НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ЛОПАТКА Сергій Степанович

УДК 693. 827: 624. 042. 41

МЕТОДИ ОЦІНЮВАННЯ

ВЕРТИКАЛЬНИХ ПРОФІЛІВ ВІТРОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ

НА ВИСОТНІ БУДІВЛІ І СПОРУДИ

05. 23. 01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Львівському державному аграрному університеті на кафедрі технології та організації будівництва.

Науковий керівник: канд. техн. наук, професор кафедри

Добрянський Іван Михайлович,

завідувач кафедри будівельних

конструкцій Львівського

державного аграрного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кінаш Роман Іванович,

завідувач кафедри архітектурних

конструкцій Національного університету

„Львівська Політехніка”

кандидат технічних наук, доцент

Турбін Сергій Володимирович,

кафедра металевих конструкцій,

Донбаська національна

академія будівництва і архітектури,

м. Макіївка

Провідна установа: Полтавський національний технічний

університет ім. Ю. Кондратюка

Міністерства освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться “10” листопада 2005 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.052.11 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів вул. С.Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Україна м. Львів, вул. Професорська,1)

Автореферат розіслано “4” жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Петришин Г.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нормативні документи у галузі будівництва у Європі, США та Японії упродовж останніх п’яти років зазнають серйозного перегляду, що, зокрема, призвело до створення Єврокоду – міжнародного нормативного проекту, а з іншого боку – внаслідок накопичення нових даних про стан будівельної науки, зокрема, її розділів, що стосуються навантажень на будівлі та споруди. Водночас в Україні продовжують діяти нормативні документи у галузі будівництва, розроблені ще наприкінці 70-х років в СРСР. Вони характеризуються слабкою деталізацією, опрацьованістю лише для найбільших міст. За останні 25 років зібрано дані, що серйозно доповнюють існуючі на момент розробки Норм, а подекуди – заперечують їх. На стадії затвердження сьогодні національні ДБН-2003.

Проблемою нормування навантажень на будівельні конструкції займаються численні інституції в Україні та за кордоном, зокрема: Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту; Донбаська національна академія будівництва і архітектури; Дослідний інститут будівництва, Варшава, Польща; Інститут будівництва та архітектури Словацької Академії Наук, Братислава, Словачина; Краківська політехніка, Польща; Національний університет “Львівська політехніка”; Полтавський національний технічний університет ім. Ю.Кондратюка; УкрНДІПроектстальконструкція ім. В.М.Шимановського тощо. Профілі вітрового тиску, отримані зарубіжними дослідниками, показують істотну різницю між різними пунктами спостережень і не допускають перенесення отриманих результатів вимірювань у інші регіони. У зв’язку з локальністю проблеми лише методом обстежень можна встановлювати профілі вітрового тиску для конкрет-них будівельних майданчиків Проблема залишається відкритою, про що свідчать регулярні наукові конференції та численні публікації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконана у межах відомчої наукової проблеми РН.055.01.121. „Розробити та впровадити прогресивні методи будівельного забезпечення реконструкції та технічного переозброєння промислових підприємств, скорочення термінів вводу потужностей, вартості будівельно-монтажних робіт за рахунок максимального використання конструкцій експлуатованих будівель і споруд”, а також відповідно до планів наукових досліджень Львівського державного аграрного університету, що пов'язані з державною науково-технічною програмою „Підвищення надійності та довговічності машин та конструкцій”(держ. реєстрація № 0184059943), та згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри технології та організації будівництва факультету сільськогосподарського будівництва Львівського державного аграрного університету. тема роботи пов’язана з Програмою Кабінету Міністрів „Україна 2010” (проект „Технологічне та технічне оновлення виробництва”).

Мета і завдання дослідження – встановлення нормативних даних для параметрів профілів вітрового тиску на висотні будівельні конструкції, а також мобільних, оперативних і точних методів їх визначення на основі:

1)

2)

3)

4)

5)

6)

Об’єктом дослідження є вітровий тиск на висотні будівлі і споруди та міцність висотних будівельних конструкцій під дією змінного з висотою вітрового тиску та його напрямку.

Предметом дослідження є оперативні методи та засоби встановлення вітрового тиску на висотні будівлі та споруди для конкретного будівельного майданчика на стадії проектування, будівництва та експлуатації.

Методи досліджень:

1. Експериментальні: –

Безпосередні вимірювання швидкості та напрямку вітру за висотою споруди. –

Вивчення параметрів вітрового тиску у незбуреній атмосфері методом куль-пілотів, підключенням до обладнання реєстратора аерологічної станції цифрових засобів збереження і опрацювання даних.–

Визначення профілю вітрового тиску методом аналізу фотограмметричних спостережень.

2. Аналітичні:–

Фільтрування та обробка результатів динамічних експериментів, вибір математичної моделі та обґрунтування її параметрів методами математичної статистики.–

Оцінка ефективності застосування отриманих результатів шляхом розв'язання модельних задач.

3. Загальні методи будівельної механіки та програмування.

Наукова новизна одержаних результатів:–

Вперше в Україні дослідження вітрового тиску на висотні споруди та у вільній атмосфері виконано дистанційним методом з використанням цифрової техніки. –

Створено універсальне програмне забезпечення для динамічних вимірювань з високою роздільною здатністю, придатне для довільних завдань автоматизації експерименту з великою кількістю параметрів. –

Вперше досліджуються вертикальні потоки вітру вздовж споруди та зміна напрямку вітрового тиску з висотою дистанційним методом.–

Вперше встановлені профілі вітрового навантаження для окремих міст України та різних умов забудови за умови високої роздільної здатності спостережень з висотою.–

Створено і апробовано методику натурних випробувань параметрів профілів вітрового тиску у граничному шарі атмосфери, придатну для розв’язання задач проектування висотних споруд та вітроенергетичних станцій.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

– розробленні придатної для подальшого використання методики та комплексу програмних засобів для встановлення нормативних параметрів профілю вітрового тиску на споруди у різних територіальних зонах та для конкретних будівельних майданчиків з довільним рельєфом;

– встановленні параметрів профілю вітрового тиску для найбільших міст України та різних умов забудови міста Львова;

– створенні універсального програмного забезпечення для динамічних випробувань;

– розроблені засобів розпізнавання графічно закодованої інформації;

– створенні засобів фільтрації шумів сигналу без втручання оператора для динамічних вимірювань з великими обсягами даних,

– виробленні рекомендацій щодо експериментального визначення локальних профілів вітрового тиску для нових Будівельних норм України.

Результати дисертації придатні для масового практичного застосування, Акти про їх впровадження у виробництво та навчальний процес подаються у Додатках.

Особистий внесок здобувача полягає в такому:

– розроблено методи дистанційного вимірювання профілю швидкості вітру та вітрового тиску на будівлі і споруди на основі радіолокаційного кулепілотного та ракетного зондування;

– виконано 27 серій динамічних експериментів обсягом 1000...1200 вимірювань векторних параметрів у кожному для встановлення профілів вітрового навантаження методом радіолокаційного зондування приземного шару;

– здійснено шість фотограмметричних вимірювань для апробації методики ракетного зондування приземної швидкості вітру;

– організовано три серії натурних випробувань на висотних спорудах Львівської області для перевірки можливості безпосереднього вимірювання профілів вітрового тиску без використання дистанційного обладнання, на підставі отриманих результатів оброблено та узагальнено вимірювання профілів вітрового тиску за скороченою програмою у восьми містах України;

– розроблені алгоритми та реалізовані програмні рішення по обробці експериментального матеріалу для знаходження параметрів вітрового тиску з висотою на основі даних радіозондування та фотограмметричної інформації;

– розроблені методики натурного встановлення вітрового тиску, отримано числові значення показників зміни вітрового навантаження з висотою для найбільших міст України та для різних умов забудови у м.Львові, розв’язані тестові задачі з оцінки ефекту від використання уточнених даних про вітрове навантаження;

– розроблено рекомендації до проекту нових Будівельних норм України щодо профілів вітрового тиску в найбільших містах України.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались на секційних засіданнях ряду міжнародних науково-практичних конференцій: “Аграрна освіта і наука на початку третього тисячоліття” (Львів, 2001); “Звітна наукова конференція аспірантів та здобувачів ЛДАУ” (Львів, 2001); “Еколого-економічні проблеми розвитку АПК” (Львів, 2002); “Звітна наукова конференція аспірантів та здобувачів ЛДАУ” (Львів, 2003); “Ресурсоекономічні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, 2003).

Публікації. Основний зміст дисертації висвітлений у 10 друкованих працях, у тому числі, 9 статтях у спеціальних виданнях, затверджених ВАК України і 1 матеріалах конференції, 3 – без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел (114 назв), додатків, 2 акти впровадження. Загальний обсяг дисертації – 204 сторінки, зокрема, 176 сторінки основного тексту, 11 сторінок списку використаних джерел, 14 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто об’єкт дослідження - вітровий тиск на висотні будівлі і споруди та міцність висотних будівельних конструкцій під дією змінного з висотою вітрового тиску та його напрямку. Сформульовано актуальність, мету та завдання досліджень, наукову новизну роботи, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі наведено огляд літератури з питань нормування впливів на будівельні конструкції, зокрема, вітрового тиску на висотні споруди на території, що входила до складу СРСР та за кордоном. Розглянуто методи отримання інформації про вертикальні профілі вітрового тиску за допомогою дистанційних методів, що не потребують наявності висотної споруди для обстежень.

Проаналізовано і наведено характеристики закономірностей профілів вітрового тиску на висотні конструкції за даними нечисленних зарубіжних дослідників. Для побудови таких профілів вводять три типи підстилаючої поверхні: тип А - місцевість зі слабкою захищеністю; тип Б - місцевість з помірною захищеністю; тип В - місцевість з сильною захищеністю. Швидкість на висоті z обчислюють за формулою (1):

, (1)

де v anem - швидкість вітру на висоті встановлення анемометра;

Zanem - висота встановлення анемометра над поверхнею землі;

z - висота над поверхнею землі, на якій встановлюється шукана швидкість вітру;

a- показник, що вважається залежним від температурної стратифікації, шорсткості підстилаючої поверхні та швидкості вітру.

Типи місцевостей деталізуються у чинних будівельних нормах словесними означеннями. Давенпорт пропонує встановлювати для кожного з типів поверхні коефіцієнти шорсткості a, що дорівнюють відповідно aA=0,16; aБ=0,28; aВ=0,40. Під час аналізу ці коефіцієнти відрізняються у нормах СНиП колишнього СРСР та новій редакції ДБН-2003 від коефіцієнтів Давенпорта. Проаналізовано найновіші дослідження вітрового тиску за тридцятирічними спостереженнями на телевежі в Останкіно, що засвідчили мінливість коефіцієнта експозиції залежно від періоду повторюваності швидкості вітру, та не збіглися з даними сімдесятих років. Показано невідповідність нормативних актів у галузі вітрового навантаження сусідніх з Україною держав, зокрема, Польщі, де райони не збігаються ні за конфігурацією, ні за значеннями вітрового тиску. На основі вивчення стану питання сформульовано мету і задачі досліджень, сформульовано вимоги до експериментального обладнання, що дає змогу виконувати обстеження будівельного майданчика ще до початку монтажу висотної споруди.

У другому розділі проаналізовано методи безпосереднього вимірювання вітрового навантаження за висотою споруди. Виявлено проблеми та недоліки вимірювання вітрового тиску поблизу споруди, значні спотворення результатів у разі обтікання споруди вітровим потоком. Оброблено результати обстежень чотирьох висотних споруд у регіоні. Прийнято рішення про розроблення спеціалізованого обладнання для вимірювань вітрового тиску у вільній атмосфері. Для адаптації наявних приладів до вимірювань у приземному шарі з малим кроком розроблено засоби отримання цифрової інформації на базі експериментів, проведених на основі руху вільної кулі у повітряному потоці, не збуреному наявністю споруди. Результати досліджень дали змогу застосувати наявне аерологічне обладнання, призначене для вимірювань з кроком 180 м по висоті, до вимірювань параметрів вітру у приземному шарі з кроком 6 м.

У третьому розділі розроблено методику знаходження профілів вітрового тиску з висотою на основі даних реєстратора аерологічного радіолокатора або теодоліта, їх цифрового згладжування для подальшого диференціювання з мінімальною похибкою. В результаті використання розробленої методики, апаратного та програмного забезпечення вдалось вперше в будівельній практиці отримати профілі вітрового тиску на недосяжних для безпосередніх вимірювань на споруді висотах.

Розроблено алгоритми згладжування дослідних даних, що не залежать від форми експериментальних кривих, допускають згладжування невзаємооднозначних функцій з перекриттями.

У четвертому розділі проаналізовані 33 серії експериментів з визначення профілів вітрового тиску у рівнинній та гористій частинах міської забудови м. Львова. Виконано 27 серій по 1000...1200 дослідів методом аерологічного зондування до великих висот для встановлення межі так званої „вільної атмосфери”, що фігурує у СНиП-85 та ДБН-2003. Виконано шість серій дослідів методом фотограмметричного дослідження ракетного сліду до висоти львівської телевізійної вежі. Розраховано значення нормативного показника профілю вітрового тиску для різних районів забудови м. Львова. Показано, що в іноді вітровий тиск може з висотою споруди спадати або змінюватись за невизначеним законом. Показано, що частина профілів вітрового тиску відрізняється від даних чинних норм (рис. 1):

Рис. 1. Деякі досліджені профілі швидкості вітру, що відрізняються від ДБН

Показано, що зміна напрямку вітру від висоти 10 м до 1 км на показник ступеня a не впливає навіть у разі зміни напрямку на протилежний. Швидкість приземного вітру на ймовірність зміни його напрямку з висотою не впливає. Параметр a знаходять за експериментальними даними, що характеризують приземний шар атмосфери, і не перевищують 1 км за висотою. У протилежному випадку через закономірності вітру вільної атмосфери у значення a вноситься значна похибка.

Оцінено похибку вимірювання, показано, що вимірювання за допомогою аерологічного обладнання є точнішим від фотограмметричного аналізу димового сліду ракетного зондування. Точність останнього, своєю чергою, вища за розходження між значеннями a у різних дослідників та версій будівельних норм.

Підтверджено залежність a від швидкості вітру та знайдено параметри для досліджених дев’яти міст України (табл. 1, 2):

Таблиця 1

Міста України, де здійснювались дослідження параметрів профілю

вітрового тиску

Місто | Державний код

аерологічної станції | Висота над

рівнем моря,

(м) | Кількість виконаних серій дослідів | Львів | 33393 | 329 | 27 | Ужгород | 33631 | 120 | 3 | Одеса | 33837 | 42 | 12 | Кривий Ріг | 33791 | 100 | 5 | Харків | 34300 | 147 | 16 | Сімферополь | 33946 | 280 | 7

Київ | 33345 | 167 | 27 | Чернівці | 33658 | 220 | 8 | Шепетівка | 33317 | 278 | 6 |

Таблиця 2

Параметри залежності коефіцієнта експозиції вітрового навантаження від приземної швидкості вітру для міст України

Місто | Дослідні дані a та їх тренд від швидкості вітру v(м/с) на висоті 10м | Розрахункова

формула, v(м/c) | Всі дані

по Україні | Досліджено загальні якісні закономірності зміни вітру по висотах, зокрема вперше досліджена зміна напрямку вітрового тиску за висотою. Показана можливість експрес-обстеження будівельних майданчиків без очікування екстремальних вітрів на підставі виявлених закономірностей зміни профілю вітрового тиску як по висоті, так і залежно від приземного вітру. Відповідно до здійснених спостережень оцінено зміну напрямку вітрового навантаження по висоті споруди (рис. 2):

Рис. 2. Полігон зміни напрямку вітру по висоті щодо приземного напрямку у 113 серіях дослідів, розглянутих для 8 міст України

У 20% спостереженнях спостерігається зміна напрямку вітру від 150 до 750 на 100 метрів висоти. Зміна напрямку не залежить від розміщення міста в Україні. Максимум Da= 800/100м досягнуто у м. Києві, де здійснено найбільшу кількість спостережень серед міст України.

Внаслідок виявлення явища зміни вітрового тиску з висотою розрахункова схема стає тривимірною як при статичних розрахунках, так і під час дослідження форм коливань та резонансу. Якщо під час статичних розрахунках задача може розв’язуватись за допомогою суперпозиції двох навантажень у перпендикулярних площинах, то при дослідженні аеродинамічних ефектів внаслідок нелінійності моделі обтікання споруди принцип суперпозиції коливань у різних площинах неприйнятний, а необхідне розв’язання просторової задачі коливань.

У п’ятому розділі розглянуто відхилення отриманих значень коефіцієнтів експозиції від інших нормативних документів, зокрема Польських норм. Cистематичні спостереження з високою роздільною здатністю за вітровим тиском у атмосфері, не збуреній наявністю споруди, показують результати, що підтверджують недостатню дослідну базу при створенні таких нормативних документів, як Польські норми, СНиП-78 та проект ДБН-2003, необхідність експериментальних спостережень безпосередньо в околі будівельного майданчика (рис. 3):

Рис. 3. Порівняння отриманого значення коефіцієнта експозиції C(z) для Львова з даними Польських норм: 1) міська забудова; 2) сільська місцевість; 3) відкрита місцевість; 4) верхня межа 95% інтервалу довіри трендового значення; 5) трендове значення; 6) нижня межа 95% інтервалу довіри трендового значення.

Враховуючи нелінійність залежності вітрового навантаження від швидкості, оцінено вплив неточного задання зусиль на тестовій задачі. Розглянемо консольний комин, зображений на рис. 4.

Швидкісний напір на висоті z можна обчислити, використовуючи квадратичну залежність вітрового тиску, прийняту в ДБН:

, (2)

де - швидкісний напір на висоті z, Па;

- швидкісний напір на висоті 10м, Па;

- коефіцієнт експозиції;

- аеродинамічинй коефіцієнт форми споруди;

- коефіцієнт пориву вітру;

a-параметр зміни вітру з висотою.

Рис. 4. Схема завантаження Рис. 5. Геометричні розміри

консольної висотної споруди коминів для розрахунків

Розраховуючи конструкції за граничним станом приймають вітровий тиск

, (3)

де – коефіцієнт перевантаження, приймають 1.2 для будівель; у разі вітрового навантаження як головного 1.3 ; для димарів до 100м -1.4; вищих – 1.5. Нехай висотна споруда висотою Н перебуває під дією змінного з висотою вітрового тиску (4)

, (4)

де A- коефіцієнт, що характеризує аеродинамічні властивості споруди,

v- швидкість вітру на висоті z

. (5)

Вилучивши параметри, що не залежать від висоти споруди, введемо окрему змінну для спрощення обчислень, яка є константою для цієї задачі (6):

. (6)

Тут вважається, що форма споруди, а отже, її аеродинамічний коефіцієнт “А” з висотою не змінюється (споруда кругла чи квадратна по всій висоті і форми з висотою не змінює). Визначимо значення згинального моменту М залежно від висоти поперечного перерізу від землі “z” (7):

, (7)

де - центр ваги графіка розподіленого по висоті вітрового навантаження q(z) на відрізку від верхнього кінця консолі до позначки висоти “z”.

Інтегруючи розподілене навантаження по довжині досліджуваного відрізка, знайдемо рівнодійну F(z) (8):

. (8)

Координату положення центру прикладання рівнодійної сили визначають зі залежності (9):

. (9)

Враховуючи попередні формули, отримаємо вираз для змінного по довжині згинального моменту М(z) (10):

. (10)

Дуже важливим є точне встановлення коефіцієнта експозиції для профілю вітрового тиску на конкретному будівельного майданчику. Як видно з рис. 6, у разі помилки у встановленні цього коефіцієнта 14% момент змінюється між крайніми значеннями на 100%:

Рис. 6. Згинальні моменти по висоті споруди при коефіцієнтах:

(+) - a = 0.3; (о) - a = 0.4.

Перевірочні розрахунки виконані для кількох міст України, а їх результати порівняно з нормативними даними для різних типів місцевості (табл.3):

Таблиця 3

Порівняння статичного розрахунку за нормами та результатами спостережень для деяких міст України для ідентичних споруд

Місце розрахунку | Згинальний момент (Нхм) при вітрі повтор. 1 раз на 50 років | Згинальний момент (Нхм) за проектом ДБН:

(Поле/село/місто) | Відхилення, %

(Поле/село/місто)

від реального значення | Львів | 1,19х107(0,75/1,17/2,6)х107 | -36/-1/119 | Ужгород | 8,26х106(0,54/0,85/1,9)х107 | -34/3/131 | Одеса | 1,01х107(0,68/1,05/2,4)х107 | -32/4/138 | Кривий Ріг | 1,29х107 | (0,63/0,98/2,2)х107 | -51/-24/71

Харків | 9,1х106 | (0,63/0,98/2,2)х107 | -30/8/142 | Сімферополь | 1,13х107 | (0,67/1,1/2,4)х107 | -40/-2/113 | Київ | 1,2х107 | (0,55/0,86/1,9)х107 | -54/-28/59 | Чернівці | 1,23х107 | (0,73/1,1/2,6)х107 | -40/-10/112 | Шепетівка | 7,9х106 | (0,72/1,1/2,6)х107 | -8/40/230 |

На підставі аналізу табл. 3 можна зробити висновок про достатньо високу точність (1...8% відхилення від реального значення) чинних нормативних документів у разі їх застосування в типових умовах та необхідність польових вимірювань в умовах складного рельєфу та забудови.

Динамічна складова вітрового навантаження виникає внаслідок багатьох чинників, серед яких взаємодія потоку з конструкцією, відривання вихорів, галопування в потоці тощо.

Одним із показників величини турбулентності, що викликає динамічні навантаження на висотні споруди, є спектр Давенпорта, який характеризує енергію збуджувальної сили залежно від її періоду і задається формулою (11):

, (11)

де - показник інтенсивності турбулентності;

- коефіцієнт лобового опору підстилаючої поверхні (0,005 - поле; 0,01 – ліс і приміська забудова; 0,04 – центр міст; 0,002 – відкрите море);

a - коефіцієнт профілю швидкості вітру;

z – висота над землею.

Формула для знаходження частоти пікового значення спектра, тобто частота коливань, які мають найбільшу енергію, має вигляд (12):

, (12)

де v0 – приземна швидкість вітру;

a - коефіцієнт профілю швидкості вітру;

- показник інтенсивності турбулентності в приземному шарі, за (11);

z – висота над землею.

Через відому інтенсивність турбулентності може бути обчислене значення пульсації тиску на одиницю висоти висотної конструкції за (13):

, (13)

де - інтенсивність пульсації тиску;

- статична складова вітрового тиску;

- показник інтенсивності турбулентності в приземному шарі за (11);

d- характеристичний переріз.

Виконаємо порівняльний аналіз впливу на точність розрахунку динамічних навантажень коефіцієнта профілю швидкості вітру a за нормативними та дослідженими даними (табл. 2). На рис. 7 видно, що за практично важливих значень параметра a різко зменшується значення додаткової складової сили пориву вітру, яка додається до статичного навантаження і досягає до 50%.

Для більших висот над землею турбулентність спадає швидше у разі зростання параметра a, енергія поривів є меншою, ніж у приземному шарі, а частота вихорів у разі збільшення шорсткості поверхні зростає; енергія пориву стає меншою, період зменшується. Для висоти 150 м крива динамічного навантаження спадає набагато швидше, ніж її аналог для висоти 20 м над землею.

Рис. 7. Залежність частоти та сили поривів вітру з піковою енергією від значення коефіцієнта профілю вітру a для різних висот над землею

Як видно з графіків на рис. 7, крива сили пориву спадає дуже швидко зі збільшенням коефіцієнта a, тому під час розрахунків унікальних висотних споруд на динамічне навантаження треба відмовитись від суб’єктивного підходу до вибору типу місцевості і виконувати натурні вимірювання реального коефіцієнта шорсткості.

Набагато складнішу конструкцію, що складається з більш ніж 300 елементів, необхідно розраховувати числовим методом скінченних елементів за допомогою комплексів САПР. Для порівняння впливу розбіжностей між нормативним та дослідним навантаженням на результат розраховано телекомунікаційну вежу UMC висотою 20,7 м, встановлену на даху споруди висотою 20 м. Розрахунки виконані в системі SCAD, деякі результати подані у табл. 4, 5.

Таблиця 4

Максимальні значення переміщень вузлів щогли та їх розміщення (ДБН)

Максимальні переміщения вузлів розрахункової схеми, мм, рад*1000

Назва | MAX+ | MAX-

Значення | Номер

вузла | Номер

завантаження | Значення | Номер

вузла | Номер

завантаження

X | 1.34424 | 106 | 3 | -.537798 | 106 | 2 | Y | 1.62961 | 103 | 2 | -.542804 | 110 | 3 | Z | .78752 | 110 | 2 | -.787521 | 123 | 2 | Таблиця 5

Періоди та частоти коливань

Періоди і частоти власних коливань

Власне значення | Частота | Періоди

1/С | ГЦ

.01650167 | 60.599926 | 9.6496696 | .10363049 | .01592194 | 62.806385 | 10.001016 | .09998983 | .01546559 | 64.659637 | 10.29612 | .09712395 |

Аналіз розрахунків за ДБН та за уточненими у дисертації даними показав таке: різниця між нормативними та тестовими розрахунками є значущою, особливо стосовно деякої заниженості значень навантажень, поданих у нормативних документах; аналізуючи власні частоти коливань конструкції (табл. 4), що є близькими до 10 Гц, та розрахувавши (12) частоту пікового значення спектра коливань вітрового тиску, можна отримати значення як для нормативних значень вітрового тиску, так і для одержаних дослідно частот близько від 0,01Гц до 0,1 Гц, що від 100 до 1000 разів відрізняються від резонансних частот для споруди. Через це недоліки у чинних нормах за вітровим навантаженням незначно впливають на динамічну поведінку висотних споруд.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

10)

11)

12)

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Добрянський І., Бурнаєв О., Лопатка С. Багатоканальний засіб автоматизації експерименту для динамічних випробувань // Вісник Львівського державного аграрного університету. – Львів, 2001.- № 5.- С. 303 – 310.

2. Лопатка С. Розрахунок вітрового тиску на висотні споруди та умов переносу атмосферних забруднень будівельної промисловості в умовах зашумленості даних // Вісник Львівського державного аграрного університету. – Львів, 2002.- № 3.- С. 138 – 148.

3. Добрянський І., Лопатка С., Смичок В. Розробка засобів автоматизації вимірювань вертикальних профілів вітрового тиску на будівельні конструкції та атмосферних переносів викидів будівельної промисловості // Еколого-економічні проблеми розвитку АПК: Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 10-й річниці Конференції ООН з питань охорони навколишнього середовища та розвитку. – Львів, 2002.- Том 1.- С. 325 – 330.

4. Добрянський І., Лопатка С. Розділення параметрів впливу вітру на споруди при дистанційному експерименті // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне, 2002.- Вип. 8.- С. 100 – 108.

5. Добрянський І., Бурнаєв О., Лопатка С. Оптимізація міцності висотних будівельних конструкцій під впливом вітру із змінним профілем швидкості та напрямку // Вісник Львівського державного аграрного університету. – Львів, 2002.- № 6.- С. 297 – 306.

6. Ванкевич П., Смичок В., Бурнаєв О., Лопатка С. Цифрове декодування динамічної телеметричної інформації про температурний стан рухомих об’єктів // Вимірювальна техніка та метрологія. – Львів, 2002.- Вип.. 59.- С. 161 – 170.

7. Добрянський І., Лопатка С. Актуальні проблеми дослідження профілів змінного з висотою вітрового тиску на будівлі і споруди // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. – Львів, 2002.- № 462.- С. 41 – 46.

8. Лопатка С. Статистична обробка результатів вимірювань вертикальних профілів вітрового тиску на висотні споруди над рівнинною забудовою міста Львова // Вісник Львівського державного аграрного університету. – Львів, 2003.- № 7.- С. 308 – 317

9. Добрянський І., Лопатка С. Вертикальні профілі вітрового тиску на висотні споруди над рівнинною забудовою міста Львова // Вісник Львівського державного аграрного університету. – Львів, 2003.- № 4.- С. 19 – 26.

10. Лопатка С.С. Визначення профілів вітрового тиску на висотних конструкціях м. Львова методом безпосереднього вимірювання // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. – Львів, 2004. - №495. – С. 111 - 114.

Анотація

Лопатка С.С. Методи оцінювання вертикальних профілів вітрового навантаження на висотні будівлі і споруди. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05. 23. 01 – "Будівельні конструкції, будівлі та споруди". – Львівський державний аграрний університет, Дубляни, 2005.

У роботі досліджено проблему встановлення профілів вітрового тиску на висотні будівельні конструкції, запропоновано та розроблено дистанційні засоби вимірювання цієї величини. На основі методів радіолокаційного зондування атмосфери та фотограмметричним методом виконано серію експериментальних спостережень за профілями вітрового тиску для різних типів місцевості у міській забудові, розв’язано модельні задачі з аналітичного та числового розрахунку статичної та динамічної дії вітрового тиску з врахуванням чинних нормативних документів та дослідно отриманих даних. Розглянуто вплив нормативних та дослідних коефіцієнтів експозиції на деякі параметри динамічного навантаження, зокрема, інтенсивності турбулентності, пікової частоти динамічного навантаження, вплив на силу пориву. Показано значний вплив неточного задання параметра шорсткості місцевості на результати розрахунків на динамічне навантаження, вказано необхідність натурних обстежень відповідальних та унікальних висотних споруд.

Ключові слова: висотні будівлі і споруди, вітрове навантаження, методи оцінювання профілю вітрового навантаження, дистанційний експеримент, аерологічне обладнання, динаміка споруд.

Аннотация

Лопатка С.С. Методы оценивания вертикальных профилей ветровой нагрузки на высотные здания и сооружения. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05. 23. 01 – "Строительные конструкции, здания и сооружения". – Львовский государственный аграрный университет, Дубляны, 2005.

В диссертации поставлена проблема определения профилей ветрового давления на высотные строительные конструкции, предложены и разработаны дистанционные средства измерения этих величин.

Введение содержит обоснование актуальности темы, сформулирована цель и задачи исследований, приведены основные научные результаты, показано их практическое значение в области строительства

В первом разделе изложено современное состояние вопроса и проанализированы все доступные данные о вертикальных профилях ветрового давления на высотные сооружения в мире. Продемонстрировано несоответствие строительных нормативных документов разных стран в данном вопросе, несовпадение значений ветровой нагрузки по границам государств. Показано изменение значений ветровой нагрузки и форм профилей с момента начала сбора экспериментальных данных до настоящего времени.

Во втором разделе проанализированы методы непосредственного определения ветровой нагрузки по высоте сооружения. Предложена методика использования штатного оборудования аэрологических служб, не приспособленного для исследований в приземном слое атмосферы путём подключения к нему дополнительного регистрирующего оборудования, и дальнейшей обработки результатов. Для адаптации приборов к определениям в приземном шаре разработано средства получения цифровой информации на базе экспериментов, проведенных на основе перемещения шара в свободном воздуховом потоке.

Третий раздел содержит описание методики получения профилей ветрового давления с высотой на основе данных реестратора аэрологического локатора или теодолита, их цифрового сглаживания с целью дальнейшего дифференцирования. В результате использования разработанной методики, аппаратного и программного обеспечения удалось впервые в строительной практике получить профили ветрового давления на недоступных для непосредственных измерений на сооружении высотах.

В четвертом разделе проанализировано серию экспериментальных наблюдений за профилями ветрового давления для разных типов местности в городской застройке, проведенных на базе методов радиолокационного зондирования атмосферы и фотограмметрическим путём. Проведены углубленные исследования свойств профилей ветрового давления в г. Львове, получены зависимости профиля от приземной скорости ветра, а также изменчивости направления ветрового давления по высоте, ранее не учитывавшейся в нормах. Обнаружена закономерность уменьшения крутизны профиля ветрового давления с увеличением скорости приземного ветра. Полученные результаты и закономерности позволили провести обследование профилей ветрового давления в 8 городах Украины на основании наблюдений за неэкстремальными ветрами с их экстраполяцией на максимальные скорости ветра.

В пятом разделе рассмотрено влияние нормативных и исследованных коэффициентов экспозиции на некоторые параметры динамической нагрузки; причины нечувствительности достаточно жёстких высотных конструкций к ошибкам определения в нормативных документах динамических составляющих ветрового давления. Также решены модельные задачи по определению степени влияния неточности в действующих строительных нормах на состояние расчетов высотных сооружений.

Ключевые слова: высотные здания и сооружения, ветровая нагрузка, методы оценивания профиля ветровой нагрузки, дистанционный эксперимент, аэрологическое оборудование, динамика сооружений.

The summary

Lopatka С.С. Methods of estimation of elevation profiles of wind load capacity on high-altitude buildings and facilities. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05. 23. 01 - " Building designs, building and facility ". - Lvov state agrarian university, Dublany, 2005.

In a thesis the problem of definition of profiles of wind stress on high-altitude building designs is put, are offered and the remote means of measurement of these values are designed. All accessible data about elevation profiles of wind stress on high-altitude facilities in a pattern are parsed. The disharmony of the building normative documents of miscellaneous countries in the given problem, straddling of values of wind load capacity on borders of the states is rotined. The detailed researches of properties of profiles of wind stress in Lviv are conducted, the relations of a profile to ground wind speed, and also variability of a direction of wind stress on an altitude earlier which was not taken into account in the norms are obtained. The regularity of reduction of steepness of a profile of wind stress with increase of speed of a surface wind is found. The obtained outcomes and regularity have allowed to conduct examination of profiles of wind stress in 8 cities of Ukraine ground of overseeings by not extreme winds with their extrapolation on maximum wind speeds.

The causes of insensitivity of enough rigid high-altitude designs to errors of definition in the normative documents of dynamic components of wind stress are parsed. Natural frequencies of oscillations of such designs is significant surpass frequencies of vortexes, definite both under the normative documents, and on experimental values.

Keywords: high-altitude buildings and facilities, wind load capacity, methods of estimation of a profile of wind load capacity, remote experiment, aerological equipment, dynamics of facilities.

Підписано до друку 03.10. 2005 р.Формат 60х84 1/16 .

Тираж 100 прим. Ум.