Методика определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки для высотных металлических конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

1/2П11 ВЕСТНИК

j/2012_мгсу

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИОННОИ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ ВЫСОТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

THE TECHNIQUE OF DEFINITION THE PULSATION COMPONENT OF THE WIND LOAD ON HIGH-RISE METAL

STRUCTURES

В.Л. Мондрус, А.И. Каракозова

V.L. Mondrus, A.I. Karakozova

ГОУ ВПО МГСУ

Статья посвящена методике уточнения существующих норм определения пулъсаци-онной составляющей ветровой нагрузки на высотные металлические конструкции.

The article presents a new technique of a precise definition of dynamic component in the current codes on the the wind load assessment.

Особый интерес для инженеров, проектировщиков, ученых в сфере строительства в последние десятилетия представляют высотные сооружения, конкретно - жилые и административные здания, зачастую уникальные, на которые затрачиваются большие силы и средства. Но немалую роль в инфраструктуре и экономике играют другие высотные сооружения - специального назначения, несущие антенны для обеспечения теле- и радиовещания, мобильной связи. Если на городских территориях антенны могут быть установлены все на тех же высотных зданиях (жилых и административных), то на незастроенных территориях, вдоль авто- и железных дорог, в зонах добычи полезных ископаемых, проведения научных исследований (например, на Северном полюсе) требуются специальные конструкции типа металлических башен и мачт. Имеется опыт строительства таких сооружений высотой до 500м.

Доминирующей для всех высотных сооружений, как известно, является ветровая нагрузка. Ветровое воздействие складывается из двух составляющих: средней (статической) и пульсационной (динамической). По части определения средней составляющей особенностью мачт и башен является их сквозность, прозрачность для ветрового потока, что уменьшает значение ветровой нагрузки по сравнению со сплошностенча-тыми и крупными в плане зданиями.

Значение пульсационной составляющей зависит, в том числе, от коэффициента динамичности, определяемого логарифмическим декрементом колебаний 5. Если у большинства зданий 8 > 0,15, то у гибких высотных металлических конструкций 8 < 0,1, т.е. степень конструкционного демпфирования низкая, конструкции больше подвержены влиянию порывов ветра и меньше ему сопротивляются.

Вследствие массовости и распространенности башенных и мачтовых конструкций возникает проблема создания типовых конструкций, недорогих в производстве и монтаже, но в то же время качественных, долговечных, иными словами, минимальной

массы при максимальной прочности. Это возможно лишь при условии тщательного определения действующей нагрузки, особенно ее пульсационной составляющей, имеющей случайный и, порой, разрушительный характер.

Пульсационная составляющая - воздействие порывов ветра вдоль направления ветрового потока - складывается из двух компонент. Первая, так называемая квазистатическая, обусловлена воздействием низкочастотных порывов ветра на частотах, близких к частоте максимума энергетического спектра турбулентных пульсаций скорости ветра, вторая, так называемая резонансная, обусловлена воздействием высокочастотных порывов ветра в области частот собственных колебаний сооружений. Рисунок 1. Распределение составляющих пульсаций ветра в зависимости от частоты

В существующих нормах расчета сооружений на ветровые воздействия представлена методика определения суммарного воздействия порывов ветра на сооружения (квазистатическое плюс резонансное). Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки для случай б) пункта 6.7 СНиП [5], равно:

= £су (1)

р

где Wm - средняя составляющая ветровой нагрузки, - коэффициент динамичности, и - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра, £ - коэффициент пульсаций давления ветра.

Коэффициент пульсаций давления ветра определяемый обычно по таблице 7 СНиП [5], находится по формуле

С = 2а 0 у,, (2)

где ас - коэффициент обеспеченности, у( - интенсивность турбулентности.

Интенсивность турбулентности определяется выражением

Г г г« (3)

=4 10)

где а - показатель степени в степенном законе изменения скорости ветра с высотой, зависящей от типа местности (А,В,С), т - высотная отметка, сту1- стандарт пульсаций скорости ветра:

| Бу1 (о>)сСю

(4)

(ю) - энергетический спектр продольной пульсации скорости ветра, ю - часто-

В настоящее время в строительных нормах России и других стран широко используется эмпирический спектр турбулентных пульсаций скорости ветра Давенпорта (рисунок 1), полученный на основе анализа спектров при сильных ветрах.

Этот спектр имеет вид:

« ( л 2кУ>2 ю(1 + и2 )

где У0 - средняя скорость ветра на стандартной высоте установки анемометра, к0 - коэффициент лобового сопротивления подстилающей поверхности, и - приведенная частота,

и = тЬ / V (6)

где Ь = 1200 м - масштаб длины.

Тогда коэффициент пульсаций давления ветра находится по формуле:

=

1/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

»

--—^г <1а

1

—

(7)

Это выражение дает суммарное значение ^сумм по всему спектру турбулентных пульсаций скорости ветра. Соответственно, определяемая на основании ^сумм реакция сооружений на порывы ветра (перемещения, усилия, напряжения и др.), также является суммарной, то есть имеет место во всем частотном диапазоне спектра порывов ветра. Такая методика применима для зданий. Однако, для высотных металлоконструкций необходимо определение динамической реакции сооружений на порывы ветра раздельно в квазистатическом и резонансном диапазоне частот: при расчете сооружений на усталостную прочность и долговечность, при расчете сооружений, несущих остронаправленные антенны, по второму предельному состоянию, а также при расчете динамических гасителей колебаний, устанавливаемых на сооружениях, и т.д.

В указанных случаях необходимо использовать значения коэффициентов пульсаций давления ветра С,, определенных раздельно для квазистатического и резонансного диапазонов спектра турбулентных пульсаций скорости ветра, то есть С, КВст и С, рез.

С этой целью предлагается разделить интервал от 0 до ж на квазистатическую область (от 0 до 0,5ю0) и резонансную (от 0,5ю0 до да). Взяв интеграл (7) по двум этим областям, получим:

3к

1

, ю Ь

1 + |

V

(8)

С = 6

1

ю Ь

о

V

\2

г 10

(9)

где ю0- частота собственных колебаний сооружения;

Тогда пульсационная составляющая ветрового воздействия определится не по формуле (1), а выражением:

wP

W = К W \ С V ;

ркв. ст кв. ст т ^ кв. ст ~ кв. ст кв. ст '

W = к W с V

ррез рез т ^ рез ^ рез г

ррез рез т ^ рез ^ рез рез ?

В формуле (11) коэффициент динамичности ^квст = 1, а ^рез в (12):

а =-л

Т рез

(10) (11) (12)

8С

*

(13)

6

1

1

где 8 - декремент колебаний сооружения, с* - коэффициент, определяемый в зависимости от декремента колебаний.

Коэффициент корреляции укв ст =1 в (11), а урез в (12) определяется по номограмме на рисунке 2

Рисунок 2. Номограмма для определения коэффициента корреляции в резонансной области частот

в зависимости от величин к/с и кюд/Уь , где И - высота сооружения, с - характерный поперечный размер, V к - средняя скорость ветра на высоте И. На рисунке 2 кривые, обозначенные 0,5; 1; 2; 3, представляют собой отношение к/с.

Формулы (11) и (12) отличаются от формулы (1) только одним сомножителем: коэффициентом квазистационарности к^ст в (11) и резонансным коэффициентом крез в (12). Эти коэффициенты характеризуют вклад каждой из составляющих (квазистатической и резонансной) в значение динамической реакции сооружений на порывы ветра. Их вклад хорошо иллюстрирует рисунок 3, где представлены значения кквст и крез в зависимости от периода колебаний сооружения.

Рисунок 3. Вклад квазистатической и резонансной составляющих в пульсации

Подставив определенные выше постоянные, можем преобразовать формулы (11) и (12) к виду:

= к W -1-С -1 = к WC • (14)

ркв.ст кв.ст т ^кв.ст кв.ст т ^кв.ст ' V /

п 314

W = к W -с V = —-к WC V = 3,87к W с V ; (15)

ррез рез т ^ * Рез Рез 01 81 ^^ ^ Рез рез рез т ^рез рез ? V /

Определение реакции сооружений на порывы ветра раздельно в квазистатическом и резонансном диапазоне частот для высоких гибких конструкций позволяет:

- получать точное значение расчетных амплитуд колебаний, т.к. сооружения с малым демпфированием имеют весьма продолжительный переходный процесс.

- уменьшать амплитуды колебаний сооружений, несущих остронаправленные антенны, для каждой из составляющих, поскольку они имеют разный механизм компенсации.

- конструировать и устанавливать на сооружения динамические гасители колебаний (ДГК) для уменьшения амплитуд колебаний (ДГК уменьшают амплитуды колебаний сооружения только в резонансной области частот).

- снижать значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки на сооружение, т.к. результаты расчета по приведенной методике оказываются меньше значений, полученных по СНиП [5].

- уменьшать массу металлоконструкций (как следствие уменьшения нагрузки).

Литература

1. Остроумов Б.В., Гусев М.А. Предложения по уточнению методики динамического расчета высотных сооружений на воздействие порывов ветра. Строительная механика и расчет сооружения, №5, 2007.

2. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра/ ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1978.

3. Савицкий Г.А. Расчет антенных сооружений. (Физические основы). - М.: Связь, 1978.

4. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения/ под ред. Б.Е.Маслова. - М.: Стройиздат, 1984.

5. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия/ Госстрой России. - М.:ГУП ЦПП, 2003.

1/2П11 ВЕСТНИК

_угогт_мгсу

The literature

1. Ostroumov B.V., Gusev M.A. Offers on specification of a technique of dynamic calculation of high-rise constructions on influence of flaws. The building mechanics and construction calculation, №5, 2007.

2. A management by calculation of buildings and constructions on wind action/ CNIISK Ku-cherenko. M., Strojizdat, 1978.

3. Savickij G.A. Calculation of antenna constructions. (Physycal basis). M., Svjaz', 1978.

4. Simiu E., Skanlan R. Wind effect on structures/ edited by B.E.Maslova. M., Strojizdat,

1984.

5. SNIP 2.01.07-85*. Loadings and influences / Gosstroj of Russia. M.,GUP CPP, 2003.

Ключевые слова: ветровая нагрузка, высотные металлические конструкции, башни, средняя составляющая, пулъсационная составляющая, энергетический спектр порывов ветра, квазистатическая составляющая, резонансная составляющая.

Key words: wind load, high-rise metal structures, towers, static component, dynamic (pulsation) component, energy spectrum of wind impulse, quasistatic component, resonance component.

E-mail автора: [email protected]

Рецензент: Б.В.Остроумов, доктор технических наук, заслуженный строитель России, заведующий отделом высотных сооружений ЗАО ЦНИИСК им. Мельникова.