Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки

ГОССТРОЙ РОССИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ имени В.А. КУЧЕРЕНКО

ООО ЕВРОСОФТ


РЕКОМЕНДАЦИИ
по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений
на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки


Утверждены Научно-техническим Советом ЦНИИСК 15 декабря 1999г.

"Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки" разработаны в развитие главы СНиП 2.01.07-85* "Нагрузки и воздействия" с учетом современных методов численного анализа динамического поведения строительных конструкций и возможностей их программной реализации.
В "Рекомендациях..."
- приведены результаты анализа существующих методов расчета зданий и сооружений на действии пульсационной составляющей ветровой нагрузки;
- описан алгоритм точного решения этой задачи и рассмотрены соотношения, позволяющие реализовать этот алгоритм в численных программных комплексах;
- для четырех типов сооружений проведено сопоставление результатов расчета на это воздействие, полученных по различным методикам.
"Рекомендации..." разработаны в ЦНИИСК им. Кучеренко при участии 000 ЕВРОСОФТ. Их основные положения реализованы в программном комплексе STARK ES семейства программ MicroFe (000 ЕВРОСОФТ).
Разработка "Рекомендаций..." и методики расчета выполнены к.т.н., ведущим научным сотрудником ЦНИИСК Поповым Н.А.; программирование - Попов Н.А. при участии Лебедева В.Л. (000 ЕВРОСОФТ).


ПРЕДИСЛОВИЕ

При взаимодействии ветра со строительными конструкциями в них возбуждаются колебания, которые по своей природе можно разделить на два типа:
- вынужденные колебания, обусловленные непосредственным действием на сооружение пульсаций скорости достаточно сильных, ураганных ветров (в дальнейшем эти воздействия обозначаются как ПВ-нагрузки);
- интенсивные аэроупругие и неустойчивые колебания, которые, как правило, происходят в направлении, перпендикулярном средней скорости ветра (поперечные колебания).
К колебаниям второго типа относятся различные формы аэродинамической неустойчивости сооружений (галопирование, флаттер, параметрический резонанс), а также колебания связанные со срывом вихрей с внешней поверхности сооружений, в том числе и те, которые сопровождаются образованием вихревой дорожки Кармена и приводят к резонансному вихревому возбуждением сооружения на одной из его собственных частот. В настоящих "Рекомендациях..." колебания этого типа не рассматриваются, а основное внимание уделено определению и анализу реакции сооружений на действие ПВ-нагрузки. Кроме того, здесь
- приведены результаты анализа существующих методов расчета зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки;
- описан алгоритм решения задачи о вынужденных случайных колебаниях сооружений при действии ПВ-нагрузок и рассмотрены соотношения, позволяющие реализовать этот алгоритм в численных программных комплексах;
- проведен сравнительный анализ результатов расчета по различным методикам четырех типов сооружений.
Разработка "Рекомендаций..." предпринята с целью расширения нормативно-методической базы, необходимой для численного расчета сооружений на динамическое действие ветра. При этом имелось в виду, что их основные положения, в первую очередь, будут использованы при подготовке соответствующих программных комплексов.
В связи с этим необходимо отметить что, теоретические и экспериментальные основы современных представлений о ПВ-нагрузках и их взаимодействии со зданиями и сооружениями разработаны в конце 50-х - начале 60-х годов и с тех пор принципиально не изменились. В то же время методики расчета сооружений на эти динамические и случайные по своей природе воздействия требовали (и требуют) большого объема численных вычислений, а возможности ЭВМ поколения 60-х - 80-х годов не позволили в полном объеме численно реализовать эти методики. Ситуация коренным образом изменилась в 90-е годы с появлением ПК, процессоров семейства Pentium и развитых Windows - подобных операционных систем (OS/2, Microsoft Windows). Использование этих технологий позволяет достаточно просто создавать адекватные расчетные схемы сложных строительных конструкций и практически реализовать методы структурного анализа их работы и поведения при различных воздействиях, в том числе и динамических. (Подобный подход, в частности, реализован в программных комплексах семейства MicroFe, разработанных "mb Software AG" и "ЕВРОСОФТ".)
Однако, и это тоже необходимо отметить, в настоящее время отсутствуют как нормативная база, позволяющая использовать точные методики расчета сооружений на действие пульсаций ветровой нагрузки, так и публикации в отечественной научно-технической литературе, в которых эти вопросы рассматривались бы в полном, замкнутом объеме. Существующие на русском языке две монографии* написаны в середине 70-х - начале 80-х годов и, что более важно, обе они ориентированны на методы и средства расчета, развитые в то время. Предлагаемые "Рекомендации..." - это 1-ый этап работы по совершенствованию нормативной и методической базы, связанной с расчетом сооружений на динамическое действие ветра.
"Рекомендации..." подготовлены институтом ЦНИИСК им. Кучеренко по предложению и при непосредственном участии фирмы "ЕВРОСОФТ"; их основные положения реализованы в программном комплексе proFEt&STARK ES семейства программ MicroFe

* В настоящее время существуют две монографии на русском языке, в которых наиболее полно рассмотрены все вопросы, связанные с воздействием ПВ - нагрузок на здания и сооружения. Это - "Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра" (М., Стройиздат, 1978), подготовленное Барштейном М.Ф., и переводная книга Э. Симиу и Р. Сканлана "Воздействие ветра на здания и сооружения" (М., Стройиздат, 1984). Обе эти работы, базируются на вполне современных представлениях о природе ПВ - нагрузок и достаточно надежных данных натурных и модельных экспериментальных исследований. Однако предлагаемые в них расчетные соотношения, в основном, представлены в той или иной степени в упрощенном виде.

1. Общие положения

1.1. Настоящие "Рекомендации..." разработаны в развитие главы СНиП 2.01.0785* "Нагрузки и воздействия" и дополняют положения этого нормативного документа. При подготовке "Рекомендаций..." принято во внимание:
а. Изложенная в СНиП 2.01.07-85 * "Нагрузки и воздействия" методика определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки (ПВ-нагрузки) не является универсальной и может быть использована при расчете и проектировании достаточно узкого класса зданий и сооружений, перечисленных в п. 6.7 СНиП;
b. В настоящее время отсутствует нормативно-методическая база по расчету на действие ПВ-нагрузок произвольных сооружений со сложной пространственной расчетной схемой, требующие учета совместных колебаний по различным собственным формам и их взаимной корреляции.

Примечание. В дальнейшем пульсационная составляющая ветровой нагрузки обозначается как ПВ-нагрузка.

1.2. В "Рекомендациях..." представлена уточненная (по отношению к положениям пп. 6.7-6.10 указанного СНиП) методика расчета зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. "Рекомендации..." могут быть использованы при расчете на воздействие ПВ-нагрузок зданий и сооружений произвольного типа с учетом ограничений, перечисленных в п. 1.3
1.3. В "Рекомендациях..." использованы принятые при разработке СНиП подходы и соотношения, описывающие статистические характеристики скорости ветра и ПВ-нагрузок. В связи с этим, положения настоящих "Рекомендаций..." не могут применяться
- для определения реакции сооружений, обусловленной их резонансным вихревым возбуждением;
- для определения реакции покрытий в вертикальном направлении;
- во всех тех случаях, когда основной вклад в динамическую реакцию сооружения вносит воздействие ПВ-нагрузок в зонах с отрицательным средним давлением ветра (в зонах "отсоса").
В этих расчетных случаях необходимо использовать статистически обоснованные результаты натурных или соответствующим образом организованных модельных аэродинамических испытаний сооружения (п. 1.4).
1.4. При проведении модельных аэродинамических испытаний сооружений необходимо моделировать турбулентную структуру погранслоя атмосферы, включая вертикальный градиент средней скорости ветра и энергетический спектр его пульсационной составляющей. Как правило, подобные экспериментальные исследования проводятся в аэродинамических трубах метеорологического типа с длинной рабочей частью, в которых структура потока соответствует, так называемой, "пристеночной" турбулентности и формируется за счет тех же механизмов, что и в натурных условиях.
Использование при расчете зданий и сооружений на действие ПВ-нагрузок экспериментальных результатов, полученных при испытаниях в гладких потоках или в потоках с другими типами турбулентности (в частности, в потоках с "решетчатой" турбулентностью) должно быть дополнительно обосновано.
1.5. Результаты расчета зданий и сооружений на действие ПВ-нагрузок, получаемые при использовании численных программных комплексов, должны включать в себя
- усилия и перемещения (суммарные и по формам колебаний), определяемые с учетом положений настоящих "Рекомендаций...";
Кроме того, в структуру численных программных комплексов целесообразно включать:
- определение сил инерции по формам колебаний;
- определение предельных частот колебаний;
- оценку усталостной прочности и выносливости элементов сооружения.

Примечание. Приведенные в п. 6.8 СНиП 2.01.07-85* значения предельных частот fl, получены при наиболее общих предположениях относительно геометрических, конструктивных и динамических свойств сооружений и, в связи с этим, определены с запасом. Как правило, реальные значения fl значительно меньше тех, которые указаны в СНиП 2.01.07-85*.

1.6. Расчетные значения усилий Qp и перемещений up, возникающих в элементах зданий и сооружений при действии ПВ-нагрузок, определяются по формулам:

(1a)
(lb)
где
и - стандарт усилий и перемещений, соответственно;
- коэффициент обеспеченности пульсационной составляющей ветровой нагрузки.
1.7. Коэффициент обеспеченности пульсационной составляющей ветровой нагрузки принимается равным 3.0 ( = 3.0), если для сооружений рассматриваемого класса (типа) не оговорены другие значения .
1.8. Стандарт перемещений , как правило, определяется в результате численного динамического расчета сооружения на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки, статистические характеристики (авто- и взаимные спектральные и корреляционные функции) которой приведены в п.п. 2 и 3 настоящих "Рекомендаций...". Использование для этих функций иных аппроксимирующих соотношений допускается после их соответствующего обоснования.

2. Основные расчетные соотношения

2.1. Расчетные соотношения, представленные в пп. 2 и 3 "Рекомендаций...", соответствуют решению линейной динамической задачи о вынужденных колебаниях сооружений при действии ПВ-нагрузок методом разложения усилий и перемещений в ряды по ортонормированным собственным формам сооружения.
В этом случае расчетные перемещения up(x) определяются следующим образом:
(2а)

(2b)
где
х = (х1, х2, х3) - координаты, описывающие геометрию сооружения;
Ктах - число учитываемых собственных форм;
g0 - расчетные значения коэффициента порывистости (табл. 1);
- вектор k-ой собственной формы в точке х;
fk (Гц) - k-ая собственная частота;
- обобщенное воздействие, учитывающие совместные колебания сооружения по k-ой и k1-ой формам.

Примечание. Собственные формы (k = 1, ...,) являются ортонормированными, если выполняются следующие условия:
(3а)
(3b)
где X- область определения переменной х;
т(х) -масса сооружения в точке х.

2.2. Если усилие (или любая другая расчетная
...