207x

002021

Alex Bacon, EIT

15.1.2026

Zohlednění zatěžovacích stavů 2 a 4 pro zatížení větrem podle ASCE 7-22 v programu RFEM 6

1. Úvod:

Větrné zatížení je důležitou součástí posouzení jakékoli konstrukce, zejména u nosných systémů vystavených působení větru (MWFRS). Norma ASCE 7-22 [1] popisuje několik zatěžovacích stavů, které zohledňují různé směry větru a vlivy kroucení na budovy.

V minulosti umožňoval generátor zatížení větrem v programu RFEM 6 automatické generování zatížení větrem podle normy ASCE 7 pro tradiční „stavy 1 a 3“, které představují typické scénáře zatížení větrem, který působí přímo na hlavní plochy konstrukce.

S nejnovější aktualizací RFEM 6 nyní podporuje stavy 2 a 4, které zohledňují účinky torzního zatížení způsobené nerovnoměrným tlakem větru na diafragmu. Toto vylepšení umožňuje uživatelům generovat realističtější účinky zatížení větrem na základě normy ASCE 7-22, zejména u nepravidelných nebo pružných diafragmových konstrukcí.

2. Porozumění zatěžovacím stavům větrem podle ASCE 7-22

Podle ASCE 7-22, kapitola 27, jsou zatěžovací stavy větrem pro MWFRS definovány následovně:

Stav 1: Stěny na návětrné a závětrné straně jsou zatíženy současně, bez kroucení (kladný vnitřní tlak).
Stav 2:' Stejný jako stav 1, ale zahrnuje torzní zatížení způsobené excentrickým působením větru na budovu (kladný vnitřní tlak).
Stav 3: Opačný směr než ve stavu 1 (záporný vnitřní tlak).
Stav4: Opačný směr než ve stavu 2 (záporný vnitřní tlak s kroucením).

Zatímco Stavy 1 a 3 představují symetrické rozložení tlaku, stavy 2 a 4 působí na konstrukci krouticím momentem, aby simulovaly kolísání tlaku větru po celé šířce budovy.

3. Implementace v RFEM 6

3.1 Automatická detekce diafragmy

Generátor zatížení větrem v programu RFEM 6 nyní automaticky detekuje definované diafragmy ve statickém modelu. To může proběhnout dvěma způsoby:

Pomocí addonu Model budovy, který automaticky definuje diafragmy na každém podlaží.
Ručním zadáním tuhé vazby pomocí nástroje Tuhá vazba v modelu.

Jakmile je detekována diafragma, generátor zatížení větrem vyhodnotí excentricitu tlaku větru na diafragmu a určí krouticí moment, který je třeba použít v souladu s ASCE 7 stavy 2 a 4.

3.2 Generování zatěžovacích stavů

Při generování zatížení větrem podle normy ASCE 7-22 nyní program RFEM 6 automaticky vytvoří následující zatěžovací stavy:

Stav 1: Vítr ve směru A-B (např. 180°) — standardní rozložení tlaku.
Stav 2: Vítr ve směru A-B s torzní excentricitou.
Stav 3: Vítr ve směru B-A — obrácené rozdělení tlaku.
Stav 4: Vítr ve směru B-A s torzní excentricitou.

Každý případ používá odpovídající součinitele vnějšího tlaku (C_p) a součinitele vnitřního tlaku (GC_pi) podle čl. 26 a 27, zatímco krouticí moment pro stavy 2 a 4 se použije přímo na detekovanou rovinu diafragmy.

Stav 2 – Krouticí moment

Stav 4 – Krouticí moment

Pro verifikační příklad v následující části byly některé směry a zatěžovací stavy deaktivovány za účelem zjednodušení příkladu a modelu.

4. Verifikační příklad

Pro ověření této nové funkce byla v programu RFEM 6 modelována jednoduchá obdélníková budova se sedlovou střechou (viz níže) a porovnána s ručními výpočty podle ASCE 7-22, čl. 26 a 27.

Parametry modelu
Parametr	Symbol	Hodnota
Šířka budovy	B	32 ft
Délka budovy	L	40 ft
Výška okapu	h_e	20 ft
Výška hřebene	h_r	30 ft
Průměrná výška střechy	h_m = (h_e + h_r)/2	25 ft
Sklon střechy	θ	≈33°

4.1 Stanovení parametrů návrhového tlaku větru

Podle ASCE 7-22, čl. 26.10:

q_{z} = 0.00256 K_{z} K_{z t} K_{e} V^{2}

Parametry posouzení tlaku větru: návětrná strana

q_{z} = 0.00256 K_{h} K_{z t} K_{e} V^{2}

Parametry posouzení tlaku větru: závětrná strana, boční stěna, střecha

Pro tento příklad platí q_z pro stěny na návětrné straně podle

Riziková kategorie III
V=107 mph
K_z = 0,57 (Expozice B, od 0 do 15 stop)
K_z = 0,62 (Expozice B, ve výšce 20 stop)
K_h = 0,66 (expozice B, ve výšce 25 stop)
K_zt = 1,0
k_d = 0,85
K_e = 1,0
G = 0,85

q_{z, (0 - 15)} = 0.00256 (0.57) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 16.71 p s f

q_{z, (20)} = 0.00256 (0.62) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 18.17 p s f

q_{h, (25)} = 0.00256 (0.66) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 19.34 p s f

Parametry posouzení tlaku větru

4.2 Součinitele vnějšího tlaku

Z ASCE 7-22 Obr. 27.3-1 (valbová střecha, sklon 18°):

Povrch	Cp
Návětrná stěna	+0.8
Závětrná stěna	-0.5
Boční stěny	-0.7
Střecha (návětrná)	-0.12
Střecha (závětrná)	-0.6

4.3 Návrhové tlaky

p_{w i n d w a r d} = q_{z} K G C_{p} - q_{h} K_{d} (G C_{p i})

Tlak – návětrná strana

p = q_{h} (K_{d} G C_{p} - K_{d} (G C_{p i}))

Tlak – závětrná strana

Za předpokladu součinitele vnitřního tlaku GC_pi = +/- 0.18

Plocha	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
Návětrná stěna (0-15 ft)	+0.8	+-0.18	6.70	12.62
Návětrná stěna (20 ft)	+0.8	+-0.18	7.54	13.423
Závětrná stěna	-0.5	+-0.18	-9.92	-4.00
Boční stěna	-0.7	+-0.18	-12.82	-6.91
Střecha návetrná	-0.23	+-0.18	-6.25	-0.25
Střecha závětrná	-0.6	+-0.18	-11.34	-5.42

4.4 Návrhové krouticí momenty

Krouticí moment kolem osy Z (+GC_pi)

Stav 2:

M_{z, 2} = 0.75 (p_{w, x} + p_{l, x}) (B_{x}) (e_{x})

= 0.75 (6.7 psf (15 ft) + 7.54 psf (5 ft) + 9.92 psf (20 ft)) (40 ft) (6 ft)

M_{z, 2} = 63.25 kip - ft

Krouticí moment – Stav 2

Stav 4:

M_{z, 4} = 0.563 (p_{w, x} + p_{l, x}) (B_{x}) (e_{x}) + 0.563 (p_{w, y} + p_{l, y}) (B_{y}) (e_{y})

= 0.563 (6.7 psf (15 ft) + 7.54 psf (5 ft) + 9.92 psf (20 ft)) (40 ft) (6 ft) + 0.563 ((2) (12.82 psf) (20 ft)) (32 ft) (4.8 ft)

M_{z, 4} = 89.82 kip - ft

Kouticí moment – Případ 4

5. Porovnání s generátorem zatížení větrem v programu RFEM 6

V programu RFEM 6 použijte generátor zatížení větrem s normou ASCE 7-22 a stejnými parametry:

Program automaticky vypočítá q_z a q_h na základě průměrné výšky střechy a výšky stěn.
Hodnoty C_p byly přiřazeny každé ploše na základě orientace a sklonu stěn a střechy.
Pro ZS 1 a 3 byly generovány symetrické tlaky.
Pro ZS 2 a 4 byla detekována excentricita diafragmy a použit dodatečný „krouticí moment“ podle ASCE 7-22 27.3-8

Výsledné tlaky a průběh zatížení z programu RFEM 6 se velmi blížily ručně vypočítaným hodnotám, což potvrzuje přesnost této implementace. Drobné rozdíly (≤ 5 %) lze připsat přesnějšímu geometrickému vzorkování výšek povrchu a tlakových zón v programu.

Porovnání výsledků ručních výpočtů a výpočtů v programu RFEM 6:

5.1 Návrhové tlaky z RFEM 6

Následující hodnoty jsou převzaty z programu RFEM 6, konkrétně ze stavu 1 a kladného/záporného vnitřního tlaku. Porovnání provádíme s analytickými hodnotami vypočtenými ručně podle části 4 tohoto článku. Soubor s modelem pro individuální porovnání naleznete na konci stránky:

Kategorie rizika III
V = 107 mph
K_z = 0.57 (expozice B, od 0 do 15 stop)
K_z = 0.62 (expozice B, ve výšce 20 stop)
K_h = 0.6565 (expozice B, ve výšce 25 stop)
K_zt = 1.0
k_d = 0.85
K_e = 1.0
G = 0.85

* q_{z, (0 - 15)} = 0.00256 (0.57) (1.0) (1.0) (107)^{2} = N / A

q_{z, (20)} = 0.00256 (0.62) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 18.130 p s f

q_{h, (25)} = 0.00256 (0.66) (1.0) (1.0) (107)^{2} = 19.242 p s f

Parametry posouzení tlaku větru

Poznámka: q_z není zobrazen v generátoru zatížením větrem

p_{w i n d w a r d} = q_{z} K G C_{p} - q_{h} K_{d} (G C_{p i})

Tlak – návětrná strana

p = q_{h} (K_{d} G C_{p} - K_{d} (G C_{p i}))

Tlak – závětrná strana

Za předpokladu součinitele vnitřního tlaku GC_pi = +/- 0.18

Povrch	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
Návětrná stěna (0-15 ft)	+0.8	+-0.18	6.761	12.649
Návětrná stěna (20 ft)	+0.8	+-0.18	7.535	13.460
Závětrná stěna	-0.5	+-0.18	-9.895	-4.007
Boční stěna	-0.7	+-0.18	-12.675	-6.787
Střecha návetrná	-0.23	+-0.18	-6.193	-0.305
Střecha závětrná	-0.6	+-0.18	-11.285	-5.397

5.3 Návrhové krouticí momenty z programu RFEM 6

Krouticí moment kolem osy Z (+GC_pi)

V programu RFEM 6 se krouticí moment počítá interně a parametry se nezobrazují, protože výpočet potřebný pro tento účel je složitý a bylo by obtížné jej zobrazit v dialogu.

Níže uvedený obrázek ukazuje malý příklad způsobu, jakým program RFEM 6 provádí výpočet:

Výpočet krouticího momentu – RFEM 6

Krouticí moment

M = 7.54 * A1 * 0.15 * b1 + 9.92 * A2 * 0.15 * b2
A1 ... plocha zatížení na diafragmu na návetrné straně
A2 ... plocha zatížení na diafragmu na závětrné straně
b1 ... šířka budovy na návetrné straně
b2 ... šířka budovy na závětrné straně

Zde jsou momenty pro ZS 2 a 4, které RFEM 6 vypočítal:

Stav 2:

M_z,2 = 60.66 kip-ft

Stav 4:

M_z,4 = 80.84 kip-ft

6. Závěr a porovnání výsledků

Přidání stavů 2 a 4 do programu RFEM 6 představuje významný pokrok v automatizovaném generování zatížení větrem podle normy ASCE 7-22. Díky automatickému rozpoznávání diafragmat a použití účinků kroucení mohou nyní inženýři:

zachytit celou řadu zatěžovacích stavů MWFRS (1-4) bez ručního zadávání,
zajistit soulad s normou ASCE 7-22 čl. 26 a 27,
zlepšit efektivitu modelování a spolehlivost posouzení.

Tento verifikační příklad ukázal, že generátor zatížení větrem v programu RFEM 6 dodává výsledky shodné s ručními výpočty podle normy ASCE 7-22, což uživatelům dává jistotu jak v přesnosti, tak v automatizaci. To je patrné z níže uvedené tabulky, která porovnává hodnoty vypočítané ručně s hodnotami získanými v programu RFEM 6:

Poznámka: Hodnoty jako K_h a C_p jsou při ručním výpočtu zaokrouhleny, což způsobuje určité rozdíly. Program RFEM 6 používá přesné hodnoty.

Kladný vnitřní tlak (+GC_pi)

Plocha	Analytický tlak (psf)	Tlak RFEM 6 (psf)	RFEM/analytický
Návětrná stěna (0-15 ft)	6.70	6.761	1.01
Návětrná stěna (20 ft)	7.54	7.54	1.00
Závětrná stěna	-9.92	-9.895	1.00
Boční stěna	-12.82	-12.675	0.99
Střecha (návětrná)	-6.25	-6.193	0.99
Střecha (závětrná)	-11.34	-11.285	1.00

Záporný vnitřní tlak (-GC_pi)

Plocha	Analytický tlak (psf)	Tlak RFEM 6 (psf)	RFEM/analytický
Návětrná stěna (0-15 ft)	12.62	13.423	1.00
Návětrná stěna (20 ft)	10.50	12.649	1.00
Závětrná stěna	-4.00	-4.01	1.00
Boční stěna	-6.91	-6.787	0.98
Střecha (návětrná)	-0.33	-0.305	0.92
Střecha (závětrná)	-5.42	-5.397	1.00

Návrhové krouticí momenty (+GC_pi)

Stav	Analytický moment (kip-ft)	Moment RFEM 6 (kip-ft))	RFEM/analytický
2	63.25	60.66	0.96
4	89.82	80.84	0.90

Databáze znalostí

Zvažování případů zatížení větrem 2 a 4 v RFEM 6 podle ASCE 7-22

Pohled na 3D model pro statické výpočty s různými úrovněmi detailů, který představuje technické prvky a prezentaci výsledků.

64x

16x

ASCE 7 – 22 Generátor zatížením větrem – Případ 2 a 4

Autor

Alex Bacon je zodpovědný za školení zákazníků, technickou podporu a vývoj programů pro severoamerický trh.

;