| ПРЕДИСЛОВИЕ
Определение ветровых нагрузок на здания и инженерные сооружения в ряде случаев приводит к весьма сложным проблемам, решение которых требует особо серьезного внимания, поскольку разрабатываемые проекты должны удовлетворять требованиям надежности и пригодности сооружений к нормальной эксплуатации. К таким инженерным задачам относятся: определение динамических реакций высоких сооружений, нагрузок на наружное остекление зданий и навесные стены, особенно в высотных зданиях, выявление степени пригодности к нормальной эксплуатации пешеходных зон при некоторых типах застройки территории, изучение колебаний и флаттера висячих мостов, описание воздействия торнадо на ядерные энергетические установки, оценивание вероятности появления экстремальных ветров на строительной площадке.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие производства современных видов строительных материалов и типов конструкций привело к появлению нового поколения сооружений, которые по сравнению с построенными ранее являются исключительно гибкими, легкими, со слабыми демпфирующими свойствами. Такие сооружения, как правило, характеризуются повышенной чувствительностью к действию ветра, В связи с этим появилась необходимость разработать методы расчета, дающие возможность проектировщику оценивать ветровые воздействия с большей степенью точности, чем это требовалось раньше. Усилия, направленные на развитие таких методов, привели к созданию, в основном в прошлом десятилетии, прикладной дисциплины, получившей название инженерные исследования ветровых воздействий.
Задача инженера состоит в том, чтобы обеспечить такую работу сооружений под действием ветровых нагрузок, которая отвечала бы требованиям надежности и пригодности к нормальной эксплуатации в течение всего срока их службы. Для достижения этой цели проектировщику необходимо иметь данные о ветровом режиме местности, о зависимости между ветровым режимом местности и нагрузками, вызываемыми при этом на сооружение, о работе сооружения под действием этих нагрузок.
Ветровой режим местности. Информация о ветровом режиме местности, необходимая для проектирования сооружений, включает отдельные элементы, полученные на основе метеорологии, микрометеорологии и климатологии.
Метеорология дает описание и объяснение основных характерных особенностей атмосферных течений. Эти особенности могут иметь весьма существенное значение для расчета сооружений. Например, в случае торнадо наличие области низкого атмосферного давления в центре циклона является фактором особой значимости для расчета ядерных энергетических установок.
Микрометеорология пытается дать подробное описание структуры атмосферных течений вблизи поверхности земли. Проектировщика сооружений непосредственно интересуют характер изменения средних скоростей ветра по высоте над поверхностью земли, структура атмосферной турбулентности и зависимость средних скоростей и турбулентности от шероховатости подстилающей поверхности местности.
Климатология, применительно к описанию ветрового режима местности, занимается вопросами прогнозирования ветровых условий для заданных географических районов. Вероятностные формулировки по прогнозируемым скоростям ветра удобно представлять в виде карт ветров, которые в настоящее время включаются в различные строительные нормы.
Силы, вызываемые действием ветра на сооружения. Сооружение, помещенное в воздушный поток, подвергается действию аэродинамических сил, которые, в общем, можно определить, используя имеющиеся решения теоретической аэродинамики и данные экспериментальных исследований. Однако если условия окружающей местности или характеристики сооружения существенно отличаются от рассмотренных ранее, то возникает необходимость в проведении специальных экспериментов в аэродинамической трубе.
Аэродинамические силы состоят из сил лобового сопротивления, которые действуют в направлении среднего течения, и подъемных (поперечных) сил, действующих перпендикулярно этому направлению. Если же расстояние между центром жесткости сооружения и центром давления (т.е. точкой приложения равнодействующей аэродинамических сил) велико, то сооружение подвергается также действию крутящих моментов, которые могут оказать существенное влияние при его расчете.
