Приложение 5.1. Ветровые нагрузки

Приложение 5.1
(к разделу 5 временных
норм и правил)

Ветровые нагрузки

5.1.1. Расчетная ветровая нагрузка wp определяется как сумма средней (w_m) и пульсационной (w_g) составляющих

     w  = w  + w .                                                (5.1.1)

      p    m    g

Расчетные значения средней составляющей w_m ветровой нагрузки определяются по формуле

     w  = w k(z )c гамма ,                                        (5.1.2)

      m    o   e        f

     где:

  w  = 230 Па - нормативное значение давления ветра:

   o

     z  (м)   - эквивалентная высота (см. п. 5.1.2);

      e

     k(z )    - коэффициент,  учитывающий  изменение средней составляющей

        e

давления ветра для высоты z  на местности типа В;

                           e

     с        - аэродинамические коэффициенты сил, моментов или давления.

     гамма    - коэффициент надежности по ветровой нагрузке.

          f

5.1.2. Эквивалентная высота z_e определяется следующим образом:

- при z<b -> z_e = b;

- при z<h - b -> z_e = h;

- при b<=z - h - b -> z_e = z.

Здесь b - поперечный размер здания; h - его высота; z - расстояние от поверхности земли.

Коэффициент k (z_e) определяется в соответствии с указаниями СНиП 2.01.07-85* для местности типа В или по формуле

                   z

                    e

    k(z ) = 0,65 (---- ) 0,4.                                     (5.1.3)

       e           10

5.1.3. Аэродинамические коэффициенты полного давления ср определяются как алгебраическая сумма коэффициентов внешнего с_е и внутреннего с_i давлений, т.е.

     c  = c  + c  .                                               (5.1.4)

      p    e    i

Если при эксплуатации зданий суммарная площадь открытых и одновременно открывающихся проемов не превышает 5% от общей площади ограждающих конструкций, то

     c  = +-0,2,                                                  (5.1.5)

      i

где знак "+" или "-" выбирается из условий реализации наиболее неблагоприятного варианта нагружения.

Для других значений аэродинамические коэффициенты внутреннего давления c_i должны быть определены дополнительно в зависимости от площади проемов и их распределения по поверхности зданий.

5.1.4. За исключением одиночно стоящих зданий, схемы которых приведены в прил. 4 СНиП 2.01.07-85*, аэродинамические коэффициенты сил, моментов, внутреннего и внешнего давлений, а также числа Струхаля (при оценке резонансного вихревого возбуждения, см. п. 5.1.7) должны определяться на основе данных модельных испытаний, проводимых в специализированных аэродинамических трубах.

При проведении модельных аэродинамических испытаний необходимо моделировать турбулентную структуру погранслоя атмосферы, включая вертикальный градиент средней скорости ветра и энергетический спектр его пульсационной составляющей. Как правило, подобные экспериментальные исследования проводятся в аэродинамических трубах метеорологического типа с длинной рабочей частью, в которых структура потока соответствует так называемой "пристеночной" турбулентности и формируется за счет тех же механизмов, что и в натурных условиях.

Использование при расчете зданий экспериментальных результатов, полученных при испытаниях в гладких потоках или в потоках с другими типами турбулентности (в частности, в потоках с "решетчатой" турбулентностью), должно быть дополнительно обосновано.

5.1.5. Усилия и перемещения от действия пульсационной составляющей w_g ветровой нагрузки, как правило, должны определяться в результате численного динамического расчета зданий с использованием соответствующих методик расчета. Кроме того, в этих целях допускается использовать результаты соответствующим образом проведенных аэродинамических испытаний динамически подобной модели здания.

На предварительных стадиях проектирования зданий пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается определять по формуле

     w  = w  дзета(z) ню дзета,                                   (5.1.6)

      g    m

где:

     w  - средняя составляющая нагрузки;

      m

     дзета(z) - коэффициент,   учитывающий   изменение      пульсационной

составляющей   давления    ветра    для   высоты z  на  местности типа  В

(СНиП 2.01.07-85*):

     дзета и ню - коэффициенты   динамичности   и  корреляции   пульсаций

давлений, определяемые в соответствии с указаниями СНиП 2.01.07-85*.

5.1.6. При расчете элементов ограждения и их креплений к несущим конструкциям расчетные значения ветровой нагрузки определяются соотношениями (5.1.1)-(5.1.6). При этом:

- коэффициент корреляции v принимается по табл. 5.1.1, где А - площадь ограждения, с которой снимается ветровая нагрузка;

- коэффициент динамичности дзета=1,0;

- в качестве аэродинамических коэффициентов необходимо использовать их максимальные положительные и отрицательные значения, которые, как правило, определяются на основе данных модельных испытаний.

Таблица 5.1.1

Значения коэффициента корреляции ню

А, м2 <2 5 10 >20

1.0 0.95 0.9 0.85

Определенная таким образом ветровая нагрузка соответствует случаю, когда конструктивные элементы ограждения и узлы их крепления к зданию являются достаточно жесткими, и в них не возникает заметных динамических усилий и перемещений. В противном случае значение коэффициента необходимо уточнить на основе результатов динамического расчета системы "элемент ограждения - несущие конструкции ограждения - элементы их крепления".

5.1.7. При проектировании зданий, отвечающих условию h/d > 7, необходимо проводить их поверочный расчет на резонансное вихревое возбуждение; здесь h - высота здания, d - поперечный размер.

