Появление сооружений, деформативность которых во многом определяет нормальное протекание технологического процесса, заставило по-иному взглянуть на ветровую нагрузку, не ограничивая ее ролью участника только в прочностных расчетах. Все более широкое внедрение теории вероятностей и математической статистики в практику проектирования строительных конструкций потребовало сведений о вероятности ветров различной силы. Более того, расчет строительных конструкций на ветровую нагрузку стал неотделим от технологических вопросов, когда рассматривается общая надежность системы или выясняется ее оптимальное решение.
Совершенствование методики расчета сооружений, внедрение высокопрочных материалов привело к повышению гибкости конструкций и облегчению их веса, заставило отказаться от взгляда на ветровую нагрузку только как на статическую. Вопросы порывистости ветра важны при проектировании гибких сооружений, динамическое действие ветра на которые вызывает иную реакцию, чем на жесткие или массивные конструкции. Для сооружений, характерных большими периодами свободных колебаний, особенно у таких, ветровая нагрузка на которые определяет их прочность, нельзя ограничиваться учетом порывистого характера ветра только введением динамического коэффициента в статический расчет.
Ранее порывы ветра рассматривали в виде упругого удара на сооружение и учитывали это динамическим коэффициентом в расчете. При таком подходе оставался открытым вопрос о влиянии повторных порывов ветра, что привело к введению еще коэффициента повторяемости.
Ветровая нагрузка на сооружение зависит от скорости и порывистости ветра, параметров конструкции, включая ее динамические характеристики, аэродинамических коэффициентов формы, размеров и положения конструкции относительно потока. Аэродинамические коэффициенты определяют опытным путем.
Ветровая нагрузка на сооружение может быть определена по формуле
где n — коэффициент перегрузки, вводимый при расчете сооружений по предельным состояниям;
сх — аэродинамический коэффициент — коэффициент лобового сопротивления;
q — нормативный скоростной напор ветра на уровне середины рассматриваемого участка сооружения;
β — коэффициент, называемый динамическим, учитывающий реакцию сооружения на действие порывов ветра;
S — проекция площади сооружения на плоскость, нормальную к направлению ветра.
Здесь скоростной напор ветра
где ρ — плотность воздуха, зависящая от давления, температуры и влажности;
V — скорость ветра в м/сек.
На больших высотах, в условиях Крайнего Севера температура воздуха может быть ниже нормальной, принимаемой в стандартной атмосфере равной 15° С, что вызывает повышение расчетного скоростного напора ветра и что иногда учитывают в расчетах.
При неизменной температуре воздуха давление атмосферы с высотой понижается. Это приводит к снижению скоростного напора ветра вследствие уменьшения плотности воздуха. Чаще всего температура воздуха с высотой снижается, что, учитывая понижение атмосферного давления с высотой, позволяет оперировать с постоянным значением плотности воздуха, равным 0,125 кг·сек2/м4. Тогда скоростной напор ветра
Формула (2.1) показывает, что ветровую нагрузку на сооружение сначала необходимо определить приближенно, затем назначить размеры конструкции, после чего выяснить ее динамические параметры и, наконец, откорректировать величину динамического коэффициента, зависящего от периода свободных колебаний и логарифмического декремента затухания.
Сама природа ветра, когда на среднюю скорость накладываются порывы ветра (см. рис. 1.5), подсказывает представления ветровой нагрузки в виде двух компонент, одна из которых статическая, а другая — динамическая:
где n — коэффициент перегрузки, учитывающий возможное повышение нормативного скоростного напора q0. Он определяется из вероятности появления скорости ветра за больший промежуток времени, чем принятый при определении нормативной величины скоростного напора.
Если в формулу (2.4) ввести m — коэффициент пульсации скоростного напора, т. е. динамической добавки, определяемой статистическим путем (см. выше), ξ — коэффициент динамичности, учитывающий реакцию сооружения на пульсацию ветра, тогда расчетный скоростной напор ветра
или
где
— коэффициент, учитывающий динамический характер воздействия порывов ветра.
Действие порывов ветра на сооружение зависит от периода свободных колебаний и, что не менее важно, от затухания, характеризуемого чаще всего логарифмическим декрементом δ. Последний зависит от вида основного материала и конструктивного решения. Декремент затухания, определяемый опытным путем, принимают по данным о поведении подобных конструкций.
Динамические коэффициенты могут быть представлены в виде семейства кривых в функции периода свободных колебаний сооружения. На рис. 2.1 приведены графики для трех характерных групп: гибких стальных конструкций, металлических, деревянных и железобетонных и каменных, что следует из рекомендаций С-НиП. Эти графики являются осредненными для всех семи районов по интенсивности ветровой нагрузки.
Влияние порывов ветра на сооружение становится пренебрежимо малым, если период его свободных колебаний меньше 0,25 сек (см. рис. 2.1).
Период свободных колебаний сооружения определяют обычным путем, после чего по рис. 2.1 находят коэффициент ξ для рассматриваемого вида конструкций, а затем по формуле (2.7) — коэффициент β.
Для гибких сооружений, большепролетных мостов и др., характеризуемых значительно большим влиянием высших форм свободных колебаний, нельзя ограничиться учетом только основного тона. Например, вертикальные консольные стержни большой гибкости, что характерно для телевизионных башен, различных выставочных конструкций, монументов, оказываются перегруженными, если в их расчетах не были учтены вторая и третья формы свободных колебаний. В мачтах с оттяжками иногда учитывают и четвертую гармонику (проект СНиП).
Аэродинамические коэффициенты, связывающие сопротивление конструкций ветру и наветренную площадь, определяют по справочным материалам, основанным на исследовании моделей и, реже, натуры. Величина ветровой нагрузки зависит от абсолютных размеров сооружения, потому что среднее удельное давление на большое по площади тело, например щит, меньше, чем на подобное по форме тело, но меньших размеров.
Суммарная ветровая нагрузка на горизонтальные провода, канаты, а также на большой длины сооружения, по данным натурных наблюдений, оказывается меньше, чем следовало бы из рассмотрения постоянной по пролету наибольшей расчетной скорости ветра. Это учитывают понижающими коэффициентами при расчете проводов линий электропередачи и других конструкций.
Коэффициент перегрузки, вводимый в расчет прочности, зависит от назначения сооружения, планируемого срока службы и роли ветра в общем комплексе нагрузок. Для высоких сооружений и других, преобладающее значение ветровой нагрузки для которых, очевидно, коэффициент перегрузки принимают 1,3, т. е. выше, что и учтено СНиП.
Для проектирования радиомачт и телевизионных опор, опор линий передачи электрической энергии, конструкций подъемных кранов издают свои правила. Ветровую нагрузку на железнодорожные, автодорожные и городские мосты, канатные дороги, кабель-краны, перегружатели часто выделяют в отдельные нормативные документы, базирующиеся на основных нормах-стандартах.
^При проектировании уникальных сооружений, большепролетных мостов, выставочных павильонов, часто самой разнообразной формы, требуется более тщательное рассмотрение ветровой нагрузки, в котором наряду с рациональным назначением величины скоростного напора ветра большое внимание уделяют аэродинамическому комплексу вопросов. Часто без исследований моделей сооружения в аэродинамической трубе нельзя обойтись. Это, например, стало обязательным при проектировании, висячих мостов, радиотелескопов, радиомачт большой высоты.