Ветер как нагрузка на сооружения

Действие ветра на сооружения проявляется в виде нагрузки, величина которой зависит от скорости ветра и его порывистости. Сила и характер ветра, преимущественное направление сильных ветров определяются климатическими условиями и рельефом местности.

Для выяснения режима ветра были использованы данные о скоростях ветра примерно в 1200 пунктах Советского Союза с повторяемостью один раз в 20, 15, 10, 5 лет и в 1 год. Статистическая обработка материалов наблюдений станций, расположенных во многих районах, показала одинаковый характер влияния разнообразных факторов, определяющих ветры различной скорости [3 и 4].

Эти исследования позволили составить карту районирования территории СССР по интенсивности ветра. В процессе уточнения оказалось целесообразным разделить территорию Советского Союза на 7 ветровых районов вместо трех, выделив, кроме того, в отдельный район горные местности. За нормативную скорость ветра в каждом районе была принята наибольшая скорость на высоте 10 м над поверхностью земли, возможная раз в 5 лет.

Рост скорости ветра при увеличении промежутка времени наблюдений неодинаков для различных районов, но все же есть общая тенденция к повышению (рис. 1.4). По оси абсцисс отложено число лет, а по оси ординат отложена безразмерная величина скорости, т. е. отношение скорости ветра для каждого района к нормированной скорости. Штрихами показана область разброса значений скорости для различных районов. В основу построения графика приняты следующие абсолютные значения скорости ветра, ожидаемые один раз в год: 17, 20, 24, 28, 32, 35 и 40 м/сек соответственно для семи районов [4].

Местные условия рельефа площадки строительства, отличающиеся от условий расположения ближайших метеорологических станций, вносят свои коррективы в величину и характер нормированной для рассматриваемого района скорости ветра.

Поверхность земли сильно сказывается на величине скорости ветра. Например, в Ленинградском порту зарегистрирована скорость ветра V₂₀=27 м/сек, а на станции Ленинград-город — 19 м/сек, что объясняется гладью водной поверхности. В черте города скорость ветра меньше на 3—4 м/сек по сравнению со скоростью в районе.

На берегах больших рек и небольших возвышенностях скорость ветра повышается на 4—5 м/сек. Если долина реки обращена в сторону степей, то скорость ветра может достигать V₂₀=50 м/сек, что наблюдается, например, в Предкавказье. Усиление ветра на 10—12 м/сек по сравнению с долиной наблюдается в устьях горных рек, выходящих к морю.

Скорости ветра в горной местности зависят от местоположения: например, на открытых вершинах Кавказских гор они наибольшие — до 70 м/сек, в узких защищенных долинах — 20—25 м/сек. С высотой скорости ветра повышаются, но в высокогорной котловине скорость ветра может быть 20—25 м/сек, а то время как на окружающих открытых пунктах 40—45 м/сек.

В степных районах скорость ветра на понижениях может быть в 1,1—1,3 раза меньше, а на возвышенностях — до 1,4 раза больше по сравнению со скоростью на ровной местности.

С высотой скорость ветра растет тем быстрее, чем скорее затухают приземные возмущения [5]. В городах, и тем более с высокими строениями, или в горах нарастание скорости ветра происходит медленнее, чем над морем или равниной. Для характеристики профиля ветра по вертикали предложены различные формулы. Наиболее распространена степенная зависимость скорости ветра с высотой

и логарифмическая


Здесь:
V_ф — скорость ветра на высоте флюгера или измерительного прибора;
z — высота над поверхностью земли;
z_ф — высота флюгера или другого прибора, чаще всего около 10 м\
z₀ — параметр шероховатости (условная) поверхности или высота, на которой скорость равна нулю;
? — показатель, принимаемый равным 0,08—0,4.

Некоторыми исследователями (Давенпорт и др.) показатель степени а в формуле (1.2) рекомендуется принимать равным 0,4 для вычисления профиля скорости ветра над городом, застроенным зданиями высотой до 100—200 м; в сельской местности, характерной невысокими постройками, лесными массивами, ?=0,28; над полями, в степи и над морем профиль скорости определяется зависимостью с показателем 0,16. При таких значениях а скорость ветра становится равной скорости градиентного ветра на высоте соответственно 500, 400 и 300 м. Над горами это произойдет на высоте 1000 м.

В нормативных данных для расчета сооружений на ветровую нагрузку ряда стран приняты значительно меньшие показатели, определяющие профиль средней скорости по формуле (1.2). Чаще всего оперируют с показателями 0,08—0,16. За рубежом скорость ветра определяют также по формулам, в которых нет в явном виде учета шероховатости поверхности земли.

Логарифмический закон хорошо согласуется с результатами наблюдений в нижнем приземном слое, ошибка будет тем больше, чем выше рассматриваемая точка над поверхностью земли. Условно средний параметр шероховатости поверхности принимают равным 0,2 м, вблизи побережья морей — 0,05 м, водной поверхности — доли сантиметра. Для определения профиля скорости ветра при расчете сооружений высотой до 10 м можно воспользоваться логарифмическим законом (формула 1.3), параметр шероховатости поверхности в этом случае принимают равным 0,01 м.

[Профиль скорости ветра сильно изменяется вблизи холмов, горной гряды, долины или др. На величину скорости и ее профиль влияет общий наклон местности и крутизна его со стороны ветров. Широкая пойма реки, большое водохранилище изменяют характер и силу ветров. Перспективу строительства гидроэлектрических станций или застройки близлежащих микрорайонов промышленными предприятиями и жилыми комплексами учитывают в величине расчетной ветровой нагрузки.

Ветер редко бывает ровным, обычно наблюдаются порывы, вызванные торможением частиц воздуха о поверхность земли, конвекционными токами между различно нагретыми слоями, трением между слоями, движущимися с различной скоростью. Это приводит к пульсации скорости ветра. Интенсивность порывов ветра затухает с высотой.

В городе, особенно со зданиями большой высоты, турбулентность очень велика, поэтому возможны мощные вихри, зоны с местным усилением скорости, застойные зоны.

Порывы ветра характеризуются коэффициентом порывистости, являющимся отношением наибольшей скорости в порыве к средней за определенный промежуток времени (рис. 1.5). Коэффициент порывистости убывает с увеличением средней скорости ветра (рис. 1.6). Период пульсаций ветра — от нескольких минут при большой величине средней скорости и до одной секунды — при малой. Многочисленными наблюдениями в различных климатических районах установлен нерегулярный характер порывов, что исключает возможность резонанса сооружения.

С ростом высоты над поверхностью земли коэффициент порывистости убывает; абсолютные значения пульсации могут расти или убывать.

Неупорядоченный хаотический характер пульсаций скорости ветра в приземном слое позволяет считать, что распределение пульсаций скоростного напора следует нормальному закону распределения Гаусса. Тогда добавка к скоростному напору, учитывающая порывистость, может быть определена из записей мгновенной скорости ветра в характерных районах, если средние величины скорости ветра во время наблюдений были достаточно большие [6].

Приняв за меру возможного наибольшего отклонения от среднего скоростного напора обычно принимаемые 2—3 стандарта, получают коэффициент пульсации

где ? — стандарт кривой распределения пульсаций скоростного напора ветра.

Полагая законы распределения пульсации ветра и его средней скорости по высоте одинаковыми, например со степенным показателем в первом приближении, равным 0,08—0,12, находят коэффициент m для различных высот. Статистическая обработка наблюдений показала, что изменчивость скоростного напора составляет 0,12—0,16 среднего значения. Это позволило для высоты 20 м принять коэффициент m=0,25?0,35; для высот более 20 м над поверхностью земли его определяют по формуле

где z — высота рассматриваемой точки;
n = 8?12.

Более подробные сведения об учете динамики ветра можно найти в работах М. Ф. Барштейна [6].

Принятое в Советском Союзе рассмотрение режима скорости ветра в виде случайного процесса находит все большее распространение в разных странах.