Предлагаемое исследование анализирует воздействие ветровых нагрузок на стальные и смешанные каркасные здания, исследуя исторические аспекты, расчетные подходы и проводя сравнительные расчеты для различных параметров здания. Результаты расчетов представлены в виде графиков, а в заключении даны рекомендации по совершенствованию методов оценки ветровых нагрузок для различных типов зданий.
В действующих на сегодняшний день своде правил СП 16.13330.2016 Нагрузки и воздействия, 2016 г. с изменениями к ним № 1, 2, 3, 4 рекомендуют во всех случаях определять нормативное значение ветровой нагрузки w , как сумму средней w m и пульсационной w g составляющих.
Нормативная часть средней составляющей основной ветровой нагрузки w m в зависимости от эквивалентной высоты здания z e над поверхностью земли зависит от: нормативного значения ветрового давления w 0 , учитывающего ветровой район строительства; величины коэффициента k ( z e ), учитывающего изменение ветрового давления на разной высоте z e и аэродинамического коэффициента c .
Эквивалентную высоту z e для зданий, находят, в зависимости от высоты здания над поверхностью земли z и размера здания в направлении перпендикулярном расчетному направлению ветра. Величина коэффициента k ( z e ), учитывающего изменение ветрового давления на разной высоте z e зависит от типа местности. Выделяют три типа местности А, В, С.
К типу местности А относят все открытые пространства, в том числе с постройками высотой менее 10 м; к типу местности В — городские территории, лесные массивы и другие территории, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м; к типу местности С — городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м. Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30 h — при высоте сооружения h < 60 м и на расстоянии 2 км ‒ при h > 60 м.
Так для эквивалентной высоты z e при 10 ≤ z e ≤ 300 м значение коэффициента k ( z e ) определяют по формуле (11.4) свода правил в которой и учитывается три типа местности. При других диапазонах эквивалентных высот z e его находят в соответствии с требованиями свода правил.
Аэродинамический коэффициент c , входящий в формулу для прямоугольных в плане зданий с двускатными покрытиями, находят по своду правил как для активного давления (со стороны приложения ветровой нагрузки), так и для отсоса (с противоположной стороны).
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки w g связана с резким превышением скорости ветра. Повышенная скорость ветра действует небольшой промежуток времени, и поэтому увеличенная ветровая нагрузка быстро уменьшается, а потом может снова достигать пиковых значений. Опасность состоит в том, что такое изменение ветровой нагрузки вызывает в конструкциях колебания, и это приводит к дополнительному росту усилий в конструкциях.
В соответствии со сводом правил подсчёт величины пульсационной составляющей основной ветровой нагрузки w g на эквивалентной высоте z e может быть определён для зданий и сооружений по разным формулам в зависимости от значения первой частоты собственных колебаний f 1 , Гц. Рассматривают два случая нахождения этой составляющей ветровой нагрузки.
При значении первой частоты собственных колебаний f 1 , больше предельного значения лимитированной собственной частоты f lim , значение основной ветровой нагрузки w g находят по формуле (11.5) свода правил с учётом коэффициента пульсации давления ветра ζ ( z e ).
При величине первой частоты собственных колебаний f 1 меньше предельного значения собственной лимитированной частоты f lim значение основной ветровой нагрузки w g находят уже по формуле (11.7) свода правил с учётом не только коэффициента пульсации давления ветра ζ ( z e ), но и коэффициента динамичности ξ .
Определение пульсационной составляющей ветровой нагрузки w g с учетом только коэффициента пульсации давления ветра ζ ( z e ) не вызывает больших затруднений, но требует больше затрат времени для её подсчёта при предварительном ручном (прикидочном) расчёте, чем нахождение нормативной части средней составляющей основной ветровой нагрузки w m .
Подсчет пульсационной составляющей ветровой нагрузки w g с коэффициента динамичности ξ является достаточно сложной задачей при предварительном расчете.
Нахождение этого коэффициента требует выполнение расчета сооружения на колебания. Такой расчёт можно выполнить методами строительной механики, что трудоёмко, или в программных комплексах. Но для любого из этих методов расчётов необходимо предварительно задать не только перечисленные величины, входящие в формулу, но и ещё сечения элементов и их площади для подсчёта масс, изгибные жёсткости, что на стадии предварительного расчёта (если нет аналога) представляет собой достаточно трудную задачу.
Если для железобетонных зданий в своде правил СП 16.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» в примечании к пп.11.1.8, для отдельных видов зданий, в том числе и железобетонных производственных зданий высотой до 36 мм при отношении высоты к пролету менее 1,5, размещаемых в местностях типа А и В, допускается определять пульсационную составляющую ветровой нагрузки без учета коэффициента динамичности ξ , то для стальных и смешанных каркасных зданий такое допущение отсутствует и, следовательно, для них расчет должен выполняться в строгом соответствии с действующими положениями норм.
В предлагаемой нами работе, где целью является анализ ветрового воздействия на стальные и смешанные каркасные здания, предлагается рассмотреть:
— воздействие ветровых нагрузок на каркасные здания, историю развития исследований и рекомендуемых расчетов;
— выбор диапазона пролетов, длин и высот зданий, шага колонн, ветровые районы;
— выбор метода расчёта;
— выполнение расчетов стальных каркасных зданий на ветровые нагрузки в принятом диапазоне исходных данных;
— аналогично предыдущему пункту, но с учетом особенностей смешанных каркасов;
— проведение сравнительного анализа полученных результатов расчета;
— привести графики для наглядного представления изменений ветровой нагрузки в зависимости от различных параметров;
— улучшения в методиках расчета, учитывая специфику различных типов зданий. Сделать выводы, которые могут быть полезны для проектировщиков и строителей.
Разработанный подход позволяет проводить предварительную оценку ветровых нагрузок для стальных и смешанных каркасных зданий с различными параметрами.
Таким образом, самый эффективный способ повышения надежности решений, принятых на стадии проекта, — верный учет всех вариантов возможных нагружений и различных воздействий на здание или сооружение.
Необходимы дальнейшие исследования для расширения области применения подхода к другим типам зданий и совершенствования методов расчета.
