсационная составляющая характеризуется коэффициентом пульсаций или интенсивностью турбулентности В настоящее время интервал осреднения t чаще всего принимается равным 10 минутам, хотя используются и другие значения, например, 3 сек (США) или 1 час (Великобритания. Изменение времени осреднения естественно меняет значение средней скорости ветра — чем больше время осреднения, тем меньше его средняя скорость. В частности переходом от двухминутного к десятиминутному времени осреднения объясняется уменьшение нормативного значения ветрового напора при замене ранее действовавших норм [1974 г на современные. Для измерений характеристик ветра на метеостанциях в настоящее время используются анеморумбометры ММ (или их модификации, которые обеспечивают автоматическое измерение средней скорости за 10 минут в диапазоне 1-40 мс, максимальной скорости до 60 мс) и направления ветра. В качестве запасного прибора на метеостанциях имеются комплекты флюгеров Г. Вильда с легкой и тяжелой досками для измерения скорости ветра от 0 до 40 м/с Вплоть до началах годов ХХ века проводились лишь флюгерные метеонаблюде- ния. При этом определяли среднюю скорость ветра, максимальную скорость (порыв) в срок наблюдений, а также направление ветра. Для определения скорости ветра наблюдается колебание доски в течение 2 минут и определяется ее среднее положение за этот промежуток времени. Таким способом получают осредненное на минутном интервале значения скорости ветра, которое используется для нормирования ветрового напора. Одновременно отмечается и самое большое отклонение доски за указанный период – скорость порыва ветра Ветровое давление Ветровая нагрузка на здания и сооружения определена в нормах СП 20 как сумма средней и пульсационной составляющих. При проектировании массивных и невысоких зданий и сооружений динамическим действием ветровой нагрузки пренебрегают. Более существенно ее влияние на высокие и гибкие сооружения. В конструкциях башен, мачт и т. п. порывы ветра вызывают колебания, частота которых зависит от свойств (формы, размеров, условий закрепления) самих конструкций. При больших частотах собственных колебаний сооружения не приходится опасаться резонансных эффектов. При частоте собственных колебаний менее 4 Гц высоких сооружений, зданий высотой болеем и т. п. учет динамической составляющей ветровой нагрузки обязателен. Кроме того, для гибких высоких сооружений цилиндрической формы (мачты, башни, дымовые трубы и т. п) выполняется расчет на резонанс, который может возникнуть при определенных скоростях ветра, когда происходит срыв вихрей в турбулентном потоке с частотой, совпадающей с собственной частотой поперечных колебаний сооружения. Нормативное значение средней составляющей ветрового давления определяется как где 0 w - ветровое давление на единицу поверхности (скоростной напор 2 2 0 где - плотность воздуха, v0 - скорость ветра, k - коэффициент, учитывающий изменение давления ветра по высоте и тип местности- аэродинамический коэффициент (коэффициент лобового сопротивления сооружения. Плотность воздуха зависит от давления и температуры. Для обычного диапазона температур и при не очень большой высоте сооружения переменностью плотности воздуха можно пренебречь. Тогда формула преобразуется к виду 2 0 0 613 , 0 v w где скорость v0 измеряется в мс, а напор 0 w в Па. Если скорость ветра на метеостанции измерялась флюгером Г. Вильда, дающим ошибку до 4 - 6 мс, то используют поправку 0 5 75 , 0 v , и формула преобразуется к виду При использовании для измерений малоинерционных анемометров коэффициент принимается равным 1. Стандартная высота измерения скорости ветрам. При расположении измерительного прибора на другой высоте, что присутствует наряде метеостанций, измеренная скорость корректируется в соответствии с выражением 10 10 V h V h , где Vh - средняя скорость ветра на высоте h, мс, V10 - средняя скорость ветра на высоте 10 мм с, h - высота установки измерительного приборам- коэффициент, зависящий от типа местности, принимаемый равным 0,16 - для местности типа А, 0,28 - для местности типа В и 0,40 - для местности типа С. Скорость ветра v0 ранее принималась при двухминутном интервале осреднения, поскольку за основу нормирования принимались данные метеонаблюдений при флюгерных измерениях. При переходе на анемометрические наблюдения интервал осреднения увеличился до 10 минут, что в общем случае должно снижать осредненную скорость ветра по сравнению с минутным осреднением. При составлении действующих норм СП 20 в середине х годов прошлого века еще не было достаточной статистической базы результатов измерений по новой методике. Поэтому было принято волевое решение считать, что скорость ветра, осредненная на минутном интервале, составляет 0,92 от осредненной на 2- минутном интервале. В соответствии с этим ветровой напор 0 w при этом должен снизиться на 15 % (0,922 - 0,85). В качестве примера в таблице ниже приведены значения скоростного напора 0 w по ранее действовавшему СНиП II-6-74 и поныне действующим нормам. Давление ветра установлено для восьми районов, на которые разделена территория страны на основе статистического анализа климатических данных по скоростям ветра, являющимся случайной функцией времени. Распределение горизонтальных составляющих скорости ветра по румбам определяет розу ветров данной местности. В некоторых случаях при явно выраженном господствующем направлении ветров учет этого фактора может дать экономию при проектировании зданий и сооружений. Однако в нормах направление ветра не учитывается, считается, что он может оказывать давление на сооружения равновероятно с любой стороны. Значения 0 w в этой таблице поныне действующим нормам составляют (с округлением) 0,85 от значений старого СНиПа. Таблица - Скоростной напор ветра (нормативные значения) Ветровой района Па) СНиП II- 6-74 2 00 2 70 3 50 4 50 5 50 7 00 8 50 1 000 СП 20.13330.11 1 70 2 30 3 00 3 80 4 80 6 00 7 30 8 50 Расчетное значение средней составляющей ветровой нагрузки определяется умножением нормативной на коэффициент надежности по нагрузке γ f . Ранее в СНиП II-6-74 он принимался равным 1,2. В ныне действующих нормах было решено сохранить расчетные значения ветровой нагрузки такими же, как в старом СНиПе. Для этого коэффициент γ f увеличили допри этом расхождения со старыми значениями без учета округлений оказываются меньше 1 %: 0,85 × 1,4 = 1,19 ≈ 1,2. Расчетное ветровое давление в нормах было установлено из условия превышения примерно один разв лет для минутного интервала осреднения. При минутном интервале тоже численное значение уже соответствует периоду примерно 50 лет. Таким образом, создается видимость повышения надежности проектирования поныне действующим нормам в сравнении с предшествующей редакцией норм (период однократного превышения увеличился более чем в 3 раза. В некоторых литературных источниках это прямо утверждается. На самом же деле произошла подмена расчетного параметра v0 вследствие изменения методики измерения средней составляющей – увеличения враз интервала осреднения скорости ветра. Скорость ветра и соответственно ветровое давление зависят от высоты над землей. Для описания изменения скорости ветра по высоте используется так называемый профиль ветра. В нормах проектирования для его описания использован степенной закон. 0 где v 0 - скорость ветра на стандартной высоте расположения измерительного прибора – флюгера или анемометрам (при высоте дом скорость ветра принята постоянной Z - уровень, на котором определяется скорость v (Z); α - показатель степени, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности, воздухообмена между слоями, скорости ветра. В зависимости от шероховатости поверхности различают местности типов А, В и С. К типу А относятся открытые местности с ровной поверхностью побережья морей, озер, водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра. К типу В отнесены городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой болеем. Тип С - городские районы с застройкой зданиями высотой болеем. Сооружения считаются расположенными в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны на расстоянии 30h при высоте сооружения h дом и 2 км - при большей высоте. Рассмотрим влияние основных факторов на особенности вертикальных профилей скоростного напора. Стратификация атмосферы (изменение температуры воздуха по высоте) характеризуется градиентом температуры. Среднее значение градиентам соответствует уменьшению температуры воздуха на 0,6 o C при подъеме на каждые 100 мВ каждый отдельный момент времени γ может отклоняться в ту или иную сторону и даже принимать отрицательное значение (так называемая инверсия температуры. При малых вертикальных градиентах или инверсиях вертикальные перемещения воздушных масс затухают. Стратификация атмосферы в таком случае называется устойчивой (в противном случае неустойчивой. При устойчивой стратификации уменьшается перемешивание воздуха разных слоев восходящими потоками. Поэтому вертикальные градиенты скорости ветра становятся большими, чем при неустойчивой стратификации. С увеличением скорости ветра различие скоростей разных слоев вертикального профиля уменьшается. Шероховатость подстилающей поверхности является одним из основных факторов, влияющих на формирование профилей скорости ветра в пограничном слое атмосферы. В Руководстве [33] приведены данные измерений в пунктах с разной степенью шероховатости пустыни и горы, луга и крупные города. Измерения производились на высотах дом. Их результаты свидетельствуют, что показатель степени α в формуле (7.15) изменяется в широких пределах. Над ровной поверхностью он существенно меньше, чем над пересеченной и неоднородной. Наибольшее влияние на величину α оказывает непосредственное окружение объекта. С ростом масштаба шероховатости подстилающего слоя показатель степени возрастает от 0,08 до 0,51. Скорость ветра у земли также оказывает влияние на характер вертикального профиля. С усилением ветра показатель степени, как правило, уменьшается. При очень сильном ветре у поверхности земли близко к нулю, то есть скорость ветра выравнивается по высоте во всем слое. С учетом всех этих факторов на основе исследований Главной геофизической обсерватории в нормах приняты осредненные показатели степени для местностей типов А, В, С, равные соответственно 0,1, 0,2 и 0,3. Влияние горизонтальной протяженности объектастроительства на выбор расчетного значения скоростного напора ветра изучено в меньшей степени. Для большинства объектов промышленного и гражданского строительства, размеры которых по горизонтали не превышают нескольких десятков или сотен метров, учет изменчивости напора ветра вдоль фронта потока большого значения не имеет. Однако, для объектов большой протяженности типа линий электропередач (ЛЭП) и т.п. надежность зависит от длины чем она больше, тем выше вероятность появления скорости ветра на каком-либо участке, способной разрушить хотя бы одну из опор и вывести линию из строя. АР. Ржаницын отмечал, что имеется весьма мало данных о характере корреляционных функций для пространственных распределений скорости ветра и о величине зон корреляции для различных случаев. Он предложил приближенную оценку увеличения вероятности превышения расчетной ветровой нагрузки для протяженных объектов. Разрушающее значение силы ветра появляется в результате больших перепадов давления при вихревом движении воздуха, когда возникает смерч (за рубежом его называют торнадо. Если известна ширина полосы сильного ветра d, и можно считать, что скорости ветра на расстояниях, больших, чем d, корреляционно не связаны, то можно определить вероятность улавливания сильного ветра весьма протяженными объектами длиной l по общим формулам, справедливым для малых объектов, нос увеличенным приведенным сроком службы. пр где Т - расчетный срок службы сооружения. Пространственное распределение ветра здесь заменяется временным. |