УДК 624.04:519.6

ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ НА СООРУЖЕНИЯ В ВИДЕ ДАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ВЕТРОВОГО ПОТОКА

Земцова Ольга Григорьевна1, Шеин Александр Иванович2, Бочкарев Роман Вадимович3
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика».
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, доктор технических наук, профессор кафедры «Механика».
3Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, аспирант кафедры «Механика»

Аннотация
Статья посвящена решению задачи нахождения динамических параметров ветрового потока. Решение основано на использовании диаграмм записей скорости ветра в зависимости от времени, сопровождается математическими выкладками и представлено в виде формул. Эти формулы могут быть использованы как в реальном проектировании, так и при моделировании ветровых нагрузок в исследованиях.

Ключевые слова: ветровые нагрузки, давление, переменный ветровой поток, формула, формулы


WIND LOADS ON STRUCTURES IN THE FORM OF VARIABLE PRESSURE WIND FLOW

Zemtsova Olga Grigorevna1, Shein Alexander Ivanovich2, Bochkarev Roman Vadimovich3
1Penza State University of Architecture and Construction, Ph.D., associate professor, chair "Mechanics"
2Penza State University of Architecture and Construction, Doctor of Technical Sciences, Professor, chair "Mechanics"
3Penza State University of Architecture and Construction, graduate student, chair "Mechanics"

Abstract
Article is devoted to solving the problem of determining the dynamic parameters of the wind flow. The solution is based on the use of diagrams records wind speeds depending on the time, accompanied by mathematical calculations and presented in the form of formulas. These formulas can be used as a real design, and the wind load when modeling studies.

Keywords: pressure, variable wind flow, wind loads


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Земцова О.Г., Шеин А.И., Бочкарев Р.В. Ветровые нагрузки на сооружения в виде давления переменного ветрового потока // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/11/40138 (дата обращения: 02.06.2017).

В задачах динамического расчета [1,2,3], в задачах моделирования работы сооружений [4,5,6,7,8], и при учете факторов длительного воздействия [9,10] целесообразно использовать наиболее рациональные и удобные для реализации параметры динамических воздействий. В связи с этим желательно иметь формулы для определения этих параметров. В данной работе приведен вывод формул для нахождения динамических параметров ветрового потока.
Скорость и направление ветра в данной точке пространства считаются непостоянными, зависящими от области, высоты над уровнем моря, времени. На рис.1 изображен график зависимости скорости ветра от времени, из которого видно, что скорость ветра осциллирует или пульсирует около среднего значения Vc. Это явление обычно называют порывистостью.

Истинную скорость турбулентного потока можно записать как сумму средней Vc и пульсационной Vp скоростей (рис.1):
                                        ,                                        (1)
где Vc в некоторой степени зависит от интервала усреднения.
Заметим, что в СНиП 2.01.07-85* предположено, что колебания скорости ветра около среднего значения не вызывают изменения знаков усилий и напряжений в большинстве элементов сооружений. Поэтому в нормах ветровую нагрузку we на сооружение представляют в виде статической составляющей wm, соответствующей средней скорости ветра Vc (рис. 1), и динамической добавки wp (пульсационной составляющей, которая соответствует разности между средней и истинной скоростями ветра):
                                ,                                        (2)
где γf – коэффициент надежности по ветровой нагрузке, равный 1,4; wm – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на высоте z над поверхностью земли; wp – нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки на высоте z(динамическая добавка, вызванная пульсацией воздуха, найденная с учетом коэффициента динамичности).
То есть воздействие ветра оценивается из решения статической задачи с увеличенной, с помощью динамического коэффициента, нагрузкой.
Ветровая нагрузка зависит от формы конструкции и ее элементов, положения сооружения по отношению к ветровому потоку, обтекаемости сооружения и его элементов. 
На основе формулы Бернулли и того обстоятельства, что в собственно ветровое давление преобразуется лишь некоторая часть потока, величина ветрового давления на сооружение равна: 
                                ,                                        (3)
где долю скорости напора, которая переходит в ветровое давление, определяет динамический коэффициент c.
Если предположить, что направление вектора скорости ветра на данном участке в течение некоторого промежутка времени постоянно, то можно замерить и записать (или смоделировать) изменение скорости ветра во времени.
Динамический характер ветрового воздействия, повторяемость силовых воздействий, определяется именно пульсационной составляющей скорости.
Подставляя сумму скоростей (1) в (3), получим
                                                                (4)
или
                                                        (5)
или
                                                                                (6)
Здесь
                                ,                                        (7)
                        .                                (8)
где q0 – статическое или среднее давление, которое может быть найдено по СНиП, аналогично wmqП – пульсационное давление.
Описать характер изменения пульсационной составляющей скорости ветра какой-либо функцией чрезвычайно сложно. Тем не менее, функцию пульсационной составляющей можно представить приближенно синусоидой, стараясь, прежде всего, описать такое наиболее важное (и опасное) свойство ветровых пульсаций, как повторяемость.
                                ,                                (9)
где Vp(0) – амплитудное значение Vpθ1 – частота пульсаций, αn – начальные фазы колебаний пульсационной составляющей ветрового потока, с помощью которых можно приближено учесть его турбулентность и смоделировать формы пульсаций соответственно собственным формам колебаний. Начальные фазы можно определить по вектору соответствующей формы собственных колебаний башни
                                        ,                                (10)
где yn – значение той компоненты собственного вектора, которой соответствует горизонтальное перемещение n-го яруса. Срывы вихрей со здания или сооружения  можно легко смоделировать разностью фаз узловых нагрузок одного уровня.
Определение совокупности переменных параметров давления ветрового потока на каждое сооружение является весьма сложной задачей динамики. Однако, при расчете рационального демпфирования сооружения необходимо знать его действительный одновременный отклик на турбулентное ветровое и на демпфирующее воздействия, учитывать, что величина и направление скорости ветрового потока непрерывно изменяются, то есть необходимо ставить и решать динамическую задачу. 
Итак, с учетом пульсации ветрового давления узловая нагрузка, собранная с некоторой «грузовой площадки» в МКЭ может быть представлена, в виде:
                                ,                                        (11)
где n – номер узла, Pст – статическая составляющая ветровой нагрузки, Pp,n(t) – амплитудное значение динамической составляющей ветровой нагрузки.
Для того чтобы отразить изменение направления пульсирующего потока в некотором секторе, т.е. повороты пульсирующей составляющей в горизонтальной плоскости, разложим динамическую составляющую Pp,n(t) по двум взаимно-перпендикулярным направлениям в горизонтальной плоскости угла наклона потока: 
                        ,                        (12)
где φ – половина центрального угла сектора поворотов ветрового потока
                                                                                (13)
                                        ,                                        (14)
где T2 – период горизонтального поворота ветрового потока.

Библиографический список
  1. Шеин А.И. Решение многопараметрической задачи динамики стержневых систем методом сеточногй аппроксимации элементов // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 2. С. 27-31.
  2. Шеин А.И., Зайцев М.Б. Метод смещенных разностей для решения систем дифференциальных уравнений движения механических систем // Строительная механика и расчет сооружений. 2012. № 2. С. 38-41.
  3. Шеин А.И., Бакушев С.В., Зайцев М.Б., Земцова О.Г. Гашение колебаний высотных сооружений в 3 ч. / Часть 1. Современное состояние проблемы. Пенза: ПГУАС, 2011. 234 с.
  4. Шеин А.И., Шмелев Д.А. Оценка эффективности активного жидкостного гасителя колебаний высотных сооружений при нестационарных воздействиях // Строительная механика и расчет сооружений. 2014. № 1(252). С. 59-63.
  5. Шеин А.И., Земцова О.Г. Схемы и теория гасителей пространственных колебаний сооружений // Региональная архитектура и строительство. 2010. № 1. С. 45-52.
  6. Шеин А.И., Земцова О.Г. Снижение уровня колебаний системы «упругое основание – высотное сооружение» с помощью нелинейного динамического гасителя // Региональная архитектура и строительство. 2011. № 2. С. 83-90.
  7. Шеин А.И., Земцова О.Г. Оптимизация многомассовых гасителей колебаний при гармоническом воздействии // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2010. № 1. С. 113-122.
  8. Шеин А.И., Шмелёв Д.А. Построение и реализация математической модели гашения колебаний высотных зданий с помощью реактивных гасителей //Региональная архитектура и строительство. 2014. № 1. С. 96-103.
  9. Шеин А.И., Завьялова О.Б. Влияние физической нелинейности бетона на напряженно-деформированное состояние элементов монолитных железобетонных рам, рассчитываемых с учетом истории нагружения // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 8. С. 29-31
  10. Шеин А.И., Завьялова О.Б. Расчет монолитных железобетонных каркасов с учетом последовательности возведения, физической нелинейности и ползучести бетона // Строительная механика и расчет сооружений. 2012. № 5. С. 64-69.


Все статьи автора «Земцова Ольга Григорьевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: