Thema:
Windlasten auf runden Kuppeldachstrukturen nach ASCE 7-22
Kommentar:
Wenn es um Windlasten auf Gebäudetypen nach ASCE 7 geht, finden sich zahlreiche Quellen, die die Berechnungsnormen ergänzen und Ingenieure bei der Aufbringung der seitlichen Lasten unterstützen. Jedoch kann es vorkommen, dass Ingenieure Schwierigkeiten haben, ähnliche Quellen für Windlasten auf Konstruktionen, die keine Gebäude sind, zu finden. Dieser Fachbeitrag erläutert die Schritte, die notwendig sind, um Windlasten nach ASCE 7-22 auf einen runden Stahlbetonbehälter mit Kuppeldach aufzubringen und zu berechnen.
Beschreibung:
Ermittlung der Windlasten nach ASCE 7-22
In Tabelle 29.1-2 des ASCE Standard 7-22 [1] werden die notwendigen Schritte zur Ermittlung von Windlasten auf eine kreisrunde Behälterstruktur nach dem Main Wind Force Resisting System (MWFRS) zusammengefasst.
Schritt 1: Die Risikokategorie wird aus Tabelle 1.5-1 [1] anhand der Nutzung bzw. Belegung des Gebäudes ermittelt. Kuppelkonstruktionen können als Lagerhallen genutzt werden, die ein relativ geringes Risiko für das Leben von Menschen darstellen. Andererseits werden Kuppeln auch bei der Bemessung von Sportstadien verwendet, die im Versagensfall extrem hohe Auswirkungen auf das menschliche Leben haben können.
Schritt 2: Nach der Ermittlung der Risikokategorie in Schritt 1 ist die Grundwindgeschwindigkeit (V) in den Abb. 26.5-1 und 26.5-2 [1] zu finden. Sie zeigen die 3-s Böenwindgeschwindigkeitskarten für die USA, die je nach Standort und Risikokategorie der Struktur variieren. Zwischen den angegebenen Konturlinien ist eine lineare Interpolation zulässig.
Schritt 3: In diesem Schritt ist die Angabe mehrerer Windlastparameter erforderlich, die schließlich den Windlastdruck beeinflussen.
Der Windrichtungsfaktor (K-d) aus Tabelle 26.6-1 [1] wird für Rundkuppeln und Rundbehälter mit 1,0 angegeben.
Unter Berücksichtigung von zwei Windrichtungen wird die Expositionskategorie basierend auf Topografie, Vegetation und anderen Strukturen auf der windzugewandten Seite festgelegt. Je höher die Expositionskategorie (d.h. Kategorie D), desto mehr ist die Struktur Belastung ausgesetzt.
Der topographische Faktor (K-zt) berücksichtigt die Windbeschleunigung über Hügel, Höhenzüge und Steilhänge. Dieser Wert wird in Gleichung 26.8-1 [1] mit den in Bild 26.8-1 [1] angegebenen Faktoren K-1, K-2 und K-3 berechnet.
K-zt = (1 + K-1K-2K-3)²
Die K-Faktoren aus Bild 26.8-1 [1] sind abhängig vom Gelände wie Hügelhöhe (H), Abstand vom Kamm zum Standort des Gebäudes (x), Höhe über Geländeoberfläche (z) usw.
In Tabelle 26.9-1 [1] ist der Geländehöhenfaktor (K-e) beruhend auf der Höhe über dem Meeresspiegel angegeben. Dieser Faktor kann auch konservativ mit 1,0 für alle Erhöhungen angenommen werden.
Die Klassifizierung der Umgebung kann in Abschnitt 26.2 [1] festgelegt werden. Öffnungen in der Struktur können diese Klassifizierung beeinflussen. In vielen Fällen wird bei Lagerhäusern die Umgebungsklassifizierung als "geschlossen" betrachtet. Bei Sportstadien kann dies jedoch von den Wandöffnungen des Gebäudes, dem ausfahrbaren Dach usw. abhängen.
Je nach Klassifizierung der Umgebung ist der Innendruckbeiwert (GC-pi) als positiver sowie negativer Wert, der den Druck auf die Innenflächen berücksichtigt, in Tabelle 26.13-1 [1] zu finden.
Der Böenreaktionsfaktor (G) ist abhängig davon, ob die Steifigkeit der Struktur als starr oder flexibel hinsichtlich Abschnitt 26.2 [1] definiert ist. Die Grundeigenfrequenz spielt bei der Bestimmung dieser Klassifizierung eine wichtige Rolle. Das Add-On Modalanalyse in RFEM 6 kann dazu verwendet werden, die Grundeigenfrequenz der Struktur zu ermitteln. In Abschnitt 26.11 [1] sind die relevanten Formeln zur Berechnung von G für starre oder biegsame Tragwerke aufgeführt. Alternativ darf 0,85 nur für starre Tragwerke verwendet werden.
Schritt 4: Der Expositionskoeffizient für Geschwindigkeitsdruck (K-z) ist in Tabelle 26.10-1 [1] basierend auf der Expositionskategorie zu finden. Beruhend auf der mittleren Wandhöhe der Kuppel und ihrer mittleren Dachhöhe sollten zwei K-z-Werte ermittelt werden. Für Zwischenhöhenwerte kann eine lineare Interpolation verwendet werden.
Schritt 5: Der Geschwindigkeitsdruck (q-h) wird aus Gleichung 26.10-1 [1] ermittelt.
q-h = 0,00256K-zK-ztK-eV²
Alle Variablen dieser Gleichung wurden in den vorherigen Schritten ermittelt. Für einen späteren Schritt sollten zwei q-h-Werte berechnet werden. Der erste ist q-h auf Höhe des Wandschwerpunktes und der zweite ist q-h auf der Grundlage der mittleren Kuppeldachhöhe, die von den K-z-Werten aus Schritt 4 abhängt. Die beiden tiefgestellten Schreibweisen q-h und q-z werden in Gleichung 26.10-1 [1] in Abhängigkeit vom Geschwindigkeitsdruck, der jeweils für Wände und das Dach bewertet wird, austauschbar verwendet.
Schritt 6: Der Kraftbeiwert (C-f) für Wände einer einzelnen Kuppel in Abschnitt 29.4.2.1 [1] kann auf 0,63 gesetzt werden, wobei h-c/D im Bereich von 0,25 bis 4,0 mit h-c = Zylinderkörperhöhe und D = Durchmesser liegt. C-f für Wände von Kuppelgruppen wird gemäß Bild 29.4-6 [1] berechnet.
Schritt 7: Der Außendruckbeiwert (C-p) für ein Kuppeldach mit einem Dachwinkel größer 10° wird in Bild 27.3-2 [1] bestimmt.