Ветровые нагрузки

15 ветровые  нагрузки

15.1 Скорость ветра

Для измерений характеристик ветра на метеостанциях в настоящее время используются анеморумбометры М-63М (или их модификации), который обеспечивает автоматическое измерение средней скорости за 10 минут в диапазоне 1-40 м/с, максимальной скорости (до 60 м/с) и направления ветра.

В качестве запасного прибора на метеостанциях имеются комплекты флюгеров Г. Вильда с легкой и тяжелой досками. Они предназначены для измерения скорости ветра от 0 до 40 м/с. При наличии двух таких приборов флюгер с лёгкой доской применяется при измерении скорости от 0 до 10 м/с, флюгер с тяжёлой доской - от 10 до 40 м/с. В случае неисправности одного из флюгеров или при наличии на станции одного флюгера наблюдения производятся по нему при всех скоростях, которые прибор может измерить (флюгер с лёгкой доской - 20 м/с, с тяжёлой - 40 м/с).

Вплоть до начала 70-х годов ХХ века проводились лишь флюгерные метеонаблюдения. При этом определяли среднюю скорость ветра, максимальную скорость (порыв) в срок наблюдений, а также направление ветра. Для определения скорости ветра наблюдается колебание доски в течение 2 минут и определяется ее среднее положение за этот промежуток времени. Таким способом получают осредненное на 2-минутном интервале значения скорости ветра, которое используется для нормирования ветрового напора. Одновременно отмечается и самое большое отклонение доски за указанный период – скорость порыва ветра.

15.2 Нормативные и расчетные значения ветрового давления

Ветровая нагрузка на здания и сооружения определена в нормах СНиП 2.01.07-85* как сумма средней и пульсационной составляющих. При проектировании массивных и невысоких зданий и сооружений динамическим действием ветровой нагрузки пренебрегают. Более существенно ее влияние на высокие и гибкие сооружения.

В конструкциях башен, мачт и т. п. порывы ветра вызывают колебания, частота которых зависит от свойств (формы, размеров, условий закрепления) самих конструкций. При больших частотах собственных колебаний сооружения не приходится опасаться резонансных эффектов. При частоте собственных колебаний менее 4 Гц высоких сооружений, зданий высотой более 40 м и т. п. учет динамической составляющей ветровой нагрузки обязателен. Кроме того, для гибких высоких сооружений цилиндрической формы (мачты, башни, дымовые трубы и т. п.) выполняется расчет на резонанс, который может возникнуть при определенных скоростях ветра, когда происходит срыв вихрей в турбулентном потоке с частотой, совпадающей с собственной частотой поперечных колебаний сооружения.

Нормативное значение средней составляющей ветрового давления в ранее принятых обозначениях определяется по формуле

Рекомендуемые материалы

F_н = F k c                                                  (1.15),

а в обозначениях норм проектирования СНиП 2.01.07-85*

где  -  ветровое давление на единицу поверхности (скоростной напор);

                                                                 (2.15)

 -  плотность воздуха,

v₀   -  скорость ветра,

k  -  коэффициент,  учитывающий  изменение давления  ветра по высоте и тип местности;

c   -  аэродинамический коэффициент  (коэффициент лобового сопротивления сооружения).

Плотность воздуха зависит от давления и температуры. Для обычного диапазона температур и при не очень большой высоте сооружения переменностью плотности воздуха можно пренебречь. Тогда формула (2.15) преобразуется к виду [Руководство 33]:

                                                            (3.15)

где скорость v₀ измеряется в м/с, а напор  в Па.

Если скорость ветра на метеостанции измерялась флюгером Г. Вильда, дающим ошибку до 4 - 6 м/с, то ее умножают на поправку

,                                                             (4.15)

и формула (3.15) преобразуется к виду

                                                           (5.15)

При использовании для измерений малоинерционных анемометров коэффициент α принимается равным 1.

Стандартная высота измерения скорости ветра - 10 м. При расположении измерительного прибора на другой высоте, что присутствует на ряде метеостанций Краснодарского края, измеренная скорость корректируется в соответствии с выражением:

                                                 ,                                                                                 (6.15)

где V_h - средняя скорость ветра на высоте h, м/с,

V₁₀ - средняя скорость ветра на высоте 10 м, м/с,

h - высота установки измерительного прибора, м,

a - коэффициент, зависящий от типа местности, принимаемый равным 0,16 - для местности типа А, 0,28 - для местности типа В и 0,40 - для местности типа С (типы местности принимаются в соответствии со СНиП 2.01.07-85* “Нагрузки и воздействия”).

Скорость ветра v₀ в формуле (2.15) в предпоследней редакции норм СНиП II-6-74 "Нагрузки и воздействия" принималась при двухминутном интервале осреднения, поскольку за основу нормирования принимались данные метеонаблюдений при флюгерных измерениях. При переходе на анемометрические наблюдения интервал осреднения увеличился до 10 минут, что в общем случае должно снижать осредненную скорость ветра по сравнению с 2-минутным осреднением. При составлении действующих норм СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия” в середине 80-х годов прошлого века еще не было достаточной статистической базы результатов измерений по новой методике. Поэтому было принято волевое решение: считать, что скорость ветра, осредненная на 10-минутном интервале, составляет 0,92 от осредненной на 2-минутном интервале. В соответствии с формулой (5.15) ветровой напор  при этом должен снизиться на 15 % (0,92² = 0,85).

В табл. 1.15 приведены значения скоростного напора  по ранее действовавшему СНиП II-6-74 и по ныне действующим нормам СНиП 2.01.07-85*. Давление ветра  установлено для восьми районов, на которые разделена территория страны на основе статистического анализа климатических данных по скоростям ветра, являющимся случайной функцией времени. Распределение горизонтальных составляющих скорости ветра по румбам определяет розу ветров данной местности. В некоторых случаях при явно выраженном господствующем направлении ветров учет этого фактора может дать экономию при проектировании зданий и сооружений. Однако в нормах СНиП 2.01.07-85* направление ветра не учитывается, считается, что он может оказывать давление на сооружения равновероятно с любой стороны. Значения  в этой таблице по ныне действующим нормам составляют (с округлением) 0,85 от значений старого СНиПа.

Таблица 1.15  Скоростной напор ветра (нормативные значения)

Расчетное значение средней составляющей ветровой нагрузки определяется умножением нормативной на коэффициент надежности по нагрузке γ_f. Ранее в СНиП II-6-74 он принимался равным 1,2. В ныне действующих нормах было решено сохранить расчетные значения ветровой нагрузки такими же, как в старом СНиПе. Для этого коэффициент γ_f увеличили до 1,4, при этом расхождения со старыми значениями без учета округлений оказываются меньше 1 %:

0,85 × 1,4 = 1,19 ≈ 1,2.

В табл. 2.15 приведены расчетные значения средней составляющей ветрового давления w_m на высоте 10 м от поверхности земли (ветрового напора). В верхней строке – старые нормативные значения, умноженные на 1,2, в нижней – значения по новому СНиПу, умноженные на 1,4. С учетом погрешностей округления расчетные значения по старым и новым нормам практически совпадают.

Таблица 2.15  Расчетные значения скоростного напора по старым и новым нормам (Па)

Расчетное ветровое давление в СНиП II-6-74 было установлено из условия превышения примерно один раз в 15 лет для 2-минутного интервала осреднения. При 10-минутном интервале то же численное значение уже соответствует периоду примерно 50 лет. Таким образом, создается видимость повышения надежности проектирования по ныне действующему СНиПу в сравнении с предшествующей редакцией норм (период однократного превышения увеличился более чем в 3 раза). В некоторых литературных источниках это прямо утверждается. На самом же деле произошла подмена расчетного параметра v₀ вследствие изменения методики измерения средней составляющей – увеличения в 5 раз интервала осреднения скорости ветра.

Скорость ветра и соответственно ветровое давление зависят от высоты над землей. Для описания изменения скорости ветра по высоте используется так называемый профиль ветра. В нормах проектирования для его описания использован степенной закон.

                                                        (7.15)

где v₀ - скорость ветра на стандартной высоте расположения измерительного прибора – флюгера или анемометра Z_o=10 м (при высоте до 5 м скорость ветра принята постоянной);

Z  - уровень, на котором определяется скорость v(Z);

α - показатель степени, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности, воздухообмена между слоями, скорости ветра.

В зависимости от шероховатости поверхности различают местности типов А, В и С. (СНиП 2.01.07-85*). К типу А относятся открытые местности с ровной поверхностью: побережья морей, озер, водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра. К типу В отнесены городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м. Тип С - городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Сооружения считаются расположенными в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны на расстоянии 30h при высоте сооружения h до 60 м и 2 км - при большей высоте. В табл. 4 приведены значения коэффициента k возрастания скоростного напора ветра по высоте для местностей разных типов, построенные по формуле (3.15). При определении ветровой нагрузки типы местностей могут быть различными для расчетных направлений ветра.

В Руководстве по расчету на ветер [33] рассмотрен также вопрос о нормировании скоростных напоров на границе двух подстилающих поверхностей разных типов.

Таблица 3.15  Коэффициент k

15.3  Влияние шероховатости подстилающей поверхности на профили ветра

Из табл. 3.15 видно, что в нормах СНиП 2.01.07-85* использованы 3 разных профиля ветра. Рассмотрим влияние основных факторов на особенности вертикальных профилей скоростного напора.

Стратификация атмосферы (изменение температуры воздуха по высоте) характеризуется градиентом температуры. Среднее значение градиента γ = 0,6 ^oC/100 м соответствует уменьшению температуры воздуха на 0,6 ^oC при подъеме на каждые 100 м.

В каждый отдельный момент времени γ может отклоняться в ту или иную сторону и даже принимать отрицательное значение (так называемая инверсия температуры). При малых вертикальных градиентах или инверсиях вертикальные перемещения воздушных масс затухают. Стратификация атмосферы в таком случае называется устойчивой (в противном случае неустойчивой). При устойчивой стратификации уменьшается перемешивание воздуха разных слоев восходящими потоками. Поэтому вертикальные градиенты скорости ветра становятся большими, чем при неустойчивой стратификации. С увеличением скорости ветра различие скоростей разных слоев вертикального профиля уменьшается.

Шероховатость подстилающей поверхности является одним из основных факторов, влияющих на формирование профилей скорости ветра в пограничном слое атмосферы. В Руководстве [33] приведены данные измерений в пунктах с разной степенью шероховатости: пустыни и горы, луга и крупные города. Измерения производились на высотах до 300 м. Их результаты свидетельствуют, что показатель степени α в формуле (7.15) изменяется в широких пределах. Над ровной поверхностью он существенно меньше, чем над пересеченной и неоднородной. Наибольшее влияние на величину α оказывает непосредственное окружение объекта. С ростом масштаба шероховатости подстилающего слоя показатель степени возрастает от 0,08 до 0,51.

Скорость ветра у земли также оказывает влияние на характер вертикального профиля. С усилением ветра показатель степени, как правило, уменьшается. При очень сильном ветре у поверхности земли близко к нулю, то есть скорость ветра выравнивается по высоте во всем слое. С учетом всех этих факторов на основе исследований Главной геофизической обсерватории в нормах приняты осредненные показатели степени для местностей типов А, В, С, равные соответственно 0,1, 0,2 и 0,3.

15.4 Влияние горизонтальной протяженности объекта

Влияние горизонтальной протяженности объекта строительства на выбор расчетного значения скоростного напора ветра изучено в меньшей степени. Для большинства объектов промышленного и гражданского строительства, размеры которых по горизонтали не превышают нескольких десятков или сотен метров, учет изменчивости  напора ветра вдоль фронта потока большого значения не имеет. Однако, для объектов большой протяженности типа линий электропередач (ЛЭП) и т.п. надежность зависит от длины: чем она больше, тем выше вероятность появления скорости ветра на каком-либо участке, способной разрушить хотя бы одну из опор и вывести линию из строя.

А.Р. Ржаницын [26] отмечал, что имеется весьма мало данных о характере корреляционных функций для пространственных распределений скорости ветра и о величине зон корреляции для различных случаев. Он предложил приближенную оценку увеличения вероятности превышения расчетной ветровой нагрузки для протяженных объектов.

Разрушающее значение силы ветра появляется в результате больших перепадов давления при вихревом движении воздуха, когда возникает смерч (за рубежом его называют торнадо). Если известна ширина полосы сильного ветра d, и можно считать, что скорости ветра на расстояниях, больших, чем d, корреляционно не связаны, то можно определить вероятность улавливания сильного ветра весьма протяженными объектами длиной l по общим формулам, справедливым для малых объектов, но с увеличенным приведенным сроком службы.

                                                                (8.15)

где Т - расчетный срок службы сооружения.

Пространственное распределение ветра здесь заменяется временным.

Е.И. Федоров получил соотношения для назначения расчетной ветровой нагрузки при проектировании равнонадежных ЛЭП разной протяженности. Плотность распределения несущей способности опор принята по нормальному закону, а максимумы скорости ветра за определенный промежуток времени - по двойному экспоненциальному закону. В результате расчетов получено, что при удвоении длины ЛЭП расчетное значение скорости ветра следует увеличивать на 2,7 %. Однако, не ясно, какую длину ЛЭП нужно принять за эталон.

15.5 Статистическое распределение скоростей ветра

Для описания распределения скоростей ветра метеорологи рекомендуют распределение Вейбулла

                                                         (9.15)

где P(v) -  вероятность того, что скорость ветра не превысит значения v;

θ и β - коэффициенты, определяемые для каждой метеостанции и зависящие от ветрового режима данной местности.

Для района Москвы, например, получены значения θ = 4,42  и β = - 0,15.

Для описания распределения годичных или месячных максимумов скорости ветра используется, как и для максимумов снеговой нагрузки, двойное экспоненциальное распределение Гумбеля

                                        (10.15)

В табл. 4.15 приведены статистические характеристики ветрового давления для семи ветровых районов, вычисленные с использованием двойного экспоненциального распределения. Из этой таблицы хорошо видно, что нормативное значение ветрового давления, установленное в СНиП 2.01.07-85*, весьма близко к математическому ожиданию. Таким образом, в вероятностных расчетах, где используются не нормативные или расчетные значения нагрузок, а математические ожидания и коэффициенты вариации, для ветровой нагрузки можно использовать приведенные в нормах значения  для соответствующего ветрового района.

Таблица 4.15  Статистические характеристики ветрового давления