автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка метода расчета сооружений башенного типа на нагрузку от порывов ветра

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНО'.!/ ОБРАЗОВАНИЙ

ОРДЕНА ДРУ1Ш НАРОДОВ УНИВЕРСИТЕТ ДРУШ НАРОДОВ яыели ПЛ1РЙСА ЛУ1ШШЫ

На правах рукописи

ИАЛАЕБ В МИД ФУАД

УДХ 62'и97'01б*042.'к69.032

-РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА. СООРУЖЕЩШ БАШЕННОГО ТИПА НА НАГРУЗКУ ОТ ПОРЫВОВ ВЕТРА

Споциадьяоси 05.23.01 - Строительные конструкции, эдашя и сооружения

Работа выполнена на кафедра строительных конструкций и сооруяешй Университета дружбы народов и из ни Патриса Лумуыбы.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.Г.Соколов.

Научный консультант -кандидат физико-иатеиатичесша наук, старший научный с огрудник Ы.А.Гусев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А.Б.ПуховскиЙ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник С.С.Нефёдов.

Ведущая организация - Государственный союзный проектный институт Министерства связи СССР.

Защита диссертации состоится ¿¿гРЯ-Я- 1991

з у^^час, на заседании специализированного совета К 053.22.20 по присукдению учёной степени кандидат технических наук в Университете друабы народов имени Патрисв Дуыуибы по адресу; 117923, Москве, ул. Орджоникидзе, 3, комн. 848.

С диссертацией, иокно ознакомиться в научной библиотек Университета дружбы.народов имени Датриса Луыуыбы (1X7198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, дом 6)»

. Автореферат разослан " &

Ученый секретарь специализированного совете,

кандидат технических наук,

доцент

„ 1991 ]

С.Н.Кривоиаш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнесть проблемы. Современные высотные сооружения рассчитываются на действие порывов ветра с использование« статистических методов и спектральных представлений¿ Вследствие несинхронного воздействия порывов на различные, участки высотных сооружений используется также корреляционная теория для учёта пространственной корреляции порывов. Учёт корреляции чрезвычайно важен, поскольку он сникает расчетную динамическую ветровую нагрузку на сооружение.

В настоящее время в строительных нормах различных стран используются различные методики расчёта сооружений на воздействия ветра с учётом пространственной корреляции •порывов. Среди них иохно отметить методику Давенпорта , на которой основаны нормы Канады и некотс^цос других стран; методику Велоции и Коэна, ва которой основаны нормы CIA, а также нормы СССР, включающие как положения' методики Давенпорта, так и некоторые собственные разработки.

К недостаткам указанных методик следует отнеоти:

1) Отсутствие достаточно четких и ясных обоснований некоторых основополагающих положений, в частности кйсавщих-ся введения коэффициентов корреляции порывов ветра.

2) Отсутствие замкнутых аналитических выражений и представление основных функций в виде номограмм с весьма грубой логарифмической сеткой приводит к существенный ошибкам при расчете.

3) Ограничение в использовании форм колебаний в виде прямой линии, вращающейся у основания в методике Давен-, порта, и квадратной параболы в нормах СССР.

4) Наличие в достаточной степени противоречащих друг другу полоаений и гипотез, используемых в различных иетодит ках. Так, например, использование представлений об объемной корреляции в методике Велоции и Коэна и представлений

о плоской задаче согласно методике Давенпорта.

5) Отсутствие сравнений результатов, полученных по указанным методикам, с результатами натурных испытаний поведения сооружений при воздействии порывов ветра, а также, сравнение методик друг с другом.

В связи с этим представляется целесообразный разработка достаточно простой инженерной методики, основанной на ясных физических представлениях и математическом аппарате, используемой в строительной механике, и сравнение результатов, выполненных в помощью ее расчетов как с результатами расчёта по другим, указанный выше методикам, гак и с данными натурных експергшентов.

Цель работы состоит в разработке инженерной методики расчёта высотных сооружений консольного типа на воздействие порывов ветра с учетом пространственной корреляции 'порывов и математического программного обеспечения для её практического использования.

