МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

ДЕРКАЧ ТЕТЯНА МИКОЛАЇВНА

УДК 624.042.1

Нормування вітрового навантаження

на будівельні конструкції

для території України

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава - 2002Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Пашинський Віктор Антонович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Офіційні опоненти - Провідна установа - доктор технічних наук, професор Фурсов Вадим Вікторович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури (м. Харків). Кандидат технічних наук, доцент Єгоров Євген Аркадійович, Приднепровська державна академія будівництва та архітектури (м.Дніпропетровськ) ВАТ “Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій ім.В.М.Шимановського” (м. Київ)

Захист відбудеться “25”червня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою:

314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд. 218.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий “17”травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.В.Чернявський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економічна ефективність та надійність будівельних конструкцій формується на усіх етапах їх життєвого циклу, але визначальною є стадія проектування. Точне урахування у проектних розрахунках властивостей конструкцій та впливів експлуатаційного середовища дозволяє забезпечити достатній рівень надійності несучих конструкцій при мінімальних витратах на їх виготовлення та зведення. Одним з найбільш мінливих та невизначених факторів є навантаження від тиску вітру на поверхні будівель та споруд, а тому його вивчення та уточнення може відіграти важливу роль у підвищенні ефективності будівельних конструкцій.

При розрахунках за методом граничних станів використовуються розрахункові значення зовнішніх навантажень та впливів, визначені імовірнісними методами на основі статистичних даних та наведені у нормах навантажень. Діючі в Україні СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия" за 15 років застаріли, мають недостатньо детальні карти територіального районування, не враховують при визначенні вітрового навантаження напрямку вітру та строку служби конструкцій, а також ряду географічних та кліматологічних особливостей території України.

Дана робота присвячена вирішенню актуальної конкретної наукової задачі нормування вітрових навантажень на будівельні конструкції для території України, вільного від указаних недоліків та гармонізованого зі світовим досвідом нормотворення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації включена до планів наукової роботи кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка та пов'язана з виконанням держбюджетних науково-дослідних робіт № 28/94 "Розробка пропозицій по удосконаленню норм проектування будівельних конструкцій на основі дослідження їх надійності" та № 43/96 "Розробка методів розрахунку надійності будівельних конструкцій і нормування навантажень на них", які виконувалися за планами Міністерства освіти України.

Мета і задачі дослідження: удосконалити імовірнісну методику визначення розрахункових значень вітрового навантаження на будівельні конструкції та виконати його нормування для території України. Для досягнення мети потрібно вирішити наступні задачі:

1) на основі відомих загальних методів отримати конкретні робочі формули для обчислення граничних та експлуатаційних розрахункових значень вітрового навантаження, а також випадкових похибок їх оцінювання;

2) проаналізувати систематичні похибки оцінювання розрахункових значень, що виникають внаслідок неповної відповідності застосованих законів розподілу до фактичних даних, та виконати порівняльний аналіз імовірнісних моделей вітрового навантаження з урахуванням похибок оцінювання розрахункових значень;

3) дослідити залежність вітрового навантаження від напрямку вітру та розробити рекомендації щодо урахування цього фактора в розрахунках будівельних конструкцій;

4) за результатами строкових спостережень на метеостанціях України визначити граничні та експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження, виконати їх узагальнення та територіальне районування;

5) співставити отримані результати з чинними нормами навантажень.

Об'єктом дослідження є середня складова вітрового тиску на будівлі і споруди.

Предметом дослідження є встановленя та нормування для території України розрахункових значень середньої складової вітрового тиску.

Методи дослідження засновані на статистичній обробці результатів спостережень за вітром на метеостанціях.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1) розвинуто методи обчислення розрахункових значень вітрового навантаження та оцінювання їх точності;

2) розроблено методику порівняльного аналізу імовірнісних моделей вітрового навантаження з урахуванням сумарних похибок оцінювання розрахункових значень та вибрано імовірнісні моделі для нормування вітрового навантаження з урахуванням строку служби конструкцій та орієнтації будівлі за сторонами світу;

3) досліджено вплив напрямку вітру на величину розрахункових значень вітрового навантаження і розроблено методику визначення та нормування коефіцієнтів напрямку вітру;

4) виявлено залежності між експлуатаційним та граничним розрахунковими значеннями вітрового навантаження, які дозволяють спростити його нормування;

5) запропоновано та реалізовано більш точний спосіб територіального районування вітрового навантаження, при якому карта районування замінюється переліком нормативних значень для усіх адміністративних районів України.

Практичне значення одержаних результатів:

1) сформовано і реалізовано на ПЕОМ банк метеорологічних даних, який дозволяє досліджувати і нормувати середню складову вітрового навантаження для території України;

2) виконано нормування середньої складової вітрового навантаження для території України, результати якого можуть бути використані при розробці національних норм навантажень;

3) визначено і пронормовано для території України коефіцієнти напрямку вітру, які забезпечують зниження розрахункових значень вітрового навантаження за рахунок урахування орієнтації будівель за сторонами світу;

4) у першому наближенні виконано нормування вітрового навантаження у гірських місцевостях.

Результати досліджень використані при виконанні роботи "Систематизувати та узагальнити дані про техногенно і природно небезпечні території України та розробити на цій основі банк даних небезпечних територій" на замовлення Державного комітету України у справах науки та інтелектуальної власності, прийняті до впровадження у Державні будівельні норми України: ДБН В.1.2-... "Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об'єктів. Навантаження та впливи. Норми проектування" (в розробці), а також використовувалися в навчальному процесі у Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертації наукові та практичні результати отримані здобувачем особисто. У дослідженнях, виконаних та опублікованих разом зі співавторами, особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- виконано статистичний аналіз даних, написано текст статей [4], [6], [8];

- розроблено математичне забезпечення для формування та супроводження бази метеорологічних даних, написаний текст тез [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній конфеpенції "Проблеми теорії ї практики залізобетону" (Полтава, 1997 рік), Всеукраїнській науково-практичній конференції "Вплив вітру на будівлі та споруди" (Макіївка, 2001 год), а також на щорічних наукових конференціях Полтавського інженерно-будівельного інституту (1993-1994 роки) та Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка (1995-2000 роки).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 5 статтях у фахових виданнях і в 4 матеріалах та тезах конференцій.

Обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 171 найменування та трьох додатків. Загальний обсяг роботи складає 283 сторінок, з яких 133 сторінки - основний текст, 17 сторінок - список використаних джерел, 83 сторінки - додатки. Основна частина роботи містить 28 таблиць на 33 сторінках та 62 рисунки на 56 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, наведені кваліфікаційні ознаки та загальна характеристика дисертаційної роботи.

У першому розділі виконано аналіз результатів досліджень у галузі обгрунтування методу граничних станів, імовірнісного подання та нормування вітрового навантаження на будівельні конструкції.

Проблеми забезпечення надійності несучих будівельних конструкцій, обгрунтування їх розрахунків за методом граничних станів, загальні методи статистичних досліджень та нормування навантажень розглянуті в роботах А.Я.Барашикова, О.О.Батя, В.А.Балдіна, Є.І.Белені, В.В.Болотіна, А.А.Гвоздєва, А.В.Геммерлінга, Є.В.Горохова, А.Я.Дрівінга, О.С.Личова, О.В.Лужина, Т.Е.Кескюли, Ф.Є.Клименка, М.Б.Краковського, А.П.Кудзіса, В.О.Отставнова, В.А.Пашинського, А.В.Перельмутера, В.О.Пермякова, С.Ф.Пічугіна, В.Д.Райзера, О.Р.Ржаніцина, М.М.Складнєва, Л.І.Стороженка, М.С.Стрілецького, Ю.Д.Сухова, С.А.Тімашева, Б.Б.Ужполявічуса, С.Б.Усаковського, Е.І.Федорова, Л.М.Фоміци, В.В.Фурсова, В.П.Чіркова, О.Л.Шагіна, G.Augusti, A.Baratta, F.Casciati, E.Gumbel, J.Murzevski, C.J.Turkstra, Y.K.Wen, J.A.Zuranski та інших вчених.

Вивчення структури вітрового потоку та його виливу на несучі конструкції, статистичні дослідження, розробка імовірнісних моделей та нормування вітрового навантаження виконувалися Л.Е.Анапольською, М.Ф.Барнштейном, Р.П.Бернгардтом, І.М.Беспpозванною, Л.Б.Гарцманом, Є.В.Гороховим, Г.А.Гриневичем, А.Я.Дрівінгом, Є.Н.Єрмоловою, М.В.Заваріною, М.І.Казакевичем, Р.І.Кінашем, Л.В.Клєпіковим, В.В.Кулябком, Н.Ф.Мазуріною, В.А.Пашинським, С.Ф.Пічугіним, Д.М.Ротштейном, Г.К.Савицьким, І.А.Сергєєвою, А.Г.Соколовим, Е.І.Федоровим, G.Solari, W.Shiraki, J.Wieringa, J.A.Zuranski. У більшості робіт розрахункові значення вітрового навантаження обчислювалися за схемою незалежних випробувань на базі розподілів результатів строкових вимірювань, річних чи місячних максимумів швидкості вітру. У окремих дослідженнях розроблені та застосовані імовірнісні моделі випадкових процесів швидкості чи тиску вітру. Вплив напрямку вітру на величину вітрового навантаження на території України практично не досліджувався, хоча цей фактор враховано в нормах вітрового навантаження деяких країн Європи. Чинні норми навантажень СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия" характеризуються досить грубим територіальним районуванням та неузгодженістю з нормами європейських країн.

На основі виконаного бібліографічного аналізу зробленi висновки та сформульованi завдання дисертацiйної роботи.

У другому розділі розроблені практичні методи нормування середньої складової вітрового навантаження за результатами строкових вимірювань швидкості вітру. Розглянуто шість імовірнісних моделей: диференційовні випадкові процеси швидкості та тиску вітру з ординатами, розподіленими за законом Вейбулла та поліномо-експоненціальним, а також послідовності місячних максимумів швидкості та тиску вітру з розподілом Гумбеля. Виходячи з відомих загальних методів, отримані робочі формули для обчислення граничних та експлуатаційних розрахункових значень вітрового навантаження, а також для оцінювання їх точності з урахуванням параметрів використаної імовірнісної моделі та наявного обсягу метеорологічних даних. Порівняльний аналіз розглянутих імовірнісних моделей вітрового навантаження виконано з використанням даних 194 метеостанцій України шляхом співставлення систематичних та випадкових похибок оцінювання граничних розрахункових значень.

Випадкові похибки обчислення розрахункових значень вітрового навантаження залежать від виду та параметрів імовірнісної моделі навантаження, тривалості метеорологічних спостережень Tн , а також періоду повторюваності T граничних чи частки строку служби m, протягом якої можуть перевищуватися експлуатаційні розрахункові значення. Виходячи з запропонованих В.А.Пашинським загальних методів, для кожної з вказаних вище імовірнісних моделей виведені необхідні формули, розроблені таблиці та графіки, які встановлюють залежності випадкових похибок від Tн , T і m. За зростанням випадкових похибок оцінювання розрахункових значень імовірнісні моделі розташовуються у наступному порядку: випадковий процес з розподілом Вейбулла, послідовність місячних максимумів, випадковий процес з поліномо-експоненціальним розподілом. При цьому імовірнісна модель швидкості вітру завжди точніша від аналогічної моделі вітрового тиску.

Проаналізовані систематичні похибки, що виникають внаслідок опису ординати випадкових процесів швидкості та тиску вітру законами розподілу Вейбулла та поліномо-експоненціальним. Для цього співставлені розрахункові значення вітрового тиску з періодом повторюваності близько 5 років, обчислені із застосуванням указаних законів та безпосередньо за гістограмами розподілу. Встановлено, що розподіл Вейбулла дає набагато менші систематичні похибки, ніж поліномо-експоненціальний.

Вплив способу оцінювання параметрів розподілу Гумбеля на точність обчислення граничних розрахункових значень вітрового навантаження досліджено на даних тих самих 194 метеостанцій. Використання перехідних коефіцієнтів, запропонованих у роботах В.А.Пашинського, забезпечує кращу узгодженість розподілу Гумбеля з дослідними даними та суттєве зменшення систематичних похибок оцінювання розрахункових значень вітрового навантаження. У більшості випадків послідовності місячних максимумів швидкості завищують, а тиску - занижують розрахункові значення вітрового навантаження.

Порівняння середніх значень та довірчих меж сумарних похибок оцінювання розрахункових значень для 194 метеостанцій України показало, що найбільш точними є імовірнісні моделі випадкового процесу швидкості чи тиску вітру з розподілом Вейбулла, а також послідовності місячних максимумів швидкості вітру з розподілом Гумбеля. Саме ці моделі доцільно застосовувати для нормування вітрового навантаження.

Граничне розрахункове значення вітрового навантаження Wm(T) обчислюється за середнім періодом його повторюваності T. При використанні імовірнісної моделі диференційовного випадкового процесу швидкості вітру з ординатою, розподіленою за законом Вейбулла, граничне розрахункове значення швидкості вітру Vm визначається, як корінь трансцендентного рівняння

, (1)

де a, b - параметри розподілу Вейбулла; w, s - ефективна частота і стандарт розподілу ординати випадкового процесу швидкості вітру.

При застосуванні імовірнісної моделі послідовності місячних максимумів швидкості вітру, розподілених за законом Гумбеля з параметрами a, b, граничне розрахункове значення швидкості дорівнює

. (2)

Експлуатаційне розрахункове значення вітрового навантаження We(m) встановлюється залежно від частки строку служби m, протягом якої воно може перевищуватися. При використанні імовірнісної моделі диференційовного випадкового процесу експлуатаційне розрахункове значення швидкості дорівнює

, (3)

де a, b - параметри розподілу Вейбулла для ординати випадкового процесу швидкості вітру.

Отримані за (1) - (3) граничні та експлуатаційні розрахункові значення швидкості вітру V перетворюються у значення вітрового тиску W за відомою формулою

. (4)

У дисертації наведені також робочі формули для обчислення граничних і експлуатаційних розрахункових значень вітрового навантаження та випадкових похибок їх оцінювання за іншими імовірнісними моделями.

Третій розділ присвячено дослідженню та нормуванню вітрового навантаження з урахуванням напрямку вітру і орієнтації будівель. Запропоновані імовірнісні моделі вітрового потоку, що забезпечують визначення розрахункових значень вітрового навантаження для заданих напрямків вітру, та виконано їх порівняльний аналіз на прикладі результатів 10-річних восьмистрокових спостережень за вітром на двох метеостанціях. Статистичний аналіз з використанням теорії кругових розподілів показав, що розподіли напрямків вітру можуть мати досить складний полімодальний характер. Запропоновано круговий закон розподілу напрямку вітру, що базується на рядах Фурьє, і з застосуванням критеріїв узгодженості обгрунтована можливість його використання.

Порівняльний аналіз імовірнісних моделей показав доцільність використання систем умовних розподілів результатів строкових вимірювань та місячних максимумів швидкості для фіксованих напрямків вітру. При використанні місячних максимумів розрахункові значення вітрового навантаження для кожного з 8 чи 16 румбів обчислюються за формулами (2) і (4). При використанні умовних розподілів результатів строкових вимірювань швидкості вітру граничні розрахункові значення вітрового навантаження j-того румба дорівнюють

, (5)

де nj - річна кількість незалежних значень швидкості вітру j-того румба;

aj, bj - параметри розподілу Вейбулла для швидкості вітру j-того румба.

Кінцевим результатом нормування є коефіцієнти напрямку вітру Cdir , рівні відношенням розрахункових значень вітрового навантаження певного напрямку, обчислених за формулами (2), (4), або (5), до загального навантаження, встановленого без урахування напрямку вітру. Набір таких коефіцієнтів для 8 чи 16 румбів визначає розу вітрових навантажень для даної місцевості. При проектуванні конструкцій розрахункове значення вітрового навантаження на будівлю слід множити на коефіцієнт Cdir для напрямку вітру, перпендикулярного до зовнішньої поверхні будівлі. Для прикладу на рисунку 1 наведена роза коефіцієнитов Cdir для метеостанції Полтава. Навіть при досить рівномірному розподілі вітрового навантаження за румбами розрахунковий тиск вітру північного та південного напрямків може бути знижений на 40%.

Територіальна мінливість коефіцієнтів напрямку вітру проаналізована за даними 36 метеостанцій України. Переважна більшість метеостанцій має рівномірний розподіл вітрового навантаження за напрямками. У четвертої частини метеостанцій наявна виражена нерівномірність роз коефіцієнтів Cdir, при якій вітрове навантаження для різних напрямків вітру може відрізнятися в декілька разів. Можливе зниження розрахункових значень вітрового навантаження при урахуванні напрямку вітру характеризується середніми по румбах значеннями коефіцієнтів Cdir . З наведеної на рисунку 2 гістограми розподілу видно, що для більшості метеостанцій вітрове навантаження знижується на 20% - 40%, а в середньому по Україні - на 36%.

Рис. 1 Рози коефіцієнтів Cdir для метеостанції Полтава (пунктир) і Полтавської області (суцільна лінія) Рис. 2 Розподіл метеостанцій за середніми значеннями коефіцієнтів Cdir

З метою включення до норм розглянуто ряд способів узагальнення отриманих результатів. Внаслідок великої різноманітності географічних умов розробити загальну для усієї території України розу коефіцієнтів Cdir неможливо. Збудовані карти територіального районування України за коефіцієнтами Cdir для кожного з восьми румбів вирішують поставлену задачу, але вони незручні для практичного використання. Досить точним та зручним способом територіального районування є рози коефіцієнтів Cdir для усіх адміністративних областей України, приклади яких наведені в таблиці 1. Ці дані призначені для рівнинних районів і дорівнюють максимальним значенням Cdir у межах області. Це видно з рисунка 1, де значення Cdir для Полтавської області перевищують відповідні значення для метеостанції Полтава. У середньому на території України застосування таблиці 1 може привести до зниження розрахункових значень вітрового навантаження на 26%. Слід звернути особливу увагу на те, що напрямок вітру можна враховувати лише при визначення вітрового навантаження на будівлі та споруди, розташовані на відкритій рівнинній місцевості.

Таблиця 1

Коефіцієнти напрямку вітру для регіонів України

Регіони України Коеффіцієнти Cdir для румбов

С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ

Дніпропетровська область 0,68 0,80 0,95 0,75 0,72 0,76 0,72 0,78

Київська область 0,74 0,66 0,81 0,74 0,65 0,71 0,93 0,95

Одеська область 0,95 0,90 0,94 0,67 0,63 0,58 0,83 0,92

Полтавська область 0,69 0,78 0,96 0,78 0,64 0,70 0,90 0,88

Чернігівська область 0,72 0,70 0,88 0,83 0,74 0,69 0,86 0,87

В четвертому розділі виконане нормування вітрового навантаження для території України. Статична складова вітрового навантаження на висоті 10 м над поверхнею землі встановлена за результатами восьмистрокових вимірювань швидкості вітру анеморумбомірами з десятихвилинним інтервалом осереднення. Для 185 метеостанцій України використані ряди спостережень тривалістю 19 - 21 рік, і лише у 9 випадках коротші. Прогноз точності результатів показав, що використані вибірки забезпечують достовірне нормування вітрового навантаження для території України. В результаті статистичної обробки отримані параметри імовірнісних моделей диференційовного випадкового процесу та послідовності місячних максимумів швидкості вітру для кожної зі 194 метеостанцій. Розподіл ординати цього процесу описується законом Вейбулла, а розподіл місячних максимумів швидкості вітру - законом Гумбеля.

За отриманими в розділі 2 формулами та даними метеостанцій України обчислені граничні розрахункові значення вітрового навантаження Wm(T) для періодів повторюваності 5 Ј T Ј 500 років. Порівняння показало, що в більшості випадків імовірнісна модель послідовності максимальних значень завищує розрахункові значення порівняно з моделлю випадкового процесу. Враховуючи відповідальність рішень, які приймаються при розробці норм, граничні розрахункові значення вітрового навантаження прийняті більшими з результатів обчислень за обома імовірнісними моделями.

Територіальне районування граничних розрахункових значень вітрового навантаження виконане шляхом побудови карти районування України за нормативними значеннями Wо = Wm(Tо) для базового періоду повторюваності Tо та осередненої залежності коефіцієнта надійності за навантаженням gf(T) =Wm(T)/Wо від періоду повторюваності T. Окрім того, обчислені та зведені в таблицю нормативні значення Wо для центрів усіх адміністративних районів та міст обласного підпорядкування України. Така таблиця дозволяє більш точно визначати нормативні значення вітрового навантаження при розрахунках конструкцій.

Враховуючи досвід країн Європи, територіальне районування виконане для двох значень базового періоду повторюваності: Tо=25 років і Tо=50 років. Карта територіального районування України за нормативними значеннями Wо для Tо=50 років наведена на рисунку 3. Загальний характер територіальної мінливості вітрового навантаження близький до відповідної карти СНиП 2.01.07-85, але в Прикарпатті, в північно-західному Приазов'ї та у східній частині Кримського півострова виявлені зони підвищеного вітрового навантаження з Wо = 600 Па.

Рис. 3 Карта територіального районування України за нормативними значеннями вітрового навантаження при Tо = 50 років

Коефіцієнт надійності за вітровим навантаженням gf(T) зростає при збільшенні періоду повторюваності граничного розрахункового значення. Залежності gf(T) апроксимовані логарифмічними функціями, зразок якої для Tо=50 років наведено на рисунку 4.

При проектуванні конструкцій граничне розрахункове значення вітрового навантаження для довільного географічного району України та періоду повторюваності T визначається за формулою

, (6)

де Wo - нормативне значення вітрового навантаження для заданого географічного району з карти на рис. 3 чи з таблиці для відповідного адміністративного району;

lg T - десятковий логарифм періоду повторюваності розрахункового значення.

Рис. 4 Коефіцієнт надійності за вітровим навантаженням при Tо=50 років Рис. 5 Залежність експлуатаційного розрахункового значення We(m) від частки строку служби m

Аналогічна карта, таблиця та формула отримані також для базового періоду повторюваності Tо = 25 років. Окрім того, виконане територіальне районування України за граничними розрахунковими значеннями швидкості вітру.

Експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження We(m) обчислені за формулами (3), (4) та даними усіх 194 метеостанцій для часток строку служби 0,0001 Ј m Ј 0,1. Територіальне районування отриманих залежностей We(m) виконане таким же способом, як і районування граничних розрахункових значень. Для базового значення m = 0,01 отримана узагальнена нормована залежність We(m)/Weо , яка наведена на рисунку 5 і апроксимована показниковою функцією, та розроблена карта територіального районування Weo = We(0,01), зображена на рисунку 6.

З карти видно, що експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження зростають з північного заходу на південний схід України. Найбільші значення Weo = 130 Па спостерігаються в Приазов'ї та на сході Кримського півострова. Найменші Weo = 70 Па - у Закарпатті, а також у ряді центральних і північних областей України (Чернігівська, Київська, Сумська, Черкаська, Вінницька).

Рис. 6 Карта територіального районування України за експлуатаційними розрахунковими значеннями вітрового навантаження Weo = We(0,01), які можуть перевищуватися протягом 1% строку служби конструкції

При проектуванні конструкцій експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження для довільного географічного району України та частки строку служби конструкції m визначаються за формулою

, (7)

де Weo - експлуатаційне розрахункове значення з карти 4, яке може перевищуватися протягом 1% строку служби конструкції;

lg m - десятковий логарифм частки строку служби, протягом якої може перевищуватися експлуатаційне розрахункове значення вітрового навантаження.

З метою спрощення територіального районування встановлено, що з деяким запасом експлуатаційне розрахункове значення може обчислюватися за формулою

, (8)

де - нормативне значення з карти 3 або з таблиці для відповідного району України; lg m - відповідає формулі (7). Для базового періоду повторюваності 25 років, коли , також отримана формула, аналогічна (8).

Наведені на рисунках 3 і 6 карти територіального районування збудовані за даними рівнинних метеостанцій України, які знаходяться в місцевостях з висотою до 500 м над рівнем моря. Аналіз даних гірських метеостанцій дозволив установити залежність граничного та експлуатаційного розрахункових значень вітрового навантаження від висоти над рівнем моря H у вигляді:

; H > 0,5 км . (9)

Формула (9) є орієнтовною оцінкою в запас надійності. При наявності достовірних метеорологічних даних для конкретної гірської місцевості розрахункові значення вітрового навантаження краще безпосередньо обчислювати за цими даними та формулами, наведеними у розділі 2.

Виконані дослідження дозволяють визначати граничні Wm(T) та експлуатаційні We(m) розрахункові значення середньої складової вітрового навантаження для довільного географічного району України, заданого періоду повторюваності T та частки строку служби конструкції m. Розроблені карти територіального районування є більш детальними, ніж в чинних СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия", і в середньому по території України приводять до зниження розрахункових значень вітрового навантаження на будівлі та споруди зі строками служби, меншими 40 років. Для забезпечення надійності несучих конструкцій з більшими строками служби розрахункові значення вітрового навантаження у деяких регіонах України необхідно збільшити порівняно зі СНиП 2.01.07-85.

ВИСНОВКИ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Виконані дослідження свідчать про вирішення актуальної науково-технічної задачі статистичного дослідження і нормування розрахункових значень вітрового навантаження на будівельні конструкції для території України і дозволяють зробити наступні висновки:

1. Для нормування вітрового навантаження доцільно використовувати імовірнісні моделі випадкового процесу швидкості вітру та послідовності місячних максимумів швидкості.

2. Отримані робочі формули для обчислення граничних розрахункових значень вітрового навантаження Wm у залежності від середнього періоду повторюваності T, і експлуатаційних We - у залежності від частки строку служби m, протягом якої вони можуть перевищуватися. Точність граничних і експлуатаційних розрахункових значень вітрового навантаження оцінюється в залежності від періоду метеорологічних спостережень Tн, значень T або m за графіками, таблицями чи формулами, отриманими в роботі.

3. Створений і реалізований на ПЕОМ банк метеорологічних даних з вітрового навантаження, який включає результати строковий вимірювань швидкості вітру на 194 метеостанціях України протягом двох десятиліть. Наведені в роботі результати статистичної обробки цих даних дозволяють представити швидкість вітру у формах диференційовного випадкового процесу і послідовності місячних максимумів.

4. З метою урахування строку служби при проектуванні будівельних конструкцій граничні розрахункові значення вітрового навантаження W(T) рекомендується визначати, як добуток нормативного значення Wo, яке відповідає періоду повторювальності 25 або 50 років, на коефіцієнт надійності по навантаженню gf(T), який є функцією періоду повторювальності T. Отримано функції gf(T) і карти територіального районування за нормативними значеннями Wo, які дозволяють визначати граничні розрахункові значення вітрового навантаження для будь-якого періоду повторювальності і географічного району України.

5. Експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження We(m) для заданого географічного району України і частки строку служби конструкції m визначаються з використанням отриманої формули і карти територіального районування значень We(0,01). Отримано також залежності експлуатаційних розрахункових значень вітрового навантаження We(m) від граничних нормативних значень Wo.

6. Для всіх адміністративних районів і міст обласного підпорядкування України обчислені більш точні індивідуальні значення Wo і We(0,01), таблицями яких можна користуватися замість відповідних карт територіального районування.

7. За даними гірських метеостанций України в першому наближенні встановлені залежності швидкості і тиску вітру від висоти місцевості над рівнем моря, які дозволяють орієнтовно визначати розрахункові значення вітрового навантаження в горах.

8. У порівнянні з чинними СНиП 2.01.07-85 "Навантаження і впливи", отримані рекомендації приводять до зростання розрахункових значень вітрового навантаження при проектуванні будівель та споруд зі строками служби понад 40 років, але забезпечують зниження вітрових навантажень і економію матеріалів на несучі конструкції з меншими строками служби.

9. Розподіли напрямків вітру мають складний полімодальний характер і задовільно описуються запропонованим круговим законом розподілу, заснованим на ряді Фур'є. Для нормування вітрового навантаження з урахуванням напрямку вітру рекомендовано використовувати системи умовних розподілів результатів строкових вимірювань або місячних максимумів швидкості вітру для ряду фіксованих напрямків.

10. За даними метеостанцій України обчислені коефіцієнти напрямку вітру для 8 румбів, кожен з яких дорівнює відношенню розрахункового значення вітрового навантаження визначеного напрямку до розрахункового значення, визначеного без урахування напрямку вітру.

11. Територіальне районування коефіцієнтів напрямку вітру виконане у формі таблиці їхніх значень по восьми румбах для всіх адміністративних областей України. Урахування напрямку вітру за отриманими рекомендаціями дозволить знизити розрахункові значення вітрового навантаження у середньому на 26%.

12. Отримані результати можуть використовуватися як безпосередньо при розрахунках несучих будівельних конструкцій, так і при розробці норм вітрового навантаження для території України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у фахових виданнях:

1. Деркач Т.М. Використання кругових розподілів для імовірнісного опису даних про вітрове навантаження // Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка: Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). – Вип. 1.- Полтава: ПДТУ. – 1998. – с. 99-104.

2. Деркач Т.Н. Результаты статистического исследования ветровой нагрузки на строительные конструкции для территории Украины // Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка: Збірник наукових статей. Проблеми теорії і практики залізобетону. – Полтава: ПДТУ. – 1997. – с. 122–125.

3. Деркач Т.М., Пашинський В.А. Розрахункові значення вітрового навантаження для території України // Коммунальное хозяйство городов: Республиканский межведомственный научно-технический сборник. – Вып.27. – К.: Техника. – 2001. – с. 189-195. Особистий внесок: виконана статистична обробка даних.

4. Деркач Т.М. Урахування напрямку вітру при нормуванні вітрового навантаження для території України // Коммунальное хозяйство городов: Республиканский межведомственный научно-технический сборник. – Вып..33. – К.: Техника. – 2001. – с. 105-111.

5. Пашинський В.А., Деркач Т.М. До нормування вітрового навантаження для території України // Вісник ДДАБіА №2001 – 4 (29). –2001. – с.107-111. Особистий внесок: виконано статистичний аналіз даних.

Праці та тези конференцій:

6. Деркач Т.М. Аналіз взаємозв'язку статистичних характеристик вітрового навантаження. // Тези доповідей 48 наукової конференції професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів та студентів університету. – Полтава: ПТУ, 1996. - с. 36.

7. Пашинский В.А., Деркач Т.Н. К вероятностному описанию направления ветра. // Полтавский инженерно-строительный институт: Тезисы докладов 45 научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов института. Часть 1.- Полтава: 1993.- с. 261. Особистий внесок: розроблено методику і математичне зебезпечення для статистичної обробки кругових даних, обгрунтовано вид кругового закону розподілу напряму вітру.

8. Пашинський В.А., Деркач Т.М., Момонт С.В., Калашникова І.А. Формування бази метеорологічних даних для вивчення навантажень на будівельні конструкції. // Полтавський інженерно-будівельний інститут. Тези доповідей 46 наукової конференції професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів та студентів інституту. Частина 3.- Полтава: 1994.- с. 51. Особистий внесок: розроблено математичне забезпечення для формування та супроводження бази метеорологічних даних

9. Пашинський В.А., Деркач Т.М. Дослідження розподілу максимумів швидкості вітру та вітрового навантаження // Полтавський технічний університет: Тези доповідей 47 наукової конференції професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів та студентів. Частина 3.- Полтава: 1995.- с. 28.

АНОТАЦІЇ

Деркач Т.М. Нормування вітрового навантаження на будівельні конструкції для території України.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди.- Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 2001.

У роботі вирішена задача статистичного дослідження та нормування середньої складової вітрового навантаження на території України. На основі загальної методології отримані конкретні робочі формули для обчислення граничних та експлуатаційних розрахункових значень вітрового навантаження, а також оцінювання їх точності. Порівняльний аналіз імовірнісних моделей з урахуванням випадкових та систематичних похибок показав, що для нормування вітрового навантаження доцільно подавати швидкість вітру у формах диференційовного випадкового процесу та послідовності місячних максимумів. Параметри цих моделей для 194 метеостанцій України отримані за результатами строкових спостережень за вітром протягом двох десятків років.

За розробленою методикою досліджено вплив напрямку вітру на величину вітрового навантаження і встановлено коефіцієнти напрямку для усіх областей України. Обчислені граничні та експлуатаційні розрахункові значення вітрового навантаження, виконане їх узагальнення і територіальне районування, результати якого можна використовувати як безпосередньо при проектуванні несучих конструкцій, так і при розробці національних норм навантажень на будівельні конструкції. Порівняння отриманих результатів зі СНиП 2.01.07-85 показало, що при проектуванні будівель та споруд зі строками служби понад 40 років розрахункові значення вітрового навантаження слід збільшувати, але при менших строках служби вітрові навантаження знижуються.

Ключові слова: Вітрове навантаження, статистичні дослідження, розрахункові значення, нормування.

Деркач Т.Н. Нормирование ветровой нагрузки на строительные конструкции для территории Украины.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения.- Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 2001.

Работа посвящена статистическому исследованию и нормированию средней составляющей ветровой нагрузки на здания и сооружения для территории Украины. В качестве исходных данных использованы результаты срочных наблюдений за ветром на 194 метеостанциях на протяжении двух десятилетий. Конечными результатом являются предельные и эксплуатационные расчетные значения ветровой нагрузки, которые могут использоваться как непосредственно при проектировании несущих строительных конструкций, так и при разработке национальных норм нагрузок.

В первой главе проанализирована литература, в которой излагаются методы обеспечения надежности при проектировании строительных конструкций, в том числе метод предельных состояний, общие методы нормирования нагрузок, а также методы и результаты статистических исследований и нормирования ветровой нагрузки. Исходя из результатов библиографического анализа, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе на основе известных общих методов нормирования нагрузок получены конкретные рабочие формулы для вычисления предельных и эксплуатационных расчетных значений ветровой нагрузки, а также графики и формулы для оценивания их точности. Выполнен сравнительный анализ вероятностных моделей ветровой нагрузки с учетом случайных и систематических погрешностей оценивания расчетных значений. Установлено, что для нормирования ветровой нагрузки целесообразно использовать вероятностные модели дифференцируемого случайного процесса скорости ветра с ординатой, распределенной по закону Вейбулла, или последовательности месячных максимумов скорости ветра с распределением Гумбеля. На основе анализа метеорологических данных рекомендованы оптимальные способы определения параметров указанных вероятностных моделей.

В третьей главе исследовано влияние направления ветра на величину ветровой нагрузки. Предложены и проанализированы вероятностные модели ветрового потока, позволяющие определять расчетные значения ветровой нагрузки для заданных направлений ветра. Наиболее приемлемыми являются системы условных распределений результатов срочных замеров или месячных максимумов скорости ветра для ряда фиксированных направлений. С применением теории круговых распределений исследованы распределения направлений ветра и для их описания предложен закон распределения, основанный на рядах Фурье. По данным украинских метеостанций вычислены коэффициенты направления ветра для восьми румбов, выполнен анализ их территориальной изменчивости и предложено районирование в виде таблицы для всех административных областей Украины. Учет направления ветра позволяет в ряде случаев существенно снизить расчетные значения ветровой нагрузки.

В четвертой главе выполнено нормирование расчетных значений ветровой нагрузки для территории Украины. Из результатов срочных наблюдений на 194 метеостанциях Украины создан банк метеорологических данных по ветровой нагрузке. Скорость ветра представлена в формах дифференцируемого случайного процесса и последовательности месячных максимумов. Учитывая ответственность принимаемых решений, предельные расчетные значения ветровой нагрузки вычислены с использованием обеих вероятностных моделей, после чего выбраны большие значения.

С целью учета срока службы, предельные расчетные значения ветровой нагрузки при проектировании строительных конструкций предложено определять как произведение нормативного значения, соответствующего периоду повторяемости 25 или 50 лет, на коэффициент надежности по нагрузке. Нормативные значения определяются из карт территориального районирования или из таблицы, содержащей более точные значения для всех административных районов и городов областного подчинения Украины. Коэффициент надежности по нагрузке является функцией периода повторяемости. Эксплуатационные расчетные значения ветровой нагрузки определяются в зависимости от доли срока службы конструкции, на протяжении которой они могут превышаться, с использованием разработанной карты территориального районирования или таблицы и обобщенной зависимости от доли срока службы. Найдены также приближенные зависимости эксплуатационных расчетных значений ветровой нагрузки от предельных, позволяющие упростить нормирование. Установлены ориентировочные зависимости скорости и давления ветра от высоты местности над уровнем моря.

Полученные расчетные значения ветровой нагрузки сопоставлены с нормативными и расчетными значениями из СНиП 2.01.07-85, в результате чего выявлены распределения отклонений по территории Украины и регионы, для которых СНиП дает заниженные или завышенные расчетные значения. Использование полученных рекомендаций при проектировании зданий и сооружений со сроками службы свыше 40 лет приведет к увеличению расчетных значений ветровой нагрузки по сравнению со СНиП 2.01.07-85, а при меньших сроках службы обеспечит снижение расчетных ветровых нагрузок и экономию материалов на несущие конструкции.

Ключевые слова: Ветровая нагрузка, статистические исследования, расчетные значения, нормирование.

Derkach T.N.

Designing of wind load norms on building structures for the territory of Ukraine. – Manuscript.

Dissertation for a scientific degree of the candidate of еngineering science on speciality 05.23.01 – Building structures,buildings and constructions. – Poltava National Technical University named in honor of Juriy Kondratjuk, Poltava,2002.

The papers is aimed at statistical investigation and designing of norms of wind load average constituent for the territory of Ukraine. On the basis of the general methods specific working formulaе were obtained for calculating of the maximum and exploitation estimated wind load values as well as evaluation of their accuracy. Comparative analysis of the probabilistic models with regard to random and regular errors showed that for the designing of wind load norms it would be reasonable to provide the wind speed in the forms of differential stochastic process and succession of monthly maximums. Parameters of these models for 194 meteorological stations of Ukraine have been obtained using the results of urgent observations of wind during a space of 20 years.

According to the worked out methods the influence of wind direction on the wind load value was studied and direction quotients for all the regions of Ukraine were determined. Both maximum and exploitation estimated load values were calculated, generalized and distributed according to the district territories. The results can be used both for designing bearing structures and for developing national load norms for building structures. The obtained results after being compared with norms, showed that while designing buildings and constructions with the term of service of over 40 years estimated wind load values should be increased whereas wind loads on the buildings having shorter term of service are to decrease.

Key words: wind loads, statistical investigation,