Нормы ветровой нагрузки на сооружения

Определение ветровой нагрузки на здания и сооружения производится в соответствии с указаниями, изложенными в разделе СНиП «Нагрузки и воздействия» [2]. Ветровая нагрузка на железнодорожные, автодорожные и городские мосты регламентируется техническими условиями для этого вида сооружений [7], а на подъемные краны — ГОСТ 1451—65 [8].

Ветровую нагрузку на технологическое оборудование колонного типа и открытые этажерки, применяемые в химических, нефтеперегонных и других заводах, рассчитывают в соответствии с рекомендациями, изложенными в «Указаниях по расчету на ветровую нагрузку технологического оборудования колонного типа и открытых этажерок», изданных Госстроем СССР в 1965 г. [9]. Указания составлены в развитие раздела 6 «Ветровые нагрузки» главы СНиП И-А. 11-62.

В соответствии со СНиП нормативный скоростной напор ветра принимается в зависимости от местоположения проектируемого сооружения. Для этого вся территория Советского Союза разделена по скоростным напорам ветра (см. карту), для которых установлены нормативные значения для высоты над поверхностью земли до 10 м, приведенные в табл. 2.1. Горные местности, заштрихованные на карте, выделены в особый район.

Карта районирования территории страны по интенсивности ветровой нагрузки не исключает необходимости уточнения этой нагрузки, если к тому имеются достаточные основания. Для этого привлекают данные метеорологических станций, расположенных вблизи предполагаемой площадки строительства и имеющих одинаковые характеристики по открытости. Для высоких сооружений это обязательно.

Прохождение линий электропередачи по гребню возвышенности, расположение телевизионной опоры на вершине холма или горы могут потребовать повышения величины скоростного напора ветра по сравнению с предписываемым нормативом. Размещение площадки в долине, в предгорье, защищающем сооружение от сильных ветров, позволяет снизить интенсивность ветровой нагрузки. Необходимость повышения расчетной ветровой нагрузки на сооружение может определиться появлением в дальнейшем большого водохранилища.

В горных местностях, заштрихованных на карте, к которым относят районы с отметкой над уровнем моря 200 м и более, нормативный скоростной напор ветра уточняют в соответствии с данными местных управлений гидрометеорологической службы о скорости ветра для высоты 10 м от поверхности земли, определенной при двухминутном осреднении. Нормативный скоростной напор определяют по формуле (2.3), где скорость ветра, превышаемая один раз в 5 лет, определяется из длительного ряда наблюдений.

В проекте новой редакции СНиП предлагается уточненные скоростные напоры определять по формуле

где V₅ — превышаемая один раз в 5 лет скорость;
?=0,75+5/V₅ — поправочный коэффициент к скорости ветра, наблюдаемой по флюгеру; он принимается не более 1 и не менее 0,85.

При использовании материалов наблюдений на ближайших к месту строительства аэродромах необходимо помнить, что там изучение ветра подчинено выявлению опасных для полетов сильных порывов и шквалов с фиксацией максимальных значений скорости.

Для местностей с высотой над уровнем моря менее 200 м нормативные скоростные напоры ветра принимают по табл. 2.1 в соответствии с номером района.

Для определения ветровой нагрузки на сооружения высотой более 10 м пользуются поправочными коэффициентами на возрастание с высотой скоростных напоров (табл. 2.2).

Ветровую нагрузку на высокое сооружение определяют, разделяя его на зоны не более 10 м по высоте и принимая для каждой зоны нормативный скоростной напор на высоте середины этого участка.

Скоростной напор на провода, стальные канаты, оттяжки мачт считают по всей длине нити одинаковым и равным напору на высоте середины наклонной нити или на высоте подвеса за вычетом 2/3 величины стрелы провисания для горизонтальной нити.

Ветровая нагрузка на провода и стальные канаты (тросы) определяется с учетом порывов ветра как дополнительной статической нагрузки, т. е. при условии ?=1 в формуле (2.5).

При определении ветровой нагрузки на провода и защитные тросы линий передачи электрической энергии вводятся понижающие коэффициенты, учитывающие неравномерное распределение скорости ветра по горизонтали.

Скоростной напор ветра на обледенелые конструкции, провода и стальные канаты принимается равным 0,25 q₀. Для высот более 100 м наветренную площадь проводов и стальных канатов вместе с гололедом увеличивают в 1,5 раза.

При проектировании мачт с оттяжками скоростные напоры ветра принимают в пределах каждого пролета постоянными и равными нормативному скоростному напору на средней высоте рассматриваемого пролета. Иногда вносят модификацию, заключающуюся в вариациях эпюр скоростных напоров ветра, например, по рис. 2.2.

