CC BY
13УДК 624.042.41(476)
ОПЫТ НОРМИРОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ: ПРЕДЫСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
канд. техн. наук, доц. В.В. НАДОЛЬСКИЙ; канд. техн. наук, проф. Ю.С. МАРТЫНОВ; А.В. ОСИПЧИК (Белорусский национальный технический университет, Минск)
Выполнен обзор и анализ исторического развития базовых положений нормирования ветровых нагрузок, начиная с первого издания СНиП (глава 11-Б.1 СНиП издания 1954 г.) и заканчивая настоящим периодом (СНиП 2.01-07-85*, изменение № 1). Рассмотрены теоретические положения ТКП EN 1991-1-4. На основе собранной авторами информации сопоставлены значения ветровых нагрузок согласно СНиП и ТКП EN. Сделан вывод, что ветровая нагрузка, определенная согласно СНиП, даже с учетом пульса-ционной составляющей, не достигает значений, установленных в ТКП EN. При сопоставлении не принимались во внимание геометрические параметры зданий и аэродинамические коэффициенты, что позволило упростить задачу. Для более точного сопоставления необходимо выполнить анализ ветровых нагрузок для реальных объектов с учетом всех факторов, влияющих на ветровую нагрузку.
Ключевые слова: ветровая нагрузка, аэродинамические коэффициенты.
Введение. Создание системы частных коэффициентов в 1940-х годах послужило предпосылкой к разработке и развитию метода расчета строительных конструкций по предельным состояниям [1]. В то время еще не существовало единого нормативного документа, который бы комплексно регламентировал основные параметры, характеризирующие все нагрузки и воздействия. Основными нормативными документами, описывающими эффекты воздействий, были ГОСТ 1645-42 «Расчет строительных конструкций. Нагрузка полезная», ОСТ 90058 «Нагрузка снеговая» и ГОСТ 1664-42 «Расчет строительных конструкций. Нагрузка ветровая».
С 1 января 1955 года вводится в действие первое издание СНиП, в составе которого появляется глава II «Нормы строительного проектирования», в ней - часть Б (глава II-B.1 СНиП издания 1954 г.), в которой приводятся основные положения проектирования. В августе 1962 года на смену изданию 1954 года приходит глава СНиП II-А. 11 -62 «Нагрузки и воздействия». Далее, в феврале 1974 года, с утверждением главы СНиП II-6-74 «Нагрузки и воздействия» утрачивает силу глава СНиП II-А. 11 -62. До введения очередного СНиП 2.01-07-85* «Нагрузки и воздействия» в январе 1987 года предыдущее издание [2] претерпело многочисленные дополнения и изменения (дополнения и изменения от 25 декабря 1980 г. № 206 и от 14 октября 1981 г.). Версия СНиП 2.01-07-85* «Нагрузки и воздействия» уже в Беларуси претерпела одно изменение в июле 2004 года. От издания к изданию нормативные документы уточнялись и дополнялись с учетом актуальных вызовов своего времени и опыта проектирования.
В 2010 году в Республике Беларусь на альтернативной основе вводится Европейская система проектирования, изготовления и монтажа - Еврокоды. Таким образом, на рассматриваемом промежутке времени произошли изменения не только в связи с дополнением и уточнением изначально существующего подхода к определению нагрузок (СНиП), но и переходом к иной, отличающейся теоретическими положениями системе (Еврокод). Определение ветровых воздействий производят в соответствии с ТКП EN 1991-1-4 «Воздействие на конструкции. Часть 1-4. Общие воздействия. Ветровые воздействия» [3]. Насколько глобальными в конечном итоге оказались различия при определении ветровой нагрузки согласно СНиП и Еврокоду, рассмотрим в данной работе.
Ветровая нагрузка на сооружение представляет собой совокупность нормального давления, приложенного к его поверхности или элемента; сил трения, направленных по касательной к внешней поверхности и отнесенных к площади ее горизонтальной или вертикальной проекции; нормального давления, приложенного к внутренним поверхностям зданий с проницаемыми ограждениями, открывающимися или постоянно открытыми проемами.
В силу сложности модели ветрового воздействия и различных теоретических положений, принятых в СниП и Еврокоде, сравнение ветровой нагрузки представляет собой сложную задачу. В данной работе в общем виде представлены положения определения ветрового воздействия в рамках системы СниП и Еврокод. Акцент сделан на сравнительный обзор базовых величин (скорости и давления ветра).
Определение ветровой нагрузки согласно СНиП
В соответствии со СНиП 2.01.07-85* [4] ветровая нагрузка определяется как сумма средней и пульсационной составляющих. Нормативное значение ветрового давления w0 следует принимать в зависимости от ветрового района по данным [4, таблица 5].
Для горных и малоизученных районов нормативное значение ветрового давления допускается определять по формуле:
V = 0,61-у02, (1)
где у0- скорость ветра на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А, соответствующая 10-минутному интервалу осреднения и превышаемая в среднем раз в 5 лет.
Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки Vт на высоте г над поверхностью земли согласно [4, п. 6.3] определяют по формуле:
= V) - к - С, (2)
где к - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте и определяемый согласно [4 п. 6.5]; с - аэродинамический коэффициент, определяемый в соответствии с пунктом 6.6 в [4].
Коэффициент к, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, определяется согласно [4, таблица 6] в зависимости от типа местности. Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30Н при высоте сооружения И до 60 м и 2 км - при большей высоте.
Значения аэродинамических коэффициентов и схемы приложения ветровых воздействий в зависимости от геометрических характеристик сооружения приведены в [4, приложение 4].
Значения пульсационной составляющей ветровой нагрузки определяются в зависимости от конструктивных и динамических характеристик рассчитываемого здания или сооружения. При расчете многоэтажных зданий высотой до 40 м и одноэтажных производственных зданий высотой до 36 м при отношении высоты к пролету менее 1,5, и размещаемых в типах местности А и В, т.е. для достаточно жестких зданий и сооружений, пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается не учитывать. Для указанных зданий и сооружений при сочетании ветровой нагрузки с другими кратковременными нагрузками и учете вероятности одновременного возникновения расчетных значений пульсации скоростного напора по поверхности сооружения (пространственной корреляции) вклад динамической составляющей ветровой нагрузки мал по сравнению с суммарной расчетной нагрузкой на сооружение. Для сооружений, имеющих густой спектр собственных частот колебаний, должны учитываться как вклады самих собственных форм колебаний, так и вклады взаимных корреляций между формами.
Согласно главе 11-Б.1 СНиП издания 1954 года [5] вся территория современной Беларуси входила в 1-й географический район и характеризировалась скоростным напором ветра 30 кг/м2 на высоте до 10 м (таблица 1).
Таблица 1. - Скоростные напоры ветра на высоте до 10 м над поверхностью земли
Год СНиП Районы Нормативный скоростной напор ветра в кгс/м2
1954 СНиП П-Б.1 I 30
1962 СНиП П-А.11-62 I 27
II 35
1974 СНиП П-6-74 I 27
1985 СНиП 2.01-07-85 ^ 17
I 23
В главе СНиП 11-А. 11 -62 [6] произошли изменения в представлении ветровой нагрузки, а именно введено районирование территории по скоростным напорам ветра. Территория Республики Беларусь представлена I и II районами соответственно со следующими значениями скоростных напоров ветра 27 и 35 кг/м2 на высоте до 10 м. В пришедшей на смену главе СНиП 11-6-74 [7] было пересмотрено районирование территорий по скоростным напорам ветра, и территория Беларуси полностью оказалась в I районе, которому соответствовало значение скоростного напора ветра 27 кг/м2 на высоте до 10 м.
В СНиП 2.01-07-85* [4] снова были пересмотрены ветровые районы и Беларусь вошла в районы !а и I соответственно со значениями скоростных напоров ветра 17 и 23 кг/м2 на высоте до 10 м (рисунок 1).
В силу особенностей распределения ветровой нагрузки в зависимости от высоты приложения и типа местности необходимо обратить внимание на коэффициенты, учитывающие изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности. В частности, в первой редакции СНиП [5] эти коэффициенты четко не оговаривались, учтывались интегрально в ветровых напорах для высот до 10, 20 и 100 м. На основании этих значений авторами вычислен поправочный коэффициент (таблица 2).
Рисунок 1. - Районирование территории Республики Беларусь по скоростным напорам ветра согласно [5]
Таблица 2. - Поправочные коэффициенты, учитывающие изменение скоростного напора ветра для высот более 10 м согласно СНиП 11-Б.1
Высота над поверхностью земли, м до 10 20 100
Поправочный коэффициент 1,0 1,33 3,33
В главе СНиП 11-А. 11 -62 [6] введена дифференциация величины значения скоростного напора ветра посредством поправочных коэффициентов на изменение скоростных напоров ветра для высот более 10 м.
Таблица 3. - Поправочные коэффициенты на возрастание скоростных напоров ветра для высот более 10 м согласно СНиП 11-А. 11 -62
Высота над поверхностью земли, м до 10 20 40 100 350 и выше
Поправочный коэффициент 1,0 1,35 1,8 2,2 3,0
Для промежуточных высот значение поправочных коэффициентов определяется линейной интерполяцией. Для каждой зоны высотой не более 10 м поправочный коэффициент допускалось принимать постоянным и равным значению в средней точке зоны.
В последующей редакции СНиП 11-6-74 [7] была введена дифференциация коэффициентов в зависимости от типа местности (таблица 4).
Таблица 4. - Коэффициенты, учитывающие изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности согласно СНиП 11-6-74
Высота над поверхностью земли, м Коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности
А Б
10 1 0,65
20 1,25 0,9
40 1,55 1,2
60 1,75 1,45
100 2,1 1,8
200 2,6 2,45
350 и выше 3,1 3,1
Примечания: 1. К типу А относятся открытые местности (степи, лесостепи, пустыни, открытые побережья морей, озер, водохранилищ). 2. К типу Б относятся города с окраинами, лесные массивы и тому подобные местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м.
В главе СНиП 11-6-74 в части дополнения и изменения от 25 декабря 1980 г. № 206 [2] установлены три типа местности вместо двух и пересмотрена таблица коэффициентов, учитывающих изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности, и интерпретация типов местностей (см. таблицу 5). В СНиП 2.01-07-85* [4] в очередной раз была пересмотрена таблица коэффициентов,
учитывающих изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности, и интерпретация типов местностей (таблица 6).
Таблица 5. - Коэффициенты, учитывающие изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности согласно СНиП 11-6-74 (изм. от 25 декабря 1980 г. № 206)
Высота над поверхностью земли, м Коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности
А Б В
10 1 0,65 0,3
20 1,25 0,9 0,5
30 1,40 1,05 0,63
40 1,55 1,2 0,75
50 1,65 1,33 0,87
60 1,75 1,45 1
70 1,85 1,55 1,1
80 1,95 1,65 1,2
100 2,1 1,8 1,4
200 2,6 2,45 2,2
350 и выше 3,1 3,1 3,1
Примечания: 1. К типу А относятся открытые местности (степи, лесостепи, пустыни, открытые побережья морей, озер, водохранилищ). 2. К типу Б относятся территории малых и средних городов, территории больших, крупных и крупнейших городов, застроенные зданиями высотой до 20 м, леса. 3. К типу В относятся территории больших, крупных и крупнейших городов, застроенные зданиями высотой свыше 20 м. Для зданий высотой до 40 м, расположенных в местности типа В и рассчитываемых только на статическую составляющую ветровой нагрузки, значения коэффициента, учитывающего изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности, следует умножать на дополнительные коэффициенты 1,7 (при высоте зданий до 20 м) и 1,6 (при высоте свыше 20 м).
