Приложение Д. Ветровые нагрузки

Приложение Д

(рекомендуемое)

Ветровые нагрузки

1 Целью испытаний моделей высотных зданий в аэродинамической трубе является установление суммарных и распределенных аэродинамических нагрузок на поверхность здания, вызванных действием ветра.

2 Нормативное значение среднего ветрового давления (скоростного напора) на высоте z от поверхности земли определяется по формуле

     w (z)= w  k(z),                                                (2.1)

      m      0

     где w  = 0,91 кПа  (91  кгс/м2)  -  нормативное  значение   среднего

          0

ветрового давления на высоте z = 10 м для  местности  типа  А  (6.5  СНиП 2.01.07)

при 3-секундном интервале осреднения  и  времени   наблюдения 50

лет;

     k(z) - коэффициент,  учитывающий  изменение  ветрового   давления по

высоте в зависимости от типа местности (таблица 6 СНиП 2.01.07).

     Давлению w = 0,91  кПа  соответствует  значение  скорости   ветра на

               0

высоте z = 10 м, равное v = 38,6 м/с  (при том же  3-секундном  интервале

осреднения).             0

     Для  высотных  зданий  Санкт-Петербурга,  расположенных  в  пределах

полосы шириной 2 км с наветренной стороны у берегов р.  Невы  и  Финского

залива, следует использовать значения коэффициента k(z), приведенные  для

местности  типа  А,  а  для  остальных  районов  застройки  -   значения,

приведенные для местности типа В.

     Значение скорости ветра (м/с) на высоте z определяется по формуле

                     _____

     v (z) = 40,48 \/ w (z),                                        (2.2)

      m                m

     где скоростной напор w (z), кПа.

                           m

     При z = 10 м,

     v (10) = v = 38,6 м/с,                                         (2.3)

      m        0

     в уровне верха здания (z = Н):

                   ___

     v  H = 38,6 \/ k , м/с                                          (2.4)

      m              H

     Указанные нормативные  значения  величин w = 0,91 кПа и  v   =  38,6

                                               0               0

м/с  используются  как  при  расчетах w по формуле (2.1) и v  по  формуле

                                       m                    m

(2.2),  так  и  при  нахождении  параметров  пульсационной   составляющей

ветровой нагрузки (6.7 СНиП 2.01.07).

3 Высотное здание (комплекс высотных зданий) привязывается к прямоугольной системе координат XYZ, причем плоскость XOY горизонтальна и начало координат (точка О) находится в уровне земли (см. рисунок 1).

Под суммарными ветровыми нагрузками, действующими на здание в выбранной системе координат, принимаются силы от действия ветра, направленные по осям X, Y, Z:

     Fx = w (H) H L Cx(a);

           m

     Fy = w (H) H L Cy(a);                                          (3.1)

           m

     Fz = w (H) H L Cz(a)

           m

"Формула (3.1)"

     и моменты относительно этих осей, вызванные действием ветра:

                   2

     Mx = w (H) H L  m (a);

           m          x

                   2

     My = w (H) H L  m (a);                                         (3.2)

           m          y

                   2

     Mz = w (H) H L  m (a).

           m          z

"Формула (3.2)"

                                Рисунок 1

"Рисунок 1"

В формулах 3.1 и 3.2 а - двугранный угол между вертикальной плоскостью действия набегающего на здание воздушного потока и координатной плоскостью XOZ. Безразмерные аэродинамические коэффициенты Сх(а), Су(а), Cz(a), mx(a), my(a), mz(a) определяются для каждого конкретного объекта в результате испытаний его модели в аэродинамической трубе при круговом изменении угла а (от 0 до 360° с шагом не более 10°).

Указанные аэродинамические коэффициенты необходимы не только для оценки стационарных аэродинамических сил и моментов, действующих на здание, но и для анализа возможности возникновения таких нестационарных явлений, как "галопирование", "дивергенция", "флаттер", "бафтинг" (см. 6-9).

4 Нагрузка от давления (разрежения), действующего на конструктивный элемент площадью S, определяется по формуле:

     Fp = w  S Cp,                                                  (4.1)

           m

     в которой Cр является суммой

     Сp = Ср1 + Ср2.                                                (4.2)

Безразмерный коэффициент Ср2 (максимальное значение коэффициента положительного давления на поверхность здания) принимается равным 1,0. Коэффициент Ср1 равен максимуму абсолютного значения коэффициента разрежения на поверхности здания и определяется в процессе испытаний модели в аэродинамической трубе при круговом изменении угла набегающего потока с шагом дельта а <= 10°.

