;
- за результатами аеродинамічного експерименту проводиться розрахунок граничних та експлуатаційних значень сил і моментів, що діють на фундамент будинку в умовах вітру.
В 1.З Використання результатів вагових випробувань
Для розрахунку реальних сил та моментів, що діють на будинок від вітру, використовуються значення аеродинамічних коефіцієнтів, отриманих у результаті проведення вагового експерименту. Максимальні вітрові навантаження визначаються максимальними за модулем значеннями аеродинамічних коефіцієнтів. Для розрахунку сил і моментів у швидкісній системі координат застосовуються формули (В.11), що ґрунтуються на положеннях теорії подібності фізичних явищ обтікання натурного будинку повітряним потоком і його моделі в аеродинамічній трубі:
(В.11)
де , - відповідно сила лобового опору, поперечна сила, вертикальна сила;
Мха, Муа, Mza - перекидний момент у напрямку вітру, боковий перекидний момент, крутильний момент відповідно;
Sн - характерна площа натурного будинку, що відповідає характерній площі S моделі будинку у вибраному масштабі моделювання;
hн - характерний лінійний розмір при визначенні перекидних моментів, що відповідає характерному розміру h моделі будинку у вибраному масштабі моделювання;
dн - характерний лінійний розмір при визначенні крутного моменту, що відповідає характерному розміру d моделі будинку у вибраному масштабі моделювання;
W = Wm - при розрахунках за граничним розрахунковим значенням вітрового навантаження;
W= We- при розрахунках за експлуатаційним розрахунковим значенням вітрового навантаження.
Згідно з ДБН В.1.2-2 граничне та експлуатаційне розрахункове значення вітрового навантаження визначаються за формулою:
(В.12)
де Wm - граничне розрахункове значення вітрового навантаження;
We - експлуатаційне розрахункове значення вітрового навантаження;
- коефіцієнт надійності за граничним розрахунковим значенням вітрового навантаження;
- коефіцієнт надійності за експлуатаційним розрахунковим значенням вітрового навантаження;
- характеристичне значення вітрового тиску для місцевості, на якій ведеться будівництво, визначається за таблицею додатка Е або за картою (рис. 9.1 ДБН В.1.2-2), а також може бути отримане експериментально шляхом статистичної обробки результатів строкових вимірювань швидкості вітру;
С - коефіцієнт, що враховує чинники, які впливають на повітряний тиск, визначений за формулою
(В. 18) при значенні Саег = 1.
Використовуючи значення аеродинамічних коефіцієнтів у зв'язаній системі координат, розрахованих за формулами (В.2), (В.3), замість значень у швидкісній системі координат можна розрахувати вітрові навантаження у напрямках і відносно будівельних осей за формулами (В.11).
Повна аеродинамічна сила в площині поверхів будинку визначається:
(В.13)
Висота точки прикладання повної аеродинамічної сили, сили лобового опору і поперечної сили згідно з (В.9), (В.10) перераховується для натурного будинку шляхом множення на масштаб моделювання.
Оскільки ваговий експеримент проводиться при незмінній швидкості потоку по висоті моделі будинку (споруди), то необхідно це врахувати при розрахунку значення вітрового навантаження W. Розрахунок значення W проводиться у такій послідовності.
У залежності від типу місцевості, де будуватиметься споруда, та висоти будинку (споруди) zmax над поверхнею землі розраховується значення коефіцієнта висоти споруди Ch =ch(zmax), який враховує збільшення вітрового навантаження по висоті і враховує пульсаційну складову вітру. Для розрахунку можливе використання рисунка 9.2 (розділ 9.9 ДБН В.1.2-2) або логарифмічного закону:
,(В.14)
де kh - коефіцієнт, який враховує шорсткість на поверхні місцевості, де будується споруда;
се (z) - коефіцієнт, що враховує зміну швидкості вітру в примежевому шарі над поверхнею місцевості. Коефіцієнт се (z) розраховується за співвідношенням
, якщо
, якщо ,(В.15)
де z висота над рівнем землі, для якої розраховується коефіцієнт висоти споруди;
z0 - параметр шорсткості, що визначає умовну висоту над поверхнею землі, де швидкість вітру ще дорівнює 0 м/с;
zmin- умовна висота, яка визначається типом місцевості.
Типи місцевості, що оточують споруду, визначаються для кожного розрахункового напряму вітру окремо, їх детальна класифікація наведена в розділі 9.9 ДБН В.1.2-2. Значення параметрів, що входять у модель (В.14), в залежності від типу місцевості наведені в таблиці В.1.
Таблиця В.1 - Типи місцевості та параметри
|
Типи місцевості |
kh |
zo (m) |
zmin (м) |
|
І |
0,17 |
0,01 |
2 |
|
II |
0,19 |
0,05 |
4 |
|
III |
0,22 |
0,30 |
8 |
|
IV |
0,24 |
1,00 |
16 |
Проводиться корекція значення ch(zmax) на рівномірний розподіл швидкості вітру по висоті будинку (споруди). Для цього використовуються співвідношення (В.15) та розраховуються значення цього коефіцієнта в залежності від висоти будинку (споруди) від z0 до zmax з кроком . Використовуючи метод трапеції, знаходять площину фігури, яку описує залежність сe (z):
.(В.16)
Виконується корекція коефіцієнта висоти споруди за алгоритмом
.(В.17)
У залежності від висоти розташування місцевості над рівнем моря згідно з 9.10 ДБН В.1.2-2 розраховується коефіцієнт географічної висоти Сalt.
Якщо місцевість, де ведеться будівництво, має пагорби або схили, то необхідно враховувати мікрорельєф місцевості. Для цього використовується коефіцієнт рельєфу Crel, який розраховується згідно з 9.11 ДБН В.1.2-2.
Якщо споруда будується на відкритій місцевості, то потрібно враховувати нерівномірність вітрового навантаження за напрямками вітру. Для цього використовуються статистичні дані з метеорології місцевості, де ведеться будівництво. В інших випадках коефіцієнт напрямку приймають таким, що дорівнює одиниці Cdir= 1 (див. 9.12 ДБН В.1.2-2).
Вплив пульсаційної складової вітрового навантаження та просторову кореляцію вітрового тиску на споруду враховують за допомогою коефіцієнта динамічності Cd який визначається за графічними залежностями, наведеними в 9.13 ДБН В.1.2-2.
Отримані значення відповідних коефіцієнтів дозволяють розраховувати коефіцієнт С при значенні коефіцієнта Саеr= 1 за формулою:
.(В.18)
У залежності від вітрового району, де розташована споруда, визначається характеристичне значення вітрового тиску W0, як це було зазначено вище при використанні (В.12).
Коефіцієнт надійності за граничним розрахунковим значенням вітрового навантаження , визначається у залежності від середнього періоду повторюваності Т. Порядок його розрахунку наведено в 9.14 ДБН В.1.2-2.
Коефіцієнт надійності за експлуатаційним розрахунковим значенням вітрового навантаження визначається у залежності від проміжку часу , протягом якого можуть порушуватися умови іншого граничного стану. Порядок його розрахунку наведено в 9.15 ДБН В.1.2-2.
Використовується співвідношення (В.12) для визначення граничного та експлуатаційного розрахункового вітрового навантаження Wm, Wе.
Використовуються співвідношення (В.11) для розрахунків граничного та експлуатаційного значень відповідних сил та моментів, які діють на основу будинку (споруди).
В 2 Методика проведення дренажного експерименту для визначення навантажень на поверхню будинку (споруди)
В.2.1 У результаті аеродинамічного експерименту повинні бути отримані масиви безрозмірних коефіцієнтів тиску на поверхні моделі в залежності від азимуту натікання вітру .
Експеримент планується та виконується у такій послідовності.
Планується кількість перерізів для дренажу моделі споруди по її висоті. Як правило, це визначається замовником роботи (рекомендована відстань між перерізами в моделі відповідає розміру натурного об'єкта в діапазоні 15~25 м). Рекомендується контрольні перерізи розташовувати також у місцях зміни геометричної форми перерізу споруди.
Кількість дренажних отворів у перерізі визначається замовником і залежить від складності геометричної форми перерізу та кутових виступів. Рекомендується обов'язкове розташування дренажних отворів у місцях різкої зміни геометрії споруди (кутів кромок споруди, виступів тощо), оскільки в цих місцях виникають значні амплітудні коливання тиску.
Розраховується масштаб моделі споруди. При цьому необхідно враховувати, що максимальна площина модельного комплексу не повинна перевищувати 15 % площі поперечного перезрізу робочої частини аеродинамічної труби. Отримані розміри моделі споруди повинні гарантувати автомодельність отриманих аеродинамічних характеристик споруди. Відомо, що для споруд складної геометричної форми в плані автомодельність реалізується при числах Re, більших за Re ~ 2х105.
Виходячи з цього значення числа Re, коригується масштаб моделі споруди при заданій швидкості потоку або, навпаки, при заданому масштабі моделі розраховується робоча швидкість потоку в аеродинамічній трубі.
Для моделі будівлі чи споруди, виготовленої у відповідному масштабі, визначається швидкість потоку, за якої настає автомодельність процесу.
У процесі проведення дренажного експерименту профіль вітру за висотою моделі будівлі задається постійним.
При заданій швидкості потоку в аеродинамічній трубі виконуються заміри та накопичення значень тиску у відповідних дренажних точках рi(t) при дискретній зміні кута натікання повітряного потоку.
В 2.2 Опрацювання результатів дренажних випробувань
У процесі проведення експерименту визначаються масиви миттєвих значень тиску рi (t) для N дренажних отворів. Отримані значення перераховуються в безрозмірні коефіцієнти тиску
,(В.19)
де і- визначає номер точки на моделі споруди;
t- час накопичення значень тиску при вимірюванні;
pi (t) - тиск в i-тому дренажному отворі;
- швидкість та тиск незбуреного потоку;
- густина повітря.
Накопичення масиву зміни безрозмірного коефіцієнта тиску cpi(t) в конкретній точці і дає можливість розрахувати його середнє значення та пульсаційну складову.
За значеннями масивів параметрів (В.19) розраховуються середні значення
(В.20)
та максимальне значення амплітуди коефіціенту тиску
(В.21)
Для кожної дренажної точки і на поверхні моделі визначається максимальне та мінімальне значення коефіціентів тиску при зміні кута потоку від до
.(В.22)
Визначається значення найбільшої амплітуди коефіцієнта тиску в і-й дренажній точці при зміні кута потоку від 0° до 360°
(В.23)
Отримані дані дозволяють виявити критичні точки на фасаді споруди, де виникають максимальні вітрові навантаження, та розрахувати ці навантаження.
В 2.З Використання результатів дренажних випробувань
При визначенні вітрового навантаження на поверхню будинку (споруди) необхідно отримати його граничне та експлуатаційне розрахункове значення.
Розрахунок граничного та експлуатаційного значення як для вагового, так і для дренажного експерименту ведеться з використанням гібридної методики, де аеродинамічний коефіцієнт Саег визначається за результатами аеродинамічного експерименту, а значення коефіцієнтів Ch, Сalt, Сгеl, Сdir, Cd розраховуються згідно з ДБН В.1.2-2.
Визначення коефіцієнтів W0 також здійснюється згідно з ДБН В.1.2-2.
Послідовність розрахунку:
-за результатами аеродинамічного експерименту визначається поверхня споруди, на якій коефіцієнт тиску має мінімальне від'ємне значення , та поверхня, на якій коефіцієнт тиску має максимальне позитивне значення . Ці значення присвоюються коефіцієнту Caer, який буде використано в наступних розрахунках;
-у залежності від типу місцевості, де будуватиметься споруда, та висоти поверхні будинку (споруди) над рівнем землі z, де коефіцієнти тиску досягають значень та , розраховується значення коефіцієнта висоти споруди Ch. Для розрахунку можна використовувати рисунок 9.2 (розділ 9.9 ДБН В.1.2-2) та співвідношення (В.14), (В.15);
