Ветровая нагрузка на сооружения и здания стала предметом изучения с конца прошлого века. Отдельные работы появились ранее. Вопросам ветровой нагрузки на сооружения посвящена книга Э. И. Реттера, изданная в 1936 г. [11]. Некоторые сведения о ветровой нагрузке на сооружения приведены в книгах Г. А. Савицкого [12], А. Г. Соколова [13], Ю. Козака [14], в отчетах ЦАГИ. Ряд экспериментальных данных, представляющих интерес и для строителя, собран в книге Е. В. Красноперова [15].
Рост размеров и усложнение формы конструкций, для многих из которых ветровая нагрузка стала доминирующей, вызвал потребность натурных наблюдений за сооружениями. Ветровая нагрузка изучалась по включенным в конструкцию индикаторам статических и динамических усилий. При этом записывались скорость и направление ветра по высоте, величина и направление перемещения конструкции. Такие наблюдения проводились иногда несколько лет, например за трубами тепловых электростанций, висячими мостами, радиомачтами. Были получены ценные материалы, но все же недостаточные по ряду соображений. Во многих наблюдениях не велась синхронная запись скорости ветра и деформаций конструкции. Часто ограничивались данными средней скорости ветра на высоте 10 м. Большинство наблюдений было сделано в условиях относительно слабых ветров, когда многие явления сглаживаются, при этом количественная оценка искажается. Можно указать и на ряд других обстоятельств, препятствующих установлению точных зависимостей между силой ветра и перемещением конструкции. Например, для правильной оценки профиля ветра по высоте ветроизмерительные приборы должны быть размещены на значительном расстоянии от конструкции, чтобы исключить искажения воздушного потока, вносимые сооружением. Часто длина рей была недостаточна.
В свете изложенного результаты многих натурных наблюдений имеют пока ценность для качественной оценки действительной работы сооружения при ветре.
Большую помощь в совершенствовании конструкций может дать тщательный анализ повреждений или аварий, если удается установить обстоятельства и истинную причину.
Наибольшая ветровая нагрузка на конструкции в виде круглого цилиндра, шара или на такие, у которых наблюдается кризис обтекания, может оказаться при меньшей величине скорости, чем расчетная. Это надо иметь в виду при проверке деформа-пивности сооружения. Например, если при расчетной скорости число Рейнольдса круглого цилиндра было 3,6-105 (за кризисом), а при расчете на деформативность оно оказалось 1,8·105 (до кризиса), то ветровая нагрузка приблизительно одинакова, несмотря на то что скорость ветра снизилась в 2 раза. Это следует из рис. 3.8. Такая же картина может быть, например, у шара, скругленных квадратных и прямоугольных цилиндров и тел, у которых наблюдается кризис обтекания, т. е. резкое снижение коэффициента сх.
Коэффициенты лобового сопротивления сх, подъемной силы cy и момента mz определяют экспериментально и относят к единице площади, а для длинных тел — к единице длины (размера) вдоль или поперек тела. При пользовании справочной литературой обращают внимание на величину удлинения тела, влияющего на величину аэродинамических коэффициентов (см. рис. 3.4). Желательны также сведения о шероховатости поверхности тела, также влияющей на его сопротивление.
Аэродинамическое сопротивление конструкций целесообразно рассматривать, начиная с простых по форме тел.
Полное сопротивление тонкой гладкой пластинки бесконечной длины, наклоненной к потоку, изменяется в зависимости от угла атаки, как это показано, например, на рис. 3.7. С достаточной точностью коэффициент лобового сопротивления можно принять пропорциональным 1,1 sin2?, где ? — угол атаки. Это хорошо удовлетворяется для углов атаки 40—60°, а при ?2 ?.
При спокойном рельефе местности конструкции рассчитывают при направлении ветра под углом к горизонту не менее ±10°.
Ветровая нагрузка на прямоугольную пластинку зависит от расположения ее по отношению к скорости потока: длинной стороной по потоку или поперек его. На рис. 3.19 приведены графики относительного коэффициента полного сопротивления пластинок с удлинением 0,33; 1 и 3 в зависимости от угла атаки. Как видно, коэффициент полного сопротивления квадратной пластинки при угле атаки около 38° в 1,46 раза больше коэффициента лобового сопротивления пластинки при угле атаки 90°. По другим данным (Геттинген), он больше в 1,6 раза. Далее, с ростом угла атаки ее сопротивление резко падает. Изменение направления ветра в окрестности угла ?=38° приводит к дополнительному — динамическому — воздействию, например на поддерживающую плоский щит конструкцию вследствие срывов потока. Это явление аналогично срывному флаттеру крыла самолета.
С утолщением пластинки, когда она перерастает в бесконечно длинный параллелепипед, характер обтекания изменяется, коэффициент ее лобового сопротивления падает тем сильнее, чем. больше его размеры (толщина) в направлении потока (рис. 3.21).
Аэродинамические коэффициенты бесконечно длинных тел — цилиндров различного неизменного по длине сечения, характерных острыми краями и плоскими гранями, приведены в табл. 3.1. Коэффициент лобового сопротивления многих стержней мало зависит от формы поперечного сечения и близок к коэффициенту сопротивления плоской пластинки. У несимметричных профилей появляется подъемная сила, которая, суммируясь с лобовым сопротивлением, увеличивает нагрузку на тело. Например, у тела в виде равнобокового уголка коэффициент cR=2,76 (отнесен к ширине полки).
Сходство картины обтекания тел различных профилей с острыми краями с обтеканием плоской пластинки позволяет принять одну и ту же закономерность снижения коэффициента лобового сопротивления в зависимости от удлинения тела (см. рис. 3.4).
Отрицательное давление на поверхность тела в зоне разрежения чаще больше положительного (избыточного) давления у его передней критической точки. Это наблюдается у краев сплошно-стенчатых конструкций или зданий. Например, высотное здание разрушилось при урагане, потому что действительное распределение ветровой нагрузки по поверхности (стене) не отвечало принятому в проекте, хотя в момент аварии среднее значение ее было меньше расчетного. В нормах обычно указывается ветровая нагрузка в виде осредненной по площади, в то время как в большинстве случаев распределение нагрузки сложнее хотя бы из-за другого профиля скорости по высоте (рис. 3.23).
Для тонкостенных конструкций, большепролетных перекрытий, особенно с легкими ограждающими элементами, знание действительного распределения давления по поверхности обязательно. В конструкциях покрытий с несущими канатами, т. е. в конструкциях с односторонними связями, это особенно важно, так как в некоторых местах нагрузка окажется противоположного направления по сравнению с принятым в расчете.
Распределение, давления по поверхности круглого цилиндра зависит от числа Рейнольдса (см. рис. 3.12), а при небольшом удлинении — и от его величины; чем меньше удлинение цилиндра, тем разрежение позади меньше; давление спереди изменяется мало. Для гладкого круглого цилиндра при закризисном обтекании коэффициенты распределения давления по его поверхности приведены в табл. 3.2. Этими данными пользуются при определении местной нагрузки по круглому цилиндру, а также с известным допущением — по многогранным призмам. Коэффициент лобового сопротивления таких тел в зависимости от удлинения берется по табл. 3.3, а для шероховатых круглых цилиндров — по рис. 3.15. В последней строке табл. 3.2 даны коэффициенты распределения давления по шару, когда его коэффициент лобового сопротивления равен 0,2, т. е. также при закризисном обтекании. Наименьший коэффициент лобового сопротивления гладкого шара cx=0,08.
В решетчатых конструкциях, составленных из стержней разнообразного профиля и расположенных к тому же под различными углами к направлению ветра, пользуются осредненным коэффициентом лобового сопротивления. При исследовании решетчатых конструкций в аэродинамической трубе модели часто выполняют из равновеликих по наветренной площади плоских полос, что проще.