Таблица 6. - Коэффициенты, учитывающие изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности
Высота над поверхностью земли, м Коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности
А В С
< 5 0,75 0,5 0,4
10 1,0 0,65 0,4
20 1,25 0,85 0,55
40 1,5 1,1 0,8
60 1,7 1,3 1,0
80 1,85 1,45 1,15
100 2,0 1,6 1,25
150 2,25 1,9 1,55
200 2,45 2,1 1,8
250 2,65 2,3 2,0
300 2,75 2,5 2,2
350 2,75 2,75 2,35
> 450 2,75 2,75 2,75
Примечание: А - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра. В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м. С - городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.
Принцип определения нормативного значения ветрового давления на основе метеорологических наблюдений также претерпел изменения (таблица 7). Значения частных коэффициентов надежности по ветровой нагрузке пересматривались в сторону увеличения, а в СНиП 11-А.11-62 [6] и СНиП 11-6-74 [8] была предусмотрена дифференциация коэффициента в зависимости от типа сооружения (таблица 8).
Таблица 7. - Принцип определения нормативного значения ветрового давления
Издание нормативного документа «Нагрузки и воздействия» Принцип определения нормативного значения ветрового давления
Глава 11-Б.1 СНиП издания 1954 г. Нормативное значение ветрового давления, соответствующее наибольшей скорости ветра, принимаемой по данным метеорологических наблюдений
Глава СНиП 11-А.11-62 Нормативное значение ветрового давления, превышаемое в среднем раз в 5 лет для длительного интервала наблюдений
Глава СНиП 11-6-74 Нормативное значение ветрового давления на уровне 10 м над поверхностью земли при двухминутном интервале осреднения и превышаемое в среднем раз в 5 лет
СНиП 2.01-07-85 Нормативное значение ветрового давления на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А, соответствующее 10-минутному интервалу осреднения и превышаемое в среднем раз в 5 лет
Таблица 8. - Значения частных коэффициентов надежности по ветровой нагрузке
Издание нормативного документа «Нагрузки и воздействия» Значение частного коэффициента для жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий и сооружений Значение частного коэффициента для высоких сооружений, при расчете которых ветровая нагрузка имеет решающее значение (башни, градирни и т.п. сооружения)
Глава 11-Б.1 СНиП издания 1954 г. 1,2 1,2
Глава СНиП 11-А.11-62 1,2 1,3
Глава СНиП 11-6-74 1,2 1,3
СНиП 2.01-07-85 1,4 1,4
Методика составления сочетаний нагрузок в СНиП 2.01-07-85* [5] описана пунктами 1.10- 1.13 в [5], которые можно представить в виде следующих выражений:
Ео, -у,+а -у,; (3)
^ Е с! ■у,+Е б'-у,-У1- (4)
Символы G, Q обозначают нормативные значения постоянной и переменной нагрузок назначенные согласно [4]. Менее благоприятное усилие из (3) и (4) принимается для дальнейших расчётов.
В самой первой редакции СНиП (глава II-B.1 СНиП издания 1954 г.) ветровая нагрузка не рассматривалась в сочетании с постоянными нагрузками при отсутствии других переменных нагрузок. В последующих редакциях СНиП значение коэффициента сочетаний при учете одной временной нагрузки принималось равным 1,0, а в сочетании двух и более временных нагрузок - 0,9.
Определение ветровой нагрузки согласно ТКП EN
Первый шаг в определении ветрового воздействия - вычисление базового значение скорости ветра vb согласно пункту 4.2 в [2]:
Vb = cdir ' cseason ' Vb,0, (5)
где vb,0 - основное значение базовой скорости ветра, равное характеристическому значению средней
скорости ветра на уровне 10 м над поверхностью земли для открытого типа местности с низкой растительностью и изолированными отдельно стоящими преградами, расстояние между которыми составляет как минимум 20-кратное значение их высот, соответствующее 10-минутному интервалу осреднения независимо от времени года и направления ветра; cdir - коэффициент, учитывающий направление ветра; cseason - сезонный коэффициент.
Основные значения базовой скорости ветра для территории Республики Беларусь представлены на карте ветровых районов в национальном приложении НП.2.2 [3]. Согласно этой карте на территории Беларуси доминируют два ветровых района с основными значениями базовой скорости ветра 21 м/с и 23 м/с (рисунок 2).