При изготовлении модели ее поверхность должна быть дренирована в трех сечениях по высоте здания, соответствующих уровням z1 = 0,5 Н, z2 = 0,75 Н и z3 = 0,95 Н, а также в трех сечениях по крыше: одно - центральное, два - по контуру, на расстоянии 1,5-2,0 м (в масштабе натуры) от края крыши. В каждом сечении должно быть не менее 20 дренажных отверстий (точек замеров). При получении коэффициентов давления в аэродинамической трубе замеряемые величины давления должны быть отнесены к скоростному напору на уровне крыши модели, соответствующему высоте здания Н в натурных условиях.

Все элементы поверхности здания, включая крышу, должны быть испытаны как на избыточное давление, задаваемое формулами (4.1), (4.2), так и на ветровое воздействие противоположного направления, что исключает возникновение ошибки в опасную сторону, связанной с возможным наличием "аэродинамических проходов" внутри здания.

5 Для изучения резонансных явлений, связанных с периодическим срывом вихрей с поверхности здания при обтекании его воздушным потоком, необходимо определить частоту этих срывов. Частота срывов связана с безразмерным числом Струхаля Sh формулой

           ND

     Sh = ----,                                                     (5.1)

            V

где N - частота срыва вихрей, Гц;

D - характерный размер тела;

V - скорость набегающего воздушного потока.

Значение числа Струхаля определяется формой поперечного сечения тела, углом набегающего воздушного потока а и безразмерным числом Рейнольдса

           DV

     Re = ----,                                                     (5.2)

            v

где v - коэффициент кинематической вязкости воздуха.

Зависимость Sh = Sh(a) для конкретного объекта следует определять экспериментально на модели в аэродинамической трубе при числах Рейнольдса

      2    3

5 * 10 - 10 . Испытания  должны  проводиться  при круговом изменении угла

набегающего потока (от  0  до  360°)  с  интервалом дельта а = 30°. Частота

аэродинамической пульсирующей  силы  в  направлении,   перпендикулярном к

потоку, равна N, а вдоль потока  -  2N.  Сравнивая  полученные  из  опыта

частоты N = N(a) с собственной частотой колебаний  здания,  можно оценить

вероятность появления ветрового резонанса.

6 Под галопированием понимается такая разновидность динамической неустойчивости протяженного податливого объекта, при которой перемещения происходят в направлении, перпендикулярном к потоку, при частоте колебаний, намного меньшей частоты срыва вихрей.

     В процессе испытаний модели объекта в  аэродинамической  трубе  (при

различных значениях угла набегающего потока) экспериментально  выясняются

условия  возникновения  галопирования.  В  случае,   если   галопирование

оказывается   возможным,   результатом   испытаний   является    величина

критической   скорости,   при   которой   сооружение       входит в режим

галопирования. Режим  работы  сооружения  можно  считать   безопасным (по

условиям галопирования), если найденная  критическая  скорость  превышает

максимальную скорость ветра (в порывах при  трехсекундном   осреднении) в

уровне крыши здания, то есть значение v H по формуле (2.4).

                                       m

Особый вид галопирования - "галопирование в спутной струе" - может наблюдаться при обтекании воздушным потоком отдельных фрагментов здания.

7 Если протяженная обтекаемая конструкция имеет малую относительную толщину в направлении потока, то для некоторых форм поперечного сечения при ненулевом значении угла набегающего потока а возникает внешний (скручивающий) аэродинамический момент, который, в свою очередь, стремится увеличить значение угла а. По достижении определенной (критической) скорости воздушного потока происходит теоретически неограниченный рост угла а. На практике это означает, что при достаточно большом, но конечном значении а несущая способность конструкции (по условиям кручения) будет исчерпана.

Статическая потеря устойчивости (по крутильной форме) тонкостенной конструкции, обтекаемой воздушным потоком, носит название дивергенции.

В процессе испытаний модели конструкции в аэродинамической трубе определяется критическая скорость дивергенции здания в целом или отдельных его фрагментов.

     Режим  работы   конструкции   по   условиям     дивергенции является

безопасным, если критическая скорость дивергенции не  превышает  значения

v H по формуле (2.4).

 m

8 Флаттер - это такое проявление аэродинамической неустойчивости, при котором возмущенное движение представляет собой колебания со стремительно возрастающими амплитудами. При этом существенно, что свойства устойчивости зависят от скорости воздушного потока: система, устойчивая при малых скоростях, становится неустойчивой после того, как скорость ветра достигла некоторого критического значения.

Известен ряд разновидностей флаттера; некоторые из них следует рассматривать применительно к отдельным деталям высотных зданий.

Классический флаттер может проявляться в виде изгибно-крутильных колебаний, амплитуда которых при приближении скорости потока к критическому значению неограниченно растет.

Срывной флаттер связан с явлением срыва вихрей (см. 5): если в потоке воздуха находится плохо обтекаемое препятствие, то за ним образуется вихревой след ("дорожка Кармана"); в момент срыва вихрей с поверхности тела на само это тело действует периодическая сила, перпендикулярная к потоку и вызывающая, при определенной скорости потока, значительные резонансные колебания.

Особо следует отметить возможность возникновения панельного флаттера - интенсивных колебаний больших фрагментов плоских поверхностей (застекленные участки стен, металлические и синтетические покрытия крыш зданий).

Для установления критической скорости воздушного потока, при которой возникает тот или иной вид флаттера, следует выполнять продувку в аэродинамической трубе моделей соответствующих деталей здания. В частности, при исследовании панельного флаттера необходимо моделировать натурные варианты крепления листов покрытия по его контуру.

     Безопасная (по условиям аэродинамической устойчивости) работа здания

будет гарантирована, если полученная при испытаниях критическая  скорость

флаттера превышает значение v H по формуле (2.4).

                             m

9 Под бафтингом понимают нестационарные нагрузки на здание, связанные с пульсациями набегающего потока. Эти пульсации могут быть вызваны атмосферной турбулентностью или переменными скоростями в следе расположенного выше по потоку здания ("бафтинг в спутной струе"). Особо опасным является бафтинг, возникающий при обтекании примерно одинаковых здании в спутной струе себе подобных.

Наиболее достоверный способ оценки частоты и амплитуды возникающих при бафтинге сил - это проведение модельных испытаний в аэродинамической трубе с последующим пересчетом результатов на натурные условия.

10 На зданиях располагаются детали, обтекание которых следует рассматривать как самостоятельную задачу. К таким деталям относятся: на крышах - шпили, башни, фигурные ограждения, ограждения вентиляционных устройств; на стенах зданий - балконы, открытые лоджии, резкие (угловые) изгибы контура здания. Все эти детали необходимо рассчитывать на средние ветровые нагрузки при максимальной местной скорости воздушного потока (величины скоростей и аэродинамические коэффициенты устанавливаются по результатам модельных испытаний в аэродинамической трубе), а также проверять на возможность возникновения нестационарных явлений (см. пп. 5-9).

11 Требования, относящиеся к обеспечению комфортных условий эксплуатации здания:

- ограничение максимального линейного ускорения верхнего этажа здания;

- ограничение максимальной скорости ветра на подходах к зданию в зоне перемещения людей.

Линейное ускорение верхнего этажа здания определяется в результате динамического расчета конечноэлементной модели здания на действие нагрузок, выявленных в процессе исследований по пп. 5-9.

     Здание удовлетворяет  требованиям  комфортности,  если  максимальное

значение ускорения а    в уровне крыши здания  не  превышает 0,08 м/с2. В

                    max

противном случае необходимо  осуществлять  конструктивные   мероприятия с

целью снижения а   .

                max

Определение направлений и скоростей воздушного потока в пешеходных зонах производится в аэродинамической трубе на модели здания с учетом окружающей застройки. Пешеходная зона удовлетворяет условиям комфортности, если при 10-минутном интервале осреднения скорость воздушного потока на высоте пешехода не будет превосходить 15 м/с. Если в каком-либо диапазоне углов набегающего потока скорость на высоте пешехода при 10-минутном осреднении превышает 15 м/с, то в пешеходной зоне должны устанавливаться специальные защитные устройства, уменьшающие скорость движения воздуха.

Предельно допустимое значение 15 м/с для скорости на высоте пешехода при 10-минутном осреднении установлены с учетом, что в порывах скорость может превосходить граничное (вызывающее лискомфорт) значение 20 м/с.