Реакция сооружения на ветровые нагрузки. Поскольку аэродинамические силы зависят от времени, для определения реакции сооружения следует использовать методы динамики сооружений. Более того, нерегулярный характер этой зависимости потребует применения основных положений теории случайных процессов в теоретических исследованиях. В отдельных случаях может возникнуть необходимость в проведении анализа на основе аэроупругости, т. е. в изучении взаимодействия между аэродинамическими и инерционными силами, демпфированием и силами упругости с целью исследования аэродинамической устойчивости сооружения.
Из всего вышеизложенного видно, что расчет современных сооружений, подверженных действию ветровых нагрузок, требует использования методов большого числа других дисциплин, а также соответствующих экспериментальных данных. Авторы склонны считать, что в настоящее время нет еще исчерпывающих ответов на все рассматриваемые здесь вопросы, однако за последние десять лет были достигнуты значительные успехи в разработке некоторых из них.
При этом получили развитие такие методы расчета и техника экспериментальных исследований, которые существенно расширили возможности проектировщика в оценке воздействия ветра с позиций обеспечения как прочности, так и пригодности сооружений к нормальной эксплуатации. Цель данной книги состоит в том, чтобы изложить эти методы расчета и экспериментальных исследований, привести соответствующий материал, необходимый для понимания и обоснования рациональности такого подхода, а также критически рассмотреть их возможности и недостатки при расчете сооружений.
ЧАСТЬ I. АТМОСФЕРА
1. АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ
Образование ветра, или движение воздуха относительно поверхности земли, в основном вызывается переменностью нагрева солнцем атмосферы Земли. Его непосредственной причиной является разница давления в точках, расположенных на одинаковой высоте над уровнем моря, что связано с термодинамическими и механическими процессами, происходящими в неоднородной как по времени, так и в пространстве атмосфере.
Энергия, необходимая для возникновения таких явлений, обеспечивается солнцем в виде излучаемого им тепла. Солнце является первичным источником энергии, другим ее источником, непосредственно влияющим на атмосферу, служит поверхность Земли. В самом деле, атмосфера в значительной степени остается проницаемой для солнечной радиации подобно стеклянной крыше теплицы. Поэтому можно считать, что та часть солнечной радиации, которая не отражается (или не рассеивается) в космическое пространство, почти полностью поглощается землей, которая при нагревании испускает энергию в виде эффективного излучения земной поверхности. Его характерные длины волн (порядка 10 мкм) больше аналогичных величин солнечной радиации, переходящей в тепло. Атмосфера в основном прозрачная к солнечной радиации, но закрытая для излучения земной поверхности, поглощает испускаемое землей тепло и частично излучает его обратно к поверхности земли.
1.1. Термодинамика атмосферы
1.1.1. Температура атмосферы. Для иллюстрации влияния распределения температуры воздуха в атмосфере на возникновение ветров рассмотрим упрощенную модель атмосферной циркуляции. В этой модели пренебрегается влиянием изменения температуры воздуха по высоте, влажностью воздуха, вращением земного шара и трением, а поверхность земли считается однообразной и ровной.
Напомним, что ось вращения Земли наклонена приблизительно под углом 66°30 к плоскости ее орбиты вокруг солнца (плоскости эклиптики). Поэтому средняя годовая интенсивность солнечной радиации и соответственно интенсивность излучения земной поверхности и температура атмосферы будут выше в экваториальной, чем в полярных областях. Чтобы объяснить картину циркуляции, которая возникает в результате такой разницы в температуре, Хамфри [1.1] предложил следующий идеальный эксперимент (рис. 1.1).
Предположим, что резервуары А и В наполнены жидкостью одинаковой температуры до уровня а и что трубы 1 и 2 перекрыты. Если температура жидкости в резервуаре А возрастет, а в резервуаре В останется постоянной, то жидкость в резервуаре А расширится и достигнет уровня в.
Расширение не повлечет за собой изменение общего веса жидкости, содержащейся в резервуаре А. Давление на уровне с останется поэтому неизменным и если открыть трубу 2, то не возникнет течения жидкости между резервуарами А и В. Если, однако, открыть трубу 1, то жидкость потечет из А в В из-за разности уровней (b—а). Соответственно на уровне с давление в резервуаре А уменьшится, тогда как давление в резервуаре В возрастет. При открывании трубы 2 жидкость будет перетекать по ней от В к А. Вызванная таким образом циркуляция будет продолжаться до тех пор, пока сохранится разность температур жидкости в резервуарах А и В.
Если резервуары А и В мысленно заменить столбами воздуха над экватором и над полюсом, тогда, очевидно, в отсутствие других воздействий атмосферная циркуляция будет развиваться так, как это показано на рис. 1.2. В действительности циркуляция атмосферы чрезвычайно усложняется за счет тех факторов, которыми пренебрегли в приведенной выше модели. Влияние этих факторов будет рассмотрено ниже.
Температура атмосферы определяется следующими процессами [1.2, 1.3, 1.4]: солнечной радиацией и излучением земной поверхности, как уже было рассмотрено в этой главе; радиацией в атмосфере; сжатием или расширением воздуха; молекулярной и турбулентной теплопроводностью; испарением и конденсацией водяного пара.
1.1.2. Радиация в атмосфере. Для наглядности рассмотрим действие следующей модели. Тепло, излучаемое поверхностью земли, поглощается слоем воздуха, непосредственно находящимся над землей (или поверхностью океана), и вновь излучается этим слоем в виде двух потоков, уходящих вниз и вверх. Последний поглощается следующим вышележащим слоем воздуха и вновь излучается вниз и вверх. Перенос тепла посредством излучения в атмосфере, согласно этой модели, представлен на рис. 1.3.
1.1.3. Сжатие и расширение. Атмосферное давление создается весом вышележащего воздуха. Небольшая масса (или частица) сухого воздуха, движущаяся вертикально, испытывает, таким образом, изменение давления, которому соответствует изменение температуры. Для определения последней воспользуемся уравнением состояния для идеального газа и первым законом термодинамики:
где р—давление; v — удельный объем; R — газовая постоянная для сухого воздуха; Т — абсолютная температура; dq— количество тепла, переданного частице; cv— удельная теплоемкость при постоянном объеме.
Дифференцируя первое соотношение и подставляя полученное при этом выражение для pdv во второе, получим
Сравним это соотношение с
которое выражает первый закон термодинамики в частном случае изобарического (при постоянном давлении) процесса (ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении), легко заметить, что cv + R = ср. Воспользовавшись еще раз уравнением состояния, можно записать
Процессы, для которых dq = 0, принято называть адиабатическими. Для таких процессов предыдущее соотношение принимает вид
а после интегрирования получаем уравнение Пуассона или уравнение сухой адиабаты
Для сухого воздуха R/cp — 0,288. Известным примером влияния изменения давления на температуру служит нагревание сжатого воздуха в накачиваемой шине.
Если частица воздуха в атмосфере движется достаточно быстро, то можно считать, что тепловой обмен частицы с окружающей средой будет пренебрежимо малым, и допущение dq = 0 — приближенно корректным. Тогда из уравнения Пуассона следует, что поскольку восходящий воздух испытывает уменьшение давления, его температура также будет уменьшаться. Падение температуры адиабатически восходящего сухого воздуха на единицу изменения высоты известно как сухоадиабатический градиент температуры и равно примерно 1° С/100 м земной атмосферы.
Рассмотрим небольшую массу сухого воздуха в положении 1 (рис. 1.4). Ее высота над уровнем моря и температура составляют соответственно h1 и Т1. Если эта частица движется вертикально вверх с некоторой достаточной скоростью, то изменение ее температуры будет адиабатическим безотносительно к вертикальному градиенту температуры (изменению температуры с высотой над поверхностью земли), преобладающему в атмосфере. В то время как в положении 2 температура окружающего воздуха равна Т2, температура рассматриваемого элементарного объема воздуха составит Т'2 = Т1 — (h2 — h1)/γa, где γa — адиабатический градиент температуры. Давление со стороны этой частицы и окружающего воздуха будет одинаковым в силу третьего закона Ньютона. Из уравнения состояния следует, что разнице температур Т'2 — Т2 здесь соответствует разница в плотности между рассматриваемым элементарным объемом воздуха и окружающим воздухом. Это вызывает выталкивающую силу, которая при Т2 < Т'2 действует вверх и, следовательно, перемещает элементарный объем воздуха дальше от его первоначального положения (сверхадиабатический градиент температуры, как на рис. 1.4) или при Т2 > Т'2 действует вниз, стремясь, таким образом, вернуть частицу в ее первоначальное положение. Считается, что стратификация атмосферы неустойчива в первом случае и устойчива во втором. Если же Т2= Т'2, т.е. градиент температуры, преобладающий в атмосфере, является адиабатическим, то говорят, что стратификация безразличная (нейтральная).
Простой пример устойчивой стратификации жидкостей — слой воды, подстилающий слой нефти; противоположный пример (неустойчивой стратификации) — слой воды над нефтью.
1.1.4. Молекулярная и турбулентная теплопроводность. Молекулярная теплопроводность представляет собой диффузионный процесс, который осуществляет перенос тепла. Он совершается посредством движения отдельных молекул и является пренебрежимо малым при рассмотрении атмосферных процессов. Турбулентная теплопроводность включает в себя перенос тепла в результате существующего движения воздуха, в котором оно накапливается.
1.1.5. Конденсация и испарение водяного пара. Согласно закону Дальтона, давление влажного воздуха равняется сумме р парциального давления е водяного пара и парциального давления сухого воздуха р — е. Экспериментально установлено, что если давление е превышает некоторую величину Е, известную как давление насыщенного пара, то происходит конденсация избытка влаги, и что давление насыщенного пара Е экспоненциально возрастает при увеличении температуры влажного воздуха.
Можно показать, что элементарный объем восходящего ненасыщенного влажного воздуха (т.е. для которого е/Е < 1) будет испытывать падение температуры, по существу равное сухоадиабатическому градиенту температуры. Так как частица воздуха поднимается и ее температура уменьшается, то давление насыщенного пара будет также уменьшаться. И если рассматриваемый элементарный объем достигнет уровня, для которого отношение е/Е становится равным единице, то в нормальных условиях произойдет конденсация. Выше этого уровня водяной пар, содержащийся в элементарном объеме воздуха, будет продолжать конденсироваться и начнет выделяться теплота конденсации. Она равна количеству тепла, которое было первоначально необходимо для изменения фазы воды от жидкой к парообразной, т.е. скрытой теплоте испарения, накопленной паром.
Теплота конденсации участвует в механической работе, заключающейся в расширении поднимающейся частицы, которое перед насыщением происходило только за счет затраты внутренней энергии. Падение температуры насыщенного паром, адиабатически восходящего элементарного объема воздуха поэтому ниже, чем у сухого или влажного ненасыщенного воздуха (рис. 1.5). Передавая энергию, которая увеличивает температуру частицы относительно той, которую она имела бы при адиабатическом режиме для сухого воздуха, теплота конденсации помогает поддерживать конвекцию воздуха к верхним слоям атмосферы. Этот фактор играет важную роль в возникновении некоторых типов ветров.
1.2. Гидродинамика атмосферы
Движение элементарной массы воздуха определяется вторым законом Ньютона:
где m — масса; а— ускорение и ΣF — сумма сил, действующих на элементарную массу воздуха.
В данном разделе приводится краткое описание сил F и их влияние на движение воздуха.
Э.Симиу, Р.Сканлан
Воздействие ветра на здания и сооружения
1984
|
