CC BY
43
РАСЧЕТ ВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ АТМОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
Б.В. ОСТРОУМОВ, д-р техн. наук, зав. отделом высотных сооружений, лауреат Государственной премии, заслуженный строитель РФ М.А. ГУСЕВ, канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Е.В. ДУБОВИЦКАЯ, инженер, аспирант ЦНИИПСК им. Мельникова, Москва
Высотные металлические сооружения [1, 6, 7] обладают низкими (по сравнению с другими сооружениями) частотами собственных колебаний и малым конструкционным демпфированием. Они весьма чувствительны к ветровым воздействиям, особенно к динамическим, каковым является атмосферная турбулентность.
Существующие нормы расчета основаны на представлении ветровой нагрузки [5] в виде двух составляющих: статической и динамической:
бЛр&^ + у')2; (1)
где Q - суммарная ветровая нагрузка на сооружение; р - массовая плотность воздуха; 5 - наветренная площадь сооружения; сх - коэффициент лобового сопротивления; V - средняя скорость ветра; V' - турбулентная пульсация скорости ветра.
При условии, что V'« V, динамическая ветровая нагрузка от турбулентных пульсаций скорости ветра согласно (1) будет определяться по формуле*:
0 = (2)
Методики расчета сооружений на ветровое воздействие как в нашей стране, так и за рубежом, основаны на статистическом описании атмосферной турбулентности, в связи с чем величина у' в (2) определяется как квадратный корень из площади фигуры под кривой энергетического спектра пульсации скорости ветра [1, 4], то есть представляет собой среднеквадратическое отклонение, или стандарт, обозначаемый оу и определяемый формулой (3):
сгу.=^6к0У2 ; (3)
где ко - коэффициент сопротивления местности, окружающей сооружение [4].
При этом оу умножается на коэффициент обеспеченности ас, принимаемый согласно [5] равным 3. Затем известными методами динамики сооружений вычисляется реакция сооружения на заданную нагрузку в установившемся режиме, то есть по прошествии переходного процесса.
Продолжительность переходного процесса в значительной степени зависит от величины логарифмического декремента колебаний сооружения 8 [2]. На рис. 1 представлены графики амплитуд колебаний сооружений в переходном режиме. При этом прослеживается четкая зависимость продолжительности переходного процесса (в циклах) от величины декремента колебаний.
Из графиков на рис. 1 следует, что продолжительность переходного процесса возрастает с уменьшением декремента колебаний 8. При 8 = 0,1 (что соответствует значению 8 для высотных сооружений из металла) переходной процесс продолжается в течение 12-13 циклов колебаний сооружения.
* В данной работе не рассматриваются вопросы определения статических ветровых нагрузок, а также автоколебания сооружений поперек направления ветра
52
При этом амплитуда колебаний в первом цикле равна 0,36Ауст (Ауст - амплитуда установившихся колебаний), то есть почти в 3 раза меньше установившейся, определяемой по нормам [5].
Графики амплитуд колебания сооружений» переходном режиме
при различных величинах декремента колебаний
_¿=0,01_
I I I I I I I I I I I I I III I I I I I I
■шшиштптиш а ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■к, щи
ИИ кашидщ
Г;-1Л.1ГнИГ/ИГ/!1ГЛ1!иК!!!М1111Н11111Ш1Н
■ ■■■■■■»МНЛЯ 11' 1Г1111111111Н
■ ■■■■■■■■■■■■■■■■■■Ы1 ЯП II
И1111И И И И И11И1111ТМ
8= 0,05
■ ■■»1111 1» »1 II н^нпнмтниши
■г1(п111;11аа111111>1111111111М11111111111Ш111 ■1М1111111Ш1111111ПНИ1!!Ш1Ш1|||||111Ш11|
лишшшщншшшшшишшнипшии
К»1'«1!(111!11!!11!1111!111111Н11111|1|111111!11Г
■ »«1.1! II »111 1111' 1111111^1111
II И I I 1-4..1.1 I I I I I I Т I I ) Т I Т I Т I I «У-0,15
■гмами иннинт иниишни
■ (1111|1111Н111111Я1!111111111Н111111НИ11И11Ц| ■111!1111111|1|1Ш1ШИ1111Н11М1Ш1Ш1111111111 ■НШ11ШПГ111111111111Ш1111Ш1111Н1111ШШ1
пиишшининпииинниппннннннш ЬаПИ'НШИИ'ШИИШИЛИШНИШ!!!!
¿-0,30
■ ■■■ ■■ II »1III11 II 1111 НИН! ■■<>■
■ипнштниииииипииишпншш
■ 1М111111111111111111111Н1111111111111111НН11111 ■1111Ш1|11Ш1111Ш1111111Ш1Ш111111111Ш11Н1
■НШНШНШНШНПНШНШПШИПННИШ №1111111111IIIIIII1111111IIIIIIIIII111111IIIIIIIIII!
нммщашшпнининннинииннпнияа1
I 2 3 4 5 б 7 8 9 10 П 12 13 _циклы колебаний_
Рис. 1.
Таким образом, методика СНиП [5] предполагает, что на сооружение один за другим воздействуют 12 или 13 порывов ветра интенсивностью Зау. Для проверки возможности такого воздействия были проведены экспериментальные исследования структуры турбулентности и отдельных порывов ветра на 310-метровой метеорологической мачте в г.Обнинске [3]. Эти исследования показали, что турбулентные порывы ветра интенсивностью 3 оу чрезвычайно редки. Так, анализ приблизительно 3000 10-минутных записей пульсаций ветра показал, что только в 9 из 3000 наблюдалось более одного, а именно, два порыва интенсивностью 3 оу. При этом они не следовали строго один за другим, имели разную продолжительность, и промежутки времени между ними также изменялись.
Очевидно, что такие порывы не могут раскачать сооружение до амплитуд, соответствующих установившемуся режиму колебаний.
Математическая модель такого сооружения представлена ниже.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сооружения в установившемся режиме согласно [2] имеет вид (4):
/ 1 ; (4)
где Л - амплитуда приведенной внешней силы; со - частота вынужденных колебаний; п = 5/Т0 - показатель затухания (здесь Т0 - период собственных колебаний сооружения);р ~ (со-со^)/(2<у) (здесь со0 - частота собственных колебаний сооружения).
В работе [2] получено выражение для АЧХ в переходном режиме колебаний, которое имеет следующий вид:
с *(©,/) =
2со\
(/ - е'ш сод /Зг)2 + (е~и< л/я Д
п2 +р2
(5)
В той же работе [2] получено выражение для отношения коэффициентов динамичности [4, 5] в установившемся £, и неустановившемся £ * режимах колебаний сооружений под воздействием пульсаций скорости ветра:
КИ^И2^
_0_
1/2
(6)
Зависимость отношения коэффициентов динамичности в установившемся и неустановившемся режимах колебаний сооружений К от декремента колебаний 6 при различном числе циклов
колебаний г
в
Рис.2
где (со) - энергетический спектр турбулентных пульсаций скорости ветра [1, 4, 5]. Подставляя в (6) выражения (4) и (5), а также известное выражение для спектра пульсаций ветра Давенпорта [4], получим после вычисления интегралов следующее выражение:
£ 1 г
Подставляя п = 8/Т0 , получим: К = l/vl - е
-2&W
(8) (9)
или
где г = - число циклов колебаний.
На рис. 2 представлены значения К для 1, 2, 3 и 10 циклов колебаний в зависимости от величин 6, Именно на эти значения следует делить величины динамических нагрузок от пульсаций ветра, вычисленные по методике [5] для получения их значений в переходных режимах.
1. Остроумов Е.В. Исследование, разработка и внедрение высотных сооружений с гасителями колебаний. Дисс. докт. техн. наук. - М., 2003. - 425 с.
2. Остроумов Б.В., Гусев М.А. Исследование нестационарных процессов при воздействии порывов ветра на сооружения// Промышленное и гражданское строительство.
теристик ветра и параметров отдельных порывов с целью расчета ветровых нагрузок// Монтажные и специальные работы в строительстве. - №6. - 2008.
4. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. - М.: Стройиз-дат, 1978.-224с.
5. СНиП 2.01,07-85*Нагрузки и воздействия - М.: ЦИТП Минстроя РФ, 1996.-35 с.
6. Соколов А.Г. Металлические конструкции антенных устройств. - М.: Стройиз-дат, 1971.-240с.
7. Соколов А.Г. Опоры линий передач. - М.: Стройиздат, 1961. - 275 с.
ATMOSPHERIC TURBULENCE DESIGN OF TALL STRUCTURES
The paper sums basic results of turbulent and gust experimental research of 310 meters high meteorological stayed mast in Obninsk. And then it contains transient duration and transient dynamic amplification factor analysis.
Расчет конструкций на действие сейсмических сил и оценка их сейсмостойкости
СЕЙСМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ АРОЧНЫХ ЗДАНИЙ С ПОКРЫТИЕМ, СОВМЕЩАЮЩИМ НЕСУЩИЕ И ОГРАЖДАЮЩИЕ ФУНКЦИИ
А.Е. СПИРИДОНОВ
Уральский государственный университет путей сообщения
На протяжении длительного времени инженерная мысль неоднократно направлялась на изыскание возможностей включения ограждения в работу несущих элементов. Методики учета пространственной работы строительных конструкций для одноэтажных промышленных зданий примененные на практике были разработаны Айрумяном Э.А.[1, 2]. Конструктивные решения с использованием профилированных стальных листов в качестве несущего элемента деревянных плит покрытий зданий предложены Дмитриевым П.П.[3] В работе Клячина А.З. [4] рассмотрена методика расчета структурных плит покрытий с учетом подкрепляющего эффекта ограждения из профилированного листа. В работе Кузне-
Литература
№4.-2007.
Ostroumov B.V., Gusev М.А., Dubovitskaya E.V
