117x

002021

Alex Bacon, EIT

2026-01-15

Uwzględnienie przypadków obciążenia wiatrem 2 i 4 w programie RFEM 6 zgodnie z normą ASCE 7-22

Rozważanie przypadków obciążenia wiatrem 2 i 4 w RFEM 6 zgodnie z ASCE 7-22

1. Wprowadzenie:

Obciążenia wiatrem są kluczowym elementem w projektowaniu każdej konstrukcji, szczególnie dla głównych systemów odporności na siłę wiatru (MWFRS). Norma ASCE 7-22 [1] opisuje kilka przypadków obciążeń uwzględniających zmienne kierunki wiatru i efekty torsyjne budynku.

Historycznie, Kreator Obciążeń Wiatrem w RFEM 6 umożliwiał automatyczne generowanie obciążeń wiatrem zgodnie z ASCE 7 dla tradycyjnych Przypadków 1 i 3, które reprezentują typowe scenariusze obciążeń dla wiatru działającego bezpośrednio na główne ściany konstrukcji.

Dzięki najnowszej aktualizacji, RFEM 6 obsługuje teraz Przypadki 2 i 4, które uwzględniają efekty obciążeń torsyjnych spowodowanych przez nierównomierne ciśnienia wiatru w poprzek diafragmy. Ta ulepszona funkcjonalność pozwala użytkownikom generować bardziej realistyczne efekty obciążeń wiatrem na podstawie ASCE 7-22, zwłaszcza dla nieregularnych lub elastycznych konstrukcji diafragm.

2. Zrozumienie przypadków obciążeń wiatrem ASCE 7-22

Zgodnie z ASCE 7-22, rozdział 27, przypadki obciążeń wiatrem dla MWFRS są zdefiniowane w następujący sposób:

Przypadek 1: Ściany nawietrzna i zawietrzna obciążone jednocześnie, brak torsji (dodatnie ciśnienie wewnętrzne).
Przypadek 2: To samo co w Przypadku 1, ale zawiera obciążenie torsyjne spowodowane działaniem wiatru ekscentrycznie na budynek (dodatnie ciśnienie wewnętrzne).
Przypadek 3: Odwrócenie kierunku Przypadku 1 (ujemne ciśnienie wewnętrzne).
Przypadek 4: Odwrócenie kierunku Przypadku 2 (ujemne ciśnienie wewnętrzne z torsją).

Podczas gdy Przypadki 1 i 3 reprezentują symetryczną dystrybucję ciśnienia, Przypadki 2 i 4 wprowadzają moment torsyjny do konstrukcji w celu symulacji zmiennego ciśnienia wiatru w poprzek szerokości budynku.

3. Implementacja w RFEM 6

3.1 Automatyczne Wykrywanie Diafragm

Kreator Obciążeń Wiatrem w RFEM 6 automatycznie wykrywa zdefiniowane diafragmy w modelu konstrukcyjnym. Może to się odbywać na dwa sposoby:

Poprzez dodatek Model Budynku, który definiuje diafragmy automatycznie na każdym poziomie podłogi.
Przez ręczne zdefiniowanie sztywnej diafragmy połączeniowej za pomocą narzędzia Sztywny Łącznik w modelu.

Gdy diafragma zostanie wykryta, Kreator Obciążeń Wiatrem oceni ekscentryczność ciśnienia wiatru w poprzek diafragmy, aby określić moment torsyjny, który należy zastosować zgodnie z Przypadkami 2 i 4 ASCE 7.

3.2 Generowanie Przypadków Obciążeń

Podczas generowania obciążeń wiatrem zgodnie z ASCE 7-22, RFEM 6 automatycznie utworzy następujące przypadki obciążeń:

Przypadek 1: Wiatr w kierunku A-B (np. 180°) — standardowy rozkład ciśnienia.
Przypadek 2: Wiatr w kierunku A-B z ekscentrycznością torsyjną.
Przypadek 3: Wiatr w kierunku B-A — odwrócony rozkład ciśnienia.
Przypadek 4: Wiatr w kierunku B-A z ekscentrycznością torsyjną.

Każdy przypadek stosuje odpowiednie zewnętrzne współczynniki ciśnienia (C_p) i wewnętrzne współczynniki ciśnienia (GC_pi) zgodnie z Rozdziałami 26 i 27, podczas gdy moment torsyjny dla Przypadków 2 i 4 jest stosowany bezpośrednio do wykrytej płaszczyzny diafragmy.

Przypadek 2 - Moment skręcający

Przypadek 4 - Moment skręcający

Dla przykładu weryfikacyjnego w następnej sekcji, niektóre kierunki i przypadki obciążeń zostały wyłączone w celu uproszczenia przykładu i modelu.

4. Przykład weryfikacyjny

Aby zweryfikować tę nową funkcjonalność, prosty budynek prostokątny z dwuspadowym dachem (jak pokazano poniżej) został zamodelowany w RFEM 6 i porównany z obliczeniami ręcznymi zgodnie z ASCE 7-22 Rozdziałami 26 i 27.

Parametry Modelu
Parametr	Symbol	Wartość
Szerokość budynku	B	32 ft
Długość budynku	L	40 ft
Wysokość okapu	h_e	20 ft
Wysokość kalenicy	h_r	30 ft
Średnia wysokość dachu	h_m = (h_e + h_r)/2	25ft
Nachylenie dachu	θ	≈33°

4.1 Określenie Parametrów Projektowych Ciśnienia Wiatru

Zgodnie z Sekcją 26.10 ASCE 7-22:

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

Parametry ciśnienia wiatru do obliczeń: Nawietrzna

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

Parametry obliczeniowego ciśnienia wiatru: Zawietrzna, Ściana boczna, Dach

Dla tego przykładu, występuje q_z dla ścian nawietrznych zgodnie z:

Kategoria ryzyka III
V=107 mph
K_z = 0,57 (Ekspozycja B, od 0 do 15 stóp)
K_z = 0,62 (Ekspozycja B, przy 20 stóp)
K_h = 0,66 (Ekspozycja B, przy 25 stóp)
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 obliczeniowe ciśnienia wiatru

4.2 Zewnętrzne Współczynniki Ciśnienia

Z Fig. 27.3-1 ASCE 7-22 (dwuspadowy dach, nachylenie 18°):

Powierzchnia	Cp
Ściana nawietrzna	+0,8
Ściana zawietrzna	-0,5
Ściany boczne	-0,7
Dach (nawietrzny)	-0,12
Dach (zawietrzny)	-0,6

4.3 Ciśnienia Projektowe

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

Ciśnienie - nawietrzna

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

Ciśnienie - powierzchnia zawietrzna

Zakładając wewnętrzny współczynnik ciśnienia GC_pi = +/- 0,18

Powierzchnia	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
Ściana nawietrzna (0-15 ft)	+0,8	+-0,18	6,70	12,62
Ściana nawietrzna (20 ft)	+0,8	+-0,18	7,54	13,423
Ściana zawietrzna	-0,5	+-0,18	-9,92	-4,00
Ściana boczna	-0,7	+-0,18	-12,82	-6,91
Dach nawietrzny	-0,23	+-0,18	-6,25	-0,25
Dach zawietrzny	-0,6	+-0,18	-11,34	-5,42

4.4 Projektowe Moment Torsyjne

Moment Torsyjny względem osi Z (+GC_pi)

Przypadek 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

Moment skręcający - przypadek 2

Przypadek 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

Moment skręcający - Przypadek 4

5. Porównanie z RFEM 6 Kreatorem Obciążeń Wiatrem

W RFEM 6 użyj Kreatora Obciążeń Wiatrem z ASCE 7-22 i tymi samymi parametrami:

Program automatycznie oblicza q_z i q_h w oparciu o średnią wysokość dachu i wysokość ścian.
Wartości C_p zostały przypisane do każdej powierzchni na podstawie orientacji i nachylenia ścian i dachu.
Dla Przypadków 1 i 3, wygenerowano symetryczne ciśnienia.
Dla Przypadków 2 i 4, wykryto ekscentryczność diafragmy i zastosowano dodatkowy moment torsyjny zgodnie z ASCE 7-22 27.3-8

Uzyskane ciśnienia i rozkład obciążeń z RFEM 6 były bliskie wartościom obliczonym ręcznie, potwierdzając dokładność implementacji. Niewielkie różnice (≤ 5%) można przypisać precyzyjnemu geometrycznemu próbkowaniu wysokości powierzchni i stref ciśnienia w programie.

Porównanie wyników między obliczeniami ręcznymi a RFEM 6:

5.1 Ciśnienia Projektowe z RFEM 6

Poniższe wartości zostały pobrane z RFEM 6, bardziej szczegółowo Przypadku 1 i dodatniego/ujemnego ciśnienia wewnętrznego. Porównanie zostanie dokonane z analitycznymi wartościami obliczonymi ręcznie z sekcji 4 tego artykułu. Plik modelu można znaleźć na dole strony do indywidualnego porównania:

Kategoria ryzyka III
V = 107 mph
K_z = 0,57 (Ekspozycja B, od 0 do 15 stóp)
K_z = 0,62 (Ekspozycja B, przy 20 stóp)
K_h = 0,6565 (Ekspozycja B, przy 25 stóp)
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 obliczeniowego ciśnienia wiatru

Uwaga: q_z nie jest pokazywane w Kreatorze Obciążeń Wiatrem

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

Ciśnienie - nawietrzna

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

Ciśnienie - powierzchnia zawietrzna

Zakładając wewnętrzny współczynnik ciśnienia GC_pi = +/- 0,18

Powierzchnia	Cp	GCpi	p+ (psf)	p- (psf)
Ściana nawietrzna (0-15 ft)	+0,8	+-0,18	6,761	12,649
Ściana nawietrzna (20 ft)	+0,8	+-0,18	7,535	13,460
Ściana zawietrzna	-0,5	+-0,18	-9,895	-4,007
Ściana boczna	-0,7	+-0,18	-12,675	-6,787
Dach nawietrzny	-0,23	+-0,18	-6,193	-0,305
Dach zawietrzny	-0,6	+-0,18	-11,285	-5,397

5.3 Projektowe Moment Torsyjne z RFEM 6

Moment Torsyjny względem osi Z (+GC_pi)

W RFEM 6 moment torsyjny jest obliczany wewnętrznie i parametry nie są wyświetlane. Przyczyną jest to, że wymagane obliczenia są złożone i trudno byłoby je pokazać w oknie dialogowym.

Poniższy obraz pokazuje mały przykład sposobu, w jaki RFEM 6 wykonuje obliczenia:

Obliczanie momentu skręcającego - RFEM 6

Moment skręcający

M = 7.54 * A1 * 0.15 * b1 + 9.92 * A2 * 0.15 * b2
A1 ... powierzchnia obciążenia na diafragmie po stronie nawietrznej
A2 ... powierzchnia obciążenia na diafragmie po stronie zawietrznej
b1 ... szerokość budynku po stronie nawietrznej
b2 ... szerokość budynku po stronie zawietrznej

Oto momenty dla Przypadków 2 i 4, które obliczył RFEM 6:

Przypadek 2:

M_z,2 = 60,66 kip-ft

Przypadek 4:

M_z,4 = 80,84 kip-ft

6. Wnioski i Porównanie Wyników

Dodanie Przypadków 2 i 4 w RFEM 6 stanowi znaczący postęp w automatyzacji generowania obciążeń wiatrem zgodnie z ASCE 7-22. Dzięki wykrywaniu diafragm i automatycznemu stosowaniu efektów torsyjnych, inżynierowie mogą teraz:

Uchwycić pełny zakres przypadków obciążeń MWFRS (1-4) bez ręcznego wprowadzania danych
Zapewnić zgodność z ASCE 7-22 Rozdziałami 26 i 27.
Zwiększyć efektywność modelowania i niezawodność projektów.

Ten przykład weryfikacyjny pokazał, że Kreator Obciążeń Wiatrem w RFEM 6 generuje wyniki zgodne z ręcznymi obliczeniami ASCE 7-22, zapewniając użytkownikom pewność zarówno w zakresie dokładności, jak i automatyzacji. Można to zauważyć w tabeli poniżej, która porównuje wartości obliczone ręcznie z wartościami znalezionymi w RFEM 6:

Uwaga: Wartości takie jak K_h i C_p są zaokrąglane w obliczeniach ręcznych, co powoduje pewne rozbieżności. RFEM 6 używa dokładnych wartości.

Dodatnie ciśnienie wewnętrzne (+GC_pi)

Powierzchnia	Ciśnienie Analityczne (psf)	Ciśnienie RFEM 6 (psf)	RFEM/Analityczne
Ściana nawietrzna (0-15 ft)	6,70	6,761	1,01
Ściana nawietrzna (20 ft)	7,54	7,54	1,00
Ściana zawietrzna	-9,92	-9,895	1,00
Ściana boczna	-12,82	-12,675	0,99
Dach (nawietrzny)	-6,25	-6,193	0,99
Dach (zawietrzny)	-11,34	-11,285	1,00

Ujemne ciśnienie wewnętrzne (-GC_pi)

Powierzchnia	Ciśnienie Analityczne (psf)	Ciśnienie RFEM 6 (psf)	RFEM/Analityczne
Ściana nawietrzna (0-15 ft)	12,62	13,423	1,00
Ściana nawietrzna (20 ft)	10,50	12,649	1,00
Ściana zawietrzna	-4,00	-4,01	1,00
Ściana boczna	-6,91	-6,787	0,98
Dach (nawietrzny)	-0,33	-0,305	0,92
Dach (zawietrzny)	-5,42	-5,397	1,00

Projektowe Moment Torsyjne (+GC_pi)

Przypadek	Moment Analityczny (kip-ft)	Moment RFEM 6 (kip-ft))	RFEM/Analityczny
2	63,25	60,66	0,96
4	89,82	80,84	0,90

Baza informacji

Uwzględnienie przypadków obciążenia wiatrem 2 i 4 w RFEM 6 zgodnie z ASCE 7-22

Widok 3D modelu konstrukcyjnego z różnymi poziomami szczegółowości, przedstawiający elementy inżynierskie i prezentację wyników.

37x

11x

ASCE 7 - 22 Kreator obciążeń wiatrem - Przypadek 2 i 4

Autor

Alex jest odpowiedzialny za szkolenie klientów, wsparcie techniczne i ciągły rozwój programów na rynek północnoamerykański.

;