Воздействие ветра на здания и сооружения

Предисловие к русскому изданию 6
Предисловие 6
Введение 8
Часть I. Атмосфера 10
1. Атмосферная циркуляция 10
1.1. Термодинамика атмосферы 10
1.1.1. Температура атмосферы 10
1.1.2. Радиация в атмосфере 11
1.1.3. Сжатие и расширение 12
1.1.4. Молекулярная я турбулентная теплопроводность 13
1.1.5. Конденсация и испарение водяного пара 14
1.2. Гидродинамика атмосферы 14
1.2.1. Сила барического градиента 14
1.2.2. Отклоняющая сила, вызванная вращением Земли 15
1.2.3. Равновесие сил в воздушном потоке 17
1.2.4. Влияние трения 18
1.3. Движение атмосферного воздуха 20
1.3.1. Общая циркуляция 20
1.3.2. Термическая вторичная циркуляция: муссоны и ураганы 24
1.3.3. Внетропический циклон 27
1.3.4. Местные ветры 28
Список литературы к главе 1 32
2. Пограничный слой атмосферы 33
2.1. Основные уравнения 34
2.1.1. Уравнения осредненного движения 34
2.1.2. Замыкание уравнений поля средних скоростей 35
2.1.3. Замыкание уравнений осредненного поля турбулентности 35
2.1.4. Замыкание уравнений во втором приближении 36
2.2. Профили средних скоростей в горизонтально-однородном потоке 37
2.2.1. Спираль Экмана 37
2.2.2. Турбулентный слой Экмана 38
2.2.3. Логарифмический закон 40
2.2.4. Стеленной закон 41
2.2.5. Соотношение между скоростями ветра для различных условий шероховатости подстилающей поверхности 42
2.3. Атмосферная турбулентность 45
2.3.1. Каскадный процесс переноса энергии 45
2.3.2. Спектры пульсаций продольной компоненты скорости 47
2.3.3. Взаимные спектры пульсаций продольной компоненты скорости 51
2.3.4. Спектры и взаимные спектры пульсаций вертикальной и поперечной компонент скорости 53
2.3.5. Зависимость скорости ветра от времени осреднения 54
2.4. Горизонтально-неоднородные течения 55
2.4.1. Поток вблизи границы изменения шероховатости подстилающей поверхности 56
2.4.2. Воздушный поток над холмами 58
2.4.3. Пограничный слой урагана 60
2.4.4. Ветры при грозах 61
Список литературы к главе 2 62
3. Климатология ветра и её связь с проектированием сооружений 66
3.1. Данные о скорости ветра 66
3.1.1. Надёжность данных о скорости ветра 66
З.1.2. Микрометеорологическая однородность данных о скорости ветра 68
3.2. Предсказания экстремальных скоростей ветра в благоприятных климатических условиях 69
3.2.1. Распределения вероятностей максимальных годовых скоростей 70
3.2.2. Нахождение оценок я доверительных интервалов для ветра с повторяемостью один раз в N лет: численный пример 72
3.3. Предсказания экстремальных скоростей ветра в районах действия ураганов 74
3.3.1. Методика, основанная на максимуме средней месячной скорости 77
3.3.2. Методики, основанные на климатологических характеристиках ураганов 78
3.4. Вероятности появления ветров торнадо 84
3.5. Разработка расчётных критериев ветровой нагрузки на основе климатологической информации 89
3.5.1. Критерии, используемые в действующих строительных нормах, для выбора расчётных скоростей ветра 89
3.5.2. Расчётные скорости ветра и надёжность сооружений 90
3.5.3. Критический анализ использования среднего интервала повторения в качестве расчётного критерия 91
Список литературы к главе 3 94
Часть II. Ветровые нагрузки и их воздействие на сооружения 96
4. Аэродинамика плохообтекаемых тел 96
4.1. Основные уравнения 97
4.1.1. Уравнения движения и неразрывности 97
4.1.2. Уравнения Навье-Стокса 99
4.1.3. Уравнение Бернулли 100
4.2. Течение по криволинейной траектории. Вихревое течение 101
4.3. Пограничные слои и отрыв потока 102
4.4. Спутная струя и вихревые системы в плоском потоке 105
4.5. Давление, подъёмная сила, сила лобового сопротивления и момент, действующие на двумерные конструкции 113
4.6. Характерные особенности пространственного потока 121
4.6.1. Случаи, сохраняющие основные особенности плоских потоков 121
4.6.2. Сооружения в трёхмерных потоках; результаты проведенных исследований 123
