---

Комплекс автоматизації інженерної системи - комплекс технічних засобів, призначений для забезпечення функціонування інженерної системи в автоматичному режимі у відповідності з технологічними вимогами.

ДОДАТОК В

(довідковий)

ВИЗНАЧЕННЯ ВІТРОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ

В.1 Визначення вітрових навантажень за даними аеродинамічних випробувань моделей висотних будинків

В.1.1 У ДБН В.1.2-2 використовується квазістатичний підхід, за якого вітрові навантаження не розділяються на статичну та пульсаційну складові. Основним параметром нормування навантаження є його характеристичне значення.

При проведенні будь-яких видів розрахунків на визначення вітрових навантажень використовуються два типи основних розрахункових значень навантажень: граничне та експлуатаційне розрахункове навантаження.

У розділі 9 ДБН В.1.2-2 вказано, що для визначення вітрового навантаження на будинки складної конструктивної чи геометричної форми слід виконувати спеціальні динамічні розрахунки з використанням прикладних пакетів або проводити експериментальні дослідження на моделях будівель та споруд в аеродинамічній трубі. В обох випадках існує низка проблем адекватного моделювання натурних явищ. При математичному моделюванні коректний вибір методу моделювання та визначення початкових умов складає основу точності результатів моделювання. Тому до цього часу найбільш ефективним методом дослідження вітрових навантажень є фізичне моделювання процесів обтікання будинків повітряним потоком в аеродинамічних трубах.

Таке моделювання будинків здійснюється під час проведення двох типових експериментів в аеродинамічній трубі. Якщо необхідно визначити сили та моменти, що виникають в основі будівлі від вітрової дії, використовується ваговий експеримент. За його результатами визначаються інтегральні аеродинамічні характеристики об'єкта (безрозмірні аеродинамічні коефіцієнти сил та моментів), які у подальшому використовуються для розрахунку навантажень на фундамент при вітровій дії. Коефіцієнти сил і моментів враховують сумарний вплив вітрового тиску і сил тертя повітря по поверхні моделі.

Для визначення навантажень на поверхню будівлі, працездатності вентиляційних систем, вірогідних застійних зон диму на шляхах евакуації, зон дискомфорту для пішоходів використовується дренажний експеримент. За його результатами визначаються значення безрозмірних коефіцієнтів тиску, за якими розраховуються навантаження на фасади будинку, приймаються рішення про комфортність умов для мешканців, надається висновок про працездатність вентиляційних систем тощо.

В 1.2 Методика проведення вагового експерименту

Ваговий експеримент призначений для визначення безрозмірних аеродинамічних коефіцієнтів моделі споруди при різних азимутах натікання повітряного потоку β. Дія повітряного потоку на модель зводиться до визначення повної аеродинамічної сили R і повного аеродинамічного моменту М_R. В експерименті, як правило, визначаються компоненти цієї сили і моменту у швидкісній або у зв'язаній системі координат. Ваговий метод визначення сумарних аеродинамічних характеристик полягає у безпосередньому вимірюванні складових сил і моментів, що діють на модель будинку, за допомогою аеродинамічної ваги. Остання є складною вимірювальною системою, що складається з вагових елементів, механізму розкладання діючих на модель сил і моментів на їх компоненти, механізму зміни кутового положення моделі відносно повітряного потоку, підтримуючого пристрою, за допомогою якого модель встановлюється в робочій частині аеродинамічної труби. За результатами вимірювань компонентів сил Х_а, Y_a, Z_a і моментів М_ха, М_уа, M_za розраховуються відповідні безрозмірні коефіцієнти сил та моментів у швидкісній системі координат OX_aY_aZ_a в залежності від кута натікання повітряного потоку, а саме с_ха , с_уа , c_za , m_ха , m_уа , m_za =f (β).

Як правило, при проведенні експериментальних вагових досліджень висотних будинків початок системи координат розташовують у центрі ваги або у центрі жорсткості горизонтального перерізу

будинку в його основі, як це зображено на рисунку В.1. Вісь Ох_а спрямована по лінії швидкості повітряного потоку назустріч йому. Зазначимо, що вектор швидкості повітряного потоку приймається паралельним площині основи будинку, тому вісь Ох_а лежить в горизонтальній площині основи будинку. Вісь Oz_a спрямована по вертикальній осі будинку від основи до верхівки, а вісь Оу_а спрямована у лівий бік від площини Ox_az_a і лежить у площині основи будинку. На схемі також показана зв'язана система координат Ох₁у₁z₁ , осі якої прив'язані до самого будинку, а її центр розташований у центрі швидкісної системи координат. В умовах, коли вектор швидкості повітряного потоку є паралельним площині основи будинку, осі Oz_a і Oz₁ збігаються. Вісь Ох₁ спрямована вздовж будівельної осі в напрямку розміру d горизонтального перерізу будинку, а вісь Оу₁ - в напрямку розміру b, виходячи з умови d ≥ b. Таким чином, взаємне положення зв'язаної системи координат відносно швидкісної визначається кутом β. Зв'язана система координат використовується для розкладання повної аеродинамічної сили і моменту на компоненти, що діють у напрямку і відносно будівельних осей.

Рисунок В.1 - Схема сил і моментів в умовах вітрового впливу.

Додатний напрямок дії сили лобового опору X збігається з напрямком швидкості повітряного потоку. Додатні напрямки дії поперечної сили Y і вертикальної сили Z збігаються з напрямком відповідних координатних осей.

Додатний напрямок моментів визначається обертанням за годинниковою стрілкою, якщо дивитися в напрямку відповідної осі. Додатне значення кута β має місце при повороті моделі в напрямку додатного моменту M

Безрозмірні аеродинамічні коефіцієнти розраховуються у відповідності з наступними виразами:

(В.1)

де Х_а, Y_a, Z_a - значення компонент повної аеродинамічної сили, що вимірюються;

М_ха, М_уа, M_za - значення компонент повного аеродинамічного моменту, що вимірюються.

S - характерна площа моделі;

q - значення швидкісного напору, що вимірюється;

h,d - характерні розміри моделі споруди, необхідні для розрахунків коефіцієнтів моментів.

Коефіцієнти аеродинамічних сил у зв'язаній системі координат розраховуються у відповідності з формулами:

Коефіцієнти аеродинамічних моментів відносно осей зв'язаної системи координат розраховуються у відповідності з формулами:

(В.3)

Коефіцієнт повної аеродинамічної сили R визначається за формулою:

(В.4)

Враховуючи, що коефіцієнт аеродинамічної сили і відповідно сама сила у напрямку осі Oz₁ пo висоті будинку, як правило, мала, коефіцієнт повної аеродинамічної сили допускається визначати згідно з (В.5) і вважається, що вектор повної аеродинамічної сили лежить в горизонтальній площині поверхів будинку

(В.5)

Напрямок дії сили R відносно напрямку повітряного потоку визначається кутом у відповідності з формулою

(В.6)

а напрямок її дії відносно осі Ох₁, пов'язаної з будинком, визначається кутом у відповідності з формулою

. (В.7)

Аналогічно до (В.5) можна визначити коефіцієнт повного аеродинамічного моменту від повної аеродинамічної сили, що лежить у горизонтальній площині поверхів будинку, відносно його основи згідно з формулою

(В.8)

Положення по висоті моделі будинку горизонтальної площини, в якій діє вектор повної аеродинамічної сили, визначається за формулою:

(В.9)

Висоти точок прикладання компонент Х_а, Y_a повної аеродинамічної сили в загальному випадку не збігаються і визначаються:

(В.10)

Вимірювання сил та моментів в аеродинамічному експерименті виконується за допомогою шестикомпонентних аеродинамічних електротензометричних ваг. Для виміру швидкісного напору використовується приймач повітряного тиску, який встановлюється у робочій частині труби перед моделлю. Це дозволяє враховувати вплив гальмування потоку в робочій частині труби, обумовлений зміною положення моделі відносно потоку.

Експеримент планується та проводиться у наступній послідовності:

• виходячи з геометричних характеристик робочої частини аеродинамічної труби розраховується масштаб для виготовлення моделі будівлі (споруди). Основні вимоги при розрахунку значення масштабу моделі полягають у тому, щоб максимальна площа поперечного перерізу моделі в потоці не перевищувала 15 % площі перерізу робочої частини аеродинамічної труби, а розміри моделі при швидкостях потоку в трубі дозволяли забезпечити автомодельність процесів;

• виготовляється геометричне подібна модель будівлі (споруди) у прийнятому масштабі;

• виготовляється кінематична система для ваг аеродинамічної труби, яка забезпечує обертання моделі відносно осі O_Z1 у діапазоні кутів від 0° до 360°;

• у процесі проведення вагового експерименту профіль вітру за висотою моделі будівлі задається постійним;

• при заданому куті натікання проводиться аеродинамічний експеримент для визначення швидкості потоку, за якої настає автомодельність. Для цього послідовно збільшують швидкість в аеродинамічній трубі до максимальної та досліджують аеродинамічні коефіцієнти. Швидкість, за якої аеродинамічні коефіцієнти стають усталеними, використовується у подальшому для проведення аеродинамічного експерименту;

• при заданій швидкості потоку в аеродинамічній трубі електротензометричними вагами виконується замір сил та моментів Х_а, Y_a, Z_a, M_xa, М_уа, M_za при дискретній зміні кута натікання повітряного потоку ;

• використовуючи співвідношення (В.1), розраховуються безрозмірні аеродинамічні коефіцієнти та будуються залежності:

;

- 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;

М_ха, М_уа, M_za - перекидний момент у напрямку вітру, боковий перекидний момент, крутильний момент відповідно;

S_н - характерна площа натурного будинку, що відповідає характерній площі S моделі будинку у вибраному масштабі моделювання;

h_н - характерний лінійний розмір при визначенні перекидних моментів, що відповідає характерному розміру h моделі будинку у вибраному масштабі моделювання;

d_н - характерний лінійний розмір при визначенні крутного моменту, що відповідає характерному розміру d моделі будинку у вибраному масштабі моделювання;

W = W_m - при розрахунках за граничним розрахунковим значенням вітрового навантаження;

W= W_e- 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 W_m - граничне розрахункове значення вітрового навантаження;

W_e - 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 С_аег = 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) z_maxнад поверхнею землі розраховується значення коефіцієнта висоти споруди C_h =c_h(z_max), 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: