УДК 625. 768. 5

Суйиндиков Максат Жанабайулы преподаватель (Алматы, КУПС)

 

РАСЧЕТ СКВОЗНЫХ ГАЛЕРЕЙ НА ИНТЕНСИВНЫЕ ВЕТРОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ.

Буйные ветры казахских степей особенно страшны зимой, когда они вызывают жесточайшие продолжительные метели или бураны. Изучение метелей безусловно представляет большой научный и практический интерес. Метели вызывают перенос снега из одного района в другой, уплотняют его, что обуславливает неравномерное распределение водных ресурсов снежного покрова по территории и неодинаковое промерзание почвы. Кроме того, метели способствуют образованию сильных заносов, срывающих работу авиации, нарушающих нормальную работу железнодорожного и других видов транспорта. Сильные бураны часто являются причиной нарушения телеграфной и телефонной связи, вызывает иногда массовую гибель скота, выпасающегося зимой в условиях отгона.

Ежегодно железная дорога Казахстана особенно в районе Коктума-Дружба подвергается ураганному напору ветра, в результате чего, останавливаются поезда, несут многомиллионные убытки экономике Казахстана.

Нами для исправления подобных явлений разработаны несколько вариантов ураганно-защитных сооружений.

Например, сквозная галерея. Сквозная галерея состоит из трех шарнирных арок расположенных вдоль и над железной дорогой. Арки соединены между собой подвижными профилированными листами для создания эффекта аэродинамики и облегчения давления ветра на подвижной состав. Проемы галереи позволяют в необходимых случаях ускорить снегоперенос через дорогу и уменьшают давление ураганного ветра на подвижной состав. Места расположения и размеры проемов назначаются в зависимости от продуваемости дорог и создания аэродинамического эффекта. Подвижные ограждения необходимы для регулирования сквозности в зависимости от времени года (рис. 1).

        

Рисунок 1. а – общий вид, б – формы обтекания снежно ураганным потоком

 

Основные положения статистической концепции расчета сооружений на динамическое воздействие ветра разработаны Давенпортом и положе­ны в основу строительных норм Канады. Нормы СССР разработаны на ос­нове аналогичных работ М.Ф. Барштейна.

Возмущающие силы, вызывающие колебания сооружения в турбулент­ном потоке, определяются путем линейного преобразования скорости потока с помощью аэродинамической передаточной функции,   зависящей от соотношения размеров сооружения и турбулентных вихрей  [1, 2] . Механизм взаимодействия сооружения с ветровым потоком мало  изучен. Однако для линейно-протяженных сооружений, поперечные размеры кото­рых малы по сравнению с размерами вихрей, сооружение не вносит за­метных возмущений в потоке, и аэродинамическая передаточная функция близка к единице. Для  конструкций с большими поверхностями  пульса­ции ветрового воздействия очень трудно выразить через пульсации сво­бодного потока.

Давление ветра на сооружение принято разделять на сред­нюю (статическую) и пульсационную составляющие, вызывае­мые соответствующими составляющими скорости ветра. Для каждой точки пространства вводится понятие средней скоро­сти, получаемой путем осреднения истинной скорости в ин­тервале времени от 10 мин до 1 часа. Выбор времени осредне­ния обусловлен данными наблюдений, согласно которым в обобщенном спектре скоростей Ван Дер Ховена существует "провал", разделяющий синоптическую (низкочастотную) и турбулентную (высокочастотную) области в интервале перио­дов от нескольких минут до нескольких часов.

На основе анализа скоростей ветра на стандартной высоте анемометра (10 м) в условиях незащищенной местности по данным сети метеостанций бывшего СССР разработаны карты средних скоростей ветра различной обеспеченности. Норма­тивное давление ветра соответствует средней скорости V0, превышаемой в среднем один раз в пять лет, при 10-минутном осреднении. Расчетное давление ветра определяется путем умножения нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке γf; принятая в СНиП 2.01.07-85 его величина γf =1,4 соответствует повторяемости ветра примерно один раз в 40...50 лет. Для ответственных сооружений с большим сро­ком службы значение этого коэффициента подлежит уточне­нию с учетом увеличения среднего интервала повторяемости скорости ветра.

Распределение скоростей ветра по высоте v(z) характери­зуется вертикальным профилем, обычно описываемым степен­ным законом с показателем а, зависящим от типа местности. В СНиП 2.01.07-85 приняты три типа местности с показате­лями а = 0,15; 0,2; 0,25. В настоящее время зарубежными ме­теорологами для описания профилей средних скоростей ветра в нижних слоях атмосферы лучшим считается логарифмиче­ский закон.

Разница между истинной и средней скоростями ветра в данной точке называется пульсационной составляющей скоро­сти. Турбулентное движение воздуха по своей природе являет­ся случайным процессом, и для его описания применяются статистические методы. Доказано, что в общем хорошее опи­сание распределения вероятностей скоростей в нижнем 300-метровом слое атмосферы дает нормальное (гауссово) распре­деление, весьма удобной особенностью которого является то, что оно полностью определяется средним значением и диспер­сией (средним квадратическим отклонением). Дисперсия про­цесса эквивалентна его энергии, распределение которой по частотам гармонических составляющих Характеризуется спек­тральной плотностью процесса.

Спектры трех компонент скорости ветра при нейтральной стратификации атмосферы, характерной для сильных ветров, различаются, в основном, в низкочастотной области. В инер­ционном интервале частот, которые вызывают колебания со­оружений, спектры практически совпадают и достаточно точно описываются законом "пяти третей" Колмогорова.

При расчетах сооружений на пульсационное воздействие ветра обычно используется эмпирический спектр пульсаций продольной компоненты скорости, полученный Давенпортом из более чем 100 отдельных спектров, построенных при сильных ветрах для высот от 10 до 150 м в различных местах земного шара

                                   ,      (1)

где  - стандарт пульсации скорости; К0 - коэффи­циент шероховатости подстилающей поверхности (для открытой местности К0=0,005); п=ω/2π - частота, Гц; ω - круговая частота, с-1; и=nL/v0; L = 1200 - масштаб длины, м.

Длина   волны,   соответствующая   максимуму  в   спектру (1), м.     |

Недостатками спектра Давенпорта являются независимость
его формы и частоты максимума от высоты над уровнем земли,
средней скорости и параметра шероховатости. Экспериментальным данным лучше удовлетворяет спектр Кеймала, зависящий от высоты

.

Для вертикальной компоненты известны спектры Пановского и Мак-Кормика, а также Кеймала.

При исследовании динамической реакции сооружения целесообразно выделить низкочастотную (квазистатическую) и высокочастотную ("резонансную") части спектра пульсаций скорости ветра.

Считается, что среднее значение аэродинамической силы |в
пульсирующем потоке такое же, как в установившемся потоке
с той же средней скоростью. Зависимости между скоростью
ветра, его давлением и реакцией сооружения практически являются линейными. Поскольку распределение вероятностей
скоростей подчиняется нормальному закону, то для давлений и
реакции сооружения распределение вероятностей также будет
нормальным.

Возмущающие силы, вызывающие колебания сооружения в турбулентном ветровом потоке, определяются путем линейного преобразования скорости потока с помощью аэродинамической передаточной функции, зависящей от соотношения размеров сооружения и турбулентных вихрей. При малых поперечных размерах сооружения по сравнению с размерами вихрей аэро­динамическая передаточная функция близка к единице, и па­раметры воздействия выражаются через характеристики не­возмущенного потока. В этом случае справедлива квазиста­ционарная теория обтекания, применимая к таким линейно-протяженным и решетчатым сооружениям, как высотные баш­ни, трубы, мосты, ЛЭП и т.п.

Для сооружений с большими поверхностями типа зданий,
градирен и т.п. применение квазистационарной теории обтекания может приводить к погрешностям в оценке ветрового дав­ления. В таких случаях необходимо иметь статистические характеристики давления, измеренного непосредственно у поверхностей сооружения. Так как данные натурных испытаний в турбулентной атмосфере ограничены, целесообразно использовать результаты испытаний моделей в аэродинамической
трубе.                                                                           

Достаточно точную оценку динамической реакции сооруже­ния позволяет получить модель пульсационного ветрового воз­действия в виде сосредоточенных статистически независимых сил (СНВС), если удовлетворяются следующие условия:

           ; ,                 (2)

где , пi - расстояния между возмущающими силами и их число соответственно; l - высота (длина) сооружения.

Для резонансной компоненты реакции при малых попереч­ных размерах турбулентных вихрей (2Li) эти условия обычно удовлетворяются, а для квазистатической компоненты в эти условия входят интегральные масштабы турбулентности (2L), и возмущающие силы могут оказаться близкими к полностью коррелированным.

Для получения нормативных величин соответствующие стандарты умножаются на коэффициенты обеспеченности, а для расчетных величин - соответствующие нормативные ве­личины умножаются на коэффициент надежности по нагрузке γf.

Расчетные перемещения (или усилия) в сооружении от дей­ствия средней (статической) и пульсационной (квазистатической и резонансной) составляющих определяют­ся по формуле

,              (3)

где X - нормативное значение усилий в сооружении, вызванных средней составляющей ветровой нагрузки; - то же, от действия квазистатической ветровой нагрузки при колебаниях по i-й форме; - то же, от действия резонансной ветровой нагрузки.       |

Для определения коэффициента обеспеченности может быть
использована известная зависимость Давенпорта

,               (4)

при Т-3600 с, соответствующем времени осреднения при получении спектров пульсации скорости ветра.

Значение коэффициента обеспеченности  для квазиста­тической части воздействия близко к 2,5, т.е. к величине, принятой при назначении коэффициентов пульсации в нормах.

Представленная методика расчета позволяет определить ди­намическую реакцию на ветровое воздействие протяженных и
высотных сооружений с учетом пространственной корреляции
этой реакции (а не давления, как в СНиП 2.01.07-85), аэродинамического демпфирования колебаний, изменчивости спектра пульсаций скорости и масштабов турбулентности по высо­те без ограничений на количество и вид учитываемых форм колебаний (в СНиП 2.01.07-85 учитывается лишь основная форма колебаний высотного сооружения).

 

Литература

1.     Барштейн М.Ф. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М., Стройиздат, 1978, с. 216

2.     Chot Cheong Chuen. Correlation and spectral functions of atmospherie turbulence. - Proc. III ICWE, Tokyo, 1971, p. 45-55

3.     В.А. Котляревский, А.В. Забегаева. Аварии и катастрофы предупреждение и ликвидация последствий. Изд. Ассоциации строительных ВУЗов. М., 1998г.