Динамический расчет зданий на ветровые нагрузки с учетом пульсационной составляющей Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRIORI. СЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»

№ 1. 2013

УДК 624.04

ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЗДАНИЙ НА ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ С УЧЕТОМ ПУЛЬСАЦИОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ Кравченко Галина Михайловна

канд. тех. наук Galina. 907@mail. ru

Труфанова Елена Васильевна

ассистент El. Trufanova@mail.ru

Долженко Андрей Вячеславович

студент

Cefei3@mail.ru

Ростовский государственный строительный университет, Ростов-на-Дону

Аннотация. В статье рассмотрен расчет каркаса здания по пространственной плитно-стержневой схеме с учетом ветровых воздействий методом конечных элементов (МКЭ). Получены горизонтальные перемещения узлов с учетом и без учета пульсационной составляющей ветровой нагрузки. По результатам расчета сделаны выводы и даны рекомендации по учету пульсационной составляющей ветровой нагрузки.

Ключевые слова: ветровая нагрузка; пульсационная составляющая; напряженно-деформированное состояние; расчет каркаса здания; метод конечных элементов; диафрагма жесткости.

DYNAMIC ANALYSIS OF BUILDINGS FOR WIND LOAD CONSIDERING PULSATION COMPONENT

Kravchenko Galina Mihailovna

Candidate of technical sciences

Trufanova Elena Vasilievna

assistant

Dolzhenko Andrey Viacheslavovich

student

Rostov State University of Civil Engineering Rostov-on-Don

Abstract. The article presents the calculation of a building’s structure with spatial slab-bar scheme considering wind effects using finite element method (FEM). There were determined horizontal relocations of the node points both with the account of pulsation component of wind load, and without it. Using the findings of the calculations the conclusions were drawn and the recommendations on taking into account the pulsation component of the wind load were made.

Key words: wind load, pulsation component, deflected mode, calculation of a building’s structure, finite element method, stiffening diaphragm.

В связи с переходом к актуализированным нормам и правилам, используемых при проектировании, изменился подход к учету ветровой нагрузки, действующей на здание или сооружение.

Ветровое давление является существенной динамической нагрузкой, так как при ее действии, в общем случае, может меняться величина нагрузки, место ее приложения и направление. При колебаниях в эле-

2

ментах сооружения возникают значительные силы инерции, которые влияют на напряженно-деформированное состояние сооружения.

Согласно [1] нормативное значение ветровой нагрузки w следует определять как сумму средней Шт и пульсационной Шрсоставляющих:

w = Шт + Шр

Значение средней составляющей ветровой нагрузки wm в зависимости от эквивалентной высоты ze над поверхностью земли следует определять по формуле:

Wm = Wo к^е)С,

где w0 - нормативное, значение ветрового давления;

к^е) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze;

с - аэродинамический коэффициент.

Значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки wp на эквивалентной высоте ze следует определять следующим образом:

1) для сооружений (и их конструктивных элементов), у которых первая частота собственных колебаний /1, Гц, больше предельного значения собственной частоты /1 - по формуле:

Wp = Wm ^е^

где wm - значение средней составляющей ветровой нагрузки;

С,^е) - коэффициент пульсации давления ветра;

v - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра.

2) для всех сооружений (и их конструктивных элементов), у которых /1 < / < /2, - по формуле:

Wp = WmXZ(Ze)V, где /2 - вторая собственная частота;

X - коэффициент динамичности.

Расчет пульсационной составляющей ветровой нагрузки состоит из двух этапов:

• определение частот и форм собственных колебаний сооружения;

• расчет пульсационной составляющей в зависимости от положения частот собственных форм колебаний здания в полученном спектре. Для примера с помощью программного комплекса 8ТАКК_Ев была

создана расчетная пространственная плитно-стержневая модель здания и выполнен динамический расчет, с учетом ветровой нагрузки, включая пульсационную составляющую, МКЭ.

Рисунок 1. Расчетная схема Расчетная схема железобетонного каркаса с параметрами: длина 48 м, ширина 18 м и высота 27 м, показана на (см. рис. 1). В расчетной схеме учтены постоянные нагрузки, включая собственный вес конструкций, длительные нагрузки и кратковременные: статическая составляющая ветровой нагрузки по оси У.

Ветровая нагрузка преобразована в виде сосредоточенных сил в узлах сопряжения колонн и плит перекрытий.

После выполнения расчета каркаса здания на статические нагрузки без учета пульсационной составляющей полученные перемещения узлов конечно-элементной модели в системе координат X; У; Ъ (см. рис. 2).

4

Максимальное горизонтальное перемещение по оси У в узле 6920 каркаса верхнего уровня составляет 28,0812 мм.

Рисунок 2. Горизонтальные перемещения узлов расчетной схемы от статической ветровой нагрузки

Для определения форм и частот собственных колебаний здания с учетом пульсационной составляющей ветровой нагрузки построена матрица масс, которая учитывает дополнительные нагрузки, преобразованные в сосредоточенные массы, расположенные в узлах конечно-элементной модели. Начальные формы и частоты собственных колебаний здания представлены на (см. рис. 3).

Рисунок 3. Формы колебаний: а) 1-я форма, б) 2-я форма, в) 3-я форма

Пульсационная составляющая ветровой нагрузки [2] при расчете раскладывается в ряд по собственным формам колебаний конструкции, и расчет ведется для каждого члена ряда отдельно. При этом считается,

что сооружение реагирует с каждой формой собственных колебаний на ветровую нагрузку. После расчета получены три дополнительных загру-жения, соответствующие числу учитываемых форм колебаний.

Анализируя вклад пульсации в напряженно-деформированное состояние здания, получили, что максимальное горизонтальное перемещение по оси У в узле 6920 каркаса верхнего уровня составляет 39,3235 мм. (см. рис. 4).

Рисунок 4. Горизонтальные перемещения узлов расчетной схемы от пульсационной составляющей ветровой нагрузки

Если при расчете многоэтажных зданий высотой до 40 м пульсаци-онную составляющую ветровой нагрузки допускалось не учитывать [2],то в актуализированной редакции СНиП «Нагрузки и воздействия» эти допущения отменены [1].

Из этого следует, что до введения актуализированных норм и правил, рассматриваемое здание можно было не рассчитывать на пульса-ционную составляющую ветровой нагрузки, так как полученные горизонтальные перемещения узлов каркаса не превышали установленных ограничений в нормах И / 500 = 27000 / 500 = 54 мм. [1].

Произведя расчет с учетом пульсации и просуммировав перемещения от статической и динамической нагрузок, получаем предельное перемещение равное 67 мм, что больше, чем И / 500. По полученным ре-

зультатам расчета видно, что горизонтальные перемещения от статических нагрузок меньше в 1,4 раза, чем горизонтальные перемещения от пульсации.

Из этого следует, что конструктивную схему здания необходимо изменить, увеличив жесткость каркаса, так как расчетная схема построена без диафрагм жесткости.

Список использованных источников

1. СП 20.13330.2011 .Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. Введ. 2011-05-20. М.: Изд-во стандартов, 2011.

2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. Введ.1987-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1987.