CC BY
21УДК 624.97:624.042:006(4+470)
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ БАШЕННЫЕ СООРУЖЕНИЯ СВЯЗИ ПО НОРМАТИВНЫМ ДОКУМЕНАМ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
И ЕВРОКОДАМ
Хайбулина Р.З., студент группы 15Стр(м)ТПЗС, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: rhaybulina@mail.ru
Научный руководитель: Никулина О.В., к.т.н., доцент кафедры строительных конструкций, Оренбургский государственный университет, Оренбург
Статья посвящена сравнению двух различных подходов определения ветровой нагрузки на стальную решетчатую башню из прокатных профилей по нормативным документам Российской Федерации и Еврокодам. Приведены методики расчета численных значений основных параметров ветровой нагрузки для региональных климатических условий. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов расчета.
Ключевые слова: башня связи, свод правил, Еврокод, ветровая нагрузка, средняя составляющая ветровой нагрузки, пульсационная составляющая ветровой нагрузки, расчетная схема, конструктивная схема, анализ результатов.
Проектирование и возведение металлических сооружений башен связи различного назначения является одним из самых востребованных направлений не только в России, но и по всему миру. Это связано с активным расширением систем телевещания, сотовой связи и интернета.
В настоящее время существуют различные подходы проектирования башен связи, опирающиеся на отечественные и зарубежные нормы. В Российской Федерации расчет выполняют по СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» [7] и СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» [6]. Наряду с указанными нормативными документами в соответствии с требованиями федерального закона РФ №183-ФЗ «О техническом регулировании» при проектировании объектов для международных компаний на альтернативной основе применяются Еврокоды. Основным документом для проектирования стальных конструкций по зарубежным нормам является Еврокод 3 «Стальные конструкции» [3]. Он дополнен несколькими частями, каждая из которых касается отдельных аспектов проектирования стальных конструкций. Так для проектирования башенных сооружений применяется Еврокод 1 «Воздействия на сооружения» [1] и Еврокод 3 «Проектирование стальных конструкций» [2].
Какой из указанных нормативных документов принять за основу для расчета металлических сооружений башен связи? Ответ на этот вопрос очень важен, поскольку от него зависит правильность оценки и анализа фактической работы конструкции.
В данной статье приведены методики определения ветровой нагрузки на башню связи по Еврокодам [1, 2] и СП [6]. В качестве примера рассмотрена решетчатая башня высотой 83,3 м, расположенная в г. Оренбурге (рисунок 1).
Рисунок 1 - Монтажная схема секций башни связи
Конструкция башни представляет собой пространственную четырехгранную ферму с поясами и решеткой из одиночных прокатных уголков с размерами поперечного сечения от 50^50 мм до 200^200 мм, приятыми в соответствии с ГОСТ 8509-93 [8]. Конструкция ствола башни состоит из 11 секций (рисунок 1). Верхние секции спроектированы в виде правильной призмы. Нижерасположенные секции имеют вид усеченной правильной четырёхгранной пирамиды. Геометрические размеры башни приведены на рисунке 1. Крутильную жесткость конструкции обеспечивают диафрагмы жесткости, расположенные в поперечных сечениях секций.
Сравнение нормативных документов осуществлялось в такой последовательности: вначале были получены численные значения основных параметров ветровой нагрузки по СП [6], затем произведен расчет по Еврокодам [1, 2].
В соответствии с СП [6] нормативное значение ветровой нагрузки w определяется по формуле:
™ = + ,
где wm - нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки, кПа;
wp - нормативное пульсационная составляющая ветровой нагрузки, кПа.
Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки wm в зависимости от эквивалентной высоты ze над поверхностью земли определятся по формуле:
wm = wo •к(ze) • С (2)
где ze - эквивалентная высота, для башенных сооружений ze = z, м;
wo - нормативное значение ветрового давления, кПа (для III ветрового района, в котором расположен г. Оренбург, w0 = 0,38 кПа);
k(ze) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze, определяемый по формуле:
к(ze) = кю •[^ j ;
а - коэффициент, зависящий от типа местности (для типа местности В принимаем равным 0,2 [6, с. 19]);
ki0 - коэффициент, зависящий от типа местности (для типа местности В принимаем равным 0,65 [6, с. 19]);
с - аэродинамический коэффициент, который для решетчатых башен и пространственных ферм определяется по формуле:
с = С = С-'(! + чУК
ki - коэффициент, зависящий от формы контура поперечного сечения и направления ветра (принимаем k1=1 [6, c. 67]);
П - коэффициент, зависящий от относительного расстояния между фермами b/h и коэффициента проницаемости ферм ф [6, с. 66];
cx - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления, определяемый по формуле:
с - = л
Г с,-л •
cxi - аэродинамический коэффициент i-го элемента конструкций [6, с. 64]; Ai - площадь проекции i-го элемента конструкции, м2; Ак - площадь, ограниченная контуром конструкции, м .
Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки wp на эквивалентной высоте ze определяется в зависимости от частоты собственных колебаний конструкции. Частота колебаний определена с помощью программного комплекса ЛИРА. Первая частота собственных колебаний f1 = 0,075 Гц, вторая f2 = 6,32 Гц. Предельное значение собственной частоты JL, для III ветрового района и в соответствии со значением логарифмического декремента ö = 0,15, принимается равной 3,8 Гц [6, с. 22]. Следовательно,
выполняется условие: f < fL < f2, и пульсационная составляющая ветровой нагрузки wp определяется по формуле:
w = w • t • Ci z ) • v,
p m ^ T>\ e/ ? ^^
где wm - средняя составляющая ветровой нагрузки, кПа; - коэффициент динамичности [6, с. 21]; Z(ze) - коэффициент пульсации давления ветра [6, с. 20];
v - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра [6, с. 22]. Результаты определения ветровой нагрузки по СП [6] сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Определение ветровой нагрузки на секции башни по СП [6]
№ Высотная о тметка, м ^о, кПа К2е) у Сг кПа \ С(^е) V ^р, кПа Суммарная ветровая нагрузка кПа
1 4,50 0,38 0,50 1,4 0,39 0,10 2,6 1,22 0,71 0,24 0,34
2 13,50 0,38 0,73 1,4 0,40 0,16 2,6 1,00 0,71 0,29 0,45
3 22,50 0,90 0,36 0,17 0,90 0,29 0,46
4 31,50 1,03 0,44 0,24 0,84 0,34 0,58
5 38,25 1,11 0,55 0,32 0,81 0,49 0,81
6 42,75 1,16 0,56 0,35 0,79 0,51 0,86
7 49,50 1,23 0,63 0,42 0,77 0,59 1,01
8 58,50 1,32 0,61 0,42 0,74 0,58 1,01
9 67,50 1,40 0,49 0,36 0,72 0,48 0,84
10 76,50 1,47 0,52 0,41 0,71 0,53 0,94
11 82,15 1,52 0,52 0,42 0,70 0,53 0,95
В Еврокоде [1] ветровое усилие действующее на конструкцию или
конструктивный элемент, определяется по формуле:
К = • С/ • Чр ) • Аге/ , (4)
где сс - конструкционный коэффициент;
су - аэродинамический коэффициент усилия для конструкции или конструктивного элемента;
Чр(^е) - пиковое значение скоростного напора ветра на базовой высоте ¿е, кН/м ; Агеу - базовая площадь конструкции или конструктивного элемента, м2.