Для высоких сооружений, например башен, ветровую нагрузку определяют по зонам, размеры которых выбирают в соответствии с особенностями конструктивного членения их по высоте.

В соответствии с указаниями СНиП нормативная ветровая нагрузка принимается нормальной к поверхности сооружения, являющейся проекцией на плоскость, перпендикулярную направлению скорости ветра.

где q₀ — нормативный скоростной напор ветра;
с_х — коэффициент лобового сопротивления.

При определении ветровой нагрузки на сооружения, проектируемые для строительства среди сплошной застройки, скоростной напор разрешается снижать на 20% в пределах средней высоты окружающих зданий. Если известно направление расчетного ветра, то влияние затенения близлежащей застройкой учитывают по материалам исследований моделей в аэродинамической трубе.

Для зданий и сооружений высотой до 5 м скоростной напор ветра разрешается снижать на 25%. Дополнительное снижение скоростного напора, предусматриваемое влиянием сплошной застройки, в этом случае не учитывается.

Для учета возможного повышения ветровой нагрузки, что следует из основ построения методики расчета сооружений по предельным состояниям, вводится общий для всех видов зданий и сооружений коэффициент перегрузки n=1,2 к нормативному скоростному напору. Для высоких сооружений (башенного типа) этот коэффициент увеличивается до 1,3. Для уникальных сооружений величина коэффициента перегрузки устанавливается дополнительными исследованиями.

Здания и сооружения временного назначения, т. е. со сроком службы до 5 лет, рассчитываются при коэффициенте перегрузки, равном единице. При сроке службы сооружения до одного года учитывают сезонный характер сильных ветров.

Нормативные значения скоростного напора ветра распространяются на расчет, прочности сооружений. При выяснении их деформативности пользуются сведениями о повторяемости ветра в различных географических точках, приведенными в «Справочнике по климату СССР», часть III. При анализе надежности технологического процесса системы с участием строительных конструкций, деформация которых может снизить показатели или прекратить ее действие, удобнее пользоваться распределением повторяемости скоростного напора ветра, а не его скорости.

Рассмотрение объектов линейного или сетевого строительства, расположенных в различных ветровых районах, затрудняется, потому что приходится иметь дело с различными распределениями вероятности ветра, часто вида экспоненты. Трудности преодолеваются при переходе к безразмерному скоростному напору, являющемуся отношением исследуемого напора к нормативной величине для каждого ветрового района [10]. Тогда распределение вероятности для всех районов может быть представлено унифицированным графиком, по оси абсцисс которого отложены в билогарифмическом масштабе интегральная повторяемость (вероятность) появления скоростных напоров, а по оси ординат в логарифмическом масштабе — безразмерные скоростные напоры ветра (рис. 2.3). При принятых масштабах построения функции вида экспоненты получается линейная зависимость, что нагляднее. На рис. 2.3 верхняя кривая является огибающей наибольших значений безразмерного скоростного напора, т. е. с обеспеченностью единица, нижняя — показывает границу разброса.

В основу построения рис. 2.3 были положены исследования, послужившие базой при составлении новой карты районирования по интенсивности ветровой нагрузки. Унифицированный для всех семи ветровых районов график позволяет использовать его при оценке деформативности любого сооружения, требования к жесткости которого предъявлены исходя из статистических закономерностей.

Ветровая нагрузка на высокие сооружения (мачты, дымовые трубы, башни, опоры линий электропередачи и т. п.) с периодом колебаний более 0,25 сек определяется с учетом динамического воздействия пульсаций скоростного напора, вызываемых порывами ветра. Это относится также к сооружениям колонного типа и к открытым этажеркам, кранам подъемным.

В общем случае расчетная ветровая нагрузка, действующая на k-й участок сооружения, условно разбиваемого по высоте на r участков с текущим номером j = 1, 2, 3, ..., k, ..., r и с массой участка сооружения и действующей на него ветровой нагрузкой, сосредоточенными в середине участка, определяется по формуле

где


Первый член правой части формулы (2.9) учитывает статическое действие расчетного скоростного напора, второй — динамическое действие порывов ветра;

?_ik — коэффициент, зависящий от вида i-й формы свободных колебаний сооружения (i = 1, 2, 3, ...) и от места расположения массы;

q_j = q₀k_ic_j — расчетное давление ветра для участка j;

q₀ — нормативный скоростной напор ветра для высоты над поверхностью земли до 10 м, принимаемый по табл. 2.1;

k_j — поправочный коэффициент на возрастание скоростного напора для середины данного участка, принимаемый по табл. 2.2;

c_j — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления для участка j, принимаемый по данным, приведенным в СНиП или в гл. 4;

n — коэффициент перегрузки, равный 1,3;

S_j — площадь проекции участка j на плоскость, перпендикулярную направлению ветра;

M_j — масса участка в т·сек²·м^—1;

? — коэффициент динамичности, зависящий от периода Т_i, соответствующего i-й форме свободных колебаний, и от логарифмического декремента затухания колебаний сооружения, определяемый по рис. 2.1;

?ⁱ(x_k) и ?_i(x_j) — относительные ординаты i-й формы свободных колебаний сооружения в рассматриваемой точке k и во всех точках j, где сосредоточены массы М_j;

m_j — коэффициент пульсации скоростного напора ветра в точке j, определяемый по табл. 2.3.

Ветровую нагрузку на высокие сооружения консольного типа (дымовые трубы, башни и тому подобные сооружения) высотой менее 150 м допускается определять при учете свободных колебаний только по первой форме, т. е. по основному тону. Формула (2.9) для расчета ветровой нагрузки тогда упрощается и принимает вид

где ?₁, ?_1k — коэффициенты, соответствующие первой форме свободных колебаний сооружения.

Высокие сооружения консольного типа высотой более 150 м рассчитывают на ветровую нагрузку с учетом не более первых трех форм колебаний, а мачты с оттяжками — не более четырех форм (проект СНиП).

Расчеты высоких башен, включая и самую высокую в мире телевизионную башню высотой 533 м в Москве, показали, что можно ограничиться учетом первых трех форм свободных колебаний.

Для сооружений с массой и ветровой нагрузкой, приведенными к его вершине (одноэтажные открытые площадки с расположенным на них оборудованием и тому подобные сооружения), расчетную ветровую нагрузку, вычисленную как произведение нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки, умножают еще на коэффициент увеличения расчетного скоростного напора ?, определяемый по формуле (2.7).

Период свободных колебаний консольного типа сооружений определяют приближенно. Метод последовательных приближений и энергетический метод наиболее распространены.

Сущность метода последовательных приближений заключается в следующем. Сооружение представляют в виде ряда сосредоточенных масс; в качестве первого приближения для первой формы колебаний принимают квадратную параболу

где f — прогиб верха сооружения.

За второе приближение принимают деформированную под влиянием сил инерции, возникающих при его колебаниях по первой форме, ось сооружения. Приравнивая ординаты осей первого и второго приближений для верхней точки сооружения, получают первое приближенное значение частоты свободных колебаний. На следующем этапе, идя тем же путем, получают значение частоты следующего приближения и т. д. В подавляющем числе случаев второе приближение частоты дает удовлетворительный по точности результат.

Период свободных колебаний сооружения консольного типа, используя энергетический метод, определяют по формуле

где у — горизонтальные прогибы центров тяжести грузов Р₁, Р₂, Р₃, ..., Р_n при действии на верхний конец сооружения горизонтальной силы Р=1.

Сооружение высотой до 100 м разбивают на 8—10 участков, что позволяет получать достаточную точность при определении периода основного гона свободных колебаний. Сосредоточенные массы учитывают отдельно. Число участков при определении периода колебаний сооружений большей высоты увеличивают до 20 и более.

Период свободных колебаний башни или дымовой трубы в виде полого усеченного конуса высотой h определяют по формуле

где S и J — площадь сечения и момент инерции в основании трубы;
? и E — объемный вес и модуль упругости материала;
с — коэффициент, принимаемый в зависимости от отношения высоты отсеченной части конуса h₁ к высоте неусеченного (полного) конуса;

Для промежуточных значений h₁/h+h₁ коэффициент с находят линейной интерполяцией.

Для определения периода свободных колебаний сооружений консольного типа — башен высотой Я предложены различные формулы вида

где В и b — размеры стороны башни в плане соответственно внизу и вверху в м;
k — коэффициент, учитывающий материал, из которого изготовлена конструкция, число граней и форму очертания башни.

Для стальных решетчатых башен без сосредоточенных масс на верху и по высоте коэффициент k в формуле (2.14) может быть принят: для четырехгранной конструкции с прямолинейными поясами равным 0,01—0,02, с гиперболическим или параболическим очертанием поясов 0,02—0,04. Меньшие значения коэффициента k относятся к легким конструкциям, например, типа радиобашен, большие — к конструкциям с тяжелым оборудованием. Для трехгранных башен этот коэффициент увеличивают в 1,5 раза. Сосредоточенные массы, особенно в верхней части сооружения, существенно снижающие частоту свободных колебаний, учитывают дополнительно.

Определение периода свободных колебаний вантовых сооружений типа мачт с оттяжками значительно сложнее вследствие большего объема вычислений и нелинейного характера таких систем.

Трудности учета высших форм свободных колебаний мачт с оттяжками привели к динамическому расчету только консоли на мачте. В расчете новых типов мачт с оттяжками учитывают высшие формы колебаний ствола и влияние оттяжек.

Для определения периода свободных колебаний мачты по основному тону используются различные приближенные способы. Одним из таких является метод приведения масс, заключающийся в замене системы с распределенными массами одной сосредоточенной массой с одной степенью свободы. Тогда период свободных колебаний мачты с оттяжками высотой Я, ствол которой рассматривается как абсолютно жесткий, определяется по формуле

где при неизменной по высоте ствола погонной массе m

при погонной массе различной величины по пролетам

где h_k — высота средней точки пролета с массой m_k.

В массе ствола учитывают массу оттяжек.

Приведенную к верхней опоре жесткость — восстанавливающую силу — определяют по формуле

Для предварительной оценки периода колебаний мачты с оттяжками можно воспользоваться формулой

где Н — высота мачты в м.

Для мачт с обстройками (антенны, кабины, площадки с оборудованием) коэффициент в формуле (2.19) следует принимать равным 0,015.

Указания СНиП по учету динамического воздействия ветра относятся к высоким сооружениям консольного типа и мачтам с оттяжками. Их следует распространять на большепролетные мосты, висячие и вантовые мосты, висячие трубопроводы, эстакады, гак как более точный учет ветровой нагрузки имеет важное значение для их прочности.

Наблюдаемые довольно часто поперечные к потоку ветра колебания многих видов гибких конструкций в виде цилиндров кругового сечения не позволяют ограничиться расчетом их только на ветровую нагрузку. При скорости ветра 25 м/сек и более амплитуды поперечных к ветру колебаний сооружений цилиндрической формы (дымовые трубы, мачты и т. п.) малы, а движения нерегулярны. Это позволяет не проводить дополнительного расчета, если критическая скорость ветра определяется формулой

где d — диаметр цилиндра в м;
n — частота свободных колебаний сооружения в гц.

Результирующий динамический изгибающий момент М' под воздействием ветровой нагрузки при «резонансной» скорости V_кр и аэродинамических сил, вызывающих моменты в плоскости, поперечной к потоку, рассчитывается по формуле

где V_кр>10 м/сек, но не более 25 м/сек.

Изгибающий момент М_Vкр определяется с учетом динамического коэффициента, вычисляемого по формуле (2.7).

При V_кр?10 м/сек расчетный изгибающий момент разрешается принимать равным М_д.

Действующие на сооружение аэродинамические силы определяются по формуле

Амплитуда таких, поперечных к потоку, колебаний и динамический изгибающий момент в рассматриваемом сечении упруго защемленного в фундаменте консольного цилиндрического сооружения или в пролете трубчатой мачты с оттяжками определяются по формулам:

где y_ст и М_ст — статический прогиб и изгибающий момент в рассматриваемом сечении сооружения под действием нагрузки F1(x);
? — логарифмический декремент затухания, принимаемый для стальных сооружений ?=0,1, для железобетонных сооружений ?=0,3;
0,8 — коэффициент, учитывающий малую вероятность возникновения плоскопараллельного потока ветра по всей высоте сооружения.

При определении ветровой нагрузки на сооружение можно ограничиться материалами главы 2, если к ним добавить данные об аэродинамических коэффициентах в СНиП. В этом случае ускользнули бы особенности сооружения и оценка его аэродинамических качеств не могла быть сделана, что особенно важно для высоких сооружений. Более детальное рассмотрение конструкции на основе общих законов аэродинамики и экспериментальных данных о поведении простых по форме тел в потоке жидкости позволяет наметить мероприятия, ведущие к снижению ветровой нагрузки на сооружение.

Критерием удачного выбора формы и сечения элементов конструкций может служить величина отношения

где s_j — наветренная площадь элемента конструкции;
с_xj — аэродинамический коэффициент;
S — площадь конструкции по наружным обводам.

Размеры площади S определяются в основном технологическими требованиями, они тесно связаны с вопросами оптимального назначения их величины для обеспечения прочности и устойчивости конструкции. Наименьшая величина этого отношения у сравниваемых вариантов сооружений будет свидетельствовать о наилучшем в аэродинамическом смысле решении.

Интересные материалы о действии ветра на сооружения имеются в последних зарубежных публикациях и нормативах [27—32].