4.7. Соотношение переменных во времени сил и скоростей ветра в турбулентном потоке 129
4.7.1. Силы лобового сопротивления 129
4.7.2. Соотношение между давлениями ветра на гибкие здания и скоростями ветра 131
4.7.3. Пульсации давления на наветренной стороне плохообтекаемых тел 133
4.7.4. Пульсации давления на подветренной стороне плохообтекаемых тел 135
4.7.5. Максимальные значения местных ветровых нагрузок 136
4.7.6. Вторичные воздействия ветра 137
Список литературы к главе 4 137
5. Динамика сооружений 140
5.1. Линейная система с одной степенью свободы 140
5.1.1. Реакция при гармонической нагрузке 141
5.1.2. Реакция при произвольной нагрузке 142
5.1.3. Реакция при стационарной случайной нагрузке 143
5.2. Линейные системы с большим числом степеней свободы 144
5.2.1. Собственные частоты и формы колебаний сооружений с распределёнными параметрами 144
5.2.2. Общее выражение для реакции 145
5.2.3. Реакция при гармонической нагрузке 146
5.2.4. Реакция при сосредоточенной стационарной случайной нагрузке 147
5.2.5. Реакция при двух сосредоточенных стационарных случайных нагрузках 147
5.2.6. Влияние взаимной корреляции нагрузок на величину реакции 148
5.2.7. Распределенные стационарные случайные нагрузки 149
5.3. Пример. Реакция в направлении ветра 150
5.3.1. Среднее значение реакции. Статическая реакция 150
5.3.2. Флуктуации реакции. Динамическая реакция при действии ветра: перемещения и ускорения 151
5.3.3. Безразмерные выражения для динамической реакции при действии ветра 153
5.3.4. Полная динамическая реакция при действии ветра как сумма квазистатической и резонансной составляющих 153
Список литературы к главе 5 156
6. Явления аэроупругости 156
6.1. Срыв вихрей и явление захватывания частоты образования вихрей 158
6.1.1. Аналитические модели реакции при вихревом возбуждении колебаний 159
6.1.2. Влияние, оказываемое сооружением и потоком на вихревое возбуждение колебаний 167
6.2. Галопирование поперёк воздушного потока 167
6.2.1. Аналитическая формулировка проблемы галопирования 168
6.3. Галопирование в спутной струе 172
6.3.1. Анализ явления галопирования в спутной струе 174
6.4. Дивергенция 176
6.4.1. Аналитическое моделирование дивергенции 177
6.5. Флаттер 178
6.5.1. Уравнение движения для поперечного сечения аэродинамической поверхности или балки жесткости моста 180
6.5.2. Аэродинамическая подъёмная сила и момент 181
6.5.3. Решение уравнения колебаний при флаттере 184
6.6. Реакция на бафтинг при наличии аэроупругих явлений 187
6.6.1. Аэродинамические силы, действующие на линейно протяжённые сооружения 188
6.6.2. Реакция при бафтинге висячих мостов без учёта аэродинамического воздействия между формами колебаний 190
6.6.3. Общая схема решения задачи о реакции линейно протяжённых сооружений при бафтинге 190
Список литературы к главе 6 197
7. Реакция высоких зданий в направлении ветра 201
7.1. Основные зависимости. Эквивалентные статические ветровые нагрузки 203
7.2. Упрощённые методики определения реакции сооружения в направлении ветра 204
7.2.1. Основные допущения 205
7.2.2. Параметры реакции 205
7.2.3. Выражения для реакции в направлении ветра 208
7.3. Программы расчёта на ЭВМ реакции сооружения в направлении ветра 210
7.4. Приближения и погрешности при оценке реакции сооружения в направлении ветра 211
7.4.1. Вклад в реакцию за счёт колебаний от более высоких собственных форм 211
7.4.2. Влияние отклонения от прямой линии основной собственной формы колебаний на расчётное значение реакции 211
7.4.3. Влияние погрешностей в оценке параметра шероховатости на расчётное значение реакции 213
7.4.4. Спектры в интервале низких частот и реакция сооружения в направлении ветра 213
7.4.5. Корреляция давления поперёк потока и реакция сооружения в направлении ветра 214
Список литературы к главе 7 215
8. Реакции сооружения поперёк воздушного потока и на кручение 216
8.1. Механизмы возникновения реакций поперёк воздушного потока и на кручение 217
8.2. Гибкие башни, дымовые и вытяжные трубы 218
8.2.1. Оценка реакции при вихревом возбуждении колебаний 218
8.2.2. Снижение колебаний при вихревом возбуждении 222
8.3. Высокие здания 223
8.4. Висячие и вантовые мосты 226
8.4.1. Виды испытаний висячих и вантовых мостов в аэродинамической трубе 228
8.4.2. Дивергенция или поперечная потеря устойчивости 230
8.4.3. Захватывание частоты образования вихрей при вихревом возбуждении колебаний 232
8.4.4. Флаттер 235
8.4.5. Галопирование 239
8.4.6. Бафтинг 239
8.4.7. Обзор исследований по изучению работы висячих и вантовых мостов 243
8.5. Элементы строительных конструкций, висячие вантовые покрытия и линии электропередачи 243
8.5.1. Элементы строительных конструкций 243
8.5.2. Висячие вантовые покрытия 244
8.5.3. Линии электропередачи 246
Список литературы к главе 8 247
9. Использование результатов испытаний сооружений в аэродинамической трубе при проектировании 251
9.1. Требования подобия 253
9.1.1. Анализ размерностей 253
9.1.2. Использование основных дифференциальных уравнений 256
9.2. Моделирование течений в пограничном слое атмосферы 261
9.2.1. Число Рейнольдса и структура пограничного слоя потока 261
9.2.2. Число Россби и структура пограничного слоя потока 262
9.2.3. Соответствие современной экспериментальной техники моделирования атмосферных течений различным видам испытаний на моделях 264
9.3. Моделирование обтекания зданий и других сооружений 266
9.3.1. Тела, имеющие закругленные очертания 266
9.3.2. Тела с острыми кромками 268
Список литературы к главе 9 269
10. Дискомфорт, вызываемый ветром внутри и вокруг зданий 271
10.1. Пригодность к нормальной эксплуатации высоких зданий при ветровых воздействиях 272
10.1.1. Влияние колебаний, вызванных ветром, на организм человека 272
10.1.2. Критерии комфорта 274
10.1.3. Зависимость между скоростями ветра и ускорениями здания 275
10.1.4. Частоты повторения ветров, вызывающие критические ускорения 276
10.2. Критерии комфорта для пешеходных зон внутри застроенной территории 277
10.2.1. Скорости ветра и дискомфорт пешеходов 277
10.2.2. Критерии комфорта 279
10.3. Зоны сильных приземных ветров внутри застроенной территории 280
10.3.1. Воздушный поток вблизи высоких зданий 280
10.3.2. Скорости ветра на уровне пешеходов для основного стандартного случая 283
10.3.3. Измерения приземных ветров в аэродинамической трубе и в натуре: результаты проведённых исследований 287
10.3.4. Улучшение режима приземного ветра 293
10.4. Частоты повторения на застроенной территории ветров, вызывающих неприятные ощущения 297
10.4.1. Уточнённая методика оценки 297
10.4.2. Упрощённая методика оценки 300
Список литературы к главе 10 301
11. Воздействия торнадо 302
11.1. Давления ветра 304
11.2. Нагрузка, вызванная изменением атмосферного давления 307
11.3. Скорости летящих предметов при прохождении торнадо 309
11.3.1. Уравнения движения и построение аэродинамической модели 310
11.3.2. Проведение расчётов и численные результаты 312
11.3.3. Исследования зависимости максимальных горизонтальных скоростей летящих предметов от различных факторов 315
11.4. Совместные воздействия нагрузок, вызываемых торнадо 317
11.4.1. Совместное воздействие Нагрузок от давления ветра и изменения атмосферного давления 317
11.4.2. Сочетания нагрузок, включающие воздействия летящих предметов 318
Список литературы к главе 11 319
Приложения 320
А1. Элементы теории вероятностей и её применение 320
А1.1. Введение 320
А1.2. Фундаментальные соотношения 321
А1.3. Случайные величины и распределения вероятностей 322
А1.4. Характеристики случайной величины 326
А1.5. Распределения вероятностей, обычно используемых в инженерных исследованиях ветровых воздействий 327
А1.6. Теория вероятностей и статистические данные 334
Список литературы к прил. А.1 343
А2. Случайные процессы 344
Оглавление 356