Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. 8
1.1. Обзор методов расчета зданий и сооружений на действие ветра 8
1.2. Краткий обзор состояния теории надежности строительных конструкци й. 21
1.3 Классификация основных форм, характера расположения и анализа эксплуатации PC, в частности на территории г. Казани. 23
1.4 Цели и задачи исследования 29
2. Численное моделирование ветровой нагрузки 30
2.1. Объекты исследования. 30
2.2. Постановка задачи 31
2.3. Технология моделирования ветровой нагрузки 33
2.4. Численное моделирование ветровой нагрузки по поверхности рекламных сооружений методом дискретных вихрей на ПК «AERECOPLATE» 38
2.5. Сравнение результатов моделирования ветровой нагрузки на ПК «AERECOPLATE» и данными других программных комплексов. 62
2.6. Анализ результатов моделирования ветровой нагрузки на PC 63
2.7. Выводы по главе 2 65
3. Экспериментальное определение ветровой нагрузки на рекламные сооружения 67
3.1. Этапы и цель проведения эксперимента 67
3.2. Объект исследования 68
3.3. Методика эксперимента 74
3.4. Результаты экспериментального исследования в аэродинамической трубе . 86
3.5. Результаты экспериментального исследования в натурных условиях 98
3.6. Результаты сравнения данных численного, натурного эксперимента и эксперимента в аэродинамической трубе. ПО
3.7. Выводы к главе 3 114
4. Расчет PC в вероятностной постановке, позволяющий оптимизировать параметры PC . 115
4.1. Постановка задачи. Основные понятия и обозначения 115
4.2. Методика расчета в вероятностной постановке, позволяющая оптимизировать параметры элементов PC 116
4.3. Методика расчета PC с учетом расположения на местности и определение коэффициента надежности PC для г. Казани. 134
4.4. Выводы к главе 4 139
Общие выводы 140
Литература 142
Приложение 155
- Краткий обзор состояния теории надежности строительных конструкци
- Численное моделирование ветровой нагрузки по поверхности рекламных сооружений методом дискретных вихрей на ПК «AERECOPLATE»
- Результаты экспериментального исследования в аэродинамической трубе
- Методика расчета в вероятностной постановке, позволяющая оптимизировать параметры элементов PC
Введение к работе
Актуальность работы. Начиная с начала 90-х годов XX века, в России формируется рынок рекламных услуг, одно из направлений которого является наружная реклама (установка рекламных сооружений (PC)). Анализ эксплуатируемых PC показывает на низкое качество проектирования, производства и эксплуатации. Имеются случаи отказа и аварий PC (июнь 1998г., ноябрь 2008г. в Москве, январь 2007г. в Калининграде, июнь 2007г. в Казани и др.), ущерб от которых в некоторых случаях составлял до 15-20% от их общего количества. Анализ конструктивных форм PC показывает, что ветровая нагрузка является определяющей при их расчете. Существующие отечественные нормативные документы не рассматривают подобные сооружения и не учитывают специфику конструктивной формы PC.
В связи с этим исследование PC в этих направлениях является актуальным.
Цель работы. Уточнение характера распределения ветровой нагрузки и её учет при вероятностном расчете рекламных сооружений (PC).
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
численное моделирование действия средней составляющей ветровой нагрузки на наиболее используемые типы PC, в т.ч. в условиях городской застройки;
натурное экспериментальное исследование распределения средней составляющей ветровой нагрузки, НДС основных несущих элементов и параметров колебаний PC;
исследование распределения средней составляющей ветровой нагрузки по поверхности PC в аэродинамической трубе;
разработка методики вероятностного расчета PC на уточненную ветровую нагрузку, позволяющей оптимизировать параметры PC с учетом возможных потерь.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- адаптирован и реализован численный метод - метод дискретных вихрей
(МДВ) для моделирования ветровой нагрузки на PC со сравнением
полученных результатов с данными эксперимента и данными других
численных методов (метод конечного объема (МКО));
уточнены значения аэродинамического коэффициента средней составляющей ветровой нагрузки при расчете PC в городской застройке;
- выполнена сравнительная оценка результатов численных методов с
экспериментальными данными и разработаны рекомендации по
проектированию PC;
Практическая значимость работы:
- уточнено распределение средней составляющей ветровой нагрузки по
поверхности наиболее применяемых типов PC;
- показано, что рассматриваемые численные методы могут использоваться
при решении аналогичных задач;
разработаны рекомендации по проектированию PC с учетом городской застройки;
- разработана и апробирована методика комплексного наблюдения за
состоянием сооружения с регистрацией параметров ветровой нагрузки,
НДС элементов и параметров колебаний;
- разработана вероятностная методика расчета, позволяющая оптимизировать
параметры PC с учетом возможных потерь.
Реализация результатов:
Результаты, полученные в диссертационной работе, приняты в проекте редакции СНиП «Нагрузки и Воздействия» и «Регламента размещения средств наружной рекламы и информации в городе Казань».
Реализация результатов исследований осуществлялась при расчете и конструировании различных конструктивных решений PC при выполнении хоздоговорных работ по текущим темам в г. Казани (12 объектов) и Ярославле (2 объекта).
На защиту выносится:
результаты численного моделирования действия средней составляющей ветровой нагрузки для наиболее используемых типов PC, полученные методами МДВ и МКО;
результаты натурного экспериментального исследования распределения средней составляющей ветровой нагрузки по поверхности, НДС основных несущих элементов и параметров колебаний PC на двух объектах;
исследование распределения ветровой нагрузки по поверхности PC в аэродинамической трубе;
рекомендации по проектированию PC, в том числе в городской застройке;
- методика вероятностного расчета PC, позволяющая оптимизировать
параметры PC с учетом возможных потерь.
Апробация работы
Основные результаты выполненных исследований доложены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава КГАСУ 2004-^2009 годов; на международной научно-практической конференции "Строительство-2008" РГСУ (г. Ростов) в 2008 году; на международной конференции "Relmas'2008" СПбПТУ в 2008 году; на научном симпозиуме "Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений" (Нижний Новгород) в 2007 году; на международной научно-технической конференции "Строительство. Коммунальное хозяйство" УГНТУ (г Уфа) в 2006 году; на VI международной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения" СПбПТУ в 2005 году; на научной сессии "Компьютерное моделирование и проектирование пространственных конструкций" МОО "Пространственные конструкции" в 2005 году, на международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов" МарГТУ в 2004 году.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 8 статей (4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК), 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Работа изложена на 153 листах машинописного текста, содержит 27 таблиц и 83 рисунка. Список литературы включает 133 наименования.
Краткий обзор состояния теории надежности строительных конструкци
Формирование теории надежности строительных конструкций начинается с 30-х годов ХХ-го века с работ Н.С. Стрелецкого и Хоциалова [107, 108]. Так в работе Н. Ф. Хоциалова рассматривается вопрос сущности коэффициента запаса, как непревышение определенной весьма малой вероятности разрушения конструкции, рассматривая ее прочностные свойства случайными, а величины нагрузок детерминированными. В работах Н. С. Стрелецкого [107, 108] случайными являлись не только прочностные характеристики конструкции, но и нагрузки. В дальнейших работах Н. С. Стрелецкий вводит понятия о предельных состояниях конструкций и фактически создает основы теории надежности строительных конструкций. Развитию и внедрению метода предельных состояний способствовали работы Балдина В.А., Гольденблата И.И. [108] и др., который был реализован в первой редакции СНиП в 1955 году. Несколько позже (в 70-х годах) в международных нормах (ИСО, Еврокод) был реализован метод частных коэффициентов, который по существу является методом предельных состояний.
Начальный этап характеризуется работами на основе применения теории вероятности и математической статистики. Параметры рассматривались как случайные величины, а надежность оценивалась как вероятность нахождения этих случайных величин в допустимых областях. Описание методик приведено в работах Стрелецкого Н.С. [108], Муллера Р.А., Ржаницина А.Р. [93] и др.
Развитие вероятностных методов расчета строительных конструкций отражено в трудах Болотина В.В. [16, 17], который первым применил теорию случайных процессов к решению задач надежности. Развитие этого направления можно встретить в работах Барштейна М.Ф. [8-11], который использовал их для описания нагрузок - ветровой, сейсмической, давления от морских волн.
Исследования в области вероятностных методов расчета приведены в работах Райзера В.Д. [87], который дал статистическое описание коэффициентов метода предельного состояния. Необходимо отметить работы Дривинга А.Я. [85], который разработал и внедрил, на уровне нормативных документов, вероятностный расчет строительных конструкций с чисто экономической ответственностью. Серьезный вклад в совершенствование вероятностных методов расчета строительных конструкций внесли исследования Арасланова A.M., Кудзиса А.П., Лычева А.С. [71], Складнева Н.Н., Снарскиса Б.И, Сухова Ю.Д., и др. Примеры определения надежности наиболее применяемых конструкций приведены в работе Веселова Ю.А. и Демченко Д.Б. Избранные проблемы надежности и безопасности строительных конструкций рассмотрены и проанализированы в работе Перельмутера А.В. Нельзя не отметить работы Пичугина С.Ф. [82, 83], в которых приводятся анализ и рекомендации о применении законов распределения для описания ветровой нагрузки. Применение вероятностных методов при определении нагрузок, учета их сочетаний и нормирования отражено в работах М.Ф. Барштейна, А.А.Батя, Клепикова Л.В, В.А.Отставнова [82, 83] и др.
На сегодняшний день, основные достижения теории надежности в строительстве применительно к России реализованы в двух основных нормативных документах: ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований» и проекта СНиП «Надежность строительных конструкций и оснований» разработанных в ЦНИИСК им. Кучеренко Назаровым Н.А., Поповым Н.А., Лебедевой И.А. и др. В этих документах реализован детерминированный подход к расчету строительных конструкций. Учитывая, что PC эксплуатируются в местах непостоянного пребывания людей, целесообразно рассмотреть вопрос о применении вероятностных методов расчета при определении сечений элементов PC. 1.3 Классификация основных форм, характера расположения и анализа эксплуатации PC, в частности на территории г. Казани.
По проведенному анализу нормативно-технической литературы и существующему состоянию рекламных сооружений сформирована цель исследования: Уточнение характера распределения ветровой нагрузки и её учет при вероятностном расчете рекламных сооружений (PC).
Для достижения поставленной цели решены поставлены следующие задачи: - численного моделирования действия средней составляющей ветровой нагрузки на наиболее используемые типы PC; - натурного экспериментального исследования распределения средней составляющей ветровой нагрузки по поверхности, НДС основных несущих элементов и параметров колебаний PC. - исследования распределения средней составляющей ветровой нагрузки по поверхности PC в аэродинамической трубе. - разработки методики вероятностного расчета PC, позволяющей оптимизировать параметры PC с учетом возможных социально-экономических потерь.
Численное моделирование ветровой нагрузки по поверхности рекламных сооружений методом дискретных вихрей на ПК «AERECOPLATE»
Рассматриваемые PC относится к сооружениям с плохообтекаемой формой и имеют фиксированные положение отрыва вихревой пелены, которая расположена по периметру PC. Численное моделирование ветровой нагрузки визуализирует нестационарный характер движения воздуха (ветра), реализующегося около PC по классификации [6]: отрывное с кромок и безотрывное (плавное) перетекание вдоль кромок PC.
Так, при направлении ветра = 90 (лобовое направление) на заветренной стороне создаются вихревые образования расположенные у граней PC с периодическим отрывом и созданием несимметричного спутного вихревого следа (дорожка Кармана). При изменении направления ветровой нагрузки от а = 90 до а»40 -50 происходит увеличение периода отрыва спутного следа с изменением его формы - у передней грани происходит увеличение вихревых образований и их уменьшение у задней. При ««40-50 положение вихревых образований смещается по направлению ветра так, что на задней грани, вихревые образования находятся с боку от PC, а с передней на заветренной стороне PC. С горизонтальных граней образовывается перетекание ветра к задней грани заветренной стороны. Изменение направления ветра от а 40 -50 до z = 0 уменьшает размер вихревых образований с передней и задней граней с увеличением зоны перетекания. При этом увеличивается период отрыва спутного следа. Необходимо отметить, что увеличение ширины PC уменьшает влияние вихревых образований друг на друга и соответственно на значение сс и еа.
Изменение эксцентриситета приложения равнодействующей ветровой нагрузки еа имеет две характерные зависимости при изменении а от лобового а = 90 до продольного а = 0: а - плавный рост значения еа до значения а = 10 + 15 для PC с Л 0.\ и 10 Л (один пик); б - плавный рост значения еа до значения а = 60 - 70 с уменьшением еа при а = 30-н40 и увеличением при а = 5-И 5 для PC с 0.1 Я 10 (два пика). Полученные зависимости объясняются характером обтекания PC в зависимости от соотношения сторон Я и изменения а. Из анализа характера обтекания следует, что основной вклад се составляет отрывное обтекание с первой по направлению ветра грани PC. При этом, для PC с Л 0.1 отрывные течения с боковых сторон существенно влияют друг на друга, увеличивая при этом значение се9 с увеличением Л взаимное влияние отрывных течений уменьшается и соответственно уменьшается се при уменьшении а.
Рассматриваемые PC относится к сооружениям с плохообтекаемой формой и имеют фиксированное положение отрыва вихревой пелены, которая расположена по граням PC. Численное моделирование ветровой нагрузки визуализирует характер движения воздуха (ветра), реализующегося около PC по классификации [6]: отрывное с кромок и безотрывное (плавное) вдоль кромок PC. При моделировании ветровой нагрузки на рассматриваемые призматические PC можно выделить две схемы обтекания для PC с равносторонними (призма 1 по таблице 2.1) и равнобедренными (призма 2, 3, 4 по таблице 2.1) треугольными основаниями. Так, для призмы 1, при направлении ветра а = 0 с передних граней 1 и 3 происходит отрыв ветрового потока и симметричное вихревое обтекание на заветренных сторонах. При изменении направления ветровой нагрузки от а = 0 до яг = 20 происходит уменьшение у грани 1 и увеличение у грани 3 величины отрывного обтекания. При а = 25 -4-30 отрыв потока происходит по всем граням PC с максимальным значением у грани 3. Последующее изменение а создает отрыв потока на задних гранях 2 и 3, с выравниванием величины отрывного обтекания, которое осуществляется при а = 60. Так как, основание призматического PC — равносторонний треугольник, последующие изменения симметричны относительно направления а = 60. Подобная картина характерна для призм 2-4. При а = 0 на заветренных сторонах за гранями 1 и 3 создается симметричная схема отрывного обтекания. Изменение направления ветра от а = 0 до а = 5 -15 создает отрыв ветрового потока по всем граням PC. При а «50 - 60 реализуется схема обтекания с отрывными течениями с граней 2 и 3. Увеличение а изменяет схему обтекания - возникает отрывное обтекание и его увеличение с грани 1 в сторону грани 3 до а = 90 -100, при котором реализуется схема отрывного обтекания с граней 1 и 2. Изменение направления ветра (увеличение а) уменьшает отрывное обтекание с грани 2. При а = 150 -160 реализуется схема отрывного течения со всех граней PC. Изменение направления ветра до а = 180 создает отрывное симметричное обтекание с граней 1 и 3.
Результаты экспериментального исследования в аэродинамической трубе
В качестве результатов экспериментального исследования приводятся следующие характеристики: 1. Распределение давления по поверхности объекта исследования в характерных точках (см. рис. 3.2) по соответствующим сторонам (см. рис. 3.18) при различных направлениях ветра. 2. Изменения аэродинамических характеристик (аэродинамических коэффициентов и аэродинамического момента) для объекта исследования при различных направлениях ветра. 3. Наблюдение и фиксация картины обтекания потоком ветра объекта исследования при различных направлениях ветра. Регистрация исследуемых характеристик осуществлялась в скоростной и связной системах координат (рис. 3.18) Схема положения контрольного сечения. Изменение картины обтекания исследуемого объекта рассматривается на контрольном сечении А-Б (рис. 3.22) для направлений ветра: а = 0, а = 30, ог = 45, а = 50\ а = 60, а = 75, а = 90. При обтекании набегающим потоком на наветренной стороне происходит перетекание воздуха от грани А к Б, с заветренной стороны происходит разряжение по всей поверхности с созданием спутного следа При обтекании набегающим потоком на наветренной стороне происходит перетекание воздуха от грани А к Б, с заветренной стороны происходит разряжение по всей поверхности с созданием спутного следа При обтекании набегающим потоком на наветренной стороне происходит перетекание воздуха от грани А к Б, с заветренной стороны происходит разряжение по основной части поверхности со стороны грани А с созданием спутного следа от грани Б. При обтекании набегающим потоком на наветренной стороне происходит перетекание воздуха от грани А к Б, с заветренной стороны происходит разряжение по части поверхности со стороны грани А с созданием спутного следа от грани Б.
При проведении работ осуществлялась регистрация скорости системой измерения давления и направление ветра с помощью анемометра-термометра ИСП МГ4.03. Зарегистрированные значения ветрового давления осреднялись по времени за интервал 10 секунд. Значения соответствующих давлений в характерных точках (их максимальные мгновенные и средние значения) приведены в таблице 3.7. Графическая интерпретация зарегистрированных показателей приведена на рис. 3.23.
Определение напряжений от ветровой нагрузки осуществлялось при осредненной за 10 секунд скорости ветра. Зарегистрированные значения сравнивались с теоретическими значениями напряжений, полученных численным путем на ПК «Лира», при ветровой нагрузке соответствующей зарегистрированной скорости. Значение ветровой нагрузки определялось в соответствии с требованиями [103] по условию (7) (w= 0.6 їх К2). Напряжения в элементах определялось в соответствии с требованиями [106]. Значения теоретических напряжений в элементах PC и напряжений, зарегистрированных экспериментально приведено в таблицах 3,8, 3.9. Зарегистрированные значения характеристик с вибродатчиков анализировались на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) реализованного в программном обеспечении (ПО) используемых систем измерения («ВИБРАН», «ACest»).
Проводилась регистрация собственных частот при отсутствии ветра и вынужденных колебаний при действии ветровой нагрузки со скоростью У=7.4м/спри а = 90. Характерная запись собственных частот колебаний для объекта исследования приведена на рис. 3.24. На рис. 3.25 и 3.26 приведен спектральный анализ зарегистрированных колебаний по направлению ОХ и ОУ с выделением характерных частот.
Методика расчета в вероятностной постановке, позволяющая оптимизировать параметры элементов PC
Методика вероятностного расчета PC рассматривается на примере наиболее применяемого отдельно стоящего PC для территории г. Казани со следующими допущениями: в качестве расчетной модели PC рассматривается отдельно стоящее плоское PC с размером рекламной поверхности 6 х А =6x3 м (Я = 2 ) и высотой от уровня земли 8 м; значение средней составляющей ветровой нагрузки действующей на поверхность PC для соответствующего направления ветра определяется из условия: w ш w0 х се х к х к1ор (4.4) с - значение аэродинамического коэффициента, для щита с отношением сторон X = Ъ=2, (принимается по данным главы 2); к - коэффициент, учитывающий изменение скорости ветра по высоте, принимается в соответствии с таблицей 5 [103]; к(ор коэффициент, учитывающий увеличение ветровой нагрузки в городской застройке, принимается по донным главе 2 (для отдельно стоящих PC к1ор = 1); при выполнении расчетов учитывается дополнительный момент кручения, возникающий от эксцентриситета приложения равнодействующей ветровой нагрузки - еа (принимается по данным главы 2); зависимость ветровой нагрузки w (Па) от скорости ветра V (м/с) принимается в соответствии с [103] из условия: w = 0.061 xV2 (4.5) значения скоростей ветра и соответственно значение ветрового давления принимается случайным, с законом распределения Вейбула[82]: f(w) = cxj3x wp l хe {CXVffi) - плотность распределения (4.6) F(w) = 1 - е - функция распределения (4.7) материал конструкций PC сталь С245 с химсоставом и прочностными свойствами приведенными в [80], расчетное сопротивление стали по пределу текучести принимается случайным с нормальным законом распределения с параметрами Л = 2800, стЛ =140 [85].
Ветровая нагрузка w (кг/м ) определяется в зависимости от случайной величины - скорости ветра V по условию w = 0.061 xV2 (кг/м) и также является случайной величиной. В соответствии с [1, 17, 71, 82, 93] скорость ветра V описывается законом распределения Вейбула, тогда для значения ветровой нагрузки можно также записать плотность распределения.
Затраты связанные с изготовлением и установкой PC зависят от массы элементов PC - стойки тс, конструкции рекламной поверхности (щита) - тщ и массы фундамента тф. Величина Сн в соответствии с [55] может быть записана в виде: Сн =(тс+тщ)хкіт+тфхк1ф (4.15) тч, тс, тф- масса рекламной поверхности (щита), стойки, фундамента; к]т- 50000 руб/т - приведенная стоимость металла в деле; к2т = 20000руб/т -приведенная стоимость монтажа PC для г. Казани; к1ф= 5000руб/т -приведенная стоимость железобетонных элементов в деле; 2 =3000руб/т -приведенная стоимость монтажа железобетонных элементов, Для рассматриваемого PC можно записать массу металла элементов РП w„,=xvV, x4 (4.16) Для рассматриваемого PC можно записать массу стойки тс: тс=хцгсхНхА2 (4.17)
Затраты связанные с возможным ущербом при обрушении PC можно классифицировать как материальный и нематериальный возможный ущерб: Возможный материальный ущерб Уп(мат). Возможный материальный ущерб при возникновении отказа PC, включает в себя повреждения элементов PC, мобильных товарно-материальных ценностей (ТМЦ) - автомобилей и стационарных ТМЦ -зданий и сооружений, находящихся в зоне обрушения PC: Yn(Mam) mx(k,m k2 alycPlx x xC:l xCf (4.22) т - масса поврежденного элемента PC, kim, к2т - см. условие (4.15), Cf приведенная стоимость мобильных ТМЦ (автомобилей), принимается равной стоимости страховой выплаты по ОСАГО; ах - вероятность нахождения мобильных ТМЦ в зоне обрушения PC, принимается в соответствии с коэффициентом использования дороги по таблице 4.3 заимствованной из [133]; /?t=0.08 (шт/м ) - плотность мобильных ТМЦ (автомобилей) находящихся в зоне обрушения PC, принимается в соответствии с количеством машиномест в зоне обрушения PC; Сл"2 =20000 руб/м - приведенная стоимость потерь стационарных ТМЦ, находящихся в зоне обрушения PC; Fd - площадь дороги или автостоянки, попадающей в зону обрушения PC; F3 - площадь здания или сооружения, попадающего в зону обрушения PC; F0 - площадь зоны обрушения PC; —— приведенное время при t = Utwt нахождения мобильных ТМЦ, находящихся в зоне обрушения PC.
Возможный нематериальный ущерб при возникновении отказа PC включает в себя затраты связанные с нарушением репутации владельца PC и причинением вреда здоровью людям находящимся в зоне обрушения, например на остановочном павильоне, по условию: Ynk(нематер) = ксх Срп +Мх — х хСя"" (4.23) кс = 1 - коэффициент, учитывающий ухудшение репутации организации владеющей PC; С - приведенная стоимость репутации организации владеющей PC, С=СН по условию (4.15); М - количество людей находящихся в зоне обрушения PC за время t (условие 4.24). С м приведенная стоимость потерь при нахождении человека в зоне обрушения PC, принимается по данным таблицы 4.4 заимствованной из [71]; С " включает в себя: расходы на доставку пострадавшего в больницу, расходы больницы, морга, расходы на похороны, на выплату пособий; Foan - площадь остановочного павильона находящегося в зоне обрушения PC; F0 - площадь зоны обрушения PC; приведенное время при t = 10juuH нахождения человека на территории остановочного павильона в зоне обрушения PC. Найдя значения параметров геометрических характеристик сечения элементов PC - х, соответствующих корням уравнения (4.32) получим их оптимальные значения из условия минимума полных возможных затрат -хоюп.
