Страница 21: ДБН В.2.2-24:2009. Проектування висотних житлових і громадських будинків (30154)

В.3 Резонансне вихрове збудження та аеропружна нестійкість

В.3.1 Вихрове збудження

Вихрове збудження відбувається, коли вихорі почергово сходять із протилежних боків будинку. Це явище створює змінні навантаження, перпендикулярні до напрямку вітру. Резонансне вихрове збудження виникає, коли швидкість вітру дорівнює критичній швидкості Vкр.,i. Частота виникнення і тривалість умов критичної швидкості визначають кількість циклів навантажень, яка впливає на утомну міцність конструкції.

Ефект вихрового збудження підлягає дослідженню, коли відношення найбільшого до найменшого розмірів перерізу будинку h/b площиною, перпендикулярною до напрямку вітру, перевищує 7 і при цьому не виконується умова (В.24)

(В.24)

де Vкр.,i. - критична швидкість вітру для збудження згинальних коливань за i-ю формою визначається як найменша швидкість вітру, за якої частота генерації вихрів дорівнює власній частоті коливань будинку або його елемента, і розраховується за формулою (В.25);

Vmax(z) - максимальне значення середньої швидкості вітру (осереднення на 10 хвилинному інтервалі) з урахуванням типу оточуючої місцевості і нахилу рельєфу на висоті z, де відбувається схід вихорів, яке визначається за формулою (В.27)

(В.25)

де b поперечний (відносно напрямку вітру) розмір горизонтального перерізу будинку, на якому має місце вихрове резонансне збудження, м;

- власна частота згинальних коливань за i-ю формою, Гц. Основна частота згинальних коливань f1 для багатоповерхових будинків заввишки понад приблизно може бути оцінена за формулою

(В.26)

де h - висота будинку, м;

- число Страхуля поперечного перерізу;

- частота сходу вихорів при швидкості повітряного потоку V.

(В.27)

де - базова швидкість вітру, яка визначається характеристичним значенням вітрового тиску Wо для потрібного вітрового району;

сrel - коефіцієнт рельєфу згідно з 9.11 ДБН В.1.2-2;

= 1,25 кг/м3 - густина повітря в стандартних умовах.

Число Струхаля визначається експериментально або за довідковими даними. Для поперечних перерізів прямокутної форми із співвідношенням розмірів 0,5d/b10 число St визначається за даними таблиці В.2

Таблиця В.2 - Значення числа St для перерізів прямокутної pформи

В.3.2 Галопування

Аеропружна нестійкість типу галопування можлива на ділянках азимуту вітру, де виконується умова аеропружної нестійкості (В.28). При цьому конструкція будинку здійснює самочинні поперечні відносно швидкості повітряного потоку аеропружні згинальні коливання на одній із власних частот. Причиною коливань є змінна аеродинамічна сила, обумовлена зміною ефективного кута натікання повітряного потоку при коливаннях будинку, яка змінює знак сумарного демпфірування і сприяє коливанням конструкції.

(B.28)

де сха - аеродинамічний коефіцієнт поздовжньої сили;

- похідна аеродинамічного коефіцієнта поперечної сили за азимутом.

Для уникнення явища галопування повинно бути гарантовано виконання умови

(В.29)

де - критична швидкість галопування;

- число Скратона, що характеризує схильність тіла до коливань, яка залежить від демпфірувальних властивостей конструкції і співвідношення маси конструкції і повітряної маси;

- логарифмічний декремент затухання коливань, що характеризує демпфірувальні якості конструкції;

m - еквівалентна погонна маса конструкції (маса конструкції на одиницю довжини).

Значення параметра ag визначається за результатами аеродинамічного експерименту або за довідковими даними. Для тіл із поперечним перерізом прямокутної форми можна використовувати дані, наведені в таблиці В.3. За відсутності даних використовується значення = 10.

Якщо критична швидкість вихрового резонансу і критична швидкість галопування знаходяться у співвідношенні (В.30), то має місце ефект взаємодії між вихровим резонансом і галопуванням. У цьому випадку потрібно звертатися за порадою до спеціалістів

(В.30)

Таблиця В.3 - Значення критерію ag для перерізів прямокутної форми

В.3.3 Дивергенція і флатер

Аеропружна нестійкість типу дивергенції і флатера можлива для гнучких плоских конструкцій на ділянках азимуту вітру, де виконується умова (В.31) аеропружної нестійкості в зміні аеродинамічного крутного моменту

(В.31)

Ця умова відповідає збільшенню крутного моменту при закручуванні конструкції відносно вертикальної осі із стану рівноваги. Величина похідної визначається в аеродинамічному експерименті або за довідковими даними.

Для уникнення явища дивергенції для тіл плоскої форми повинна виконуватися умова

(В.32)

де - критична швидкість дивергенції;

- жорсткість на крутіння поперечного перерізу споруди;

d - розмір перерізу в напрямку вітру;

Vmах (zl) - середня швидкість вітру на заданій ділянці висот l.

Для призматичних тіл аеродинамічна умова виникнення явища дивергенції має вигляд

(В.33)

За виконання умови (В.33) можливе виникнення крутних коливань на одній із власних частот за аналогією з галопуванням внаслідок зміни знака сумарного демпфірувального крутного моменту.

Для уникнення явища дивергенції для призматичних тіл повинно бути гарантовано виконання умови

(В.34)

де критична швидкість дивергенції визначається виразом

(В.35)

де - власна частота крутних коливань конструкції;

г - радіус інерції поперечного перерізу відносно центра інерції;

m - погонна маса.