Аэродинамический коэффициент усилия су^ для секции в направлении ветра определяется по формуле:
С/,, = Кв- С/,,,о> (5)
где Кв - коэффициент угла воздействия ветра; при оценке лобового сопротивления для угла воздействия т = 00 Кв = 1 [2, с. 90];
с-у^о - общий нормальный коэффициент лобового сопротивления секции j без
концевого эффекта, который определяется по формуле:
_ /
С/,,,о,] - С/,о,/ ' д ,
Ау - сумма площадей проекций стержней, проецируемых на рассматриваемую сторону, м2;
суду - коэффициент силы для секций, состоящих из элементов плоского сечения (прокатных уголков):
С/,о,/ - 1,76 ■ С1 ■ (1 - С2 + )
для конструкций секций квадратного сечения в плане: С] = 2,25 и С2 = 1, 5 [2, с. 90]. Пиковое значение скоростного напора на высоте 2 определяется по формуле:
q
р (ze) = [1 + 7-Iv (z)\ 1р-vm 2( z) = С (z) • qb,
2
(6)
где р - плотность воздуха, равная 1,25 кг/м ;
ce(z) - коэффициент экспозиции [1, c. 11];
— значение среднего (базового) скоростного напора, определяемое по формуле:
qb
1 2
•Р-
кН/м ;
vm - средняя скорость ветра, которая определяется из базового значения скорости
ветра vb.
Базовое значение скорости ветра:
Vb = Cdir • Cseson ' Vb,0, (7)
где cdir - коэффициент, учитывающий направление ветра (принимаем cdir = 1 [5, с. 8]); cseSon - сезонный коэффициент (принимаем cdir = 1 [5, с. 8]);
vb0 - основное значение базовой скорости ветра, м/с (для III ветрового района: vb0 = 24,7 м/с).
Средняя скорость ветра ут(£) на высоте 2 над уровнем земли определяется по формуле:
Vт (г) = сг (со(V,' (8)
со(£) - орографический коэффициент (принимаем со(£) = 1 [1, с. 8]); сг(г) - коэффициент, учитывающий тип местности, определяемый по формуле:
где
cr (z) = kr - In
f Л
z
V zo J
z0 - параметр шероховатости (для III типа местности z0 = 0,3 м [1, с. 9]) м; kr - коэффициент местности, зависящий от параметра шероховатости z0, и определяемый по следующей формуле:
f \0>01
k = 0,19-
V Zo,ß J
zoji = 0,05 м (тип местности III [1, c. 9]).
2
o
Конструкционный коэффициент cscd определяется по формуле:
CsCd =
1 + 2kpIv (zs )• VB 2 + R
(9)
1 + 7IX 2,)
где кр - пиковый коэффициент как отношение максимального значения пульсационной составляющей реакции сооружения к его стандартному отклонению;
¡V - интенсивность турбулентности, определяемая по формуле:
к,
IV (^) =-
co(z)-ln
V z o J
kj - коэффициент турбулентности (принимаем kj =1 [1, с. 10]);
В2 - фоновая составляющая реакции, учитывающая отсутствие полной корреляции давления на поверхность конструкции (принимаем В =1 [1, с. 72]);
2
R - резонансная составляющая реакции, учитывающая резонансные колебания с учетом формы колебаний вследствие турбулентности:
, ж2
к = м'Бь (2,«1х)'кн (Л")'Кь Ль),
SL - безразмерная функция спектральной плотности [1, с. 71]; 8- логарифмический декремент затухания, определяемый по формуле:
с/-Р'ь' ()
8 =
2 ' « ' те
me - эквивалентная масса (для консольных конструкций с неравномерным распределением определяется через среднее значение m, распределенное в верхней трети hз сооружения [1, с. 103]), кг;
п1 - собственная изгибная частота, определенная в программном комплексе ЛИРА,
Гц.
Функции аэродинамической проводимости Rh, Rb, определяются по формулам:
*н Лн) = - '(1" * ) Лн Л
*ь (Ль ) = - '(! " *_2Л )
Ль 2Лъ
С применением пь и пь по формулам:
4,6' Н г ( \
Лн =^Г^' /ь У2- «1,х I
(10) (11)
^ о ) 4,6' Ь
Ж)
Ль /ь «1,х )
- масштаб длины турбулентности [1, с. 71]; п1 - безразмерная частота [1, с. 71].
Результаты определения ветровой нагрузки по Еврокодам [1, 2] сведены в таблицу 2. Значения суммарной ветровой нагрузки получены в кПа путем деления значений ветрового усилия (Р^ ) на суммарную площадь элементов секции (А).
Таблица 2 - Определение ветровой нагрузки на секции башни по Еврокодам [1, 2]
№ Высотная отметка, м А, м2 с/ Чр (zo), кН/м2 СхОл У/ Р™, кН Суммарная ветровая нагрузка, кПа
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 4,50 10,85 3,17 0,050 1,44 1,4 3,43 0,32
2 13,50 9,56 3,14 0,072 4,37 0,46
3 22,50 8,06 3,11 0,086 4,33 0,54
4 31,50 6,95 3,02 0,095 4,03 0,58
5 38,25 3,45 2,81 0,103 2,01 0,58
6 42,75 2,95 2,76 0,107 1,75 0,59
7 49,50 6,22 2,58 0,111 3,57 0,57
8 58,50 5,82 2,65 0,114 3,54 0,61
1 2 3 4 5 6 7 8 9
9 67,50 4,32 2,93 0,118 3,01 0,70
10 76,50 4,72 2,85 0,124 3,36 0,71
11 82,15 1,22 2,84 0,126 0,88 0,72
Анализ результатов определения ветровой нагрузки на башню с приведенными конструктивными параметрами проводился путем сравнения изгибающих моментов в заделке консольно-защемленной стойки, загруженной сосредоточенными силами Б (рисунок 2). Жесткостные характеристики стойки принимались эквивалентными аналогичным характеристикам башенной конструкции.
а - по СП б - по Еврокодам
Рисунок 2 - Расчетная схема консольно-защемленной стойки
Максимальный изгибающий момент в заделке консольно-защемленной стойки эквивалентной жесткости от расчетной ветровой нагрузки, определенной по СП [6], составляет Му=1846 кН-м. Аналогичное усилие от расчетной ветровой нагрузки, определенной по Еврокодам [1, 2], - Му=1382 кН- м, что меньше Му, вычисленного по СП [6] в 1,3 раза. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что нормативный документ, действующий на территории Российской Федерации [6] предлагает более жесткие требования, чем Еврокоды [1, 2] в части определения ветровой нагрузки.
Литература
1. ТКП EN 1991-1-4-2009 (2005). Еврокод 1. Воздействия на сооружения. Часть 1-4. Основные воздействия. Ветровые воздействия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.srogen.ru/upload/files/doc/proekt_snip/16_EN_1991-1-2.pdf - (дата посещения: 16.05.2016).
2. ТКП EN 1993-3-1 (2009). Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 3-1. Башни, мачты и дымовые трубы. Башни и мачты. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://vk.com/doc80019_330960441?hash=4822d4f16e009e2db4&dl=14267feb01e160df7b -(дата посещения: 03.02.2017).
3. ТКП EN 1993-1-1-2009 (02250). Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1-1. Общие правила и правила для зданий [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://don-st.ru/wp-content/uploads/2015/05/TKP_EN_1993-1-1-2009.pdf - (дата посещения: 03.02.2017).
4. Иоскевич, А.В. Пульсационные воздействия ветра на антенно-мачтовые сооружения в SCAD Office / А.В. Иоскевич, А.В. Савченко, Е.С. Егорова, В.В. Иоскевич, М.А. Полянских // Строительство уникальных сооружений. - 2015. - №3(30). - С. 81-97.
5. Национальное приложение к Еврокоду EN 1991-1-4. Еврокод 1: Воздействия на сооружения - Часть 1-4: Основные воздействия - Ветровые воздействия, 2012. - 23 с.
6. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. - Введ. 2011.05.20. - М.: Минрегион России, 2011. - 80 с.
7. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81 . - Введ. 2011.05.20. - М.: Минрегион России, 2011. - 178 с.
8. ГОСТ 8509-93 Уголки стальные горячекатаные равнополочные. - Взамен ГОСТ 8509-86; введ. 1997-01-01. - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 12 с.
