ГЛАВА 2
МЕТОДИКА СТАТИСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
И НОРМИРОВАНИЯ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ
2.1. Предпосылки нормирования ветровой нагрузки
Строительные конструкции воспринимают нагрузку от скоростного напора ветра, вызванного движением воздушных масс в приземном слое атмосферы. При известной скорости ветрового потока v (м/сек) его давление w (Па) на плоскую поверхность, перпендикулярную к направлению ветра, определяется по формуле из СНиП 2.01.07-85 [123]:
. (2.1)
При определении ветровой нагрузки на конкретную конструкцию учитывается также целый ряд метеорологических и конструктивных факторов: турбулентность ветрового потока, характер местности в районе строительства, соотношение частоты пульсаций скорости ветра и динамических характеристик конструкции, форма конструкции, ее ориентация и высота над поверхностью земли. Эти факторы можно исследовать и нормировать независимо от исследования и нормирования основной характеристики ветровой нагрузки, которой является давление ветра на поверхность сооружения (2.1). Это позволяет не исследовать их в данной работе и сформулировать следующие предпосылки статистического анализа и нормирования ветровой нагрузки:
1. Рассматривается средняя составляющая скорости ветра, измеренная анеморумбомером с 10 -минутным периодом осреднения и вызывающая
статические усилия в конструкциях.
2. Для исследования используются результаты срочных наблюдений за ветром на метеостанциях Госкомгидромета Украины.
3. Предметом нормирования является средняя составляющая давления ветра на вертикальную поверхность, расположенную перпендикулярно к направлению ветрового потока на высоте 10 м от поверхности земли.
4.Ветровая нагрузка считается повторной переменной по классификации [42],[95]. Поскольку в работах [83], [91] показана нецелесообразностьнормирования квазипостоянного ициклических расчетных значений средней (статической) составляющей ветровой нагрузки, для нее устанавливаются лишь эксплуатационные и предельные расчетные значения.
5.Основной нормируемой характеристикой является нормативное значение ветрового давления, которое может превышаться в среднем один раз в 25 или 50 лет (соответствует среднему периоду повторяемости 25 или 50 лет). Необходимые расчетные значения определяются с использованием соответствующих коэффициентов надежности.
6.Влияние рельефа и степени шероховатости подстилающей местности, высоты над поверхностью земли, характер обтекания конструкции и соответствующие аэродинамические коэффициенты, а также динамическое воздействие ветра на конструкции в настоящей работе на рассматриваются.
2.2. Вероятностные модели и методы определения расчетных значений ветровой нагрузки
Статистические исследования ветровой нагрузки базируются на различных вероятностных моделях, которые в общих чертах описаны в
главе 1. Выполненный в работе [91] сравнительный анализ показал, что для решения задач нормирования ветровой нагрузки наиболее приемлемыми являются модели стационарного дифференцируемого случайного процесса и последовательности месячных максимумов. Использование последовательностей годичных максимумов приводит к значительному возрастанию погрешностей вычисления расчетных нагрузок. Схема независимых испытаний применительно к распределениям результатов срочных наблюдений за ветром является частным случаем модели случайного процесса. Ее использование существенно упрощает вычислительную процедуру при незначительном увеличии погрешностей.
Традиционный подход к нормированию ветровой нагрузки сводится к вероятностному описанию скорости ветра, вычислению ее расчетных значений v и последующему пересчету в ветровой напор w по формуле (2.1). В работах [46], [90] показана возможность непосредственного применения той же вероятностной процедуры к значениям ветрового напора w, предварительно вычисленным по формуле (2.1). Исходя из этого, далее анализируются четыре вероятностные модели:
1) стационарный дифференцируемый процесс скорости ветра;
2) стационарный дифференцируемый процесс давления ветра;
3) последовательность месячных максимумов скорости ветра;
4) последовательность месячных максимумов давления ветра.
С учетом изложенных выше предпосылок, в настоящем параграфе рассматриваются методы определения предельных расчетных значений ветровой нагрузки по всем указанным выше вероятностным моделям и эксплуатационных расчетных значений - по первым двум моделям, так как они не могут определяться с использованием последовательностей максимумов.
Стационарный случайный процесс скорости или давления ветра определяется законом распределения ординаты и значением эффективной частоты. В [91] показано, что реально существующая сезонная нестационарность этих процессов не оказывает влияния на результаты вычисления предельных и эксплуатационных расчетных значений. По данным [83], для всех метеостанций Украины эффективная частота может считаться равной = 5,5 1/сутки. Распределения ординаты как скорости, так и давления ветра описывается либо законом распределения Вейбулла, который традиционно применяется для описания скорости ветра, либо полиномо-экспоненциальным распределением, применение которого обосновано в [83], [90].
По определению [95], эксплуатационным называется расчетное значение Qe(), которое может превышаться в течение заданной доли срока службы конструкции T. Общая методика определения эксплуатационных расчетных значений переменных нагрузок разработана в [91]. В соответствии с ней, эксплуатационное расчетное значение является квантилем закона распределения ординаты случайного процесса нагружения и определяется из уравнения:
, (2.2)
в котором F(q) - интегральная функция, а f(q) - плотность распределения ординаты процесса нагружения.
Подстановка функции распределения Вейбулла (1.7) в формулу (2.2)