Научная новизна работы заключается в том, что в отличие от существующих методик расчёта высотных сооружений ва воздействие порывов ветра, представленных набором номограмм и таблиц, разработана методика аналитического расчета и соответствующее ей программное обеспечение.

Составлены алгоритмы и отлажены программы для решения вадач на ЭВМ.

Впервые произведено сравнение результатов расчёта по предлагаемой методике с результатами натурных исследований действительной работы высотных сооружений в турбулентном ветровом потоке (на примере Останкинской телебашни.).

Практическая ценность. Разработанная методика расчёта сооружений ва воздействие порывов ветра с учётом пространственной корреляции пульсации скорости ветра может быть ис^ ' пользована при проектировании высотных соорувений консольного типа (башни и высотные здания, дымовые и вентиляционные трубы) высотой от 50 до 500 ы как с постоянным, так и с меняющийся по высоте сечением. При этой может быть исполь човая любой реальный вид первой формы собственных колебаний.

На защиту выносятся следующие результаты.

- Аналитическая методика расчёта высотных сооружений на воздействие порывов с учётом корреляции пульсаций ско-

,5

рости ветра и математическое программное обеспечение к ней."

- Сопоставление результатов расчёта сооружений башенного типа и высотных зданий с помощью разработанной методики, а также ранее существующих методик расчета (методик Давенпорта, Велоции и Коэна, а также строительных норм СССР).

I - Сопоставление результатов расчёта по разработанной методике о результатами натурных испытаний действительных перемещений высотных сооружений под действием порывов ветра. (На примере останкинской телевизионной башни в Москве).

Апробация работы. Отдельные разделы и работа в целом докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры строительных конструкций и сооружении УДН, на научно-технических конференциях инженерного факультета УДЧ. (г. Москва, 1987 -1990 гг.).

По результатам исследования опубликованы две работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и 2 приложений. Общий объем работы 175 страниц, в юм числе 100 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 31 таблица, список использованных источников из 88 наименований, в том числе 30 зарубежных.

СОДШАШЕ РАБОТЫ

Первая глава' содержит обзор существующих методов расчёта сооружений на воздействия ветровых нагрузок. Этой проблемой занималось большое число ззрубекных (А.Дэвенпорт, С.Велоции, Е.Коэн, Е.Сигив, Р.Сканлан, И.Лвахани и др.) и отечественных (М.Ф.Бгрштейн, А.Г.Соколов, А.П.Авхиаков, Б.В.Остроумов, М.М. Ройтштейн, С.с.Нефедов, А.А.Петров, П.А.Гусев, Г.А.Брикман и др.) ученых.

По традиции ветровая нагрузка делится на .статическую и динамическую составляющие. Схатическая составляющая соответствует средней скорости ветра, а динамическая - пульса-ционноЛ составляющей, представляемой в виде энергетического

спектра, дающего зависимость энергии порывов ветра от частоты или длины волны.

Во всех существующих методиках используется спектр порывов ветра Давенлорга, который имеет вид

Где ' ¿Г - средняя скорость ветра на стандартной высоте ■ анемометра (10 и)j k. - коэффициент лобового сопротивления подстилающей поверхности, принимаемый в первой приближении равным 0,005 для открытой местности; 0,01 - для лесных массивов и жилых окраин городов; 0,04 - для центров городов

и - fiL/y. _ приведенная частота, где L = 1200 и -масштаб длины.

Далее в главе первой последовательно рассматриваются методики расчёта А.Девенпорта, М.Ф.Барттайна и С.Взлоции и Р.Коэна, лежащие в основе норм Канады СССР и США.

Главным расчетным параметров методики Давенпорта является так называемый коэффициент порыва С , определяемый формулой:

G^i* я1 (2)

в которой $ - фактор пика, определяется г зависимости от периода осреднения и частоты колебаний конструкции;

£ - фактор шероховатости определяется в зависимости от высоты соорукения; ' ß - фактор фонового возбуждения, . определяется в зависимости от высоты сооружения; Ц - возбуждение от турбулентности, находящейся в резонансе с сооружением, определяется в зависимости от размеров сооружения, от отношения энергии порывов, от физических свойств материала данное конструкции.

Пространственная корреляция порывов ветра согласно методике Давенпорта определяется в плоскости, представляющей собой наветренную, площадь соорукения. По данной методике корреляция представлена модулем коэффициента корреляции, для которого на'основе испытаний в аэродинамической трубе и в естественных условиях для всех частот принята аппроксимация

А«о = ехр(-а I(„

Где С=-8 - когда рассматривается корреляция по высоте адания, С* = 20 - по ширине.

Форма колебания сооружения принимается в виде прямой линии, вращающейся у основания, высшие формы колебаний не учитываются.

При определении суммарной ветровой нагрузки на сооружение статическая составляющая умножается на коэффициент порыва 6 .

Методика Давенпорта представлена в виде набора номограмм для определения значений коэффициентов, содержащихся в формуле (2). Номограммы представлены в логарифмических координатах с весьма грубой сеткой, чт затрудняет их использование и существенно снижает точность расчёта.

Согласно советским нормам, корреляция порыва ветра также принимается в плоскости, перпендикулярной направлении ветра, представляющей собой наветренную площадь сооружения. В качестве спектра порывов используется спектр Давенпорта, для описания первой формы колебания принимается квадратная' парабола. Корреляция на высших формах не учитывается, т.е. коэффициент корреляции принимается равным единице.

Методика Велоции и Коэна, лежащая в основе норм США, во многом использует положение методики Давенпорта, включая его спектр, основным стличием в ней является модель учёта пространственной корреляции пульсации скорости ветра.

В отличие от вышеописанных моделей корреляции, рассматривавших корреляцию в плоскости, модель Велоции и Коэна учитывает её в объеме призмы, заключающей в себе сооружение. При атом боковые размеры призмы равны учетверенным боковым размерам сооружения. В результате методика Велоции и Коэна дает меньшее значение динамической ветровой нагрузки, чем . методики, использующие представление о корреляции в плоскости, особенно для сооружений с малой величиной отношения высоты к ширине.

Во второй главе выводится выражение для определения . динамического момента в основании высотного сооружения кон-

2-334

сольного типа с учётом пространственной корреляции порывов ветра. При этом используется энергетический спектр пульсации скорости ветра Давенпорта в аналитической форме.'Это выражение имеет вид:

О* /у £

М/ш, = [ | тьатуЬ) Ш.е^Щей]

0 0 ^

В котором: -Р - плотность воздуха; Сх - коэффициент лобового сопротивления; К - коэффициент динамичности;

- площадь Меделевого сечения; V - скорость ветра; с-еллж<г' _ коэффициент корреляции; коэффи-

циент пульсации скоростного напора определяется с помощью выражения: -

Где (¿а. - коэффициент обеспеченности; Л - частота пульсации скорости ветра;. К - коэффициент сопротивления подстилающей поверхности; - показатель степени; - спектр Давенпорта.

С помощью выражения (3) определяется динамический коэффициент Р

Р = i + (в)

Иск

(5)

для трёх высотных сооружений консольного типа высотой 100, 300, 500 м и частотой колебаний I, 0,2, 0,1 Гц соответственно.

Результаты расчёта представлены на рис. 1-3 в виде спектра динамического момента в основании сооружений. При этом для каждого сооружения предста зны три варианта расчета: без разложения нагрузки по форме колебаний, с учетом формы колебаний в виде прямой линии, вращающейся у основания, и также в виде квадратной параболы.

Расчёт производился с использованием разработанной автором программы KONS iP-

S/t'jwj [Kt'fl'.ct/Q

W.to1

/oJ ¡jo'* ш* to* гм1 TcF J1er1 Dr3 i

Рис./. Спектральная функиия динамического номента. дм Сооружений ¿utomoü.tt. 100* , </астаггой Ufí ira.

_у у} та. Qcftf-t xMeJoj/uM-

__С учётом ферыи //ttql прямой Линии

___С учётом рорни / fucfe rfayiaâhjiu.

Sh^ [кг*h*.сек]

to1 глоШ* là* гы1 t./а1 со-1 г to* ш

Рил. i . Стктрсинная функция динамического но мен/па для Соор/жсний /шестой А Зьон., tac/na/fou о,г ru.

-У?¿we. форя каяе5амсш.

,----С учётон tpoßHi/ if fuge npj/sou JuHiui.

; , ,—— С учётам </>орнн f Sage, trd^raâann.

ShL

9.10

0.000

\

\\\

/er* s.itf' bio* IS1' г.ю-«■ f.Ar* др 2./o-' 4/ar' i г

Рис.3. Спектралнам функция динаттского понента. а А Л Сооружений ///сотой fl.soon. частл/rtôu. 1¿S~* o.J ru.

_ ¿vena. <fop/-t нолеЯхиим..

___С yve/rtoH Фор ни f /иде лрл/i'ou Асшиа.

---С fVt/noAt форми f п&рлх!5ли.

Ус*]

f

>îl? o- S s к S Î2

О N £ Ni Ul S Q <r» Ci vn N

Ч. • N Ni fo VÍ is S to См >í S Vf £ «M -M S «M •>~î CvJ tn K> Ns

£ & v> S ю S>- S ici Nï S). s V Й S M

С» «О «NI »o »o 0« Й й «o vs Ne ? Со tc s §

«Ni CS >s tí «NJ N tí >4 «M tí 4« tí

§ О 8 1 s о 8 tí S es s 1 §

о 3 3

ч! g

о V* 1 3

ib «m i ! о ч 5 S fc 4: Vo 3-Ч il ■lis*!

* tu * 1

1 4 ж *

.Как следует из рисунков, спектр динамического момента имеет два явно выраженных максимума. Один, квазистатический максимум, расположенный около частоты максимума спектра порывов ветра. Второй, резонансный, расположен на частоте собственных колебаний сооружений, вклад этого максимума возрастает с увеличением высоты сооружения. Кэ рисунков следует также, что значение динамического момента во всем диапазоне рассматриваемых частот наименьшее при испольтовации формы колебаний в виде квадратной параболы.

Значения динамического коэффициента рассчитаны для всех указанных случаев по формуле (б), представлены в таблице I. Из таблицы следует, что коэффициент р. уменьшается с увеличением высоты сооружений.

Далее, в целях сравнения,производится расчет трёх указанных сооружений с помощью норы СПСР и методики Давенпорта .

Результаты сравнения представлены в табл. 2, откуда еле-, дует, что наибольшее значение динамического коэффициента по-, лучается при использовании методики Давенпорта. Наименьшее значение р. имеет место при расчете по методике, разработанной в настояцей работе.

Таблица 2.

Рассчитанные значения динамических коэффициентов.Р. " по трем методикам

■—^_Jb6/coma, Н, (W) M&fioflif facremcC- iOO 300 500

ра^ра&о/л елках /feMoguKtx- • 1,343 1.291

Методика Да^е///ю//гга.. 2,600 ¿,730 1,590

/Y е/ггод'иха. С Ми/7а.. /J 51 i,m У, «5

Результаты расчёта по нормам СССР занимают промежуточные значения. Расхождения между результатами расчета по предлагаемой методике и методике Давенпорта составляют: для сооружения с И - 100 м - для сооружения Н = 300 и -28 Ъ, для сооружения И - 500 и - 12$. Расхождения с расчетами по нормам СССР составляют для сооружения Н = ICC м - 6%t

il

Н = 800 ы - 5 Н = 500 м - Ь % .

Таким образом, сходимость с результатами расчета по нормам СССР весьма хорошая, что свидетельствует о правильности исходных предпосылок предлагаемой методики и возможности её использования при расчёте высотных сооружений консольного типа.

В третьей главе разработанная негодика расчета используется длп определения динамических ветровых нагрузок от порывов ветра на три высотных зданий высотой 60,150,300 м с квадратным поперечным сечением размером 20,40,80 м соответственно, частота собственных колебаний по первому тону принимается равной соответственно 2, 0,5, С,2 Гц.

Расчет производится с помощь» выражения

СТ Г/гу<Г ' 2

(У)

, .c/)v:'x

В которой: Ь - ширина здания; С - коэффициент, учитывающий корреляцию по ширине здания, С' - 20 -коэффициент спада.

В результате расчета, полученные значения динамического момента Р приведены в таблице 3. В этой же таблице приведены результаты указанных зданий по методикам Велоции и Коэна, Давенпорта и по нормам СССР.

