Разработка и внедрение методов расчета высотных металлических конструкций на воздействие порывов ветра с выделением квазистатической и резонансной составляющих их реакции

• Автор: Никитин, Павел Николаевич
• Шифр специальности: 05.23.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 173 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ И РЕЗОНАНСНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ РЕАКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА.

1.1. Экспериментальные исследования.

1.2. Теоретические исследования.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОРЫВОВ ВЕТРА С РАЗДЕЛЕНИЕМ ИХ РЕАКЦИИ НА КВАЗИСТАТИЧЕСКУЮ И РЕЗОНАНСНУЮ СОСТАВЛЯЮЩИЕ.
2.1. Метод, основанный на спектральном анализе турбулентных ветровых воздействий, аэродинамических нагрузок и реакции сооружений с использованием соответствующей системы передаточных функций.
2.2. Метод прямого расчета строительных конструкции на стационарное случайное воздействие.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ И РЕЗОНАНСНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ СООРУЖЕНИЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОРЫВОВ ВЕТРА.

2.1. Оптические методы натурных исследований

3.1.1. Разработка и изготовление специальной оптической измерительной системы.
3.1.2. Методика проведения измерений
3.1.3. Методика обработки результатов измерений.
3.1.4. Натурные испытания, сравнение результатов натурных испытаний с результатами теоретических расчетов по предлагаемым методикам.
3.2.ВЫВОДЫ.
ГЛАВА 4. РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ С УЧЕТОМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИХ РЕАКЦИИ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА НА КВАЗИСТАТИЧЕСКУЮ И РЕЗОНАНСНУЮ СОСТАВЛЯЮЩИЕ.
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ НА ДЕФОРМАТИВНОСТЬ С УЧЕТОМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИХ РЕАКЦИИ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА НА КВАЗИСТАТИЧЕСКУЮ И РЕЗОНАНСНУЮ СОСТАВЛЯЮЩИЕ.
ГЛАВА 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ РАЗДЕЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИИ СООРУЖЕНИЙ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА В КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ И РЕЗОНАНСНОЙ ОБЛАСТЯХ ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА ПРИ РАЗРАБОТКЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Практически все строительные конструкции кроме подземных в той или иной степени подвержены воздействию ветрового потока. Причем, степень этого воздействия растет с увеличением высоты и гибкости сооружений, достигая максимума для высотных сооружений башен, мачт, дымовых и вентиляционных труб, радиотелескопов, антенных плотен, а также различных памятников, монументов и обелисков 3,5,7,,.
Ветер вызывает статическое и динамическое силовое воздействие на сооружения. Динамическое воздействие определяется турбулентными пульсациями скорости ветра порывами везра, вызывающими вынужденные колебания сооружений вдоль среднего направления ветрового потока автоколебания сооружений поперек направления ветрового потока вследствие срывных явлений и аэродинамической неустойчивости в данной работе не рассматриваются.
Порывы ветра в нижнем пограничном слое атмосферы могут быть представлены в виде энергетического спектра, расположенного в диапазоне частот от 0,1 до Гц ,, в то время как частоты собственных колебаний большинства сооружений лежат в диапазоне от 0, до Гц, то есть в высокочастотной области спектра ветровых воздействий ,.
В связи с этим, спектр реакции сооружений перемещений, усилий, моментов, напряжений имеет два максимума низкочастотный или квазистагический в области частот максимума спектра порывов ветра и высокочастотный или резонансный в области частот собственных колебаний сооружений. При этом, необходимо отметить, что строительные нормы и правила Российской Федерации основаны на методах расчета, позволяющих определять лишь суммарное значение реакции сооружений на порывы ветра по всему спектру ветровых воздействий ,. Такой подход оправдан только при определении несущей способности сооружений по Т предельному состоянию, находящихся под воздействием ветра.
Однако в настоящее время приобрел большое значение расчет сооружений по деформативности И предельное состояние, особенно конструкций, несущих остронаправленные антенны например, башни сотовой и радиорелейной связи, радиотелескопы и др., поскольку для этих конструкций имеет значение не только величина ошибки наведения, но, в большой степени, и ее частотный состав.
Далее, в связи с развитием в последние годы новых конструктивных форм сооружений, позволяющим проектировать более легкие и дешевые сооружения приобрели большое значение оценки усталостной прочности и долговечности сооружений связано это с конструктивными особенностями данных сооружений с обязательным определением числа циклов изменений напряжений в элементах и узлах в процессе эксплуатации. Для решений этой задачи также необходимы данные о реакции сооружений на порывы ветра раздельно в квазистатическом и резонансном диапазонах спектра ветрового воздействия ,.
Существует также проблема гашения колебаний сооружений вдоль потока с помощью оснащения их динамическими гасителями колебаний ,,. Как известно, динамические гасители колебаний успешно подавляют или уменьшают колебания сооружения на частотах, близких к их собственным частотам колебаний, за счет создания достаточно мощных инерционных сил от колебаний массы гасителя, действующих на сооружение в противофазе с его перемещением. Однако, при достаточно низких частотах воздействий вследствие малых величин ускорений, инерционные силы, возникающие при колебаниях массы гасителя, становятся столь малыми, что не могут воздействовать на колебания сооружения. В связи с этим, на стадии разработки и проектирования динамического гасителя колебаний очень важно правильно определить частотные диапазоны его эффективной работы с целью правильного определения его основных параметров рабочей массы и демпфирования, а также объективного прогноза целесообразности и эффективности его использования на сооружении для указанных выше целей.
Кроме того, существует прикладная проблема правильной организации геодезических измерений натурных сооружений при определении вертикальности их элементов. После монтажа высотных сооружений, особенно с болтовыми соединениями каркаса, в течение определенного периода времени происходит усадка сооружения, т.е. изменение начальной геометрии. Наличие данного явления, а также необходимость контроля геометрии
сооружения сразу после монтажа сооружения обстоятельство обуславливает важность проведения объективного геодезического контроля. Геодезический контроль необходимо проводить в условиях абсолютного штиля, чтобы исключить влияние деформаций вызванных ветровыми воздействиями. В практике производства геодезических работ такое условие трудно выполнимо и измерения проводятся при наличии ветра, что обуславливает необходимость исключения деформаций от воздействия ветра. Исключение деформаций от порывов ветра невозможно без учета разделения деформаций от порывов ветра па квазистатическую и резонансную составляющую.
В последние годы в нашей стране развернулось строительство высотных жилых и административных зданий отличительной особенностью которых является длительное пребывание в них людей. Уровень комфорта пребывания людей в здании зависит от ускорений перемещений перекрытий зданий и частоты их появления. Считается, что нижний диапазон частот, которые ощутимы человеком, начинается с частот порядка 0,7Гц, с ростом частоты уровень комфорта значительно снижается. Т.е. диапазон частот колебаний зданий, ощутимых человеком захватывает весь резонансный и часть квазистатического диапазона реакции сооружений. Комплексная оценка уровня комфорта пребывания людей в здании ветра должна проводиться с учетом
спектрального состава реакции зданий на порывы ветра.
Все эти задачи могут быть успешно решены лишь в случае раздельного определения реакции сооружения на порывы ветра в квазистатической и резонансной областях спектра порывов.
Настоящая работа посвящена разработке методик раздельного расчета сооружений на динамическое воздействие от порывов ветра в квазистатическом и резонансном диапазонах частот энергетического спектра порывов и согласование результатов расчета по этим методикам с данными натурных испытаний реальных сооружений, находящихся под воздействием ветра.
АКТУАЛЬНОСТЬ


Результаты работы позволяют оценить степень физиологической комфортности длительного пребывания людей в высотном здании с учетом выделения вкладов ускорений перемещений в спектре реакции сооружения на порывы ветра. Разработанные аппаратура и методики позволяют проводить более глубокие исследования взаимодействия сооружений с ветровым потоком и
уточнить суммарную реакцию сооружений на действие порывов ветра. Разработанные аппаратура и методики позволяют решать широкий круг прикладных задач, а именно определение фактических динамических характеристик сооружений, мониторинг состояния конструкции высотных сооружений. Результаты диссертации использованы в ЗАО ЦИИИПСК им. ТЭЦ и ТЭЦ в г. Москва. Самара и дымовой трубы высотой 0м Первомайской ТЭЦ. Пушкино. Результаты работы докладывались на международной конференции в Москве I 4 . I То результатам работы опубликовано 3 научных статьи. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения. ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ И РЕЗОНАНСНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ РЕАКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА. Экспериментальные исследования. На рис Л представлены временные зашей скоростей ветра на трех
уровнях мачты высотой 0м. Хорошо видно, что на фоне высокочастотных флуктуаций скорости имеют место заметные низкочастотные изменения величины скорости с периодами от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Высокочастотные флуктуации не имеют строго определенной частоты и
происходят в довольно широком диапазоне. Низкочастотные изменения скорости также происходят в широком диапазоне. Естественно полагать, что реакция сооружений перемещения, напряжения и др. Причем локальные пики максимумов ветрового воздействия должны совпадать с пиками максимумов реакции сооружения. I . Рис. Измерения скорости ветра на трех высотных отметках 0футовой мачты. В качестве примера записей реакции сооружения на воздействие ветра на рис. Эмпайр Стейт Билдинг под воздействием ветрового потока. Колебания фиксировались с помощью тензометров, установленных на колонне. Видно, что изменение величин напряжений происходит практически с одним периодом 8, 2сек, что соответствует периоду собственных колебаний сооружения по первой форме, также заметны достаточно медленные изменения напряжений с периодами от ЗОсек до 1. Рис. Временная развертка напряжений в колонне высотного здания Эмпайр Стейт Билдинг. Для подтверждения общности указанного явления на рис. З , приведены типичные записи перемещений ствола Останкинской телебашни на уровнях 3 и 5м вдоль направления ветрового потока. Запись осуществлена с помощью аналогового оптического прибора. На этом рисунке также четко выделяются регулярные высокочастотные колебания сооружения на частоте, близкой к собственной 0,Гц, период около ,5сек, и низкочастотные колебания с различными периодами от одной до нескольких минут. Высокочастотный пик в зоне собственной частоты можно объяснить действием частотного фильтра, благодаря которому из всего высокочастотного воздействия выбирается и усиливается воздействие, приходящееся на собственную частоту сооружения. Позже будет показано, что вклад квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на порывы ветра зависит от частот и периодов собственных колебаний сооружений, от их декрементов колебаний, а также от особенностей структуры ветрового потока, действующего на сооружения ,,. Пока же, на основе анализа данных натурных исследований сооружений башенного типа высотное здание, радиотелевизионная башня хорошо видно, что реакция сооружений на порывы ветра четко подразделяется на низкочастотную квазистатическую и высокочастотную резонансную составляющие. Далее проведем анализ работ, содержащих теоретические методы раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на порывы ветра. Теоретические исследования. Я составляющая ветровой нагрузки в диапазоне резонансных частот сооружений. В для определения величин, входящих в 1. В работе указанные номограммы заменены следующими аналитическими выражениями
2 1.