Савицкий - Ветровая нагрузка на сооружения

В книге изложены основные вопросы расчета сооружений различного назначения на ветровую нагрузку. Даются общие сведения о структуре ветра и регламентированные данные о ветровой нагрузке, которые не ограничиваются только материалами, изложенными в Строительных нормах и правилах. На основе кратких сведений из гидродинамики рассматриваются сопротивления потоку простых по форме тел, трубчатых, решетчатых и специальных конструкций, мачт и башен. Раздел аэродинамической устойчивости привлекает внимание к вибрации конструкций при ветре.

Книга рассчитана на инженеров-проектировщиков, которым приходится учитывать в расчетах ветровую нагрузку на  сооружения и специальные конструкции.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Действие ветра на сооружения проявляется в виде статической ветровой нагрузки и в возбуждении колебаний конструкций. Недостаточность знаний о действии ветра на сооружения приводила к обрушению мостов, высоких зданий, опор лини» электропередачи, радиомачт. Основными причинами аварий  были ошибки в назначении величины расчетной ветровой  нагрузки, неправильное представление о характере ее распределения по сооружению, недостаточный учет аэродинамических характеристик, вибрация конструкций. Если известны расчетная скорость ветра, его порывистость профиль ветра по высоте, вероятность ветров различной силы и «роза ветров», может быть установлено действие ветра на сооружение.

Ветер — динамическая нагрузка, так как скорость его все время меняется. Реакция сооружения на ветер будет различной: жесткие конструкции воспринимают ее как статическую,  реакция гибких конструкций зависит от частоты свободных  (собственных) колебаний. Влияние порывов ветра часто оценивают динамическим коэффициентом, учитывающим и повторное их действие.

Для высоких сооружений ветровая нагрузка является  основной; при расчете их на прочность и деформативность необходимы более детальные сведения о ветре в месте предполагаемого строительства, чем сообщаемые в нормативных документах.

Карта районирования территории страны по интенсивности ветровой нагрузки, приведенная в книге, составлена для равнинных районов. Местные особенности рельефа географического пункта не показаны на ней из-за недостаточной частоты расположения метеорологических станций и малого масштаба карт. Поэтому большое значение приобретают общие сведения о влиянии на величину скорости ветра долины, холма, горной системы большой водной поверхности, городской застройки с высоким зданиями, лесных массивов и др.

Оценка расчетной скорости ветра и анализ влияния его  порывов на сооружение вследствие случайного характера явления не могут быть сделаны без привлечения математической статистики.

Ветровая нагрузка на сооружения зависит не только от размеров сооружения и скорости ветра, но и от конструктивной формы, оцениваемой аэродинамическими коэффициентами. Только ясное физическое представление о действии ветра на сооружения, для познания которого привлечены и смежные  научные дисциплины, в частности прикладная климатология,  аэромеханика, математическая статистика, теория колебаний, может быть гарантией правильного расчета сооружений.

1. ВЕТЕР

Общие сведения о ветре.

Строитель рассматривает ветер как кратковременную нагрузку и источник вибрации конструкций. Для высоких сооружений и зданий, большепролетных конструкций, мостов и др. ясное представление о структуре ветра, законах распространения, интенсивности его, частоте сильных ветров, порывистости является обязательным условием проектирования, поскольку действие ветра определяет прочность и стоимость конструкции

Движение масс воздуха относительно земной поверхности происходит под воздействием разности атмосферного давления, определяемого барическим градиентом, силой трения, отклоняющей силой вращения земли и центробежной силой. Сила трения заметно сказывается в нижних сотнях метров. Барический градиент (бар— единица давления, принятая в метеорологии), являющийся разностью давления обычно на один градус меридиана, выражается в миллибарах A000 мбар = 750 мм рт. ст.).

Вследствие турбулентности воздушного потока скорость и направление в той или иной мере колеблются. Величину скорости как осредненную величину определяют с помощью станционных приборов (флюгера, анемометра и др.), а в свободной атмосфере на больших высотах — с помощью радиозондов, шаропилотных наблюдений и аэростатов. Скорость ветра измеряется в м/сек, иногда оценивается узлами или баллами международной шкалы. Узел— 1 морская миля в час (около 0,5 м/сек). Направление ветра указывают по 8 или 16 румбам горизонта или по азимутальным углам, считая за 0 направление на  север; углы отсчитывают по часовой стрелке. Особое значение для общей циркуляции атмосферы имеют возникающие области низкого и высокого атмосферного давлений, называемые циклонами и антициклонами. Они часто наблюдаются в средних широтах и вызывают сильные воздушные течения.

Трение частиц воздуха о поверхность земли отклоняет  направление ветра от прямолинейного так, что слева по движению остается более низкое давление атмосферы. С ростом высоты над поверхностью земли влияние силы трения уменьшается, что приводит к повышению скорости ветра. На большой высоте, где влияние трения о поверхность земли исчезает, а движение установившееся и равномерное, ветер дует по изобаре. В метеорологии его называют градиентным. Изобары циклонов и антициклонов не прямые, а замкнутые линии вида эллипсов и  окружностей; по ним происходит движение воздушных масс, вследствие чего возникает еще центробежная сила. Для вихря, вращающегося против часовой стрелки, если в центре его пониженное давление, т. е. циклон, радиус действия которого достигает 3000 км, характерны большая порывистость и сильные осадки.

Наиболее разрушительны по своей силе тропические  циклоны, иногда движущиеся со скоростью более 50 м/сек. В зоне Карибского моря такие ураганы причиняют колоссальные  разрушения и уносят сотни, а иногда и тысячи человеческих жизней. В Восточной Азии их называют тайфунами. Они обрушиваются на наш Дальний Восток, наиболее сильно страдают от них Курильские острова. Вихри над морем называют смерчами, над сушей — тромбами. По визуальным наблюдениям скорость ветра достигает 100 м/сек. Предвестником смерча является длительная жаркая погода и влажность воздуха. Вследствие низкого  давления/воздуха внутри вихря и огромной скорости вращения смерч  всасывает в себя воду и предметы, встречающиеся на его пути. Летом 1904 г. над Москвой пронесся тромб, почти полностью  уничтоживший Анненгофскую рощу, разрушивший массу зданий в  Лефортове, в окрестностях Москвы и близлежащих селах. Скорость ветра достигала 60 м/сек.

Движение воздуха в атмосфере турбулентное. С турбулентностью атмосферы связана порывистость ветра. При значительных кратковременных отклонениях от средних величин скорости говорят о шквалистости ветра. Порывистость ветра в исследованиях характеризуют с помощью средних квадратов пульсации составляющих скорости ветра и стандартных отклонений. Восходящие и нисходящие токи воздуха могут вызвать вихрь с горизонтальной осью — шквал: ветер как бы скачком  повышается от слабого до ураганного, достигая 30 м/сек и даже больше. В Москве шквал в мае 1937 г. причинил огромные  разрушения, хотя продолжался всего 3—4 мин. Сильные шквалы наблюдаются при жаркой сухой погоде, длившейся в течение многих дней.

В некоторых географических районах наблюдаются ветры, вызванные особенностями местности. Таким местным ветрам присваивают свои названия: горный и долинный, «бора» и «фен». «Фены» — сильные порывистые ветры с высокой температурой воздуха наблюдаются в горных системах, они хорошо выражены на северных и южных склонах Кавказа, в Средней Азии (под Ташкентом).

Наиболее характерна «Новороссийская бора», которая  хорошо изучена. Скорость ветра в ней достигает 50 м/сек, а в  порывах — и более. Зимой действие «боры» усугубляется — в бухте и вблизи берега все покрывается льдом толщиной в несколько метров.

«Бакинский норд», так называют сильный сухой ветер,  скорость которого достигает иногда 50 м/сек; он длится несколько дней, что характерно почти всем ветрам «бора».

Для выяснения действия ветра необходимо знать его  параметры: направление, скорость, порывистость,  продолжительность, частоту появления ветра различной скорости, а в  некоторых случаях — сопутствующие ему общие метеорологические  условия, например температуру, влажность, атмосферные осадки. Скорость ветра впервые, по-видимому, стал измерять в 1500 г. Леонардо-да-Винчи. Основоположник метеорологии как науки М. В. Ломоносов все приборы для измерения скорости ветра были сделаны в XVIII в. Для измерения скорости ветра в России во II половине XIX в. преимущественное распространение получил флюгер Вильда (рис. 1.1), основанный на действии ветра на  подвешенную к оси доску. По положению доски, для чего служит  градуированная штифтами шкала, можно измерять скорость до 20 м/сек, если доска весом 200 г (легкая), и до 40 м/сек — при доске весом 800 г (тяжелая). Флюгер устанавливают на высоте 10—12 м. Среднее положение доски относительно штифтов на шкале определяется за 2 мин. Для измерения скорости ветра применяют также ручной чашечный анемометр (рис. 1.2), крыльчатый анемометр и др. В СССР и за рубежом большое распространение получают различные анемометры, приемником в  которых служит более чувствительный воздушный винт.

За последнее время для переоснащения метеорологических станций более совершенными ветроизмерительными приборами стали применять анеморумбометры М-63 и анеморумбографы М-64, у которых датчиком служит воздушный винт. Прибор М-64 позволяет измерять и записывать: а) мгновенную (осредненную за счет инерции прибора за 2—4 сек) скорость; б) максимальную скорость ветра до 60 м/сек; в) среднюю скорость  ветра, автоматически осредненную за десятиминутный интервал, в пределах до 40 м/сек; г) направление ветра в пределах 0— 360° с погрешностью ±10°, осредняемое наблюдателем за время 35—40 сек.

Прибор М-64 может регистрировать параметры ветра в трех вариантах: а) подробная (полная) запись мгновенной скорости ветра, на которую наложена запись средней скорости ветра; б) непрерывная запись значений мгновенной скорости ветра, превышающей средние значения; в) непрерывная регистрация максимальных значений мгновенной скорости ветра за каждую десятиминутку Анеморумбограф М-64 может, кроме того, регистрировать направление ветра непрерывно или б виде ступенчатой кривой — 5 отсчетов за 10 мин.

Приборы М-63 и М-64 построены на принципе  преобразования измеряемых параметров ветра в электрические величины. Дистанционность приборов до 300 м. Электрический контактный анеморумбограф М-12, в котором датчиком служит вертушка с тремя полушариями чашечного типа, регистрирует среднюю скорость и направление ветра. Для установки на мачтах применяются анемометры усиленной  конструкции М-92, подобные прибору М-12. Для измерения скорости ветра в порывах необходимы  малоинертные приборы, основанные на мгновенной фиксации  отклонения приемника ветра, например в виде полушариев, крыльчатки, шара, закрепляемых на измерительном штифте. Трубкой Пито или ее модификацией можно измерять полное давление, т. е. статическое плюс динамическое. Комбинированными трубками можно измерять отдельно полное давление и статическое.

Анемометр с тензометром М-27, позволяющий измерять  мгновенное значение скорости ветра, состоящий из датчика в виде жестко закрепленного на  измерительной оси колеса из многих чашек—полушариев, усилителя и  записывающего комплекса, позволяет вести  длительные наблюдения за поведением ветра. Распространены безынертные пневматические или емкостные  датчики давления, с помощью которых  можно фиксировать мгновенное значение скорости ветра.

Направление ветра определяют  визуально по шкалам в горизонтальной плоскости. Для этого круг разбивают на 16 румбов. Обозначение румбов соответствует частям света: север, юг, восток, запад. Например, ветер, дующий под углом 45° к северу, называют северо-восточным или норд-остом, юго-западный ветер имеет азимут 225°. Направление — румб северо-северо-восток соответствует азимуту 22°30 и т. д. Отсчет производится по часовой стрелке; нуль азимута приходится на север. Направления ветра записываются приборами, называемыми румбографами. Они часто объединяются с анемометрами, например, в апеморумбографе М-64.

Для характеристики ветра по направлениям строят «розу ветров», т. е. график, где повторяемость направления  откладывают в масштабе по румбам. Чаще ограничиваются восемью главными румбами.

Для визуальной оценки скорости ветра применяют  международную шкалу силы ветра, использующую шкалу Бофорта. Она принята в научной литературе и морском деле. Начиная с 1946 г. по этой шкале сила ветра оценивается от 1 до 17 баллов.  Скорость урагана, характеризуемого 12 баллами, равна 34,8 м/сек. Регулярные наблюдения за ветром ведутся на  метеорологических станциях Главного управления гидрометеорологической службы СССР. Исследования структуры ветра проводятся территориальными обсерваториями и Главной геофизической  обсерваторией им. А. И. Воейкова.

Наблюдения на метеорологических станциях ведутся четыре раза в сутки: в 1; 7; 13 и 19 ч. Теперь перешли к восьми срокам. Этого придерживаются во многих странах, хотя нередки случаи двухразовых наблюдений. Приборы для измерения скорости ветра на  метеорологических станциях и послах устанавливают обычно на высоте 8—12 м от поверхности земли. За рубежом поступают также,  поэтому за исходную высоту принимают 10 м, или 30 футов. Для измерения скорости ветра на различных высотах до 600 м от поверхности земли используют также радиомачты, а в последнее время и телевизионные башни в Ленинграде, Киеве и др. На Московской телевизионной башне высотой 533 м  установлены разнообразные метеорологические приборы, и в том числе приборы для регистрации ветра.

При использовании данных о скорости ветра необходимо знать, к какому времени осреднения относятся результаты  наблюдений, потому что величина средней скорости ветра зависит от времени осреднения. Мгновенное значение скорости ветра в порывах больше. Интересны данные и о типе прибора, позволяющие оценивать  различные наблюдения. При измерениях скорости ветра флюгером Вильда, осредняемой в соответствии с инструкцией за время 2 мин, точность  отсчета зависит от субъективных оценок наблюдателя; ошибка у флюгера с тяжелой доской может быть до 6 м/сек. В  результате долголетних наблюдений и правильной оценки их с  помощью математической статистики получают представление о  действительной величине скорости ветра в данном месте.

В «Справочнике по климату СССР» (часть III, «Ветер»)  приведены данные о повторяемости направлений средней скорости ветра, повторяемости различных скоростей ветра, повторяемости различных скоростей ветра но направлениям, скорости ветра различной вероятности (для расчета ветровой нагрузки). Для строителя пособием при определении расчетной  ветровой нагрузки являются Строительные нормы и правила [1; 2]. В разделе СНиП «Строительная климатология и геофизика» приведены данные о скорости ветра в различных пунктах,  возможной один раз за год и за 5, 10, 15 и 20 лет. При расчете сооружений с заданной деформативностью  ценны сведения о повторяемости ветров различной силы: