Ветровая нагрузка расчет: Как рассчитать ветровую нагрузку на опору освещения

Содержание

Что такое ветровая нагрузка

В то время как силы природы способны оказать благотворную помощь человеку, они также имеют разрушительную способность. Например, ветровая нагрузка может оказать негативное воздействие, вплоть до угрозы жизни окружающих живых существ и построенным сооружениям. Так, для людей комфортная ветровая нагрузка до 5 метров в секунду. Если речь идет о сильном ветре, то обычно его скорость достигает до 12 метров в секунду. При шторме, ветер набирает скорость до 20 метров в секунду. А если надвигается ураган, то стоит ожидать скорость больше 30 метров в секунду. Но что можно сказать о конструкциях и сооружениях. Насколько важно учитывать ветровые нагрузки при возведении тех или иных сооружений? Рассмотрим эти и другие вопросы, связанные с ветровой нагрузкой и воздействием этой силы природы в нашей жизни.

Энергия ветра


Энергия ветра – это производная энергия Солнца. То есть энергия ветра образуется благодаря неравномерному нагреванию поверхности Земли. Тысячелетиями, человечество использует энергию ветра в разных целях, например, для передвижения кораблей, для переработки зерна в муку, для движения воды (водяные мельницы), для накопления электричества и прочее.

Так, если смотреть на этот вопрос с точки зрения энергетики, то ветровая энергия полезна в том случае, если скорость ветра находится в пределах от 8 до 18 метров в секунду. Если скорость ветра меньше 8 метров в секунду, то энергетические установки неэффективны. А если скорость превышает 18 метров в секунду, то это чревато механическим разрушениям.

Однако нас больше интересует не вопрос образования электроэнергии при воздействии ветровой нагрузки, а как правильно рассчитать нагрузку и воздействие ветра на строения. Это поможет вам при строительстве дома, придать строению необходимые физические и технические характеристики, чтобы они справлялись с ветром.

Ветровая нагрузка – что это


Так, под ветровой нагрузкой подразумевается образовавшееся давление на наветренные стороны здания и сооружений, например, на мачты, дома, опорных линий и прочее. Определяется ветровая нагрузка за определенный период времени максимальной скоростью ветра в конкретной местности.

Нагрузка ветровая может отличаться, например, она зависит от формы сооружения, которое обдувается. Также на это влияет плотность воздуха, назначение и движение.

Ветровая нагрузка – как образуется


Так, по мере своего передвижения, воздушный поток двигается. На своем пути он сталкивается с различными преградами, в частности, кровля, стены и другие конструкции дома. Как только воздушный поток сталкивается с подобными сооружениями, он раздваивается. Например, когда воздушная масса сталкивается со стеной, то часть нагрузки идет на низ здания, а вторая часть на карнизный свес кровли.

Когда воздушный поток сталкивается со скатом кровли, то происходит огибание ветра по касательной конек крыши. После этого поток подхватывает спокойные молекулы воздуха с подветренной стороны и уносит в сторону от здания. Таким образом, кровля сталкивается с нагрузкой четырех сил, которые способны сорвать ее или перевернуть:

  1. С наветренной стороны – 2 касательные.
  2. С подветренной стороны – подъемная сила.
  3. Вдавливающая. Ее воздействие происходит перпендикулярно скату кровли. Вследствие такой нагрузки, скат может сломаться или просто деформироваться.

Можно ли игнорировать ветровую нагрузку


Что, если вы будете строить здание и при этом не учитывать тип вашей местности на ветровую нагрузку? Здесь важно понимать одну важную истину – нагрузка ветра негативно воздействует на любой тип кровли. При этом абсолютно не важно, имеет кровля плоскую форму или какую-либо другую. Так, с увеличением угла ската крыши, увеличивается показатель нормальных сил, в то время как касательные уменьшаются. То есть, если все это подытожить, то крутой склон ската ветер может опрокинуть, а пологий уклон ската – унести и сорвать.

Из всего этого очевидно, при строительстве зданий, сооружении кровли и других конструкций крайне важно учитывать тип местности. Сегодня это как никогда просто. Например, существует специальная карта ветровых районов страны. Воспользовавшись ей, можно получить общее представление по этому вопросу.

Можно ли избежать плачевных последствий ветровой нагрузки


Итак, чтобы избежать негативного разрушительного воздействия ветровой нагрузки на кровлю, следует придерживаться нескольких правил.

  • Совет №1. Крайне важно смонтировать правильный каркас кровли. Так, каркас в обязательном порядке должен иметь раскосы и подкосы. Чтобы усилить стропила, они должны быть связаны диагоналями. Кроме всего прочего, увеличивает прочность кровли и правильно смонтированная обрешетка.
  • Совет №2. Усилить ту крышу, которая уже построена. Например, это можно сделать, если обеспечить дополнительное крепление стропильной ноги. Достигается это следующим образом. Используя скрутку из вязальной проволоки необходимо скрутить нижний конец каждой стропильной ноги. Прикручивание осуществляется к ершу, который забивается в стену. Под ершом подразумевается металлический штырь из ковки, который на своей поверхности имеет насечки. Эти насечки обязательно направлены в противоположную сторону его выдергивания.
  • Совет №3. Правильный выбор кровельного материала. Так, существует группа кровельных материалов, которые нельзя назвать надежными. Профнастил отличается высокой парусностью. Этим показателям также характеризуется металлочерепица. Если говорить за натуральную черепицу, то она неплохая, но вот способ ее крепления не обеспечивает серьезную надежность при возникающих нагрузках. Каждый из этих материалов очень легко может сорвать ветер при большей его мощности. Если говорить за ондулин, то он не имеет такого недостатка. Особенность его монтажа включает в себя плотное прилегание к обрешетке. Для крепления используются специальные фирменные гвозди. Такому покрытию нестрашны сильные ветровые нагрузки.

Важно! Если кровля будет накрыта ондулином и на вашу местность будет надвигаться смерч, уносящий и срывающий все на своем пути, то листы из ондулина на причинят страшного вреда живим существам, например, при сравнении его с профнастилом или металлочерепицей.

Итак, мы рассмотрели простые способы того, как избежать негативного воздействия от ветровой нагрузки.

Как рассчитать ветровую нагрузку


Итак, как мы уже рассмотрели, что сила ветра способна оказывать разрушительное воздействие. В качестве давления выступает скорость ветра в момент его столкновения со зданием. Вот сила данного давления и является этой ветровой нагрузки. Расчеты выполняются для той цели, чтобы строить и проектировать безопасные строения и конструкции. При этом важно учитывать следующие факторы при проектировании, ведь скорость ветра может значительно изменяться исходя из его высоты от земли:

  • Чем выше здание, тем скорость ветра увеличивается.
  • Чем ближе ветер к земле, тем больше он становится непредсказуемым. Как следствие, он имеет прямое воздействие на предметы, находящиеся на земле.

Из-за того, что ветер от части не предсказуем, крайне сложно произвести точные расчеты ветровой нагрузки.2.

В этом случае V подразумевает скорость ветра, измеряющаяся в милях в час. Проще способ как сделать расчет, использовать уже готовую информацию в таблицах и пособиях по ветровой нагрузке именно вашего региона.

Также следует произвести вычисление коэффициента лобового сопротивления. Что это такое? Под лобовым сопротивлением подразумевается давление, с которым сталкивается дом/строение. Определяет давление – сопротивление. Коэффициент сопротивления определяется формой строения и другими конструктивными особенностями здания. Так, необходимы учитывать такие коэффициенты по сопротивлению при определении нагрузки ветра:

  1. 1.2 – это для цилиндрических труб сильно длинных.
  2. 0,8 – это для коротких цилиндрических труб, например, антенны и тому подобное.
  3. 2.0 – это для пластин длинных и плоских форм.
  4. 1.4 – это для пластин коротких и плоских форм, например, фасад.

Итак, теперь берем формулу, по которой и произведем расчет ветровой нагрузки:

F = A x P x Cd.(2/7). Здесь под z подразумевается высота постройки от земли, до ее середины.

Кроме всего прочего, при расчете еще стоит учитывать и тип местности. Существует 3 типа местности:

  1. А – это открытые участки, располагающиеся возле тундры, лесостепи, степи, пустынь, водохранилищ, озер, морей.
  2. В – это городская местность и лесные массивы. То есть та местность, которая на своем пути имеет препятствия высотой не больше 10 метров. При этом препятствия распределены равномерно.
  3. С – это городские районы, где постройки имеют высоту больше 25 метров.

Как определить, в какой местности проживаете вы? Можно смело считать, что ваша местность относится к одному из перечисленных типов, если с наветренной стороны сохраняется на протяженности 2 километров сооружения на определенной высоте, например, стабильно от 30 до 60 метров от земли.

Делаем расчет ветровой нагрузки на крышу


Учитывая, что чаще всего подвергается разрушению кровля, то рассмотрим важные нюансы того, как сделать правильный расчет ветровой нагрузки при строительстве кровли. Мы можем найти немало примеров того, что было, когда это не делалось. Кровля просто поднималась силой ветра и срывалась.

Итак, если направление ветра фронтальное, то осуществляется столкновение воздушной массы с фасадом здания и кровлей. На вертикальной поверхности поток воздушных масс образует завихрении, которые обладают разноплановыми векторами. То есть нагрузка происходит на вертикальную, боковую и нижнюю часть здания.

Каждая эта часть здания имеет определенные слабые и сильные места, рассмотрим их:

  1. Нижняя часть здания. При воздействии ветровой нагрузки на данную часть строения, а именно на фундамент, то никакого воздействия на здание не оказывается. Почему? Здесь располагается самая крепкая часть строения – фундамент. Поэтому нижнее направление самое безопасное.
  2. Боковое направление. В этом случае воздействие ветровой нагрузки приходится на фасад. Также здесь с ветром сталкиваются двери, окна и другие элементы строения. Можно сказать, что это средняя нагрузка из трех существующих.
  3. Вертикальное направление. В этом случае образуется самая серьезная нагрузка, так как воздействие воздушных масс осуществляется на свес кровли. В результате образуется подъемное воздействие, которое стремится поднять и сорвать кровлю. Как следствие, такое направление самое опасное и именно с ним нужно бороться.

Рассмотрим подробнее характер воздействия вертикального направления, а именно, на скат и кровлю. Воздушный поток образует следующие воздействия и усилия:

  • Касательные. Здесь подразумевается ветер, который скользит по крыше, огибает ее конек и уходит в сторону. Касательное воздействие стремится сдвинуть кровлю с места.
  • Перпендикулярные усилия. Это определение – нормаль. Под этим усилием подразумевается сила, которая направляется внутрь крыши. Вследствие этого создается определенное давление, которое способно вдавить кровлю внутрь здания.
  • Обратная сила. Этот вид воздействия воздушных масс образуется со стороны ската кровли. Данный вид ветровой нагрузки образует то же, что и крыло самолета – подъемная.

Важно! Итак, если подвести итог и сложить все направления ветрового потока, то можно прийти к выводу, что кровля, имеющая сильную наклонную, имеет большой риск к ее опрокидыванию.

Если же скат имеет пологую форму, то при воздействии серьезных воздушных масс конструкция с большой вероятностью приподнимется. Сила ветра попросту унесет ее в свободный полет. Итак, чтобы этого не допустить, для расчета будем использовать такую формулу:

Wр = 0,7 × W × k × C

Все эти значения имеют следующее объяснение:

C – это аэродинамический коэффициент. Здесь подразумевается воздействие потока ветра на скат кровли.

k – это зависимость высоты от земли к давлению.

W – это нормативная величина усилия. Эти усилия создаются напором воздушных масс. В этом случае крайне важно отталкиваться от показаний в СНИП и установленных норм в вашей местности.

Итак, чтобы все это закрепить, предлагаем вам сделать приблизительные расчеты ветровой нагрузки на кровлю здания. В нашем случае дом будет находиться в местности, характеризующейся типу А. То есть это берег большого водоема. В этом здании крыша возвышается от уровня грунта на высоте 10 метров. Значит, в этом случае коэффициент применим 1,25. Что касается преобладающих ветров, то они идут по направлению к фронтону кровли. Как следствие, аэродинамический показатель равен С = -1,4. Это при наклоне ската 30 градусов. Для примера возьмем норматив Поволжья где W = 53 кгс/м2. Учитывая все это, делаем такие вычисления:

Wp = 0,7 × 53 кгс/м2 × 1,25 × -1,4 = -64,925 кгс/м2.

Почему здесь отрицательное значение? Оно указывает на то, что сила ветра стремится оторвать кровлю от дома. Если сделать вычисление этого значение на площадь здание, а она, пусть будет, 50 м2, то получаем следующее: Р = 50 м2 × -64,925 кгс/м2 = 3246,25 кгс/м2. То есть давление на срыв оказывается с нагрузкой больше трех тонн!

Итак, видно из всего этого, что определить ветровую нагрузку, в частности, на кровлю строения вполне реально и самостоятельно. Для этого следует знать ваш ветровой район, нормы и преобладающее направление ветра в вашей местности. Имея всю эту информацию, вы сможете учитывать крайне важные факторы при строительстве частного дома.

Заключение


Итак, эта статья дала обширный ответ на вопрос о том, что такое ветровая нагрузка. Мы увидели, что она бывает самой разной. также мы узнали, что произойдет, если не произвести расчет ветровой нагрузки. Учитывая все это, не поленитесь, а приложите усилия для проведения таких расчетов. В таком случае ваше здание точно прослужит вам длительный период времени без повреждений по причине ветровой нагрузки.

При расчетах обязательно используйте карту ветровых нагрузок в вашем регионе. Также отталкивайтесь от показателей в СНИПах. Все это в комплексе поможет вам получить точную информацию. Плюс ко всему, используйте всю предоставленную информацию в этой статье. Здесь находиться немало формул и примеров для вычислений. Мы надеемся, что все это поможет вам. Плюс ко всему, предлагаем вам просмотр подготовленного видеоматериала о том, как происходит вычисление ветровой нагрузки и что под этим подразумевается. Если вы знаете другие важные аспекты по этому вопросу, то пишите комментарии и поднимайте эти вопросы на форуме. Ваш опыт будет неоценим и полезным для новичков в этом вопросе.

Что еще почитать по теме?

Автор статьи:

Сергей Новожилов – эксперт по кровельным материалам с 9-летним опытом практической работы в области инженерных решений в строительстве.

Понравилась статья? Поделись с друзьями в социальных сетях:

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Механическая прочность баннерных тканей и расчет ветровых нагрузок

Механическая прочность баннерных тканей и расчет ветровых нагрузок

       На улице вывески, щиты, короба и перетяжки подвергаются не только температурным колебаниям, но и высоким механическим нагрузкам. Для того чтобы изготовленное изделие отвечало необходимым прочностным требованиям, необходимо выяснить: выдержит ли используемый материал те нагрузки, которые могут на него воздействовать в период краткосрочной или длительной эксплуатации. После произведенных расчетов ветровых нагрузок необходимо сравнить их с прочностными характеристиками баннера (винилового, полиэтиленового, тканого синтетического или натурального) с учетом специфики материала (например, влагопоглощения с последующим разрушением), возможной потери пластичности при низких температурах и скорости его старения.
          В случае отдельно стоящих знаков, подвергающихся нагрузкам на обе стороны, расчеты должны производиться, в том числе и для крепежных элементов. Это особенно важно, если изделие расположено в таком месте, где деформации (срыв или разрыв) могут представлять опасность для человека, транспорта и расположенных рядом сооружений.
          Если для расчетов нет достаточных знаний и опыта, лучше обратиться в проектно-конструкторские бюро или крупные рекламно-производственные фирмы.
          Представленная ниже методика расчета ветровых нагрузок, используемая в строительной статике, может быть применима для вертикальных плоских рекламных сооружений и дает возможность получить предварительное значение без учета конструкционных особенностей.


Ветровая нагрузка, измеряемая в кг(кН)/м², определяется по формуле:

    Pw = k ⋅ q,

где

Pw – давление ветра, нормальное к воспринимающей поверхности. Это давление считается положительным.
k – аэродинамический коэффициент, зависящий от формы и положения подверженного ветру объекта.


Конструкция
b-ширина, d-высота
Соотношение размеровПлощадь SАэродинамический коэффициент k

Вертикально установленное полотно, закрепленное в раме или натянутое с помощью тросов

d/b < 5    b х d
1,2
d/b ≥ 5 
b х d    1,6

q – скоростной напор ветра (кг/м²), соответствующий наибольшей для данного места скорости ветра c учетом особых порывов.

Величина q в зависимости от скорости ветра определяется следующим образом:

q = γ : g ⋅ V² : 2

γ – вес воздуха (1,23 кг/м³) при P атм. = 760 мм рт. ст. и t атм. = 15 °С
g – ускорение силы тяжести (9,81 м/сек²)
V – наибольшая скорость ветра (м/сек.) на данной высоте h, т. е.

q = 1,23 : 9,81 ⋅ V² : 2

q = V² : 16


Высота h над уровнем земли, м
Скорость ветра VСкоростной напор q, кг/м²
км/ч
м/сек.
0-8103.728.851
8-20128.935.880

Примечание: В таблице указаны максимальные значения скорости ветра, характерные европейской территории для конструкций, расположенных на открытом месте. При необходимости точного расчета с учетом географических районов (прибрежных зон), застройки места расположения баннера, наличия редких/обширных зеленых насаждений следует обратиться к нормативным документам СниП 2.01.07-85* («Нагрузки и воздействия») и воспользоваться расчетными данными.


Пример расчета максимальной ветровой нагрузки для конструкции, верхняя точка которой расположена на высоте 5 м над уровнем земли. Размер знака 3 х 1,5 м.

При использовании приведенных ранее таблиц, производится простой расчет:

Скорость ветраV = 28,8 м/сек.
Скоростной напорq = 51 кг/м²
Аэродинамический коэффициентk = 1,2
Ветровая нагрузкаPw = k ⋅ q
Pw = 1,2 ⋅ 51 = 61 кг/м²

                

Отраслевая энциклопедия. Окна, двери, мебель

Ветер в сочетании с изменяющейся температурой, влажностью воздуха и осадками существенно осложняет условия эксплуатации светопрозрачных конструкций. Он может создавать пылевые бури, метели; совместно с дождем вызывает увлажнение ограждающих конструкций и даже обуславливает проникновение пыли, снега и влаги через притворы оконных блоков. Ветер оказывает силовое воздействие на здания и сооружения.

В холодное время года под воздействием ветра значительно увеличиваются теплопотери здания, особенно через неплотности окон и дверей. При большой скорости ветра теплопотери в зданиях возрастают на 30-40%. Вместе с тем, ветер может способствовать улучшению аэрации территории застройки, наилучшему воздухообмену внутри здания, высушиванию строительных материалов, а при определенных параметрах- и смягчению отрицательного воздействия высоких температур и влажности.

Ветровой режим в строительной климатологии оценивают повторяемостью направлений ветра и средней скорости ветра по румбам. Повторяемость направления ветра рассчитывают в процентах от общего числа случаев направления ветра без учета штилей. Среднюю скорость ветра по румбам м/с, рассчитывают делением суммы скоростей на сумму случаев с ветром каждого румба.

В архитектурно-строительном проектировании принято характеризовать направления ветра по 8 румбам.

В соответствии со сторонами света, различают:

  1. северный
  2. северо-восточный
  3. восточный
  4. юго-восточный
  5. южный
  6. юго-западный
  7. западный
  8. северо-западный румбы.

Значения повторяемости направлений и скорости ветра в январе и июле для населенных пунктов России представлены в СНиП 23-01-99.

Сила ветра-величина переменная, как в вертикальной, так и горизонтальной проекции; она зависит от направления и скорости ветрового потока. Ветер при встрече препятствия в виде здания формирует с наветренной стороны давление (+), а с подветренной-откос (-) Величина ветрового давления увеличивается при высоте.

Рисунок 1 Эпюры ветрового давления на вертикальные преграды:

где, 1-направление ветра; 2-воздушные потоки внутри здания.

Районирование территории России но скорости ветра и ветровому давлению установлено в СНиП 2.01.07-85  «Нагрузки и воздействия».

Ветровой напор является доминирующим силовым воздействием либо на отдельно стоящие здания, либо во фронте ветрозащитной постройки. В этом случае возможно существенное охлаждение помещений с наветренной стороны фасадов. На светопрозрачные ограждения действует также так называемое гравитационное давление, возникающее из-за разности плотностей холодного наружного и тёплого внутреннего воздуха. Это давление изменяется по высоте. Максимальный его уровень проявляется в нижней части здания: вверху оно меняет свой знак, переходя через ноль. Уровень нейтральной зоны повышается с увеличением этажности здания.

Рисунок 2 Уровень нулевой зоны гравитационного давления в зданиях различной этажности

Внутри застройки ветер трансформируется по направлению и силе. Кроме того, движение воздушных масс имеет пульсирующий характер и не зависит от наружной температуры. Поэтому внутри застройки доминирующим является гравитационное давление на наружные стены зданий и оконные конструкции. Ниже на рисунке показана зависимость величины гравитационного давления на ограждающие конструкции здания при разных температурах наружного воздуха. Расчёты показали, что величина гравитационного давления при расчётных температурах наружного воздуха на уровне первого этажа девятиэтажного здания составляет в Красноярске – 800 Па, а в Москве – 500 Па.

Рисунок 3 График гравитационного давления на стены здания

Гравитационное и ветровое давление в общем случае действуют совместно. Формирование избыточного давления на внешних поверхностях здания под влиянием естественных гравитационных сил и ветра показано на рисунке:

Рисунок 4 Построение эпюр избыточных давлений.

При отсутствии ветра на поверхностях наружных стен будет действовать разной величины гравитационное давление. По закону сохранения энергии среднее давление по высоте внутри и снаружи будет одинаково. Относительно среднего уровня в нижней части здания давление столба тёплого воздуха будет меньше, чем давление столба холодного наружного воздуха с внешней поверхности стены. Эпюра этого избыточного ( относительно давления внутри здания) гравитационного давления показана на рис. a. На противоположных стенах здания эпюры одинаковы. В нижней части здания внешнее давление больше внутреннего, и величина избыточного давления имеет знак плюс. Вверху здания внутреннее давление больше внешнего, поэтому избыточное давление имеет знак минус. На некоторой высоте избыточное гравитационное давление будет равно нулю. Плоскость нулевого избыточного давления называется нейтральной плоскостью здания. Величина Рt= ± hg (ph-pb),<span /> где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения, рb и рh – соответственно плотности воздуха внутри и снаружи здания.

Если здание обдувается ветром, а температуры внутри здания и снаружи его равны (т. с. гравитационного давления нет), то на внешних поверхностях ограждений будет создаваться повышенное статистическое давление или разрежение. Внутри здания давление будет равно среднему между повышенным с наветренной и пониженным с подветренной сторон, если проницаемости ограждающих конструкций одинаковы. Эпюры давлений но высоте здания на рис. б показаны одинаковыми в предположении постоянства скорости ветра и аэродинамического режима обтекания по высоте. На практике, как известно, скорость ветра, а, следовательно, и ветровое давление увеличиваются с высотой. В СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия” в табл. 6 приводятся значения коэффициента К, учитывающего изменение ветрового давления по высоте, в зависимости от типа местности. [1]

Таблица 1 Изменение ветрового давления по высоте

            

Высота Z, м                    

Коэффициент K для типов местности                                                               
А
В
С
5
0,75
0,5
0,4
10
1,0
0,65
0,4
20
1,25
0,85
0,55
40
1,5
1,1
0,8
60
1,7
1,3
1,0
80
1,85
1,45
1,15
100
2,0
1,6
1,25
150
2,25
1,9
1,55
200
2,45
2,1
1,8
250
2,65
2,3
2,0
300
2,75
2,5
2,2
350
2,75
2,75
2,35
480
2,75
2,75
2,75

Примечание
При определении ветровой нагрузки типы местности могут быть различными для разных расчётных направлений ветра.

Принимаются следующие типы местности:

  • А – открытые побережья морей, озёр и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;
  • В – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
  • С – городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

В соответствии со СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия” ветровую нагрузку, действующую на окна, необходимо рассчитывать по формуле:

Wm=Wo·k·Cгде

  • Wm– нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на высоте z над поверхностью земли;
  • С – аэродинамический коэффициент, учитывающий геометрию здания (+0,8-для наветреннго фасада, -0,6- для подветреннго фасада)
  • Wo – нормативное значение ветрового давления, принимаемое в зависимости от ветрового района по таблице:

Таблица 2. Нормативное значение ветрового давления

Ветровые районы (принимаются по карте 3 приложения 5 СНиП 2.01.07-85)                          
Ia       
I        
II       
III     
IV      
V       
VI     
VII      
WкПА
0.17
0.23
0.30
0.38
0.48
0.60
0.73
0.85
Wo кгс/м2
17
23
30
38
48
60
73
85

Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки Wp на высоте Z находится в зависимости от коэффициента пульсации давления ветра £ на уровне Z:

Таблица 3 Коэффициент пульсации давления ветра

            

Высота              Z, м

Коэффициент K для типов местности                                                               
А
В
С
5
0,85 1,22 1,78
10
0,76 1,06 1,78
20
0,69 0,92 1,50
40
0,62 0,80 1,26
60
0,58 0,74 1,14
80
0,56 0,70 1,06
100
0,54 0,67 1,00
150
0,51 0,62 0,90
200
0,49 0,58 0,84
250
0,47 0,56 0,80
300
0,46 0,54 0,76
350
0,46 0,52 0,73
480
0,46 0,50 0,68

Wp=1.4 ξWph·Z/H

где Wph – нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки на высоте Н верха дома. По ветровой нагрузке коэффициент надёжности γf принимается равным 1,4, т. е. расчётное значение ветровой нагрузки:

Wp=1.4 (Wm+Wp)

При совместном действии гравитационных сил и ветра применим принцип независимости действия сил. Поэтому величина избыточного давления определяется простым сложением частных результатов, см. рис. 4в. Эпюры избыточного давления на ограждающую конструкцию используются в дальнейшем для выбора конструктивного исполнения окна с точки зрения его воздухопроницаемости и сопротивления ветровой нагрузке и позволяют сделать вывод о дифференцированном подходе к остеклению многоэтажных зданий: на различных этажах и различно ориентированных по отношению к розе ветров фасадах здания должны устанавливаться различные по классам типы оконных конструкций.

Осадки в виде дождя и снега также должны учитываться при выборе конструкции остекления, т. к. светопрозрачные ограждения не являются абсолютно водонепроницаемыми, а снежный покров, ложащийся на горизонтальные или наклонные поверхности светопрозрачных элементов фонарей, зимних садов, оказывает силовое воздействие в виде весовой нагрузки.

Полное нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию ограждения S определяется по формуле:

S=Soδ где

So– – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли; принимается в соответствии с картой снегового районирования территории России по СНиП 2.01.07-85* и табл. 3

Таблица 4 Нормативное значение веса снегового покрова

Снеговые районы (принимаются по карте 1 приложения 5)                                                             
I
II
III
IV
V
VI
So, кПА (кгс/м2)
0.5(50)
0.7(70)
1.0(100)
1.5(150)
2.0(200)
2.5(250)

Коэффициент и перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке зависит от схем распределения снеговой нагрузки, значений скорости ветра за три наиболее холодных месяца и углов наклона покрытий. Например, для односкатных зданий – зимних садов, коэффициент перехода

µ = 1 при a < 25°
µ = 0 при а < 60°,

при этом промежуточные значения µ определяются линейной интерполяцией.[2]

Примечание


  1. ↑ А.Ю. Безруков,В.Л.Миков “Справочник замерщика” Методическое пособие по проведению замеров оконных и дверных блоков”
  2. ↑ Интерполяция – способ нахождения промежуточных значений величины по имеющемуся дискретному набору известных значений.

Вклад участника:

Смирнова Дана

Расчет ветровой нагрузки на элементы РЛС

Специалисты АО «ЦИФРА» выполнили серию расчетов ветровой нагрузки на элементы радиолокационных и телевизионно-оптических систем по заказу ЗАО «Морские комплексы и системы».

 

Целью работ является определение работоспособности радиолокационных и телевизионно-оптических систем при воздействии ветра со скоростью до 50 м/c и выбор номинальных моментов управляющих приводов. Для определения величины ветровой нагрузки использован программный пакет ANSYS Fluent 18.2, в котором реализованы численные методы вычислительной гидродинамики (CFD) с применением метода контрольных объемов (МКО). Для определения момента сил, действующих при набегании ветрового потока, используется вычисленное поле давлений; решение задачи вычислительной гидрогазодинамики проводится в стационарной постановке с использованием уравнений Навье-Стокса для течения вязкой несжимаемой жидкости с осреднением параметров течения по Рейнольдсу. Используется модель турбулентности Спаларта-Алмараса, позволяющая наиболее просто описать распределение эквивалентной турбулентной вязкости за счет решения одного дополнительного уравнения переноса для этой величины. Такой подход применим для задач внешней аэродинамики, целью которых являются только интегральные характеристики силового воздействия на обтекаемое тело: силы и моменты.

В результате анализа полученных результатов определены значения максимальных крутящих моментов в различных положениях элементов, и скорость ветра, при которой обеспечивается стабильная и бесперебойная работа приводного устройства.

ЗАО «Морские комплексы и системы» входит в группу научно-производственных предприятий “MCS – Group”, сферой деятельности которой является разработка и производство радиолокационных станций милли­метрового и сантиметрового диапазонов; разработка программно-аппаратных комплексов для обеспечения безопасности судовождения, контро­ля за надводной обстановкой, физической защиты особо важных объектов, мониторинга загрязнений поверхности водной среды нефтепродуктами, ледовой проводки и визуализации морского льда, дистанционного измерения уровня водной поверхности, морской радиосвязи.

 

Ветровая нагрузка на башню: определение, сбор и приложение

В ходе расчета и конструирования высотных решетчатых стальных сооружений, таких как башни и мачты связи, инженер-проектировщик неизбежно сталкивается с интересным и очень ответственным этапом построения расчетной схемы сооружения, а именно — ветровая нагрузка на башню, ее сбор и приложение.

Предпосылки к расчету

Специфика назначения ветровой нагрузки для выше обозначенных конструкций заключается в том, что башни и мачты не являются сплошностенчатыми, что влечет за собой особый порядок действий по определению усилий, возникаемых от ветра. Стоит отметить, что именно усилия от ветровой нагрузки являются основополагающими при назначении необходимых размеров сечения отдельных стержней разрабатываемой конструкции — ее влияние достигает 70-80%.

Как и в любом другом проекте, вся работа начинается с получения технического задания от заказчика, который передает проектирующей организации наиважнейшие данные для проектирования: район строительства, высота башенного сооружения, масса и парусность дополнительного оборудования. Как только вся необходимая информация, прошедшая двухстороннее согласование, находится в наличии у инженера, начинается этап расчета.

При определении и назначении ветровых нагрузок следует пользоваться рекомендациями, изложенными в СП 20.13330.2016 п.11 и прил. Д.1.14. А сам процесс расчета в общем случае выполняется методом последовательного приближения.

Алгоритм сбора ветровой нагрузки на башню или ствол мачты

В первую очередь следует выполнить предварительное, исходя из опыта проектирования, назначение сечений элементам расчетной схемы, соблюдая при этом универсальность элементах в переделах одного — двух поясов башенной конструкции.

Чтобы подсчитать общую парусность назначенных элементов инженеру придется столкнуться с проблемой отсутствия универсального программного обеспечения, которое способно автоматически собирать и суммировать площадь поверхностей элементов секции, автоматически проставляя аэродинамические коэффициенты Cx в зависимости от вида используемого сечения: есть большая разница между уголковым профилем и трубами в связи с их разной формой обтекания и способностью к завихрению от ветрового потока.

В СП 20.13330.2016 приведен алгоритм действия по подсчету ветровых нагрузок, но это не реализовано ни в одном современном САПР, поддерживающем российские стандарты. Инженеру приходится решать данную проблему, создавая вручную таблицу в программе Microsoft Excel, занося все данные и формулы вручную, получая сухую информацию, в которой достаточно легко ошибиться при дальнейшей корректировке расчетов.

Упуская детали подсчета, в общих словах, алгоритм сбора ветровой нагрузки на секцию башенной конструкции можно сформулировать следующим образом:

  • Выделить плоскую стержневую ферму, расположенную во фронтальной плоскости, перпендикулярной оси действия ветровой нагрузки.
  • Разделить плоскую ферму на j-ое количество участков (секций) по высоте.
  • Вычислить площади контуров выделенных секций Aki и площади проекций элементов, входящих в состав j-ой секции, т.е. сумму Aij.
  • Вычислить коэффициент проницаемости секции:
  • Определить коэффициенты снижения аэродинамических коэффициентов на последующие сквозные фермы (определение значения по табл. В.8 [2]):
  • Вычислить аэродинамический коэффициент для каждой j-ой секции рассматриваемой башни (мачты) Cj:
  • Вычислить аэродинамические коэффициенты каждой пространственной j-ой секции:
  • Определить среднюю статическую ветровую нагрузку на каждую j-ую секцию башни или мачты:

Полученное значение средней статической ветровой нагрузки требуется привести к узлам рассматриваемой трапеции (очертания секции):

Где aj — относительная координата центра тяжести трапеции j-ой секции.

Рассматривать влияние ветра на четырехгранную башенную конструкцию следует в 2 опасных направлениях воздействия: при его действии на ребро и грань секции. Так при направлении ветра на грань в работе участвуют только 2 параллельные ветру грани. При направлении ветра на диагональ будут работать все грани, но с меньшими усилиями. При этом усилия в поясах от составляющих ветровой нагрузки будут суммироваться. Таким образом, опасным направлением ветра для поясов является направление на диагональ, для решетки – на грань. Ветровая нагрузка на башню чаще всего становится определяющей при расчете конструкции на внутренние силовые факторы.

При построении расчетной схемы в САПР на основе внесенных значений статического ветра будет рассчитываться пульсационная составляющая для создания расчетных сочетаний нагрузок по таблице 1.

В зарубежных САПР, например, Robot Structural Analysis, удобно реализовано трехмерное проектирование с автоматическим сбором ветровых нагрузок на трех- и четырехгранные башенных конструкций, однако, по американским и французским нормам.

Ветровая нагрузка на башню аналогична мачтам, которая одинаково настраивается в ПК «Лира» и SCAD.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Ветровая нагрузка – фото и описание в каталоге Grand Line на официальном сайте

Максимальная высота заборов из сплошных стеновых профилей.

Для предотвращения разрушения ограждений из сплошных стеновых профилей не рекомендуется превышать максимальную высоту ограждения (от земли до верхнего края стенового профиля).

Определите по таблице ветровой район того участка, который необходимо огородить.

Прочность столбов

Ограждение
(от земли до верхнего края заполнения)
Столб / Стойка
(под бетонирование)
Ветровые районы местности тип “B”
высота ширина вид, сечение толщина стали длина тип местности “В” – городские территории, лесные массивы и др. местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м
1,6 м 2,5 м 62х55 мм 1,4 мм 2,5 м 1 – 3
55х90 мм 1,6 мм 1 – 6
80х80 мм 2,0 мм 1 – 6
80х80 мм 3,0 мм 1 – 7
стойка 84х48 мм марка 320 1 – 3
столб 80х80 мм на фланце + винтовая опора с фланцем 2,0 мм 1
2,0 м 2,5 м 62х55 мм 1,4 мм 3,0 м 1
55х90 мм 1,4 мм 1 – 4
55х90 мм 1,6 мм 1 – 4
80х80 мм 2,0 мм 1 – 4
80х80 мм 3,0 мм 1 – 6
стойка 84х48 мм марка 320 1 – 2
столб 80х80 мм на фланце + винтовая опора с фланцем 2,0 мм не применяется
2,5 м 2,5 м 55х90 мм 1,4 мм 3,5 м 1
55х90 мм 1,6 мм 1 – 2
80х80 мм 2,0 мм 1
80х80 мм 3,0 мм 1 – 3
3,0 м 2,5 м 55х90 мм 1,4 мм 4,5 м Не применяется
55х90 мм 1,6 мм Не применяется
80х80 мм 2,0 мм Не применяется
80х80 мм 3,0 мм 1
для столбов с приваренным фланцем необходим индивидуальный расчет в каждом конкретном случае

Прочность труб 40х20 мм

Ограждение
(от земли до верхнего края заполнения)
Ветровые районы
местности тип «B»
Количество труб
40х20х1 мм
высота ширина
1,6 м 2,5 м 1 2 шт
2 2 шт
3 2 шт
4 3 шт
5 4 шт
6 4 шт
7 5 шт
2,0 м 2,5 м 1 2 шт
2 2 шт
3 3 шт
4 4 шт
5 5 шт
2,5 м 2,5 м 1 3 шт
2 3 шт
3 4 шт
3,0 м 2,5 м 1 3 шт

Как рассчитать ветровую нагрузку на забор из профнастила?

Строительство забора из профнастила настолько несложно, что многие бросаются воплощать идею в жизнь, не задумываясь о потенциальных ошибках. Среди них одна из наиболее распространенных – неправильный выбор профиля для опор. Это происходит вследствие игнорирования ветровой нагрузки, действующей на забор из профнастила. Итог плачевен – перекошенные конструкции из красивого, но, увы, безвозвратно покореженного, строительного материала.

Почему именно ветер?

Заборы из стенового профнастила отличаются небольшим весом, который может выдержать и неглубоко зарытая опора и «тонкая» лага. Листы устанавливаются вертикально, в отличие от крыш на них не задерживаются снег, осадки и мусор. А вот ветру дуть не запретишь. Причем под любым углом к плоскости забора.

Чрезмерная сила может сразу повалить конструкцию, а может постепенно «расшатывать» до критической точки. При этом, как известно инженерам, максимальный изгибающий момент будет в точке выхода опоры из земли.
Выход очевиден: взять стойки «потолще» да закопать их поглубже. Насколько увеличить сечение? Ответ дает расчет ветровой нагрузки.

Простая формула для расчета

Суть расчета ветровой нагрузки сводится к определению максимального изгибающего момента, действующего на столб (у основания). При вычислении должно учитываться немало факторов:

  • климатические условия;
  • особенности местности;
  • средние показатели силы ветра.

Помимо названных, основных моментов, учитывается еще множество, которые сливаются в единую сложную инженерную формулу, которую можно отыскать в хитросплетении страниц учебника по сопромату или гражданскому строительству.

Рассчитать ветровую нагрузку на забор из профнастила можно  по упрощенной формуле:

  • «табличную» среднюю скорость ветра в регионе возводим в «квадрат»;
  • результат делят на 9,8 (для перевода в систему СИ) и умножают на 0,61 (поправочный коэффициент. Учитывающий плотность воздуха).

Так, можно, к примеру вычислить, что при ураганном ветре в 30 метров в секунду нагрузка на квадратный метр забора будет составлять 56 кг. Дальше можно пойти сложным путем: зная площадь забора, произвести «сопроматовский» расчет балки с защемленным концом. А можно последовать советам бывалых и не стремиться к абсолютной точности. Строители говорят, что при высоте забора около 2 м и пролете в 3 м вполне достаточно профиля с сечением 80 мм и толщиной стенки 3 мм. Красивый, удобный в монтаже и функциональный вариант.

Предосторожность без паники

В примере 30 м/с взяты, как критическая, почти ураганная величина, которой сила ветра в средней полосе достигает редко. По всемирной классификации, все, что выше 20,8 м/с считается штормом, а выше 32,4 м/с (64кг на «квадрат»)- ураганом. В ситуации, когда от буйства стихии крышу сносит не только в переносном, но и в прямом смысле, забор, уж точно не будет самым ценным. Вряд ли разумно чрезмерно усиливать сечение опор в страхе ситуации, которая может и не произойти. Поэтому формула учитывает среднюю скорость. Впрочем, обывателю никто не мешает использовать разумный коэффициент запаса прочности: чтобы и красиво, и надежно.

Так же стоит учитывать, что указанные нагрузки предполагают, что ветер дует прямо «в лоб». На практике, как понятно из геометрии, эта ситуация возникает с вероятностью 1/180. Чаще ветер дует под определенным углом и при «скольжении» по плоскости забора нагрузка снижается.

Можно сделать простой вывод: пренебрегать расчетами ветровой нагрузки не стоит. Чрезмерно «тонкий» профиль не гарантирует стойкости конструкции и при умеренном ветре. Чрезмерно увлекаться повышением прочности – тоже нецелесообразно: чрезвычайные ситуации так называются, поскольку происходят крайне редко. Насколько? Помогает определить средняя сила ветра, ее профессионалы берут за основу расчетов.

Калькулятор ветровой нагрузки Таблица Excel

ASCE705W ASCE 7-05 Написано для анализа нагрузки на воздух для кода и структур для программы электронных таблиц, написанной в MS-Excel. В частности, давление воздуха рассчитывается с помощью коэффициентов и соответствующих параметров и расчетов конструкции сети или расчета давления воздуха.

Калькулятор ветровой нагрузки

Эта программа представляет собой рабочую тетрадь с девятью (9) рабочими листами, описанными ниже.

* Simplified – Анализ с использованием упрощенного метода улучшения дома с <= 60 '
* MWFRS (малоэтажный) – основная система сопротивления воздуха и мощности для дома низкого уровня <= 60'
* MWFRS (любой HT) – основной система защиты от ветра для здания любой высоты
* Анализ стеновых компонентов C и C стен и облицовки
* Крыша C и C – Анализ кровельного материала и облицовки
* Стек и резервуар – Конденсатный анализ дымохода, дымохода и вертикального резервуара
* Открытый каркас ( без крыши) – Проанализируйте открытую конструкцию без потолка.
* Карты ветра – Базовые карты скорости ветра (Рис. 6-1 для кода ASCE 7-05)
* Для получения дополнительной информации о типе нагрузки прочтите дополнительные сведения о подсчетах нагрузки.

Идеи и ограничения программы:

1. Эта программа использует «Рекомендации по использованию регулирования воздушной нагрузки ASCE 7-02» для определения группы внешнего давления воздуха, используемой в вспомогательных устройствах для измерения давления наружного воздуха, рабочих листах «GCP», стенах C и C и крышах C и C. . (Примечание: версия этого документа, применимая к коду SSC 7-05, недоступна.)

2. Мастерские для «MWFRS (любой HT)», «Стены C и C» и «Крыши C и C» применимы для домов со средней высотой потолка до 500 футов.
3. Для «упрощенного» анализа он применим к малорастущему дому при соблюдении критериев Раздела 6.4.1.

4. В таблице для упрощенного анализа расчет рассчитывается для каждой стороны воздушной нагрузки MWFRS. Расчетная конструкция МДФРС считается нагруженной по всей длине или длине здания.

5. Рабочий лист «MWFRS (Малоэтажный)» применим для малоэтажного дома, определенного в разделе 6.2.
6. Рабочий лист «Открытые конструкции» применим для открытых рам без крыши высотой 500 футов.Его можно использовать для конструкций открытого типа, трубопроводных / инженерных эстакад и мостов.
5. Пользовательские шаги могут использоваться для определения распределения давления воздуха в таблице для «Z», «MWFRS (любой HT)», «Стены C и C» и «Крыша C и C».

7. Рабочие листы «May MWFRS (no HT)», «Stack and Tank» и «Open Structures» могут обрабатывать «строгие» и «гибкие» здания и конструкции. Для «строгих» зданий и сооружений эта программа использует значение счета 0,85 или коэффициент стеклования, код «g», код 6.X 0,75 считается.

8. Мастерские для «Стены C и C» и «Крыши C и C» для зданий с плоской крышей, зданий с крышами Galilei с углами крыши <= 45 градусов и углами потолка с одноуровневыми крышами зданий <= 3 градусов.

9. Рабочий лист «Стек и резервуар» применим к арочной сварной конструкции длиной 600 футов.

10. Эта программа имеет несколько «полей для комментариев», которые содержат информацию, включая элементы ввода или вывода, использование уравнений, таблиц данных и т. Д.(Примечание. Внешний вид «Окна комментариев» обозначается «красным треугольником» в верхнем правом углу ячейки, в частности указателем мыши для перемещения содержимого «поля для комментариев» в нужную комнату.)

Ссылка для скачивания

Просмотры сообщений: 12 896

Ветровые нагрузки

Доступ к ветровым нагрузкам, чтобы активировать диалоговое окно, определяющее ветровые нагрузки. Щелкните, чтобы отобразить диалоговое окно, показанное ниже.

Название загружения

Выберите название загружения, которое будет связано с ветровой нагрузкой. Щелкните справа, чтобы ввести или изменить новые загружения.

Код ветровой нагрузки

Выберите стандарты, которые будут применяться при расчете ветровой нагрузки.

IBC 2012 (ASCE7-10): Международный Строительный Кодекс 2012

IBC 2005 (ASCE7-05): Международный Строительный Кодекс 2005

IBC 2000 (ASCE7-98): Международный Строительный Кодекс 2000

UBC (1997): стандарты UBC 97

ANSI (1982): стандарты ANSI

NBC (1995): Национальный строительный кодекс Канады

Еврокод-1 (2005 г.): Основы проектирования и воздействия на конструкции

Примечание.Доступны следующие национальные приложения:

Рекомендуется

Сингапур

Еврокод-1 (1992): Основы проектирования и воздействия на конструкции

BS6399 (1997): Британский стандарт 6399 Погрузка для зданий

IS875 (1987): Индийский стандарт

Тайвань (2002 г.): Строительный кодекс Тайваня

NSR-10: Строительный кодекс Колумбии по сейсмостойкости Предельная прочность

(по запросу)

Япония (Arch, 2004): спецификации загрузки и комментарии для зданий

Япония (Arch, 2000): спецификации загрузки и комментарии для зданий

Япония (1987): требования к загрузке и комментарии для зданий

KBC (2009): Строительный кодекс Кореи 2008

Корейский (Arch, 2000): критерии загрузки зданий и комментарии

Корейский (Arch, 1992): Правила, касающиеся конструктивных критериев для зданий

Китай (GS50011-2001): Нормы сейсмического проектирования здания

Описание

Введите краткое описание.

Параметры ветровой нагрузки

Введите параметры, которые будут применяться для расчета ветровой нагрузки.

IBC 2012 (ASCE7-10)

IBC 2009 (ASCE7-05)

IBC 2000 (ASCE7-98)

UBC (1997)

ANSI (1982)

NBC (1995)

Еврокод-1 (2005)

Еврокод-1 (1992)

BS6399 (1997)

KBC (2009)

IS875 (1987)

Тайвань (2002)

НСР-10

Коэффициент направления ветровой нагрузки

Введите направление нагрузки и величину прилагаемой ветровой нагрузки.

X-Dir .: Масштабный коэффициент, применяемый в GCS X-направлении

Y-Dir .: Масштабный коэффициент, применяемый в GCS Y-направлении

Z-Rot: масштабный коэффициент, применяемый при кручении относительно направления Z GCS

Примечание

Активируется только при выборе Японии (Arch, 2004).

Дополнительные ветровые нагрузки

Введите дополнительные ветровые нагрузки, которые не учитываются при автоматическом расчете.

Нажмите, чтобы ввести этажи, чтобы применить дополнительные ветровые нагрузки и величины для каждого направления.

: Отображение таблиц и графиков в виде электронной таблицы для каждого направления нагрузки и компонента автоматически рассчитываемых ветровых нагрузок.

Компонент: Задайте направление ветровой нагрузки для графического дисплея

Select Profile: Выберите элементы для отображения

Story Force

Story Shear

Момент переворачивания

: Отображение файла текстового вывода электронной таблицы, показывающего процесс расчета ветровой нагрузки.

Текстовый редактор запускается автоматически.

: примените к модели автоматически рассчитанные ветровые нагрузки.

Примечание
Подробные сведения о расчете ветровой нагрузки см. В соответствующем коде.

Bentley – Документация по продукту

MicroStation

Справка MicroStation

Ознакомительные сведения о MicroStation

Справка MicroStation PowerDraft

Ознакомительные сведения о MicroStation PowerDraft

Краткое руководство по началу работы с MicroStation

Справка по синхронизатору iTwin

ProjectWise

Служба поддержки Bentley Automation

Ознакомительные сведения об услуге Bentley Automation

Сервер композиции Bentley i-model для PDF

Подключаемый модуль службы разметки

PDF для ProjectWise Explorer

Справка администратора ProjectWise

Справка службы загрузки данных ProjectWise Analytics

Коннектор ProjectWise для ArcGIS – Справка по расширению администратора

Коннектор ProjectWise для ArcGIS – Справка по расширению Explorer

Коннектор ProjectWise для ArcGIS Справка

Коннектор ProjectWise для Oracle – Справка по расширению администратора

Коннектор ProjectWise для Oracle – Справка по расширению Explorer

Коннектор ProjectWise для справки Oracle

Коннектор управления результатами ProjectWise для ProjectWise

Справка портала управления результатами ProjectWise

Ознакомительные сведения по управлению поставками ProjectWise

Справка ProjectWise Explorer

Справка по управлению полевыми данными ProjectWise

Справка администратора геопространственного управления ProjectWise

Справка ProjectWise Geospatial Management Explorer

Ознакомительные сведения об управлении геопространственными данными ProjectWise

Модуль интеграции ProjectWise для Revit Readme

Руководство по настройке управляемой конфигурации ProjectWise

Справка по ProjectWise Project Insights

ProjectWise Plug-in для Bentley Web Services Gateway Readme

ProjectWise ReadMe

Матрица поддержки версий ProjectWise

Веб-справка ProjectWise

Справка по ProjectWise Web View

Справка портала цепочки поставок

Управление эффективностью активов

Справка по AssetWise 4D Analytics

Справка по услугам AssetWise ALIM Linear Referencing Services

AssetWise ALIM Web Help

Руководство по внедрению AssetWise ALIM в Интернете

AssetWise ALIM Web Краткое руководство, сравнительное руководство

Справка по AssetWise CONNECT Edition

AssetWise CONNECT Edition Руководство по внедрению

Справка по AssetWise Director

Руководство по внедрению AssetWise

Справка консоли управления системой AssetWise

Руководство администратора мобильной связи TMA

Справка TMA Mobile

Анализ мостов

Справка по OpenBridge Designer

Справка по OpenBridge Modeler

Строительное проектирование

Справка проектировщика зданий AECOsim

Ознакомительные сведения AECOsim Building Designer

AECOsim Building Designer SDK Readme

Генеративные компоненты для справки проектировщика зданий

Ознакомительные сведения о компонентах генерации

Справка по OpenBuildings Designer

Ознакомительные сведения о конструкторе OpenBuildings

Руководство по настройке OpenBuildings Designer

OpenBuildings Designer SDK Readme

Справка по генеративным компонентам OpenBuildings

Ознакомительные сведения по генеративным компонентам OpenBuildings

Справка OpenBuildings Speedikon

Ознакомительные сведения OpenBuildings Speedikon

OpenBuildings StationDesigner Help

OpenBuildings StationDesigner Readme

Гражданское проектирование

Помощь в канализации и коммунальных услугах

Справка OpenRail ConceptStation

Ознакомительные сведения по OpenRail ConceptStation

Справка по OpenRail Designer

Ознакомительные сведения по OpenRail Designer

Справка по конструктору надземных линий OpenRail

Справка OpenRoads ConceptStation

Ознакомительные сведения по OpenRoads ConceptStation

Справка по OpenRoads Designer

Ознакомительные сведения по OpenRoads Designer

Справка по OpenSite Designer

Файл ReadMe OpenSite Designer

Строительство

ConstructSim Справка для руководителей

ConstructSim Исполнительное ReadMe

ConstructSim Справка издателя i-model

Справка по планировщику ConstructSim

ConstructSim Planner ReadMe

Справка стандартного шаблона ConstructSim

ConstructSim Work Package Server Client Руководство по установке

Справка по серверу рабочих пакетов ConstructSim

ConstructSim Work Package Server Руководство по установке

Справка управления SYNCHRO

SYNCHRO Pro Readme

Энергия

Справка по Bentley Coax

Bentley Communications PowerView Help

Ознакомительные сведения о Bentley Communications PowerView

Справка по Bentley Copper

Справка по Bentley Fiber

Bentley Inside Plant Help

Справка конструктора Bentley OpenUtilities

Ознакомительные сведения о Bentley OpenUtilities Designer

Справка по подстанции Bentley

Ознакомительные сведения о подстанции Bentley

Справка по OpenComms Designer

Ознакомительные сведения о конструкторе OpenComms

Справка OpenComms PowerView

Ознакомительные сведения OpenComms PowerView

Справка инженера OpenComms Workprint

OpenComms Workprint Engineer Readme

Справка подстанции OpenUtilities

Ознакомительные сведения о подстанции OpenUtilities

PlantSight AVEVA Diagrams Bridge Help

PlantSight AVEVA PID Bridge Help

Справка по экстрактору мостов PlantSight E3D

Справка по PlantSight Enterprise

Справка по PlantSight Essentials

PlantSight Открыть 3D-модель Справка по мосту

Справка по PlantSight Smart 3D Bridge Extractor

Справка по PlantSight SPPID Bridge

Promis.e Справка

Promis.e Readme

Руководство по установке Promis.e – управляемая конфигурация ProjectWise

Руководство пользователя sisNET

Руководство по настройке подстанции

– управляемая конфигурация ProjectWise

Инженерное сотрудничество

Справка рабочего стола Bentley Navigator

Геотехнический анализ

PLAXIS LE Readme

Ознакомительные сведения о PLAXIS 2D

Ознакомительные сведения о программе просмотра вывода PLAXIS 2D

Ознакомительные сведения о PLAXIS 3D

Ознакомительные сведения о программе просмотра 3D-вывода PLAXIS

PLAXIS Monopile Designer Readme

Управление геотехнической информацией

Справка администратора gINT

Справка gINT Civil Tools Pro

Справка gINT Civil Tools Pro Plus

Справка коллекционера gINT

Справка по OpenGround Cloud

Гидравлика и гидрология

Справка Bentley CivilStorm

Справка Bentley HAMMER

Справка Bentley SewerCAD

Справка Bentley SewerGEMS

Справка Bentley StormCAD

Справка Bentley WaterCAD

Справка Bentley WaterGEMS

Проектирование шахты

Помощь по транспортировке материалов MineCycle

Ознакомительные сведения по транспортировке материалов MineCycle

Моделирование мобильности

LEGION 3D Руководство пользователя

Справка по подготовке САПР LEGION

Справка по построителю моделей LEGION

Справка по API симулятора LEGION

Ознакомительные сведения об API симулятора LEGION

Справка по симулятору LEGION

Моделирование

Bentley Посмотреть справку

Ознакомительные сведения о Bentley View

Анализ морских конструкций

SACS Close the Collaboration Gap (электронная книга)

Ознакомительные сведения о SACS

Анализ напряжений в трубах и сосудов

AutoPIPE Accelerated Pipe Design (электронная книга)

Советы новым пользователям AutoPIPE

Краткое руководство по AutoPIPE

AutoPIPE & STAAD.Pro

Завод Проектирование

Ознакомительные сведения об экспортере завода Bentley

Bentley Raceway and Cable Management Help

Bentley Raceway and Cable Management Readme

Bentley Raceway and Cable Management – Руководство по настройке управляемой конфигурации ProjectWise