Базовое значение скорости ветра назначено исходя из условия, что вероятность превышения составляет 0,02 для периода повторяемости 1 год, что соответствует среднему периоду повторяемости 50 лет.
Средняя скорость vm (z) зависит от шероховатости местности, орографии и базового значения скорости ветра vb :
Vm (z) = Cr (z)- c0(z)- vb. (6)
В формуле (6) уЬ0сг (2) - коэффициент, учитывающий тип местности в соответствии с пунктом 4.3.2 в [8]; с0(2)- орографический коэффициент, принимаемый согласно [3, пункт 4.3.3].
Рисунок 2. - Карта ветровых районов и соответствующие им основные значения базовой скорости ветра
В [3] принято пять типов местности: 0, I, II, III, IV, с соответствующими параметрами шероховатости. Сооружение принадлежит к определенному типу местности, если расстояние с наветренной стороны с постоянной шероховатостью местности имеет величину, достаточную для образования стабильного профиля скорости ветра.
Коэффициент сг (2) фактически учитывает изменчивость средней скорости ветра Ут (2) в месте расположения сооружения в зависимости от таких параметров, как: высота над уровнем земли; шероховатость местности с наветренной стороны сооружения для рассматриваемого направления ветра.
Таким образом, коэффициент сг (2) равен
(
Сг (2) = кг • 1п
— I для 2 ■ < 2 < 2 ; (7)
^ шт шах > V ^
Сг (2) = Сг (2тт ) для 2 £ 2тт- (8)
Здесь 20- параметр шероховатости согласно [3, таблица 4.1]; кг- коэффициент местности, зависящий от параметра шероховатости 20, который можно определить по следующей формуле:
(
к = 0,19 •
V 2°.Р У
(9)
где 20Р - 20,п 0,05 м (тип местности II, [3, таблица 4.1]); 2тп - минимальная высота [3, таблица 4.1], 2 составляет 200 м.
шах
V 20
0.07
Л
20
Орографический коэффициент c0(z) применяется в случаях, когда орография (горы, утесы и т.п.) повышает скорость ветра более чем на 5%. Рекомендуемый метод определения значения орографического коэффициента c0(z) указан в [3, приложение А.3]. Однако влиянием орографии можно пренебречь,
если средний уклон местности с наветренной стороны менее 3°. Величина учитываемого расстояния с наветренной стороны должна превышать 10-кратное значение высоты выступающего орографического элемента.
Согласно пункту 4.3.4 в [3] влияние более высоких близлежащих зданий на определение ветровых воздействий требуется учитывать, если рассчитываемое сооружение тесно примыкает к другому сооружению, высота которого не менее, чем в 2 раза, превышает высоту близлежащей застройки. Метод учета близлежащей застройки представлен в приложении А.4 в [3].
После определения средней скорости ветра vm (z) вычисляется интенсивность турбулентности согласно пункту 4.4 в [3]:
к.
l (z) =-'- для z. < z < z ; (10)
, , , , I , ^ min max > VA4-V
C0(z)-ln(z/z0)
lv (z) = h (zmin) для z < zmin, (11)
где ki - коэффициент турбулентности. Значение коэффициента турбулентности указано в национальном
приложении Н.П.2.14 [3], принимается 1,0.
Пиковое значение скоростного напора, включающее средние и кратковременные изменения (колебания) скорости, определяется согласно пункту 4.5 в [3] по формуле:
qp (z) = [1 + 7-lv (z)]-2 р-v2(z), (12)
где r - плотность воздуха, которая зависит от высоты над уровнем моря, температуры и барометрического давления. Величина плотности воздуха р указана в национальном приложении Н.П.2.16 [3] и применяется без изменения р = 1,25 кг/м3.
Расчет ветрового давления на поверхности осуществляется в соответствии с пунктом 5.2 в [3].
В EN 1990 [8] для сочетания нагрузок предложена схема сочетания с использованием двух выражений (6.10a) и (6.10b), переписав данные выражения для принятых условий, получим следующие формулы:
Е G -ъ+Е a -ъ (13)
->1 ->1
ЕG-S-Y'+Qrъ + Е Qj-gj- Vq,1- (14)
->1 j >1, - ф j
Менее благоприятное усилие из (13) и (14) принимается для дальнейших расчётов. В формулах (13) и (14) Gk, Qk - характеристические значения постоянной и переменной нагрузок; yG и £ - коэффициенты, равные 1,35 и 0,85 соответственно; Yq - частный коэффициент для ветрового воздействия, составляющий 1,5; у0 - коэффициент сочетаний для ветровой нагрузки, равный 0,6.
Анализ значений коэффициента, учитывающего изменение средней скорости ветра от высоты и типа местности
На основе предположения, что типы местности A, B, C [9] соответствуют типам местности II, III, IV [3], вычислим значения коэффициента, учитывающего изменение средней скорости ветра в зависимости от высоты и типа местности для [3], результаты представим в виде графика (рисунок 3).
Из графика следует, что кривые зависимости коэффициента, учитывающего изменение средней скорости ветра исходя из высоты и типа местности, существенно различаются. При этом значения коэффициентов, вычисленных согласно СНиП, а также их зависимость от высоты намного значительнее по сравнению с аналогичными, вычисленными согласно Еврокоду. Отметим, что в процессе исторического развития СНиПов имела место тенденция к уменьшению значений рассматриваемого коэффициента.
Анализ значений ветровой нагрузки, определенной согласно СНиП и Еврокоду
Для сравнения значений ветровой нагрузки приняты следующие начальные условия и допущения:
- ветровой район I (характерен для большей части территории Республики Беларусь) при определении ветровой нагрузки согласно СНиП [9];
- ветровые районы с базовыми скоростями ветра 21 и 23 м/с согласно ТКП EN [3];
- ветровые нагрузки определены для высоты 10 м над уровнем поверхности земли;
- сравнения выполнены без учета аэродинамических коэффициентов;
- предполагается, что типы местности A, B, C [9] соответствуют типам местности II, III, IV [3].
Ь, (м) 200
II ! III * IX /А/ В/ С/ / / / 1 / ''
? У / г/ / Р / /
/ /7 / / /
; // 1 / / /
Т 1 1 1 / ^ / /
7 1 1 / Ь* / / < * /У; / / / *
1 / ■У * *
.-У Щ — -г** \ г: VI / с'
-III —IV --»--А
Рисунок 3. - Коэффициент, учитывающий изменение средней скорости ветра в зависимости от высоты и типа местности
В СНиП нормируется давление ветра, а не скорость, как это предусмотрено в Еврокоде, поэтому значение скорости ветра на уровне 10 м над поверхностью земли пересчитано посредством формулы (1). При нормативном значении ветрового давления 0,23 кПа базовая скорость ветра составляет 19,42 м/с.
Приведем в соответствие ветровой нагрузке, определенной согласно СНиП с учетом пульсацион-ной составляющей, пиковое значение скоростного напора, включающее средние и кратковременные изменения (колебания) скорости, и сведем результаты в таблицу 9. Пульсационная составляющая определена согласно [9, пункт 6.7а] без учета коэффициента пространственной корреляции пульсации давления ветра, так как согласно этому пункту ветровое давление определяется без учета сил инерции, что соответствует пиковому значению скоростного напора.
Ввиду принятых начальных условий и допущений пульсационная составляющая определена следующим образом:
(15)
Значения базовой скорости ветра согласно [3] были получены для значений сЛг = 1 (максимальное значение) и сЛг = 0,71 (минимальное значение).
Таблица 9. - Сравнение значений ветровых нагрузок
Типы местности СНиП [9] ТКП БЫ 1991-1-4 [3]
Основное значение базовой скорости ветра, м/с
19,42 21 23
Базовое значение скорости ветра, м/с
19,42 21 14,91 23 16,33
Средняя скорость ветра для типов местности по СНиП и Еврокод, м/с
А/11 19,42 21,14 15,01 23,15 16,44
В/Ш 15,66 15,86 11,26 17,37 12,33
С/!У 12,28 11,33 8,04 12,41 8,81
Ветровое давление, учитывающее среднюю и пульсационную составляющую, согласно СНиП [9] и пиковое значение скоростного напора согласно [3], кПа
А/11 0,40 0,65 0,33 0,78 0,39
В/Ш 0,31 0,47 0,24 0,57 0,29
С/ТУ 0,25 0,32 0,16 0,39 0,20
Значение ветрового давления, определенное согласно СНиП [9] с учетом пульсационной составляющей, находится в границах пиковых значений скоростных напоров, определенных согласно ТКП БЫ [3]:
при основном значении базовой скорости ветра 21 м/с значение ветрового давления находится в середине интервала распределения значений, а при основном значении базовой скорости ветра 23 м/с оно стремится к минимальному значению интервала распределения значений для районов II, III, IV.
Заключение. Параметры ветровой нагрузки претерпели значительные изменения с момента введения первой редакции СНиП [5]. Можно отметить следующие основные изменения: а) снижение значения нормативного скоростного напора (от 30 до 23 кг/м2); б) введение новых ветровых районов и корректировка их границ; в) учет изменчивости скоростного напора ветра в зависимости от высоты и типа местности; г) снижение значений коэффициентов учета скоростного напора в зависимости от высоты и типа местности; д) изменение интерпретации (определения) типов местности; е) увеличение значения частного коэффициента надежности по ветровой нагрузки (от 1,2 до 1,4) и исключение дифференциации значений частных коэффициентов для различных типов сооружений.
Анализируя последнюю редакцию СНиП 2.01.07-85* с изм. 1 [9] и ТКП EN 1991-1-4 [3], можно отметить существенные различия в моделях ветрового воздействия. Они касаются: а) определения и значений базовой скорости ветра; б) частных коэффициентов; в) коэффициентов сочетаний; г) коэффициентов, учитывающих изменение средней скорости ветра в зависимости от высоты и типа местности; д) учета внутреннего давления; е) схем распределения ветровой нагрузки по ограждающим конструкциям здания; ж) подходов к учету пульсационной и динамической составляющих ветровой нагрузки.
Следует отметить также, что согласно ТКП EN [3] пиковое значение скоростного напора всегда учитывает порывы ветра, в то время как в СНиП [4] при определенных условиях допускается вычислять ветровую нагрузку только от средней составляющей скорости ветра, что приводит к существенной разнице значений ветровой нагрузки.
Относительно принципа определения нормативного значения ветрового давления, то согласно СНиП 2.01-07-85* [4] за нормативное значение принимается ветровое давление на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А, соответствующее 10-минутному интервалу осреднения и превышаемое в среднем один раз в 5 лет. Согласно ТКП EN [3] нормирование основного значения базовой скорости ветра аналогично СНиП [4], за исключением лишь периода повторяемости - 50 лет для ТКП EN [3]. Это предполагает различные степени уровней обеспеченности значений ветровой нагрузки, по этой причине их прямое сравнение некорректно. Согласно австралийским [10; 11], канадским [12] и американским нормам [13] принцип определения значения ветрового давления идентичен принятому в СНиП [4], за исключением периода повторяемости и интервала осреднения. Согласно нормам [10-13] период повторяемости принят равным 50 лет, а период осреднения 3 секунды. Меньший период осреднения объясняется географическим расположением территорий, для которых характерны погодные условия с сильным порывистым ветром.
Ввиду широкого ряда отличий в моделях ветровой нагрузки, принятых в СНиП [4] и ТКП EN [3], их сравнение и анализ является достаточно сложной задачей. Со всеми принятыми в данной работе условностями и допущениями ветровая нагрузка, определенная согласно СНиП [4], при учете пульсаци-онной составляющей оказалась сопоставимой с нагрузкой, определенной согласно ТКП EN [3], только при минимальном значении коэффициента cdir.
Использование методики определения ветровой нагрузки согласно ТКП EN [3] приводит к повышению ветрового давления (напора) на 12... 37,5% по сравнению с вычисленным по методике СНиП [4]. Более объективное сопоставление необходимо производить на основе данных для реальных объектов проектирования для каждого типа местности с учетом аэродинамических коэффициентов. Подобное сравнение выполнено для железобетонных зданий [14].
Таким образом, существенное отличие в моделях и разбросе значений ветрового воздействия требует дальнейшего тщательного анализа этих моделей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям / В.А. Балдин, [и др.] ; под ред. В.М. Келдыша. - М. : Госстройиздат, 1951.
2. Дополнения и изменения № 206 (к СНиП II-6-74. Нагрузки и воздействия). - Введ. 25.12.1980. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1980.
3. Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1-4. Общие воздействия. Ветровые воздействия : ТКП EN 1991-1-4-2009. - Введ. 01.01.2010. - Минск : М-во архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2010. - 132 с.
4. Нагрузки и воздействия : СНиП 2.01.07-85. - Введ. 01.01.87. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 36 с.
5. Нормы строительного проектирования : СНиП II-B.1. - Введ. 01.01.1955. - М. : Гос. изд-во лит. по строительству и архитектуре, 1954.
6. Нагрузки и воздействия: СНиП II-A.II-62. - Введ. 01.01.1963. - М. : Гос. изд-во лит. по стр-ву, архитектуре и строительным материалам, 1962.
7. Нагрузки и воздействия: СНиП II-6-74. - Введ. 01.09.74. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1976.
8. Еврокод. Основы проектирования строительных конструкций: ТКП EN 1990-2011. - Введ. 01.07.2012. -Минск : М-во архитектуры и строительства Респ. Беларусь, 2011. - 96 с.
9. Изменение № 1 (к СНиП 2.01-07-85. Нагрузки и воздействия). - Введ. 01.07.2004. - Минск : М-во архитектуры и строительства Респ. Беларусь, 2005. - 5 с.
10. Structural design actions. - Part 0: General principles [By Authority of New Zealand Structure Verification Method B1/VM1]: AS/NZS 1170.0:2002 General principles : approved on behalf of the Council of Standards Australia on 29 March 2002 and on behalf of the Council of Standards New Zealand on 28 March 2002. -Standards Australia Limited/Standards New Zealand, 2002.
11. Structural design actions. - Part 2: Wind actions: AS/NZS 1170.2:2011 Wind actions : approved on behalf of the Council of Standards Australia on 23 November 2010 and on behalf of the Council of Standards New Zealand on 10 December 2010. - Standards Australia Limited/Standards New Zealand, 2011.
12. Limit States Design of Steel Structures: CAN/CSA-S16-01. - Ontario : Standards Council of Canada, 2001. - 162 p.
13. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures: ASCE/SEI 7-05. - Reston : American Society of Civil Engineers, 2006.
14. Тур, В.В. Сравнительный анализ моделей ветровых воздействий на здания и сооружения / В.В. Тур, А.В. Черноиван // Проблемы современного бетона и железобетона. - Вып. 4. - 2012.
Поступила 11.06.2019
PRACTICE OF A WIND LOAD STANDARDIZATION FOR THE TERRITORY OF THE REPUBLIC OF BELARUS: BACKGROUND AND CURRENT STATE
V. NADOLSKI, Yu. MARTYNOV, A. OSIPCHIK
This article provides an overview and analysis of the h'stor'cal development of the basic provisions of wind load rationing from the first edition of the SNiP (chapter II-B.1 of the SNiP of 1954) to the current period (SNiP 2.01-07-85 * change No. 1), also presented the theoretical provisions of the EN 1991-1-4. Based on the information collected, a comparison of wind loads determined according to SNiP and EN 1991-1-4 has been made. Wind load, determined according to SNiP, even if the pulsation component is taken into account, does not reach wind load values, determined according to EN 1991-1-4. When comparing, the geometrical parameters of buildings and aerodynamic coefficients were not taken into account, which allowed to simplify the task and reduce the complexity, however, for a more accurate and reliable comparison it is necessary to analyze wind loads with their account.
Keywords: wind load, aerodynamic coefficients.
