Розрахунок вітрового навантаження на висотні будівлі за нормами різних країн

 

 

 

 

У статті описуються особливості розрахунку вітрового навантаження, на вертикальну поверхню висотної будівлі (183 метри), в різних стандартах світу. Виконано порівняння отриманих результатів, розглянута залежність зміни вітрового навантаження в залежності від висоти досліджуваної будівлі.

В статье описываются особенности расчета ветровой нагрузки, на вертикальную поверхность высотного здания (183 метра), в стандартах разных стран. Выполнено сравнение полученых результатов, рассмотрена зависимость изменения ветровой нагрузки в зависимости от высоты исследуемого здания.

In this article describes the features of the calculation of wind loads on a vertical surface high building (183 meters) in different standards around the world. Comparison of the results considered the dependence of wind load changes depending on the height of the studied buildings.

Ключові слова:

вітрове навантаження, норми проектування

ветровая нагрузка, нормы проектирования

wind load, design code

 

Постановка проблеми у загальному вигляді. З введенням в дію ДБН В. 1. 2-2: 2006 «Навантаження і впливи» [4], виникає багато питань про відповідність закордонним нормам розрахунку вітрових навантажень для висотних будівель.

Аналіз останніх досліджень та виділення не розв’язаних раніше частин загальної проблеми. Питанням узгодженості й порівняння українських норм проектування з нормами різних країн світу уже проводилось, але для снігових навантажень [1]. В галузі вітрових впливів таких досліджень майже не виконувалось. Піонерних і водночас останніх робіт цього напряму можна віднести розробки науковців ПолтНТУ [2].

Викладення основного матеріалу досліджень. Оцінку вітрового навантаження проведемо для будівлі призматичної форми, з габаритними розмірами 30×46 м та висотою183 м (рис. 1). Початкова висота порівняння результатів складає 10 метрів від поверхні землі, при швидкості вітру 30 м/с. Приймемо, що споруда розташована у заміській зоні, для того щоб не враховувати вплив інших висотних будівель, на рівнинній території (ухил менше ніж 1: 20 на кожні 5 км). Стіни фасаду прямі, без виступів чи западин. Власна частота коливань будівлі 0. 2 Гц, її середня густина 160 кг/м3. При розрахунку приймемо, що всі вікна будівлі в даний момент зачинені, у такому разі не має потреби враховувати внутрішній тиск будівлі.

 

Рис. 1. Розрахункова будівля

 

Спочатку розраховуємо вітрові навантаження використовуючи Державні будівельні норми України (ДБН В. 1. 2-2: 2006 “ Навантаження і впливи ”) [4]. Результати будуть приведені в табл. 1.

Ці норми поширюються на проектування будівельних конструкцій, основ новозведених і реконструйованих будівель і споруд, встановлюють основні положення та правила щодо визначення навантажень і впливів, а також їх поєднань.

Граничне розрахункове значення вітрового навантаження визначається за формулою:

Wm= γfm W0 C (1)

де γfm – коефіцієнт надійності, у даному випадку приймаємо рівним 1. 45, так як середній період повторюваності складає 500 років;

W0 – характеристичне значення вітрового тиску, визначаємо за формулою

W0= 0. 625V2. (2)

 

Таблиця 1

Результати обчислень за ДБН В. 1. 2-2: 2006 «Навантаження і впливи» [4]

 

Коефіцієнт С (залежить лише від змінюваного з висотою коефіцієнту Сh, всі інші коефіцієнти залишатимуться сталими) визначаємо за формулою:

C=CaerChCdCrelCalt. (3)

Caer – аеродинамічний коефіцієнт (додаток И) :

Caer=0. 8 – для навітряної сторони;

Caer=-0. 6 – для підвітряної сторони;

Ch – коефіцієнт висоти споруди, що враховує зміну вітрового навантаження залежно від висоти споруди.

Cd – коефіцієнт динамічності, (враховує вплив пульсаційної складової вітрового навантаження і просторову кореляцію вітрового тиску на споруду), приймаємо рівним 1, 15 (рис 9. 6) [4].

Crel – коефіцієнт рельєфу, (враховує мікрорельєф місцевості поблизу ділянки на якій розташований будівельний об’єкт), приймаємо 1, так як ухил території складає менше 5%.

Calt – коефіцієнт географічної висоти, (враховує висоту об’єкта над рівнем моря) приймаємо 1, так як висота на якій розташована споруда складає менше 5 км.

Наступним розглянемо розрахунок вітрових навантажень з використанням Австралійських і новозеландських будівельних норм (AS/NZS 1170. 2: 2002 Part 2: Wind actions) [3]. Результати будуть приведені в табл. 2.

Цей стандарт створений для того, щоб надавати проектувальникам можливість найбільш оптимального вибору конструктивних рішень і дизайну, з урахуванням впливу вітрових навантажень на будівлю.

Він описує детальну процедуру визначення вітрових навантажень на споруди, варіюючи від будівель, найменш чутливих до вітру до будівель, для яких динамічні характеристики повинні бути прийняті до уваги. Також він встановлює процедури для визначення швидкості вітру і результату його дії, які будуть використовуватися при проектуванні споруд.

1. Тиск вітру на поверхню будівлі обраховується за наступними формулами:

p= qzCfig, w; (кПа). (4)

p= qzCfig, wCdynA; (кH). (5)

2. Аеродинамічний коефіцієнт:

Cfig, w=0. 8 – для навітряної сторони;

Cfig, L=0. 6 – для підвітряної сторони.

3. Cdyn – динамічний коефіцієнт

Ih – інтенсивність турбулентності, приймаємо рівною 0. 143, за допомогою інтерполяції (табл. 6. 1.) [4].

gr – коефіцієнт, що враховує коливання швидкості.

Вs – фоновий фактор.

Hs – висотний коефіцієнт, приймаємо рівним 1.

S – понижуючий коефіцієнт.

 

Таблиця 2

Результати підрахунків за AS/NZS 1170. 2: 2002 Part 2: Wind actions [3]

 

Далі розраховуємо вітрові навантаження використовуючи Європейські норми (Eurocode 1: Actions on structures – General actions – Part 1-4: Wind actions) [2]. Результати будуть приведені в табл. 3.

Єврокод призначений для прогнозування характерної дії вітру на наземні споруди, він передбачає загальні структурні правила для створення дизайну та проектування конструкцій і комплектуючих виробів, EN 1991-1-4 дає рекомендації щодо визначення дії вітру для будівельних конструкцій та інженерних споруд. Він може бути застосований до:

- будівель з висотою до 200 м;

- мостів, з прольотом не більше ніж 200 м.

Характерною особливістю європейських норм у порівнянні з українськими є чітке врахування інтенсивності турбулентності, що дозволяє отримати точніші результати.

1. Тиск вітру, що діє на зовнішню поверхню, ми отримуємо з виразу

we = qp (ze) × cpe. (6)

2. Коефіцієнти зовнішнього тиску приймаємо за (табл. 7. 1.) [2]

cpe для навітряної сторони будівлі = +0. 8;

cpe для підвітряної сторони будівлі = -0. 7.

3. qp (ze) – Максимальний швидкісний тиск.

 

Таблиця 3

Результати підрахунків за Eurocode 1: Actions on structures Part 1-4: Wind actions[2]

 

Для полегшення порівняння отриманих результатів складемо таблицю 4. У другу та четверту колонки внесемо значення вітрового тиску на навітряну стіну (для довшої сторони будинку – 46 м), у третій та п’ятій – вітровий тиск на підвітряну сторону.

Значення для ДБН В. 1. 2-2: 2006 «Навантаження і впливи» [4] для будь-якої висоти будуть прийняті за одиницю, значення отримані за допомогою закордонних норм, будуть показані, як відношення відповідних результатів отриманих за ДБН В. 1. 2-2: 2006 «Навантаження і впливи» [4], до значень отриманих за допомогою Eurocode 1: Actions on structures Part 1-4: Wind actions [2] і AS/NZS 1170. 2: 2002 Part 2: Wind actions [3].

 

Таблиця 4

Порівняння результатів 

 

В результаті проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

порівняння вітрового навантаження визначеного за ДБН В. 1. 2-2: 2006 «Навантаження і впливи» з закордонними аналогами дало розбіжність результатів у 12-37%. Це свідчить про недосконалість методики викладеної у ДБН В. 1. 2-2: 2006, оскільки у вітчизняних нормах недостатньо враховуються динамічні навантажень, як то інтенсивність турбулентності. Таким чином, рекомендується і надалі досліджувати це питання, покращувати наявну нормативну базу.

 

1. Пічугін С. Ф. Порівняльний аналіз розрахункових схем снігового навантаження біля перепадів висот будівель за нормами різних країн / С. Ф. Пічугін, Ю. В. Дрижирук// Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наук. праць. Вип. 18. – Рівне: НУВГП, 2009. – С. 406-413.

2. Пичугин С. Ф. Ветровая нагрузка на строительные конструкции (монография) / С. Ф. Пічугін, А. В. Махінько – Полтава: Изд-во «АСМИ», 2005. – 342 с.

3. CEN, European Committee for Standardization, “Eurocode 1: Basis of Design and Action on Structures, Part 1-4: Wind Action”, ENV 1991-1-4 Brussel, 1994.

4. Structural Design Actions. Part 2: Wind Actions: AS/NZS 1170. 2: 2002. [2002-06-04]. Sydney, Australia: Standards Australia. 92 p

5. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об’єктів. Навантаження і впливи. Норми проектування: ДБН В. 1. 2-2: 2006. – [Чинний від 2007-01-01]. -К: Сталь, 2006. – 120 с.