За наявності умов виникнення аеропружних коливань вживають заходів щодо змін в конструкції будинку, застосування гасників коливань і аеродинамічних пристроїв для зменшення амплітуди коливань будинку. Якщо неможливо уникнути умов резонансу, проводяться розрахунки інерційних сил, що діють на конструкцію будинку при його коливаннях, максимальних амплітуд коливань і кількості циклів змінних навантажень в умовах вихрового резонансу за період експлуатації будинку для перевірки конструкції на витривалість.

В.4 Спеціальні аеродинамічні випробування

До спеціальних аеродинамічних випробувань належать дослідження, не пов'язані з визначенням вітрових навантажень, але обумовлені іншими факторами вітрового впливу, які є значимими в сфері будівництва.

В.4.1 У дослідженнях аеродинамічного впливу вітру на умови роботи вентиляційних систем визначаються відносні значення перепадів повітряного тиску в і-х місцях виходу систем на покрівлю по відношенню до атмосферного тиску в залежності від азимуту вітру. Із порівняльного аналізу тиску всередині приміщення і на виході вентиляційної системи можна зробити висновок щодо напрямку природного руху повітря у вентиляційній системі і визначити перепад тиску в системі в залежності від напрямку і швидкості вітру. Якщо прийняти, що тиск всередині приміщення дорівнює атмосферному тиску, то від'ємні значення , свідчать про потрібний напрямок роботи вентиляційної системи під дією аеродинамічного впливу вітру. Перепад тиску у вентиляційній системі визначається виразом

(B.36)

де W0 - розрахункове значення вітрового тиску.

Враховуючи, що великі будівлі створюють локальні зони повітряного тиску, які охоплюють прилеглі будинки і впливають на тиск всередині приміщення, проводяться більш ґрунтовні дослідження перепадів тиску на виході вентиляційної системи і тиску на стіні будинку в місцях розташування вікон, кватирок або тиску всередині приміщення. У цьому випадку від'ємні значення перепадів тиску також свідчать про потрібний напрямок роботи вентиляційної системи, хоча перепад тиску у порівнянні з атмосферним може мати додатне значення.

В.4.2 Аеродинамічні випробування динамічно подібних моделей будинків і споруд проводяться для визначення частотних характеристик їх власних коливань і величини критичної швидкості повітряного потоку.

В.4.3 В аеродинамічних випробуваннях визначаються частотні характеристики аеродинамічної сили, яку спричиняє нестаціонарна вихрова структура, що утворюється на поверхні моделі будинку, споруди або її елемента в умовах відривного обтікання повітряним потоком, частотні характеристики вихрового сліду за моделлю і його вплив на будівлі, що потрапляють у цей слід, тобто визначаються частотні характеристики аеродинамічної сили як причини вимушених коливань.

В.4.4 В аеродинамічному експерименті досліджуються умови аерації простору між будівлями на рівні перших поверхів, стан комфортності вітрової обстановки для пішоходів і мешканців будинку, розподіл концентрацій викидів шкідливих речовин методами візуалізації і вимірювання місцевих тисків і швидкостей повітряного потоку.

Конкретні завдання, що є предметом дослідження в трубному експерименті, визначаються в завданні на експериментальні дослідження.

ДОДАТОК Г

(довідковий)

ВИЗНАЧЕННЯ СЕЙСМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

Г.1 Прямий динамічний метод розрахунку висотних будівель необхідно виконувати на вплив розрахункових акселерограм, згенерованих на основі інструментальних записів, що зареєстровані безпосередньо на будівельному майданчику або в умовах, близьких до умов майданчика будівлі. Розрахункові акселерограми повинні бути підготовлені спеціалізованими організаціями.

Г.2 У разі відсутності розрахункових акселерограм майданчика будівництва дозволяється застосовувати пакет трикомпонентних синтезованих акселерограм, що наведені в таблиці Г.1, і які були побудовані на основі записів коливань ґрунтів, зареєстрованих у різних регіонах України за допомогою цифрових сейсмостанцій і рекомендованих до застосування ДБН В.1.1-12.

Амплітуди синтезованих акселерограм у залежності від сейсмічності майданчика 5 або 6 балів необхідно множити у всіх випадках при виконанні прямих динамічних розрахунків будівель на масштабний коефіцієнт К відповідно 0,25 і 0,5. Набір акселерограм додається до ДБН В.1.1-12 на електронному носії.

Г.3 У разі роздільного використання у розрахунках будівель на дію горизонтальних і вертикальних компонент акселерограм належить приймати найбільш небезпечні напрямки сейсмічних дій.

Таблиця Г.1 - Рекомендовані трикомпонентні довгоперіодні синтезовані акселерограми

Г.4 Прямі динамічні розрахунки висотних будівель із системами сейсмоізоляції, з адаптивними системами сейсмозахисту (з в'язями, що включаються і виключаються), динамічними гасниками коливань, демпферними пристроями та іншими сейсмозахисними елементами слід виконувати при науковому супроводі та за участю організацій, які мають ліцензію на виконання такого виду робіт.

Г.5 Оцінюючи сейсмостійкість та розраховуючи кріплення обладнання і апаратури, що встановлені на перекриттях будівлі, а також визначаючи сейсмічні навантаження на сталеві конструкції верхніх технічних поверхів, необхідно виконувати розрахунок поповерхових акселерограм і попо-верхових спектрів відгуку.

У випадку відсутності інструментальних записів прискорень грунту на майданчику будівництва вказані розрахунки допускається проводити з використанням синтезованих акселерограм, перелік яких наведено в таблиці Г.1.

Г.6 Розрахунок спектрів відгуку осциляторів належить виконувати за частотою з кроком, наведеним у таблиці Г.2. У якості розрахункового значення спектра відгуку осцилятора належить приймати максимальне значення його прискорення з усього часового інтервалу дії поповерхової акселерограми.

Таблиця Г.2 - Значення кроку за частотою в частотних діапазонах при розрахунку спектрів

відгуку осциляторів