Из таблицы следует, что наименьшее значение динамического коэффициента даст методика Велоции и Коэна, что объясняется учетом корреляции в объеме, наибольшее значение Р для сооружения 60 и дает методика Давенпорта, для здания высотой 150 м значение Р , полученное по нормам СССР и методике Давенпорта, почти одинаковы, для здания высотой 800 ы значение Р , рассчитанное по советским нормам, больше,, чем f , рассчитанное по методике Давенпорта.

Значения / , рассчитанные по разработанной в диссертации методике, занимают среднее положение. Необходимо также отметить, что все используемые методики расчета дают умень-

H

h

MM

Метод и ' расчёта. V ¿lf (,m) H С/О С со L Р

Предлагаема. Z0 z 60 го 20 2,2.76

0,5 /50 40 i/O

0,2 300 80 80 i б Ю

США 20 г 60 20 го SO

QS /50 Ï0 40 J,670

о,г 300 80 80 1*50

Канала. го L 60 to го 2,380

0,5 /50 40 to 2,090

0,2 300 80 80 1,7a О

СССР 20 г 60 го г, m

0.5 (50 Í0 to г,/зо

о.г зоо so so /,750

/aaJjiuuotà' Лтисленме$начени* дшюл&гес/сссх коэФФ<ме#то&• /I по (гемерё* Me/ttogiLXaMH

ñemogu paahrux.

И

(ri

Ur

(Л)

У (*>

и

Mer

Y.rt

M,**

T. M

/far

по ней* yp m*Ai uccAeflofaffucrt

no предлагаемой ffemogurte

по Me томила СНиМл. 1.6.71

529

0,073

/60

по /fe/подике Велбиии. а. Коэма.

ojts

0.Г

0.0(5

132/Í.U

fto Mc/Ttogct-ке

tazntí

ло fie*togu-it& O/uJa. 2.01.07-SS

/32/Ш

iûZlM

fszitM

6532, Sir

1В2№</

722IJI

7*33,65

39/9,3S

IOS96,/2

Сра-^ntHuçpe<¡yMMourt4#рсияёутга ûatutMjamc/fotL /nejeSiuujftt-Hagu/Kiffa.reckgt6 /е/ггро/ук> HotpfâKtf с маяу/нюми. ßa**it/fa.

шение значения Р с увеличением высоты зданий.

В четвертой главе проводится расчет Останкинской телебашни на реальную ветровую нагрузку, исходя из профиля ветра, замеренного ветроизмерительными приборами, размещенными на различных высотах ствола телебашни.

Результаты расчёта сравниваются с данными сб амплитудах колебаний ствола телебашни, полученных на трех измерительных уровнях, синхронно с измерениями профиля ветра.

Вначале производится расчёт собственных частот и форм колебаний ствола телебашни с помощью программ Рама - I, Рама - 2, разработанных вЦНИШСК им. Мельникова, с предварительной разбивкой ствола на 18 участков, обладающих массой, наветренные площади. Затем производится сбор ветровых нагрузок и расчёт динамического момента по предлагаемой методике, при этом используется программа KONSI1 для расчета высотных сооружений с меняющимся по высоте поперечным сечением, используются разные значения демпфирования для железобетонного ствола и стальной антенны: Ser = 0,3;

SZf. =0,15.

В таблице Ч приведены значения динамического коэффициента для Останкинской телебашни, полученные по четырем указанным.методикам,.там же приведены значения ' £ , полученные из натурного эксперимента. Как видно из таблицы, натурный эксперимент дает наименьшее значение коэффициента Р , равное I, I, наиболее близкое к экспериментальному значение имеет динамический коэффициент, полученный по . методике, разработанной в диссертации ( Р ~ 1,34). Значения Р , полученные по другим, методикам, дают большие расхождения с экспериментом.

Общие выводы

1) Выяснено, что используемые в различных методиках физические и математические модели корреляции существенно отличаются друг от друга, что приводит к различию в конечных результатах, полученных на основании этих методик.

2) Наименьшее значение динамического коэффициента дяет методика Велоции и Козна, учитывающая объемную корреляцию пульсации скорости ветра и лежащая в основе ямерикан-

ских норм. Наибольшее значение Р. дает методика Да-венпорта, основанная на определении корреляции в плоскости, перпендикулярной направлению ветра. Результаты расчета коэффициентов Р. по другим методам (включая нормы ИСР) лежат в промекутке между результатами, полученными вьш названными методами.

3) К существенным недостаткам рассмотренных методик можно отнести их представление в виде набора номограмм

с весьма грубой координатной сеткой при отсутствии замкнутых аналитических выражений, а также ограниченное представление Форм колебаний сооружений (у Давенпорта - прямая линия, вращающаяся у основания, в норнах СЗСР - квадратная парабола) не позволяет учесть влияние многообразия форм колебаний на конечные величины коэффициентов динамического воздействия'

4) В настоящей работе разработана сравнительно простая аналитическая методика расчёта высотных сооружений консольного типа (башен и зданий) на динамическую ветровую нагрузку о учётом пространственней корреляции пульсации скорости ветра. £та методика дает возможность оценивать динамические эффекты как на резонансных частотах, так и в низкочастотной (квазистатической) области спектра ветрового воздействия, а также исследовать влияние форм собственных колебаний сооружений.

5) С помощью разработанного метода проведен расчет трех баиенных сооружений высотой ЮС, 300, 500 м, с постоян ним по высоте сечением, а также исследовано влияние форм колебаний на величину расчетной динамической реакции. В результате установлено, что динамический коэффициент ветра на сооружении уменьшается с увеличением высоты сооружения. Изменяется также вклад резонансного участка спектра реакции, а именно с увеличением высоты возрастает доля резонансной части и соответственно уменьшается доля реакции в квазисгатической области спектра. Учёт формы в виде квадратной параболы приводит к существенному (до уменьшению расчетной динамической ветровой нагрузки на сооружения по сравнению с Формой колебаний в виде прямой линии.

6) Применение разработанной методики к рлочету внеот-

ных зданий (высотой 60, 150, 300 м) и сравнение результатов этих расчетов с результатами расчета по другим методикам показывает, что наииеньшее значение динамического коэффициента Я дает методика Велоции и Коэна, а наибольшее - методика Давенпорта. Результаты, полученные по разработанной цетодике, находятся между нормами СССР и американскими нормами.

?) Для проверни разработанной методики с ее помощью осуществлен подробный расчет реального сооружения Останкинской телебаини на натурно-измеренную ветровую нагрузку (с помощью ыетеокоиплекса, разделенного на телебашне). Результаты расчета по разработанной методике сравнивались с результатами, полученными в ходе натурных испытаний амплитудами колебаний телебашни от порывов ветра (колебаний вдоль направления ветрового потока). Сравнение показало, что наиболее близкими к экспериментальный являются результаты, полученные с поиощьо метода, разработанного в настоящей диссертации. Это можно, по-видимому, считать'достаточной проверкой правильности предлагаемого метода и во&чожиости его использования для расчёта сооружения подобного класса.

Основное содержание диссертации изложено в работах;

1. Соколов А.Г., Гусев М.А., Авхимков А.П., Малае.б В.Ф, Новый метод учёта пространственной корреляции пульсации скорости ветра при расчете сооружений на динамическую ветровую нагрузку. - М., 1990 г. - с. - Деп. во ВНИШШШ 28.07.90 г., не 10264, - * ,

2. Малаеб Валяд, Методические указания к определений) : динамической части ветровой нагрузки на высотные здания

и сооружения. Учебное пособие. - М.: Изд-во УДИ (в печати).

Темагачэекий план 1991 г.,. JS 238

Подписано к печати 22.04.91. Формат 60х90Дб. Ротапринтная печать. Усл.печ.л. 1,0. Уч.-изд.л. 0,3?. Усл.кр.-отт. 1,25. 1 Тираж 100 экз. Заказ 334. Бесплатно Издательство Университета дружбы народов

_117923. ГСП-Г. Москва. ул.Отшжониюздзэ.З_

Типография издательства" УДЙ '

117923, ГСП—I, Москва, ул.Ордноникидзэ,3