Критическая скорость ветра, при которой происходит резонансное вихревое возбуждение (ветровой резонанс), определяется по формуле

       V    = f  x d/St,                                          (5.1.7)

        cr,i   i

где:

     f  (Гц) - собственная частота колебаний по i-ой изгибной собственной

      i

форме;

     d (м) - поперечный размер здания;

     S  - число   Струхаля   его   поперечного   сечения,    определяемое

      i

экспериментально (см. п. 5.1.4) или по справочным данным.

Резонансное вихревое возбуждение не возникает, если

           V    > l,2 V   (z),                                    (5.1.8)

            cr,i       max

     где V   (z) - максимально  возможная  скорость ветра в г. Москве  на

          max

высоте z.

5.1.8. Максимально возможная скорость ветра V_max(z) определяется по формуле

                         0,2

     V   (z) = 14,5(z/10)   .                                     (5.1.9)

      max

5.1.9. Интенсивность воздействия F_i(z), действующего при резонансном вихревом возбуждении в направлении, перпендикулярном движению ветра, определяется по формуле

"Формулы 5.1.10, 5.1.11"

На начальных стадиях проектирования допускается принимать ф_i=1,1 для всех форм собственных колебаний.

5.1.10. Наряду с воздействием (5.1.9) необходимо учитывать также действие ветровой нагрузки, параллельной средней скорости ветра. Средняя w_m,cr и пульсационная w_g,cr составляющие этого воздействия определяются по формулам:

"Формулы 5.1.12а, 5.1.12б"

Суммарные напряжения, усилия и перемещения при резонансном вихревом возбуждении по i-ой форме собственных колебаний определяются по формуле

"Формула 5.1.13"

5.1.11. В зависимости от повторяемости критической скорости V_cr резонансное вихревое возбуждение может привести к накоплению усталостных повреждений.

5.1.12. При проектировании зданий, отвечающих условию h/d > 7 , необходимо учитывать возможность появления аэродинамически неустойчивых колебаний типа галопирования; здесь h и d - соответственно высота и поперечный размер здания.

Аэродинамически неустойчивые колебания типа галопирования могут возникнуть в том случае, если скорость ветра V превысит критическое значение V_cr,g V_max(z), т.е.

     V > V    = 2 Sc f d/(a  гамма  ) <= V   (z);                (5.1.14)

          cr,g        1    g      cr      max

                         2

     S  = 2m дельта/(ро d ),                                     (5.1.15)

      c                а

где;

     S  - число Скратона;

      с

     f  (Гц) - частота колебаний по i-ой изгибной собственной форме;

      1

     d(м) - характерный поперечный размер здания;

     m (кг/м) - эквивалентная погонная масса;

     ро  = 1,25 (кг/м3) - плотность воздуха;

       а

     гамма   = 1,2 - коэффициент надежности;

          cr

     дельта - логарифмический декремент при поперечных колебаниях здания;

     V   (z) - максимальная скорость ветра на высоте z (см. п. 5.1.8), на

      max

которой происходит возбуждение неустойчивых колебаний.

5.1.13. Коэффициент а_g в (5.1.14) зависит от формы поперечного сечения сооружения, его аэродинамических свойств и определяется по формуле

"Формула 5.1.16"

5.1.14. При проектировании зданий с несимметричной формой поперечного сечения типовых этажей, а также в тех случаях, когда центр масс типовых этажей не совпадает с их центром жесткости, необходимо учитывать возможность появления аэродинамически неустойчивых колебаний типа дивергенции.

Аэродинамически неустойчивые колебания типа дивергенции могут возникнуть в том случае, если скорость ветра V превысит критическое значение V_cr,div <= V_max(z), т.е.

"Формула 5.1.17"

"Формула 5.1.17" (продолжение)

5.1.15. При проектировании высотных зданий необходимо обеспечивать комфортность пребывания в них жителей, посетителей, сотрудников и обслуживающего персонала при действии пульсаций ветровой нагрузки.

Для этого расчетного случая ускорения a_vib перекрытий зданий при действии пульсационной составляющей ветровой нагрузки, определяемой с коэффициентом надежности по нагрузке гамма_f= 0,7 , не должны превышать 0.08 м/с2, т.е.

     a    <= 0,08 м/с2.                                          (5.1.18)

      vib

В том случае, если это требование не выполняется, необходимо предпринимать меры по снижению уровня колебаний зданий. В этих целях, в частности, могут быть использованы гасители колебаний.

5.1.16. При проектировании высотных зданий и комплексов необходимо обеспечивать комфортность прилегающих пешеходных зон. Условие их комфортности имеет вид

     T (V  ) < T    при всех V < V  .                            (5.1.19)

      c  cr     lim               cr

Здесь

     V  - скорость ветра в порыве;

     Т  - продолжительность   появления   скоростей   ветра  V,   больших

      c   некоторого критического значения V  ;

                                            cr

     Т   - предельное значение Т .

      lim                       c

Значения V_cr и Т_lim для трех установленных уровней комфортности приведены в табл. 5.1.2.

Таблица 5.1.2

Критические скорости ветра V_cr (м/с) и предельная продолжительность T_lim (ч/год) их появления

Уровень I II III комфортности

V_cr м/с 6 12 20 Т_lim, ч/год 1000 50 5

5.1.17. Коэффициент надежности гамма_f по ветровой нагрузке принимается равным:

- при расчете по предельным состояниям первой группы гамма_f = 1,4;

- при расчете по предельным состояниям второй группы гамма_f = 1,0;

- при оценке комфортности пребывания людей (см. п. 5.1.15) гамма_f = 0,7.