Справка по OpenPlant Isometrics Manager

Ознакомительные сведения о диспетчере изометрических данных OpenPlant

Справка OpenPlant Modeler

Ознакомительные сведения для OpenPlant Modeler

Справка по OpenPlant Orthographics Manager

Ознакомительные сведения для менеджера орфографии OpenPlant

Справка OpenPlant PID

Ознакомительные сведения о PID OpenPlant

Справка администратора проекта OpenPlant

Ознакомительные сведения для администратора проекта OpenPlant

Техническая поддержка OpenPlant Support

Ознакомительные сведения о технической поддержке OpenPlant

Справка PlantWise

Ознакомительные сведения о PlantWise

Реальность и пространственное моделирование

Справка по карте Bentley

Справка по мобильной публикации Bentley Map

Ознакомительные сведения о карте Bentley

Справка консоли облачной обработки ContextCapture

Справка редактора ContextCapture

Файл ознакомительных сведений для редактора ContextCapture

Мобильная справка ContextCapture

Руководство пользователя ContextCapture

Справка Декарта

Ознакомительные сведения о Декарте

Справка карты OpenCities

Ознакомительные сведения о карте OpenCities

OpenCities Map Ultimate для Финляндии Справка

Карта OpenCities Map Ultimate для Финляндии Readme

Структурный анализ

Справка OpenTower iQ

Справка по концепции RAM

Справка по структурной системе RAM

STAAD Close the Collaboration Gap (электронная книга)

STAAD.Pro Help

Ознакомительные сведения о STAAD.Pro

STAAD.Pro Physical Modeler

Расширенная справка по STAAD Foundation

Дополнительные сведения о STAAD Foundation

Детализация конструкций

Справка ProStructures

Ознакомительные сведения о ProStructures

ProStructures CONNECT Edition Руководство по внедрению конфигурации

ProStructures CONNECT Edition Руководство по установке – Управляемая конфигурация ProjectWise

Расчеты и моделирование ветровой нагрузки – Glew Engineering

Рис. 1. Коэффициенты ветровой нагрузки (давление и площадь)

Факторы, влияющие на ветровую нагрузку

Итак, насколько точно уравнение 1? Поскольку при расчете ветровой нагрузки он использует только самые основные значения, он может дать оценку величины силы ветра.Однако для более точного представления ветровой нагрузки можно умножить силу на ряд других коэффициентов, которые более точно учитывают условия, в которых будет находиться конструкция. Первый шаг к повышению точности достигается за счет включения «коэффициента экспозиции» и «коэффициента реакции на порывы», показанных в уравнении 2.

F = P × A × C d × K z × G

(2)

Где:

K z = коэффициент воздействия
G = коэффициент реакции на порывы

(K z ) представляет увеличение скорости воздуха по мере увеличения высоты над землей. уровень повышается.Низкий объект, большая часть площади которого находится внутри пограничного слоя, будет испытывать небольшую силу (K z ≈ 0). Объект высотой 100 футов будет иметь K z около 1, в то время как One World Trade Center при высоте 1776 дюймов будет иметь K z более 2,5.

Коэффициент реакции на порывы (G) отражает постоянство скорости воздуха по высоте объекта. Чем выше от земли, тем выше скорость ветра, и G ≈ 1. Ближе к земле, с граничными эффектами и турбулентностью от окружающих деревьев и зданий, скорость ветра может быть более неравномерной.G увеличивается до 2 по мере того, как высота объекта приближается к 0.

Международный строительный кодекс (ранее Единый строительный кодекс) использует вышеуказанные факторы, а также заменяет простой коэффициент сопротивления табличным «коэффициентом полезного давления». . Этот коэффициент более точно учитывает уклоны, карнизы и другие дополнения, влияющие на воздушный поток вокруг здания. Однако это уравнение IBC предназначено только для использования в зданиях высотой менее 75 футов. Ассоциация телекоммуникационной промышленности предлагает свою собственную версию в стандарте TIA-222-G, изменяющую уравнение с топографическими факторами и факторами воздействия в зависимости от среды установки башни.Опять же, у этой версии есть свои ограничения, так как она разработана специально для работы с мачтами и антеннами. Прародитель всех этих версий уравнения ветровой нагрузки приведен в ASCE-7 Американского общества инженеров-строителей. Эта версия имеет наиболее сложный и подробный набор коэффициентов для изменения давления ветра, площади проекции и коэффициентов сопротивления. Тем не менее, независимо от того, насколько сложным может быть выбранное уравнение ветровой нагрузки, оно все равно выводит только одно значение силы.

Ограничения для ручного расчета ветровой нагрузки

Вышеупомянутые расчеты могут предложить очень точное моделирование предельной ветровой нагрузки на конструкцию, но они не дают полной картины.Они не могут указать, где может быть сосредоточена ветровая нагрузка на сложную конструкцию, или смоделировать возникающие в результате напряжения и прогиб конструкции. Для более полного понимания того, как конструкция будет реагировать на высокие ветровые нагрузки, инженер может использовать программы вычислительной гидродинамики (CFD) и анализа методом конечных элементов (FEA) для моделирования взаимодействия ветра и конструкции в целом. Однако точность результатов зависит от точности компьютерной модели, поэтому существует компромисс между точностью, необходимой для анализа, и временем, доступным для моделирования конструкции и проведения симуляций.

Совместное использование расчетов ветровой нагрузки и CFD

Как обычно, самый безопасный и тщательный метод анализа реакции конструкции на ветер – использовать как ручные вычисления, так и CFD. Результаты этих различных методов должны в конечном итоге согласоваться. Если есть существенные различия в двух результатах, то один из методов требует исправления или улучшения. В следующих нескольких блогах мы сравним ручные расчеты и результаты CFD для простых структур, чтобы выяснить, насколько хорошо они соотносятся.

Ресурсы

  • Международный совет кодов. (2014). Международный строительный кодекс 2015 г. . Загородный клуб Хиллз, Иллинойс: ICC.
  • Ассоциация индустрии телекоммуникаций. (2011). 2012 TIA-222-G Структурный стандарт для антенных опорных конструкций и антенн . Арлингтон, Вирджиния.
  • Американское общество инженеров-строителей. (2010). ASCE 7 Минимальные расчетные нагрузки для зданий и других конструкций . Рестон, штат Вирджиния.

Оценка ветровой нагрузки и параметров конструкции на основе неполных измерений

Метод оценки без смещения с расширенной минимальной дисперсией может использоваться для совместной оценки состояния / параметра / входных данных на основе измеренных откликов конструкции.Однако необходимо измерить реакцию конструкции на смещение и ускорение на каждом этаже для одновременной идентификации параметров конструкции и неизвестной ветровой нагрузки. Предлагается новый метод определения структурного состояния, параметров и неизвестной ветровой нагрузки по неполным измерениям. Оценка выполняется в модальном режиме с расширенной минимальной дисперсией без смещения, основанном на неполных измерениях реакции на смещение конструкции и ускорение, вызванное ветром. Выполнимость и точность предложенного метода подтверждены численно путем определения ветровой нагрузки и параметров конструкции на десятиэтажной конструкции сдвигового здания с неполными измерениями.Обсуждается влияние решающих факторов, включая продолжительность выборки и количество измерений. Кроме того, практическое применение разработанного обратного метода оценивается по результатам испытаний в аэродинамической трубе конструкции здания высотой 234 м. Результаты показывают, что с помощью предложенного подхода можно точно идентифицировать структурное состояние, параметры и неизвестную ветровую нагрузку.

1. Введение

Ветровая нагрузка – одна из основных нагрузок на этапе проектирования высотных зданий [1, 2].Исследования показывают, что ветровая нагрузка на высокое здание варьируется в зависимости от состояния местности, формы здания и окружающих зданий [3]. В большинстве процессов проектирования ветровая нагрузка рассчитывается согласно нормам проектирования [4, 5]. Однако трудно рассчитать временные характеристики ветровой нагрузки на основе проектных кодов, поскольку расчетные нормы ветровой нагрузки определяются на основе статистической информации. Испытания в аэродинамической трубе и компьютерное гидродинамическое моделирование в настоящее время используются для определения изменяющейся во времени ветровой нагрузки на данную конструкцию [6, 7].Однако ни один из методов не может точно воспроизвести наблюдающуюся турбулентность и характеристики окружающих зданий. Полевые измерения считаются наиболее точным способом получения изменяющейся во времени ветровой нагрузки на высокие здания. Однако из-за ограничений метода измерения ветровой нагрузки измерение ветровой нагрузки в реальном времени затруднено полевыми измерениями. По сравнению с измерением ветровой нагрузки, измерение смещения и ускорения, вызванного ветром, проще и точнее.

В последние годы было разработано множество методов оценки силы [8–10]. Law et al. идентифицировала ветровую нагрузку на 50-метровую мачту с оттяжками на основе откликов конструкции путем регуляризации идентификационного уравнения [11]. Лу и Лоу предложили метод определения неизвестной нагрузки с использованием мер чувствительности динамического отклика по отношению к входной нагрузке [12]. Лю и Шепард разработали метод идентификации динамической силы, основанный на подходе расширенных наименьших квадратов в частотной области [13].Ma et al. представили метод фильтра Калмана с рекурсивной оценкой для определения неизвестного возбуждения [14, 15]. Вышеупомянутые подходы требуют, чтобы неизвестная нагрузка была, как правило, точечной нагрузкой, действующей при определенной степени свободы. Однако ветровые нагрузки, действующие на строительную конструкцию, меняются в зависимости от пространства и времени, и методы, описанные в предыдущих работах, нельзя напрямую использовать для определения ветровой нагрузки на строительные конструкции.

Для решения вышеупомянутой проблемы Hwang et al. предложил подход фильтрации Калмана в модальной области для оценки модальных нагрузок на конструкцию с использованием ограниченного измеренного отклика [16, 17].Zhi et al. разработали метод фильтрации Калмана и подходящую технику ортогональной декомпозиции для оценки модальной ветровой нагрузки на высокие здания [18, 19]. В 2007 году Гиллинс и Мур предложили подход для совместной оценки входного состояния в динамической системе с дискретным временем, основанный на несмещенном решении с минимальной дисперсией [20]. Lourens et al. применили этот метод для оценки структурных откликов и неизвестных входов как в численных, так и в экспериментальных исследованиях [21]. Этот метод не требует никаких предположений или предварительных знаний о неизвестных входных данных, и его можно использовать для идентификации ветровой нагрузки в физической области [22].К сожалению, вышеупомянутые подходы к оценке ветровой нагрузки предполагали, что параметры конструкции известны априори. Однако для реальных строительных конструкций структурные параметры обычно определяются на основе модели конечных элементов, и трудно точно рассчитать структурные параметры из-за старения материала и повреждения конструкций.

Для решения этой проблемы Wan et al. предложил метод под названием EGDF, который является расширением несмещенной оценки минимальной дисперсии для связанной идентификации состояния / входа / параметра для нелинейных систем в пространстве состояний [23].Сонг разработал метод совместной оценки входного состояния для совместной оценки входного параметра состояния, основанный на методе оценки несмещенной минимальной дисперсии (UMVU) [24]. Однако методы EGDF и UMVU требуют измерения реакции ускорения в тех местах, где применяются неизвестные входные данные, то есть для одновременной оценки ветровой нагрузки и неизвестных параметров конструкции требуются полные измерения ускорения на всех степенях свободы.

В этом исследовании предлагается новый метод модальной расширенной несмещенной оценки минимальной дисперсии для совместной оценки состояния / параметра / ветровой нагрузки по неполным измерениям.Предлагаемый метод позволяет одновременно оценивать ветровые нагрузки и параметры конструкции без использования полных измерений ускорения. Более того, объединение данных реакций ускорения и откликов на межэтажные смещения используется для предотвращения дрейфов выявленных откликов смещений и ветровых нагрузок. Содержание статьи организовано следующим образом. В разделе 2 выводится предлагаемый метод модальной расширенной несмещенной оценки минимальной дисперсии и даются необходимые математические доказательства.В Разделе 3 рассматривается численная проверка путем определения ветровых нагрузок и параметров конструкции из неполных измерений на десятиэтажной конструкции здания, работающей на сдвиг. Кроме того, обсуждается влияние ключевых факторов, включая продолжительность выборки и количество измерений. В разделе 4 проводится испытание в аэродинамической трубе синхронной системы сканирования с несколькими давлениями на строительной конструкции высотой 234 м для проверки предложенного метода. Чтобы упростить расчет, для подтверждения эксперимента выполняется эквивалентная модель.Наконец, в разделе 5 подведены итоги обсуждения и заключения.

2. Несмещенная оценка расширенной модальной минимальной дисперсии
2.1. Модель системы

Уравнение движения строительной конструкции со степенью свободы n может быть записано следующим образом: где, и – матрицы массы, демпфирования и жесткости конструкции, соответственно; – вектор ветровой нагрузки; “ – ветровые ускорение, скорость и вектор смещения соответственно.

На основе теории преобразования модальных координат [25] вектор структурного смещения может быть получен следующим образом: где – нормализованная по массе матрица модальной формы, а – вектор модального смещения.Путем предварительного умножения и использования уравнения (2) уравнение (1) может быть записано следующим образом: где – модальная матрица масс, – модальная матрица демпфирования, – модальная матрица жесткости и – модальный вектор ветровой нагрузки.

Для системы с пропорциональным демпфированием можно получить следующее: где – i -я собственная частота демпфирования и – модальный коэффициент демпфирования i .

Уравнение (3) можно переписать следующим образом:

В общем, из-за ограничения количества и расположения датчиков дается сокращенное представление уравнения (6): где, и – первые m модальное ускорение порядка , модальная скорость и модальный вектор смещения соответственно.а также .

Расширенный вектор состояния состоит из модального смещения, модальной скорости и неизвестных структурных параметров: где обозначает неизвестный вектор структурных параметров. – коэффициент жесткости конструкции и . α и β – коэффициенты демпфирования Рэлея. Предполагая, что неизвестные структурные параметры не зависят от времени, дифференциальное уравнение первого порядка уравнения (8) может быть получено следующим образом: где – нелинейная функция, состоящая из вектора состояния, вектора модальной ветровой нагрузки и времени t .

Обозначьте это с как интервал выборки и определите и как оценочные значения и в момент времени, соответственно. Учитывая технологический шум, линеаризованное выражение уравнения (9) может быть выражено следующим образом: где – вектор технологического шума с нулевым средним и ковариационной матрицей.

Кроме того, получается следующее [26]:

Подставляя в левую часть уравнения (9), можно получить уравнение пространства состояний:

Измеряются только частичные реакции смещения и ускорения, вызванные ветром.Вектор измерения выражается следующим образом: где обозначает реакции смещения, вызванные ветром, и обозначает реакции ускорения, вызванные ветром.

Используя теорию модального преобразования координат, уравнение измерения на временном шаге k может быть выражено следующим образом: где обозначает межэтажные смещения, является матрицей отображения, связанной с степенями свободы измеренного смещения, и является матрицей отображения связанные с степенями свободы измеренного ускорения.

Кроме того, получается следующее:

С учетом шума измерения линеаризованное уравнение измерения может быть выражено следующим образом: где – вектор шума измерения на временном шаге k- с нулевым средним и ковариацией.

Далее получается: где

2.2. Собственное значение и чувствительность собственного вектора

Изменения собственных значений и собственных векторов системы из-за изменений в параметрах системы используются для вычисления матрицы и.Для этого случая в качестве неизвестных параметров выбраны коэффициент жесткости конструкции и коэффициент демпфирования. Проблема собственных значений систем с пропорциональным демпфированием может быть решена согласно [27] следующим образом: где – собственное значение l , – собственный вектор l , а – неизвестный параметр j . Предполагая, что режимы m используются для совместной оценки входных параметров состояния для n -градусов свободы, производная собственного вектора может быть вычислена на основе метода Ванга [28], как показано в следующем уравнении: где

Таким образом, производная матрицы собственных значений с учетом структурного параметра может быть получена на основе уравнения (19):

Чувствительность матрицы собственных векторов к параметру может быть задана в соответствии с уравнением (20):

Производная демпфирования Затем матрица, зависящая от структурного параметра, может быть рассчитана следующим образом:

Для данного случая собственная частота и коэффициент демпфирования выбираются в качестве неизвестных параметров.Собственное значение и чувствительность собственного вектора могут быть вычислены на основе [29] следующим образом:

В соответствии с уравнением (4) может быть получено следующее уравнение: в котором l -й диагональный элемент в матрице.

Затем производная матрицы демпфирования с учетом модального параметра может быть вычислена следующим образом:

Производная матрицы собственных значений с учетом модального параметра может быть получена на основе уравнения (25):

Чувствительность матрицы собственных векторов модальному параметру можно задать:

2.3. Несмещенная оценка расширенной модальной минимальной дисперсии
2.3.1. Обновление времени

Обновление времени для прогнозируемой оценки состояния во время может быть вычислено согласно уравнению (12) следующим образом:

В соответствии с уравнениями (10) и (31) ошибка прогнозируемой оценки состояния может быть вычислена как следует: где матрицы коэффициентов и. и – ошибки оценки состояния и модальной ветровой нагрузки во времени, соответственно.

Ковариационная матрица, относящаяся к прогнозируемой оценке состояния, затем может быть выражена следующим образом: где,, и.

2.3.2. Оценка модальной ветровой нагрузки

Определяя нововведение в соответствии с уравнением (16), можно получить следующее уравнение: где ошибка определяется следующим уравнением:

В несмещенном виде из уравнения (35) следует, что, и следовательно, согласно уравнению (34), может быть получено. Предположим, что форма расчетной модальной ветровой нагрузки имеет следующий вид:

Следовательно, можно получить. Это указывает на то, что расчетная модальная ветровая нагрузка несмещена тогда и только тогда, когда удовлетворяет.

Согласно уравнению (35) ковариация ошибки может быть получена следующим образом:

Обычно, где c – положительное действительное число. Это указывает на то, что уравнение (34) не удовлетворяет гомоскедастичности. Следовательно, оценка, приведенная в уравнении (36), не является оценкой минимальной дисперсии модальной ветровой нагрузки согласно теореме Гаусса – Маркова [30].

Для получения несмещенной оценки минимальной дисперсии модальной ветровой нагрузки необходимо определить оптимальное значение матрицы в уравнении (36).Предположим, что ковариационная матрица в уравнении (37) положительно определена (т. Е.), Обратимая матрица может быть найдена. Путем умножения на уравнение (34) можно получить следующее уравнение:

Теперь ковариация, которая удовлетворяет гомоскедастичности. В предположении, что столбец имеет полный ранг, тогда несмещенная оценка минимальной дисперсии может быть получена на основе теоремы Гаусса – Маркова [30] следующим образом:

Следовательно, получается оптимальное значение:

Ошибка оценки модального ветра нагрузка может быть задана на основе уравнений (36) и (39):

Согласно уравнению (41) ковариационная матрица, относящаяся к расчетной модальной ветровой нагрузке, рассчитывается следующим образом:

2.3.3. Обновление измерения

Определите окончательную форму обновленной оценки состояния следующим образом: где – матрица усиления. Ошибка обновленной оценки состояния может быть вычислена в соответствии с уравнениями (12) и (43):

Следовательно, что указывает на несмещенность для всех возможных, если и только если

На основе уравнений (44) и (45) , ковариационная матрица, относящаяся к обновленной оценке состояния, может быть получена следующим образом:

Для получения несмещенной оценки минимальной дисперсии состояния необходимо определить оптимальное значение матрицы усиления.На основе метода множителей Лагранжа [31] оптимальная матрица усиления может быть вычислена путем минимизации следа при несмещенном условии, показанном в уравнении (45): где

Подставляя уравнение (47) в (43), несмещенный минимум Оценка дисперсии состояния может быть рассчитана следующим образом:

Аналогичным образом, подставив уравнение (47) в (46), ковариационная матрица, связанная с, может быть выражена следующим образом:

На основе уравнений (41) и (44) ковариация матрицы и могут быть получены следующим образом:

Теперь предполагаемый отклик на смещение, отклик на скорость, параметры конструкции и ветровую нагрузку во времени можно рассчитать следующим образом: где, и – оценка отклика на модальное смещение, отклика на модальную скорость и конструктивные параметры, соответственно, полученные из государственной оценки.

3. Численное моделирование

Для проверки осуществимости и точности предложенного метода рассматривается десятиэтажная конструкция здания, работающая на сдвиг и подверженная ветровой нагрузке. Массовый коэффициент каждого этажа равен, а коэффициент жесткости каждого этажа равен. Под демпфированием подразумевается рэлеевское демпфирование, которое рассчитывается как с пропорциональными коэффициентами и. Соответствующий коэффициент демпфирования для первых двух режимов вибрации составляет приблизительно 5%.

Колебание скорости ветра численно моделируется на основе метода авторегрессионной модели.Спектральная плотность мощности является спектральной по Давенпорту. Вертикальный профиль ветра принимается в качестве профиля мощности с показателем степени и базовой высотой в соответствии с Национальным кодексом нагрузки Китая [32]. Средняя скорость ветра на опорной высоте составляет. На рисунке 1 показаны смоделированные колебания скорости ветра на пятом и десятом этажах. На рисунке 2 показано сравнение спектральной плотности мощности между смоделированными колебаниями скорости ветра и спектральным спектром Давенпорта на пятом и десятом этажах. На рисунке 2 показано, что смоделированная спектральная плотность мощности очень хорошо согласуется со спектральной плотностью Давенпорта.Ветровая нагрузка, действующая на конструкцию здания, рассчитывается согласно [22]. Плотность воздуха принята равной. Коэффициент лобового сопротивления установлен равным 1,3, а площадь ортогонального открытого ветра каждого этажа – равной.

3.1. Совместное состояние / Параметр / Оценка ветровой нагрузки на основе неполных измерений

В этом разделе межэтажное смещение и ускорение, взятые в качестве «измерений», рассчитываются на основе метода Newmark- β и накладываются на 2% среднеквадратичное значение (RMS). ) белый шум.Для оценки используются только семь наборов измерений, включая семь ускорений и семь межэтажных смещений. Места проведения измерений указаны в таблице 1. Неизвестными структурными параметрами являются коэффициенты жесткости конструкции на каждом этаже и два коэффициента демпфирования Рэлея. Начальное значение расширенного вектора состояния, где. Матрица начальной ковариации ошибок расширенного вектора состояния равна. Ковариационная матрица шума технологического процесса равна, а ковариационная матрица шума измерения равна.На рисунке 3 показано сравнение расчетных откликов на смещение конструкции с точными значениями на пятом и десятом этажах для временной и частотной областей. На рисунке 4 показано сравнение расчетных скоростных характеристик конструкции с точными значениями на пятом и десятом этажах для временной и частотной областей. Расчетные кривые совпадают с точными. Это указывает на то, что предлагаемый метод способен идентифицировать структурные реакции. Кроме того, два очевидных пика на 1,185 Гц и 3.527 Гц можно получить на рисунках 3 и 4. Два пика соответствуют первым двум поступательным собственным частотам здания.


Количество измерений Расположение (пол)

7 2, 3, 4, , 1079, 10

Кроме того, на основе предложенного метода неизвестная ветровая нагрузка идентифицируется по неполным измерениям.Выявленная ветровая нагрузка и относительные погрешности между выявленной ветровой нагрузкой и точной в процентах на пятом и десятом этажах числовой модели показаны на рисунке 5. Рисунок 5 показывает, что итерационный процесс не может сходиться сразу, но примерно через 8 s, относительные ошибки хорошо сходятся до менее 5%. В таблице 2 показаны средние ошибки и среднеквадратичные ошибки между идентифицированными ветровыми нагрузками и точными на каждом этаже. Из таблицы 2 максимальные средние ошибки и среднеквадратичные ошибки выявленных ветровых нагрузок равны 4.12% и 4,56% соответственно. Это означает, что идентифицированные ветровые нагрузки очень хорошо совпадают с точными после итеративной сходимости.


9079 4,2 На рис. пятый и десятый коэффициенты жесткости конструкции.Это указывает на то, что коэффициенты жесткости могут сходиться к реальному значению в течение 2 с. Результаты оценки коэффициентов демпфирования Рэлея α и β показаны на рисунке 7. По сравнению с коэффициентом жесткости коэффициент демпфирования сходится немного медленнее и может сходиться к реальному значению примерно за 5 с. В таблице 3 приведены расчетные значения и погрешности структурных параметров. Максимальная погрешность коэффициента жесткости составляет 4,30%. Оценочные ошибки для коэффициентов демпфирования α и β равны 4.25% и 4,24% соответственно. Это свидетельствует о том, что предлагаемый метод позволяет идентифицировать структурные параметры при неполных измерениях.


Номер этажа Средняя ошибка (%) Ошибка RMS (%) Номер этажа Средняя ошибка (%) Ошибка RMS (%)
1 0,22 4,11 6 4,09 4.56
2 3,88 4,17 7 3,68 3,82
3 4,12 4,31 8
97711 9777 9777 2,3

7 .35 × 10 8

Структурный параметр Расчетное значение Ошибка (%) Структурный параметр Расчетное значение Ошибка (%) 1 1
1 1 2.55 × 10 8 3,97 k 7 2,55 × 10 8 4,08
k 2 2,3 к 8 2,55 × 10 8 4,19
к 3 2,35 × 10 9 4,15 907 907 907 .53 × 10 8 3,37
к 4 2,54 × 10 8 3,84 k 10 4
к 5 2,35 × 10 8 3,96 α 5,81 × 10 −1 4,25
3,99 β 3,58 × 10 −3 4,24

3.1.1. Влияние продолжительности отбора проб

Для исследования устойчивости предложенного метода обсуждается влияние продолжительности отбора проб на ветровую нагрузку и оценку параметров конструкции. Количество и расположение измерений такие же, как в таблице 1. Общая продолжительность измерений установлена ​​на 1 с, 10 с, 30 с и 60 с.В таблице 4 показаны среднеквадратичные ошибки расчетной ветровой нагрузки на каждом этаже при различной продолжительности выборки. Расчетные результаты структурных параметров приведены в Таблице 5. Из Таблицы 4 максимальные среднеквадратичные ошибки ветровой нагрузки в течение 1 с, 10 с, 30 с и 60 с составляют 14,23%, 7,68%, 4,58% и 4,55%. , соответственно. Из таблицы 5 максимальные ошибки структурных параметров за 1 с, 10 с, 30 с и 60 с составляют 32,78%, 6,99%, 4,66% и 4,25% соответственно. Это указывает на то, что ошибки оценки уменьшаются с увеличением продолжительности времени.Таблица 5 показывает, что ошибки оценки ветровой нагрузки и параметров конструкции составляют менее 5%, когда продолжительность отбора проб достигает 30 с. Кроме того, сравнение результатов оценки между 30 и 60 секундами показывает, что точность оценки немного увеличивается. Таким образом, учитывая вычислительные затраты, длительность выборки 30 с является достаточной для этого численного моделирования.

67 Продолжительность: 30 с 601 90 с777 907 907 907 8

Номер этажа Ошибка RMS (%)
Продолжительность: 1 с Продолжительность: 10 с
1 7.77 6,33 4,52 4,11
2 5,86 5,68 4,45 4,17
3 5,886.207 5,886 907 907 6,65 5,92 3,97 3,49
5 14,23 7,68 4,03 3,87
6 46 5,15 4,58 4,55
7 7,30 5,74 3,92 3,82
6,286 907 907 8 6,286 907 907 8 6,286 907 9077 7,55 6,54 3,34 3,30
10 11,94 6,20 3,81 2,92 2,92
9
9
9
Структурный параметр Расчетное значение 6 6 7 7 к 3 6 6 9084 811947 к 5 6 6 6 8 3 к 7 6 6 907 4,177 к 9 6 6 6
Продолжительность: 1 с Продолжительность: 10 с Продолжительность: 30 с Продолжительность: 60 с
Расчетное значение Ошибка (%) Расчетное значение Ошибка (%) Ошибка (%) Расчетное значение Ошибка (%)
91 009
к 1 2.59 × 10 8 5,86 2,57 × 10 8 4,98 2,55 × 10 8 4,12 2,55 × 10 77 9077 2,55 × 10 77 3,97 907 907 907 2 2,33 × 10 8 4,89 2,36 × 10 8 3,55 2,37 × 10 8 3,45 2,37 × 10 3,45 2,37 × 10 2.36 × 10 8 3,76 2,37 × 10 8 3,39 2,35 × 10 8 4,20 2,35 × 10 77 8 4,15 907 907 4,15 907 907 4 2,56 × 10 8 4,55 2,55 × 10 8 4,14 2,55 × 10 8 4,15 2.54 × 10 4,15 2,54 × 10 2.59 × 10 8 5,61 2,57 × 10 8 4,84 2,35 × 10 8 4,01 2,35 × 10 77 8 3,96 907 907 8 3,96 907 907 6 2,26 × 10 8 7,62 2,28 × 10 8 6,99 2,35 × 10 8 4,02 2,35 × 10 3,02 2,35 × 10 3,
2.56 × 10 8 4,41 2,55 × 10 8 4,08 2,55 × 10 8 4,09 2,55 × 10 77 8 4,08 907 907 8 2,56 × 10 8 4,35 2,55 × 10 8 4,21 2,55 × 10 8 4,21 2,55 × 10 4,21 2,55 × 10 2.55 × 10 8 4,06 2,53 × 10 8 3,36 2,53 × 10 8 3,40 2,53 × 10 77 9077 2,53 × 10 77 3,37 907 907 907 10 2,28 × 10 8 6,97 2,29 × 10 8 6,53 2,34 × 10 8 4,52 2,34 × 10 4,52 2,34 × 10 4,52 2,34 × 10 α 0.740 32,78 0,575 3,28 0,581 4,66 0,581 4,25
β 0,00440 2,24

3.1.2. Влияние количества измерений

В этом разделе обсуждается влияние количества измерений на совместную оценку состояния / параметра / ветровой нагрузки.Рассматриваемый набор измерений составляет от четырех до девяти, и каждый набор измерений включает в себя межэтажные смещения и реакции ускорения. В таблице 6 показано количество измерений и соответствующие местоположения.


Количество измерений Расположение (пол)

9 1, 2, 3, 5, 9, 10, 7, 8
8 1, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10
7 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10
6 1 , 2, 4, 6, 8, 10
5 2, 4, 6, 8, 10
4 1, 4, 6, 9

Временные характеристики расчетных ветровых нагрузок на пятом и десятом этажах при разном количестве измерений представлены на Рисунке 8.Рисунок 8 показывает, что тренды изменения выявленных ветровых нагрузок идентичны точным. Однако существует очевидная ошибка между расчетным значением и точным, когда количество измерений меньше шести. Среднеквадратичные ошибки идентифицированной ветровой нагрузки на каждом этаже при разном количестве измерений перечислены в таблице 7. Таблица 7 показывает, что по мере увеличения числа измерений среднеквадратичная ошибка расчетной ветровой нагрузки уменьшается. Максимальная погрешность при шести, пяти и четырех наборах измерений составляет 5.33%, 7,08% и 10,78% соответственно. Это указывает на то, что ошибка оценки значительно увеличивается, когда количество измерений меньше шести.

986 986 907 907 8,29 907 5,59 907 9.2

Номер этажа Девять измерений Восемь измерений Семь измерений Шесть измерений Пять измерений Четыре измерения
Четыре измерения
2.43 3,47 4,11 4,77 6,27 9,29
2 2,4 3,06 4,17 4,71 867 907 907 4,71 867 9,17 907 4,31 4,7 6,38 8,12
4 2,34 3,01 3,49 4,38 6,09 10,78 907

3,15 3,87 4,51 7,08 9,2
6 2,98 3,42 4,56 5,33
2,31 3,3 4,95 6,30 8,05
10 1,1 2,42 2,92 3,48 5,97 9679 3,48 5,94 907

Временные характеристики оцененных ошибок пятого и десятого коэффициентов жесткости конструкции для разного количества измерений показаны на рисунке 9. Рисунок 9 показывает, что в начале итерации есть некоторые колебания.Однако примерно через 2 с итерация сходится к истинному значению. На рисунке 10 показаны расчетные ошибки коэффициентов демпфирования α и β . На рисунке 10 показано, что и α , и β имеют большие колебания в начале итерации и сходятся к истинному значению примерно через 10 с при более чем семи измерениях. Однако результаты оценки колеблются вокруг истинного значения, когда количество измерений меньше семи.Это указывает на то, что коэффициенты демпфирования чувствительны к количеству измерений и колеблются около истинного значения, если количество измерений недостаточно. В таблице 8 приведены результаты оценки структурных параметров с указанием количества измерений (т.е. от 4 до 9). Максимальные ошибки оцениваемых параметров при четырех-девяти измерениях составляют 13,01%, 11,76%, 9,83%, 4,30%, 3,71% и 3,63% соответственно. Это указывает на то, что с увеличением количества измерений точность оценки структурных параметров увеличивается.Максимальные ошибки коэффициента жесткости конструкции и коэффициентов демпфирования α и β при шести наборах измерений составляют 5,98%, 9,83% и 5,33% соответственно. Однако погрешности оценки каждого структурного параметра менее 5% при семи сериях измерений. Результаты показывают, что для этого конкретного примера следует использовать не менее семи наборов измерений.

1094 9079 Ошибка Значение Ошибка Значение Значение 2,68 9778 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 907 98679 98679Проверка с помощью тестов в аэродинамической трубе

Чтобы проверить эффективность предложенного метода в практическом инженерном применении, в данном исследовании в качестве примера рассматривается высотное здание с 58 этажами. Размеры здания 234 м (высота) × 39 м (ширина) × 39 м (длина). Испытание в аэродинамической трубе синхронной системы сканирования с множественным давлением для одновременной оценки состояния, неизвестных структурных параметров и ветровой нагрузки было проведено в лаборатории аэродинамической трубы в Харбинском технологическом институте (Шэньчжэнь), Китай.Согласно китайскому национальному кодексу нагрузки (GB 50009-2012) [32], площадка вокруг испытательного здания принимается за местность C. Профиль ветра рассматривается как степенной закон с показателем 0,22. Масштаб длины этого испытания в аэродинамической трубе составляет 1: 300. На рисунке 11 показаны смоделированные профили средней скорости ветра и интенсивности турбулентности.

Модель имеет тот же масштаб длины, что и при моделировании поля ветра, то есть 1: 300. Размер модели составляет 780 мм (высота) × 130 мм (ширина) × 130 мм (длина), как показано на рисунке. 12.В этом испытании в аэродинамической трубе направление ветра было определено как угол θ d от 0 ° до 360 ° с шагом 15 °, как показано на рисунке 13. Общее количество кранов давления, установленных на здании, составило 441 по 98 на каждой боковой поверхности и 49 на верхней поверхности. Данные по давлению были собраны с использованием системы микроэлектронного сканера давления производства PSI. Частота дискретизации данных составляла 330 Гц, длительность выборки – 120 с. Скорость ветра в верхней части модели с 10-летним периодом повторяемости составляет 39.6 м / с на основе китайского национального кода нагрузки [32].



4.1. Эквивалентная модель высотного здания

Для строительных конструкций с большими степенями свободы сложно или даже невозможно оценить ветровую нагрузку и параметры конструкции в строгом соответствии с конструкцией прототипа. Как правило, для практического анализа требуется упрощенная эквивалентная модель с меньшими степенями свободы. Эквивалентная модель требует, чтобы отклики на вибрацию двух систем были одинаковыми.Это означает, что рабочая энергия между прототипной структурой и эквивалентной структурой равна. На основе метода, предложенного в [33], эквивалентная масса и эквивалентная жесткость могут быть получены следующим образом: где – распределение массы конструкции-прототипа, – распределение жесткости конструкции-прототипа, – смещение конструкции-прототипа, – эквивалентная масса и – эквивалентная жесткость.

На основе метода разложения по модам смещение может быть представлено следующим образом: где – модальное смещение j, -ое модальное смещение, а – вектор формы моды j -й.Для высотных строительных конструкций первая мода принимается за основную. Затем эквивалентная масса и эквивалентная жесткость могут быть рассчитаны следующим образом:

В таблице 9 приведен вклад энергии первых пяти модальных реакций ускорения, модальных скоростных откликов и модальных откликов смещения, которые рассчитываются в соответствии со следующим уравнением: где – среднеквадратичное значение ответов, рассчитанное на основе правильного ортогонального разложения [34]. Видно, что вклад в энергию первых пяти мод превышает 99%.Таким образом, упрощенная эквивалентная модель выбрана как сдвиговая строительная конструкция с пятью степенями свободы. Предположим, что качество упрощенной модели сосредоточено на 12-м, 24-м, 36-м, 48-м и 58-м этажах, соответствующих высоте 50 м, 98 м, 146 м, 194 м и 234 м соответственно. Эквивалентные массовые коэффициенты и коэффициенты жесткости рассчитываются на основе уравнений (55) и (56), соответственно, которые показаны в таблице 10. В таблице 11 приведены первые пять собственных частот прототипа конструкции и эквивалентной модели.Было обнаружено, что относительные погрешности первых трех собственных частот не превышают 5%. На рисунке 14 показано сравнение первых двух форм колебаний прототипной структуры и эквивалентной структуры. Можно обнаружить, что формы колебаний эквивалентной структуры согласуются с формой колебаний прототипа. Демпфирование этой конструкции рассматривается как демпфирование Рэлея с коэффициентом демпфирования, соответствующим первым двум модам колебаний, равным 5%.


Структурный параметр Девять измерений Восемь измерений Семь измерений Шесть измерений Пять измерений Четыре измерения (%) (× 10 8 ) (%) (× 10 8 ) Ошибка (%) (× 10 8 ) Ошибка (%) Значение (× 10 8 ) Ошибка (%) Значение (× 10 8 ) Ошибка (%)

k
2.52 2,81 2,37 3,38 2,55 3,97 2,35 4,12 2,61 6,52 2,68 9,51 2,68 9,51 2,68 9,561
9,561
2,52 2,88 2,37 3,44 2,55 4,02 2,60 6,28 2,68 9,48
.40 2,03 2,37 3,12 2,35 4,15 2,34 4,31 2,58 5,45 2,21 9,661 2,21 9,661 2,53 3,24 2,54 3,84 2,30 5,98 2,61 6,44 2,22 9,26
9,26
908

2,35 2,53 3,44 2,35 3,96 2,59 5,65 2,28 6,74 2,69 9,64 2,69 9,64 2,69 9,64 2,38 2,76 2,35 3,99 2,57 5,07 2,29 6,39 2,70 10,08
к38 2,86 2,37 3,42 2,55 4,08 2,57 4,94 2,30 6,27 2,68 9,25606 2,68 9,25606
2,52 2,98 2,55 4,19 2,32 5,43 2,62 6,74 2,71 10,46
908 2,7749 1,50 2,51 2,49 2,53 3,37 2,55 4,25 2,29 6,73 2,67 2,53 3,40 2,34 4,30 2,58 5,43 2,29 6,62 2,69 9,61
9,61

577

3,63 0,581 3,71 0,581 4,25 0,612 9,83 0,592 6,27 0,6093 8,71 0,609 8,71 0,603 0,76 0,0035 2,8 0,00348 2,24 0,00358 5,33 0,0038 11,76 0,00384 13,01 13,01
458

Количество режимов 1 2 3 4 5

99,963 99,994 99,999 99,999
Скорость 98,068 99,673 99,898 99,963 99,989
ускорение 85,276 94,096 96,825 98,396 99.369

7 0 2 45 9 777907
Номер этажа 1 M e 3.62 × 10 7 2.38 × 10 7 2.30 × 10 7 2,11 × 10 7 1,16 × 10 7
К 9,53 × 10 8 2,52 × 10 8 2,30 × 10 8 2,04 × 10 8 1,74 × 10 8
9077 9077 4,1 9079 4,1 2,34

Модальный порядок 1 2 3 4 5

Действительное значение
19 0,49 0,77 1,07 1,35
Упрощенная модель 0,19 0,51 0,76 0,90 1,00 1,00 15,50 26,10

4.2. Оценка ветровой нагрузки и конструктивных параметров

Отклик высотного здания, вызванный ветром, не может быть измерен непосредственно путем измерения давления на жесткой модели при испытании в аэродинамической трубе.Следовательно, индуцированные ветром реакции, включая реакции смещения, скорости и ускорения, рассчитываются на основе результатов испытаний в аэродинамической трубе и структурных динамических свойств конструкции прототипа здания с использованием метода Newmark- β . Чтобы подтвердить осуществимость предложенного метода, только три набора измерений, включая реакции структурного межэтажного смещения и реакции ускорения на 12-м, 36-м и 58-м этажах, взяты в качестве «измерений.Неизвестными параметрами являются пять коэффициентов жесткости и два коэффициента демпфирования Рэлея эквивалентной модели. Неизвестные возбуждения представляют собой эквивалентную ветровую нагрузку на эквивалентной модели. Начальное значение вектора состояния. Матрица начальной ковариации ошибок равна. Ковариационные матрицы технологического шума и шума измерения равны и соответственно.

На рисунках 15 и 16 показаны результаты оценки откликов конструкции на смещение и скоростных характеристик на 24-м и 58-м этажах соответственно.Можно обнаружить, что временные характеристики предполагаемых ответов очень хорошо совпадают с точными ответами. Между тем, было обнаружено, что спектр мощности оцененных ответов хорошо согласуется со спектрами точных ответов, за исключением небольших различий в высокочастотных компонентах (> 0,8 Гц) ответов на 24-м этаже. Это происходит главным образом потому, что (1) на 24-м этаже нет информации об измерениях, а результаты оценки на 24-м этаже получены в результате модального преобразования и (2) ошибки модальной информации между эквивалентной моделью и моделью-прототипом велики в высшие режимы (т.е., четвертый и пятый режимы).

На Рисунке 17 показано сравнение временных характеристик эквивалентной ветровой нагрузки между точными и расчетными значениями на 24-м и 58-м этажах. Можно заметить, что расчетные кривые очень хорошо согласуются с точными. Ошибки оценки эквивалентной ветровой нагрузки перечислены в таблице 12. Из таблицы 12 максимальная средняя ошибка и среднеквадратичная ошибка идентифицированной ветровой нагрузки составляют 4,95% и 5,89%. На рисунке 18 показаны результаты оценки эквивалентных коэффициентов жесткости.Это указывает на то, что коэффициенты жесткости могут сходиться к реальному значению в течение 5 с. Результаты оценки коэффициентов демпфирования показаны на рисунке 19, и можно обнаружить, что коэффициенты демпфирования могут сходиться к реальному значению в течение примерно 10 с. Расчетные значения и погрешности конструктивных параметров приведены в таблице 13. Погрешности коэффициента жесткости менее 5%, кроме 12-го этажа. Ошибки коэффициента демпфирования α и β равны 3.8% и 2,11% соответственно. Результаты сравнения показывают, что обратный метод, представленный в этом исследовании, применим к практической инженерии.


Номер этажа 12 24 36 48 58

Среднее значение

4,29 4,93
RMS 1.63 3,85 5,27 5,55 5,89

1.74 × 10 8 1 β
Структурное значение )

k 1 9,53 × 10 8 9,02 × 10 8 5.40
к 2 2,52 × 10 8 2,62 × 10 8 4,25
к 86 2,20 × 10 8 4,41
к 4 2,04 × 10 8 1,94 × 10 8 4,81
1,66 × 10 8 4,52
α 0,086 0,0898 3,80

5. Заключение

В этой статье предлагается метод совместной оценки состояния / параметра / ветровой нагрузки во временной области на основе неполных измерений, основанный на модальной расширенной несмещенной оценке минимальной дисперсии.Рекурсивная процедура включает четыре части: обновление времени, оценка модальной ветровой нагрузки, обновление результатов измерений и преобразование координат. Отклики измерения включают отклики на межэтажное смещение и ускорение на частичных этажах. Качество оценки предложенного метода подтверждается численно путем одновременного определения структурного состояния, параметров и ветровой нагрузки десятиэтажной конструкции сдвигового здания по неполным измерениям. Обсуждается влияние решающих факторов, включая продолжительность выборки и количество измерений, на сходимость и точность предлагаемого метода.Кроме того, испытание в аэродинамической трубе синхронной системы сканирования с несколькими давлениями на строительной конструкции высотой 234 м используется для демонстрации предлагаемого подхода для реальной конструкции. Для экспериментальной проверки выведена упрощенная эквивалентная модель с пятью степенями свободы. Результаты показывают, что предлагаемый метод показывает большой потенциал в качестве альтернативного способа одновременного определения неизвестных структурных параметров, ветровой нагрузки и реакции, вызванной ветром, в результате неполных измерений.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51608153) и Шэньчжэньской программой инноваций в области знаний (номера грантов JCYJ20170413105418298, JCYJ20180306171737796 и JCYJ20170811153857358).

Математика, лежащая в основе экстремальных ветровых нагрузок

В последних IAEI News (март / апрель 2002 г.) я поделился с вами подробностями новых требований к экстремальной ветровой нагрузке Национального кодекса электробезопасности 2002 г. (NESC).Для конструкций высотой шестьдесят футов и короче экстремальная ветровая нагрузка распространяется только на конструкцию. Для конструкций выше шестидесяти футов экстремальная ветровая нагрузка распространяется на конструкцию и все поддерживаемые объекты. Чтобы понять влияние редакции 2002 года, давайте рассмотрим пример расчета.

Фотография 1

Рассмотрим пример, показанный на фото 1 [начало статьи]:

Сооружения: 80-футовые столбы из желтой южной сосны, установленные на высоте 10 футов в земле

Все пролеты 200 футов.

Поддерживаемые объекты:

1-7 № 5 AW статический провод на 70 ‘, диаметр жилы 0,546 ″

1-795-30 / 19 Фазный провод АШР 138 кВ на 60 ‘, диаметр жилы 1,140 ″

1-795-30 / 19 Фазный провод АШР 138 кВ на 54 ‘, диаметр жилы 1,140 ″

1-795-30 / 19 Фазный провод АШР 138 кВ на 48 ‘, диаметр жилы 1,140 ″

3-477 Фазные провода переменного тока 12 кВ на расстоянии 38 футов, диаметр жилы 0,793 ″

1-1 / 0 Нейтральный провод AAAC на 28 ‘, диаметр жилы 0.398 ″

Кабель связи диаметром 1–1,5 дюйма на расстоянии 25 футов

Кабель связи диаметром 1-1,5 ″ на 24 футах

Кабель связи диаметром 1-0,5 ″ на расстоянии 23 футов

Кабель связи диаметром 1-3 ″ на 21 ′

Вопрос

Какой минимальный класс (диаметр) опоры необходим, чтобы выдержать экстремальную ветровую нагрузку NESC 2002 года?

Чтобы определить минимальный класс опоры, мы рассчитаем общий момент на опоре на линии земли, умножив ветровую нагрузку на опору и все поддерживаемые сооружения на высоту крепления этих приспособлений.Расчет будет сделан для наихудшего случая, когда ветер дует перпендикулярно линии. В этом примере предположим, что линия будет построена на восточном побережье в районе, где базовая скорость ветра, показанная на рис. 250-2 (b), стр. 167, составляет 115 миль в час. Первым делом необходимо рассчитать ветровую нагрузку на опору.

Ветровая нагрузка на полюс

Таблица 1

Поскольку диаметр шеста изменяется по его длине, мы рассмотрим ветровую нагрузку на каждый сегмент шеста длиной один фут, начиная с вершины.Чтобы выполнить этот расчет, мы должны принять определенный класс полюса, вычислить момент, а затем проверить, является ли принятый класс адекватным. Минимальные размеры деревянных опор указаны в стандартах ANSI O5.1 «Технические характеристики и размеры деревянных опор». Минимальная окружность шеста определяется типом дерева в верхней части шеста и в шести футах от приклада. Размеры в других местах можно определить путем интерполяции. Для 80-футовой опоры класса h2 минимальный диаметр наверху составляет 9,23 дюйма, а минимальный диаметр на линии земли, т.е.е., в 10 футах от комля, составляет 17,66 дюйма. Для расчета ветровой нагрузки мы должны использовать максимальные размеры, поэтому мы умножаем минимальные значения на 1,2, как это предлагается в разделе 6.2.2, стр. 7 стандарта ANSI O5.1. Из Правила 250C, стр. 161, для цилиндрических конструкций и приспособлений:

нагрузка в фунтах = 0,00256 x (скорость ветра) 2 x k z x G RF x Площадь

Коэффициенты воздействия скоростного давления k z для конструкций приведены в Таблице 250-2, стр. 163, как функция высоты конструкции над землей.Коэффициенты реакции на порывы G RF для сооружений приведены в Таблице 250-3 в зависимости от высоты сооружения над землей. Коэффициенты воздействия скоростного давления kz для проводников приведены в Таблице 250-2 в зависимости от высоты крепления проводника к конструкции. Коэффициенты реакции на порывы G RF для проводов приведены в Таблице 250-3 в зависимости от высоты крепления к конструкции и длины пролета проводов (см. Таблицу 1).

Ветровая нагрузка на проводники

Для расчета ветровой нагрузки на проводники мы используем то же уравнение для нагрузки в фунтах, за исключением того, что k z и G RF различаются для проводников, а площадь A – это площадь поперечного сечения проводника для половины пролета. в каждом направлении.Момент для каждого проводника – это нагрузка, умноженная на высоту крепления этого проводника. Для статического провода 7 № 5 AW высота крепления составляет 70 футов. Из Таблицы 250-2, k z составляет 1,20 для проводника на высоте 70 футов над землей. Из Таблицы 250-3, GRF составляет 0,86 для проводника на высоте 70 футов над землей и его пролет короче 250 футов. Поскольку все пролеты составляют 200 футов, площадь проводника в квадратных футах равна длине проводника в футах, умноженной на диаметр проводника в футах. Диаметр проводника в футах равен 0.546 ″ / 12 = 0,0455. Площадь проводника A составляет 200 x 0,0455 = 9,1 квадратных футов.

Ветровая нагрузка в фунтах

= 0,00256 x (115) 2 x k z x G RF x A

= 0,00256 х 13,225 х 1,20 х 0,86 х 9,1

= 317,9

Момент на опоре у линии земли из-за экстремальной ветровой нагрузки на статический провод составляет

317,9 x 70 ′ = 22 253 фут-фунта

Затем мы вычисляем моменты, создаваемые другими проводниками, и складываем их все.На 38 ′ у нас есть три проводника 477 AAC. Вычислите момент для одного проводника, а затем умножьте ответ на три. Общий момент из-за сильного ветра на всех проводниках составляет 221 764 фут-фунта по сравнению с 90 462 фут-фунтами для конструкции. На большие коммуникационные кабели приходится 77 661 фут-фунт, несмотря на то, что они проложены близко к земле. Общий момент составляет 312 226 фут-фунтов.

Факторы безопасности

Правило 260B1, стр. 175, гласит, что «Конструкции должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать соответствующие нагрузки, умноженные на коэффициенты перегрузки, указанные в Разделе 25, без превышения их прочности, умноженной на коэффициенты прочности Раздела 26.”Коэффициент безопасности – это коэффициент перегрузки, деленный на коэффициент прочности. Таблица 253-2, стр. 174, дает нам коэффициент перегрузки 1,33 для использования с нагрузками 250C (экстремальные ветровые нагрузки). Соответствующий коэффициент прочности 1,0 приведен в Таблице 261-1B, стр. 182. Коэффициент запаса прочности составляет 1,33 / 1,0 = 1,33. Перед сравнением с силой полюса рассчитанные моменты необходимо умножить на предохранитель.

Суммарный момент с запасом прочности

= 312 226 x 1,33 = 415 260 фут-фунтов.

Полюс силы

Сила полюса или предельный момент на линии земли для южной опоры из желтой сосны составляет 2.111 умножить на куб окружности полюса в дюймах.

Минимальная окружность у линии земли

= (общий момент / 2,111) 1/3

= (415,260 / 2,111) 1/3

= 58,16 дюйма

Минимальный диаметр

= окружность / 3,1416

= 58,16 / 3,1416

= 18,51 дюйма

Минимальный диаметр 80-футовой опоры класса h2 на линии заземления составляет 18,11 дюйма. Похоже, нам нужен полюс h3 (19.05 ″). Поскольку мы приняли полюс h2 для ветровой нагрузки при расчете полюса, нам придется пересчитать полюс h3, чтобы убедиться, что мы в порядке.

Если у вас есть общие вопросы о NESC®, позвоните мне по телефону 302-454-4910 или напишите мне по адресу [email protected]

National Electrical Safety Code® и NESC® являются зарегистрированными товарными знаками Института инженеров по электротехнике и электронике.

Общие сведения о ветровой нагрузке на антенну – Channel Master

Общие сведения о ветровой нагрузке на антенну

При установке антенны уместно задать вопрос: «Какое влияние оказывает ветер, дующий на антенну?» Для большинства домашних установок это воздействие незначительно и не является серьезной проблемой.Способ измерения воздействия ветра на антенну называется ветровой нагрузкой. Чтобы определить ветровую нагрузку, нам необходимо определить площадь поверхности антенны, на которую будет воздействовать ветер, и насколько легко ветер над ней перемещается (коэффициент сопротивления). Нам также необходимо знать ожидаемый ветер в месте расположения антенны. Эти вычисления могут включать много математических операций, но в большинстве случаев для антенн OTA ветровая нагрузка достаточно мала, поэтому это не вызывает беспокойства.

Как указано выше, ветровая нагрузка на антенну представляет собой комбинацию площади поверхности антенны, ее коэффициента сопротивления (насколько легко ветер перемещается по ней) и того, сколько ветра давит на антенну.Общая формула для расчета ветровой нагрузки: F = A x P x Cd, где F – ветровая нагрузка, A – площадь поверхности антенны (обычно указывается в квадратных футах), P – давление ветра (рассчитывается по другой формуле). Cd – коэффициент лобового сопротивления.

Антенна OTA имеет много открытых пространств, через которые ветер может проходить, но она все равно блокирует часть ветра. Поскольку площадь поверхности большинства OTA-антенн мала, а элементы, как правило, круглые, Cd будет довольно низким. При небольшой площади поверхности и низком Cd ветровая нагрузка также будет низкой, поэтому повреждений от ветра не ожидается.В результате большинство антенн OTA не учитывают ветровую нагрузку. Если ветер достаточно сильный, чтобы повредить антенну, это, вероятно, меньшая из ваших проблем, так как вы, вероятно, также повредите деревья и повредите другие.

Место, где ветровая нагрузка может стать проблемой, – это установка башни. Важно определить, требуют ли местные постановления разрешения на строительство башни. Местные строительные нормы и правила, вероятно, потребуют более сложной формулы с большим количеством переменных. Альянс электронной промышленности и Единый строительный кодекс имеют разные формулы для расчета ветровой нагрузки, что может потребовать подробных измерений и расчетов.Это может потребовать услуг инженера-строителя для подписания проекта.

Во многих случаях правильное крепление башни к зданию, скорее всего, не будет проблемой, но башни с оттяжками должны быть спроектированы должным образом. Высота мачты и размер устанавливаемых на ней антенн, а также ожидаемый ветер в вашем районе определят, сколько оттяжек необходимо и на какой высоте мачты они должны быть прикреплены. Если вы планируете установить мачту для антенны OTA, рекомендуется обратиться за помощью к опытной компании по установке мачты.

Суть в том, что для большинства антенных установок ветровая нагрузка, вероятно, не является серьезной проблемой.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.