Сравнительный анализ методик по расчету динамической реакции высотных зданий при действии ветра - файл n1.docx

Сравнительный анализ методик по расчету динамической реакции высотных зданий при действии ветра
Скачать все файлы (106 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.docx106kb.31.03.2014 21:17скачать

n1.docx

Чайковский Технологический Институт (филиал Ижевского Государственного Технического Университета)

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК ПО РАСЧЕТУ ДИНАМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВЕТРА

Приведен сравнительный анализ работ Э. Симиу и Р. Сканлана и Попова Н.А. по расчету динамической реакции высотных зданий. Выявлены недостатки методик.

Ключевые слова: ветровая нагрузка, динамическая реакция, пульсационная составляющая, здание, сооружение, анализ.

Ветровая нагрузка для многоэтажных зданий является наиболее существенной из временных нагрузок. Это вызвано тем, что использование в высотном строительстве стальных и облегченных железобетонных конструкций привело к снижению веса сооружения и сняло ограничения на высоту зданий. С другой стороны, снижение постоянных нагрузок и создание больших, более гибких пространственных решений, привело к значительному снижению жесткости здания. В этих условиях ветровые нагрузки приобрели особое значение.

Действие ветра на сооружения проявляется в виде нагрузки, величина которой зависит от скорости ветра и его порывистости. За нормативную скорость ветра в каждом из 7 ветровых районов принята наибольшая скорость на высоте 10 м над поверхностью земли, превышаемая в среднем раз в 5 лет.

При действии ветра здания и сооружения испытывают нагрузки от аэродинамических сил, которые включают силу лобового сопротивления, совпадающую с направлением среднего течения и подъемную (поперечную силу), перпендикулярную этому направлению. Реакцию сооружения, вызванную лобовым сопротивлением действию ветра, обычно называют реакцией в направлении ветра.

До последнего времени силы лобового сопротивления, используемые в расчетах сооружений, во всех случаях определялись только на основе данных климатологии, метеорологии и аэродинамики без учета динамических характеристик самого сооружения, т.е. коэффициента демпфирования, распределения его массы и жесткости. Однако установлено, что для современных высоких сооружений, которые по сравнению с возводимыми ранее сооружениями являются более гибкими, легкими и характеризуются меньшим демпфированием, собственные частоты колебаний могут находиться в том же интервале, что и средние частоты повторения интенсивных порывов ветра. Следовательно, при расчетах необходимо учитывать значительные резонансные колебания, к которым может привести воздействие ветра.

Изучением ветровой нагрузки и ее воздействия занимались многие ученые. Особый вклад внесли работы американских ученых Эмиля Симиу и Роберта Сканлана и российского ученого Н.А. Попова.

Целью данной работы является сравнительный анализ работ Э. Симиу и Р. Сканлана и Попова Н.А. по расчету динамической реакции высотных зданий при действии ветра.

Совместная работа Э. Симиу и Р. Сканлана «Воздействие ветра на здание и сооружение» была переведена на русский язык в 1984 г. В ней рассматривается методика определения реакции сооружения в направлении ветра, применимая к призматическим или почти призматическим сооружениям, для которых выполняются следующие допущения:

  1. Сооружение ведет себя как линейная упругая система;

  2. Основная собственная форма колебаний является линейной функцией высоты над поверхностью земли, т.е. , С - произвольная постоянная;

  3. Вклад в реакцию сооружения от второй и более высоких собственных форм колебаний пренебрежимо мал;

  4. Профиль средней скорости описывается по выражениям:

;

.

  1. Средняя скорость получена осреднением на интервале времени в 1 ч;

  2. Средние значения и пульсации давлений определяются соответственно выражениями:

, где

- плотность воздуха,

- соответственно значения среднего коэффициента давления для наветренной поверхности и коэффициент отсоса для подветренной стороны здания, осредненные по его длине,

- осредненное значение средней скорости невозмущенного набегающего воздушного потока на уровне z.

, где

- спектральная плотность пульсаций продольной компоненты скорости на уровне в невозмущенном набегающем воздушном потоке (i=1,2).

  1. Пространственные взаимные корреляции пульсаций давлений в поперечном направлении и в направлении ветра описываются соответственно выражениями:

;

.

Э. Симиу и Р. Сканлан с учетом выше сказанных уточнений разработали методики определения реакции в направлении ветра для реакции консольных сооружений с сосредоточенной массой (точечного типа) (рис. 1) и для зданий с основной собственной формой колебаний, приближенно определяемой в виде прямой линии (рис. 2). [2]
c:\users\женсовет\desktop\0001.tif

Рис. 1. Схема консольного сооружения с сосредоточенной массой (точечного типа)
c:\users\женсовет\desktop\0001.tif
Рис. 2. Схема здания с основной собственной формой колебаний, приближенно определяемой в виде прямой линии
На основании работы Э. Симиу и Р. Сканлана был составлен СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». Согласно СНиП ветровую нагрузку на сооружение следует рассматривать как совокупность:

а) нормального давления we, приложенного к внешней поверхности сооружения или элемента;

б) сил трения wf, направленных по касательной к внешней поверхности и отнесенных к площади ее горизонтальной (для шедовых или волнистых покрытий, покрытий с фонарями) или вертикальной проекции (для стен с лоджиями и подобных конструкций);

в) нормального давления wi, приложенного к внутренним поверхностям зданий с проницаемыми ограждениями, с открывающимися или постоянно открытыми проемами;

либо как нормальное давление wx,wy, обусловленное общим сопротивлением сооружения в направлении осей х и y и условно приложенное к проекции сооружения на плоскость, перпендикулярную соответствующей оси. [3]

При проектировании высоких сооружений, относительные размеры которых удовлетворяют условию h/d> 10, необходимо дополнительно производить поверочный расчет на вихревое возбуждение (ветровой резонанс); здесь h — высота сооружения, d — минимальный размер поперечного сечения, расположенного на уровне 2/3h.

В работе «Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки» Попова Н.А. основное внимание уделено определению и анализу реакции сооружений на действие пульсационной ветровой нагрузки. Кроме того в «Рекомендациях…»:

- приведены результаты анализа существующих методов расчета зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки;

- описан алгоритм решения задачи о вынужденных случайных колебаниях сооружений при действии ПВ-нагрузок и рассмотрены соотношения, позволяющие реализовать этот алгоритм в численных программных комплексах.

Основываясь на СНиПе 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия», Попов Н.А. изложил методику расчета четырех типов сооружений (железобетонная башня высотой 415 м, плоская рама, решетчатая башня высотой 180 м и решетчатая башня, в качестве расчетной схемы которой принят консольный стержень). Разработка «Рекомендаций…» предпринята с целью расширения нормативно-методической базы, необходимой для численного расчета сооружений на динамическое действие ветра. [1]

«Рекомендации…» были разработаны в развитие главы СНиП 2.01.07-85 и дополняют положения этого нормативного документа.

При подготовке "Рекомендаций..." принято во внимание:

а) Изложенная в СНиП 2.01.07-85 методика определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки не является универсальной и может быть использована при расчете и проектировании достаточно узкого, класса здании и сооружений, перечисленных в п. 6.7 СНиП. А именно это:

- сооружения (и их конструктивные элементы), у которых первая частота собственных колебании f1, Гц, больше предельного значения собственной частоты fl;

- сооружения (и их конструктивные элементы), которые можно рассматривать как систему с одной степенью свободы (поперечные рамы одноэтажных производственных зданий, водонапорные башни и т.д., приf1< fl;

- для зданий, симметричных в плане, у которыхf1< fl, а также для всех сооружений, у которых f1< fl2 (где f2 — вторая частота собственных колебаний сооружения).

б) В настоящее время отсутствует нормативно-методическая база по расчету на действие ПВ-нагрузок произвольных сооружений со сложной пространственной расчетной схемой, требующие учета совместных колебаний по различным собственным формам и их взаимной корреляции. [1]

В "Рекомендациях..." представлена уточненная (по отношению к СНиП) методика расчета зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. "Рекомендации..." могут быть использованы при расчете на воздействие ПВ-нагрузок зданий и сооружений произвольного типа с учетом следующего ограничения:

- положения настоящих "Рекомендаций..." не могут применяться:

а) для определения реакции сооружений, обусловленной их резонансным вихревым возбуждением;

б) для определения реакции покрытий в вертикальном направлении;

в) во всех тех случаях, когда основной вклад в динамическую реакцию сооружения вносит воздействие ПВ-нагрузок в зонах с отрицательным средним давлением ветра (в зонах "отсоса"). [1]

В этих расчетных случаях необходимо использовать статистически обоснованные результаты натурных или соответствующим образом организованных модельных аэродинамических испытаний сооружения.

Сравнение вышеперечисленных методик показывает, что необходимо более детальное уточнение при расчете динамической составляющей ветровой нагрузки на высотные здания и сооружения, а именно разработка нормативно-методической базы по расчету на действие ПВ-нагрузок произвольных сооружений со сложной пространственной расчетной схемой, требующие учета совместных колебаний по различным собственным формам и их взаимной корреляции.

Список литературы:

  1. Попов Н.А. Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Утверждены научно-техническим советом ЦНИИСК 15 декабря 1999 г. Москва 2000 г.;

  2. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения / Пер. с англ. Б.Е. Маслова, А.В. Швецовой; Под ред. Б.Е. Маслова. – М.: Стройиздат. 1984. – 360 с., ил. – Перевод. изд. Wind Effects on Structures / E. Simiu, R. Scanlan (1978);

  3. СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия».


Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации