Симиу - Воздействие ветра на здания и сооружения
В книге американских авторов рассмотрены вопросы атмосферной термо- и гидродинамики, ветровой климатологии и ее влияние на проектирование и расчет инженерных конструкций. Показана зависимость ветровой нагрузки и ее распределения на здания и сооружения от скорости ветра. Исследуются явления аэроупругости. Отмечена необходимость аэродинамических модельных испытаний как важного этапа при расчете и проектировании конструкций на ветровое воздействие.
Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Предлагаемая вниманию читателей книга «Воздействие ветра на здания и сооружения» написана известными американскими специалистами д-ром Э. Симиу и проф. Р X. Сканланом. В подзаголовке авторы, назвали свой труд «Введением в инженерные исследования ветровых воздействий». Определение этой области прикладных исследований, сформировавшейся в последние годы в самостоятельную дисциплину, и стоящих перед ней задач дал проф. Дж. Е. Чермак A957). Он охарактеризовал ее «как рациональный подход к рассмотрению взаимодействия между ветром в пограничном слое атмосферы, человеком и инженерными сооружениями на поверхности земли. И задача инженера состоит в том, чтобы не только свести к минимуму человеческие жертвы и расходы, связанные с потерей имущества, но также использовать все возможности улучшения комфортных условий для людей и увеличения экономичности проекта путем учета благоприятных условий, создаваемых воздействием ветра.
Книга охватывает широкий круг проблем, разрабатываемых на основе последних достижений в этой области. Основной акцент авторы делают на физическую интерпретацию рассматриваемых явлений, зачастую опуская сложные математические выкладки. Естественно, не все вопросы раскрыты в ней с достаточной полнотой, но некоторые из них представляют особый интерес для советских специалистов в связи с тем. что не нашли еще должного освещения в отечественной литературе. Небезынтересно будет также сравнить методики определения расчетных скоростей ветра и расчета зданий и ряда сооружений, рассматриваемые авторами, с решениями аналогичных вопросов в нашей стране, изложенными, например, в «Руководстве по расчету зданий и сооружений на действие ветра».
Одно из достоинств книги — практическая направленность всех полученных результатов, по-видимому, обусловлена характером деятельности самих авторов. Книга содержит много разнообразных примеров применения описанных методов исследований и расчета сооружений, большой иллюстративный материал и рекомендации по правильной интерпретации полученных данных. Вместе с тем она представляет большую научную ценность и в другом аспекте: авторы объединили и рассмотрели с единых позиций огромный фактический материал (свыше 500 литературных источников), используя который читатель может в дальнейшем более углубленно изучить интересующие его вопросы. «Воздействие ветра на здания и сооружения» — первая переводная книга, выпускаемая Стройиздатом по указанной проблеме. При переводе терминология в основном приведена в соответствие с терминологией, используемой в отечественной литературе. Однако в отдельных случаях мы сочли целесообразным оставить американскую терминологию, например, когда авторы при рассмотрении- обтекания сооружений воздушным потоком широко используют термины гидродинамики: жидкость (подразумевая среду, в которой находится тело), поток жидкости, гидродинамические силы и целый ряд других. Книга, несомненно, представляет интерес для инженерных и научных работников. Она может служить и хорошим учебным пособием, поскольку содержит необходимые сведения (математический аппарат, основные сведения из метеорологии, климатологии, механики жидкости и газа, аэродинамики, динамики сооружений и др.), позволяющие молодому специалисту овладеть современными методами исследований и расчета сооружений на ветровые воздействия.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Определение ветровых нагрузок на здания и инженерные сооружения в ряде случаев приводит к весьма сложным проблемам, решение которых требует особо серьезного внимания, поскольку разрабатываемые проекты должны удовлетворять требованиям надежности и пригодности сооружений к нормальной эксплуатации. К таким инженерным задачам относятся: определение динамических реакций высоких сооружений, нагрузок на наружное остекление зданий и навесные стены, особенно в высотных зданиях, выявление степени пригодности к нормальной эксплуатации пешеходных зон при некоторых типах застройки территории, изучение колебаний и флаттера висячих мостов, описание воздействия торнадо на ядерные энергетические установки, оценивание вероятности появления экстремальных ветров на строительной площадке.
В последние два десятилетия опубликовано большое число работ, в которых сделана попытка дать обоснованное объяснение вышеуказанным явлениям и разработать соответствующие аналитические решения и инженерные методы расчета. Однако не все они легко доступны для понимания. Авторы книги «Воздействие ветра на здания и сооружения» поставили перед собой задачу объединить основные направлении проводимых исследований в этой области.
Книга предназначена для инженеров и архитекторов, которые могут ее использовать в своей практической деятельности. Выбранные для данной работы темы изложены вне зависимости друг от друга и, по возможности, на основе положений фундаментальных исследований. В монографию включено большое число ссылок на первоисточники.
Уровень подготовки, предполагаемой, у читателя, должен примерно соответствовать степени бакалавра науки и техники. Авторы стремились избегать сложных математических формулировок, когда они необязательны. Основные понятия теории вероятностей, статистики и теории случайных процессов, используемые в современных исследованиях ветровых воздействий, даны в приложениях, в которых особо подчеркивается значение интуитивных подходов к решению задач.
В I части книги рассмотрены те метеорологические, микрометеорологические и климатологические аспекты ветрового режима местности, которые представляют интерес для инженерных исследований ветровых воздействий. Во II части книги приведены основные положения аэродинамики, Динамики сооружений и аэроупругости с последующим использованием их для расчета различных типов сооружений и элементов конструкций. Отдельные главы посвящены обсуждению вопросов, связанных с вызываемым ветром дискомфортом как внутри зданий, так и вокруг них. а также оценке необходимости проведения испытаний в аэродинамической трубе для проектирования сооружений. Инженерные исследования ветровых воздействий — новая и быстроразвивающаяся область прикладных наук. По этой причине современные методы определений ветровых воздействий и данные, на которых они основаны, не следует рассматривать как окончательные. Авторы Глубоко убеждены, что необходимо тщательно выявлять области неопределенности и четко указывать на недостатки, присущие этим методам. И это они делали на протяжении всей книги. Распределение обязанностей при работе над книгой было следующим: главы 1—3, 5, 7, 9—11, а также приложения написаны Э. Симиу, главы 4, 6 и 8 — Р. X. Сканланом. Однако авторы совместно редактировали и обменивались многочисленными критическими замечаниями по всем разделам книги.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие производства современных видов строительных материалов и типов конструкций привело к появлению нового поколения сооружений, которые по сравнению с построенными ранее являются исключительно гибкими, легкими, со слабыми демпфирующими свойствами. Такие сооружения, как правило, характеризуются повышенной чувствительностью к действию ветра. В связи с этим появилась необходимость разработать методы расчета, дающие возможность проектировщику оценивать ветровые воздействия с большей степенью точности, чем это требовалось раньше. Усилия, направленные на развитие таких методов, привели к созданию, в основном в прошлом десятилетии, прикладной дисциплины, получившей название инженерные исследования ветровых воздействий.
Задача инженера состоит в том, чтобы обеспечить такую работу сооружений под действием ветровых нагрузок, которая отвечала бы требованиям надежности и пригодности к нормальной эксплуатации в течение всего срока их службы. Для достижения этой цели проектировщику необходимо иметь данные о ветровом режиме местности, о зависимости между ветровым режимом местности и нагрузками, вызываемыми при этом на сооружение, о работе сооружения под действием этих нагрузок.
Ветровой режим местности. Информация о ветровом режиме местности, необходимая для проектирования сооружений, включает отдельные элементы, полученные на основе метеорологии, микрометеорологии и климатологии.
Метеорология дает описание и объяснение основных характерных особенностей атмосферных течений. Эти особенности могут иметь весьма существенное значение для расчета сооружений. Например, в случае торнадо наличие области низкого атмосферного давления в центре циклона является фактором особой значимости для расчета ядерных энергетических установок.
Микрометеорология пытается дать подробное описание структуры атмосферных течений вблизи поверхности земли. Проектировщика сооружений непосредственно интересуют характер изменения средних скоростей ветра по высоте над поверхностью земли, структура атмосферной турбулентности и зависимость средних скоростей и турбулентности от шероховатости подстилающей поверхности местности. Климатология, применительно к описанию ветрового режима местности, занимается вопросами прогнозирования ветровых условий для заданных географических районов. Вероятностные формулировки по прогнозируемым скоростям ветра удобно представлять в виде карт ветров, которые в настоящее время включаются в различные строительные нормы.
Силы, вызываемые действием ветра на сооружения. Сооружение, помещенное в воздушный поток, подвергается действию аэродинамических сил, которые, в общем, можно определить, используя имеющиеся решения теоретической аэродинамики и данные экспериментальных исследований. Однако если условия окружающей местности или характеристики сооружения существенно отличаются от рассмотренных ранее, то возникает необходимость в проведении специальных экспериментов в аэродинамической трубе.
Аэродинамические силы состоят из сил лобового сопротивления, которые действуют в направлении среднего течения, и подъемных (поперечных) сил, действующих перпендикулярно этому направлению. Если же расстояние между центром жесткости сооружения и центром давления (т.е. точкой приложения равнодействующей аэродинамических сил) велико, то сооружение подвергается также действию крутящих моментов, которые могут оказать существенное влияние при его расчете.
Реакция сооружения на ветровые нагрузки. Поскольку аэродинамические силы зависят от времени, для определения реакции сооружения следует использовать методы динамики сооружений. Более того, нерегулярный характер этой зависимости потребует применения основных положений теории случайных процессов в теоретических исследованиях. В отдельных случаях может возникнуть необходимость в проведении анализа на основе аэроупругости, т. е. в изучении взаимодействия между аэродинамическими и инерционными силами, демпфированием и силами упругости с целью исследования аэродинамической устойчивости сооружения.
Из всего вышеизложенного видно, что расчет современных сооружений, подверженных действию ветровых нагрузок, требует использования методов большого числа других дисциплин, а также соответствующих экспериментальных данных. Авторы склонны считать, что в настоящее время нет еще исчерпывающих ответов на все рассматриваемые здесь вопросы, однако за последние десять лет были достигнуты значительные успехи в разработке некоторых из них. При этом получили развитие такие методы расчета и техника экспериментальных исследований, которые существенно расширили возможности проектировщика в оценке воздействия ветра с позиций обеспечения как прочности, так и пригодности сооружений к нормальной эксплуатации. Цель данной книги состоит в том, чтобы изложить эти методы расчета и экспериментальных исследований, привести соответствующий материал, необходимый для понимания и обоснования рациональности такого подхода, а также критически рассмотреть их возможности и недостатки при расчете сооружений.
ЧАСТЬ I. АТМОСФЕРА
1. АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ
Образование ветра, или движение воздуха относительно поверхности земли, в основном вызывается переменностью нагрева солнцем атмосферы Земли. Его непосредственной причиной является разница давления в точках, расположенных на одинаковой высоте над уровнем моря, что связано с термодинамическими и механическими процессами, происходящими в неоднородной как по времени, так и в пространстве атмосфере.
Энергия, необходимая для возникновения таких явлений, обеспечивается солнцем в виде излучаемого им тепла. Солнце является первичным источником энергии, другим ее источником, непосредственно влияющим на атмосферу, служит поверхность Земли. В самом деле, атмосфера в значительной степени остается проницаемой для солнечной радиации подобно стеклянной крыше теплицы. Поэтому можно считать, что та часть солнечной радиации, которая не отражается (или не рассеивается) в космическое пространство, почти полностью поглощается землей, которая при нагревании испускает энергию в виде эффективного излучения земной поверхности. Его характерные длины волн (порядка 10 мкм) больше аналогичных величин солнечной радиации, переходящей в тепло. Атмосфера в основном прозрачная к солнечной радиации, но закрытая для излучения земной поверхности, поглощает испускаемое землей тепло и частично излучает его обратно к поверхности земли.
...