В норме по ветровым нагрузкам EN 1991-1-4 для данного случая определена концепция расчета с аэродинамическими и поправочными коэффициентами. На основе данных спецификаций, в конечном итоге, определяется результирующая сила ветра, действующая на конструктивный элемент. Распределение ветрового давления на конструктивный элемент здесь не указано. Поэтому сила ветра рассчитывается по следующему соотношению:
Fw = cscd ⋅ cf ⋅ qp(ze) ⋅ Aref
где
cscd... двухкомпонентный конструктивный коэффициент, учитывающий тот факт, что пиковые давления ветра не действуют одновременно на всю поверхность конструкции (cs), а также учитывающий динамический подъем из-за резонансоподобных колебаний конструкции, возникающих в результате турбулентности (cd)
cf... коэффициент силы для строительного объекта или части строительного объекта
qp(ze) ... пиковое скоростное давление на базовой высоте ze
Aref... расчетная поверхность строительного объекта или части строительного объекта
Если предположить, что рассматриваемый конструктивный элемент является жестким, непластичным телом, на которое действует постоянный ветровой поток, то вычисление силы ветра можно упростить по следующему закону:
Fw = cf ⋅ q ⋅ Aref
Коэффициент силы cf для не удлиненных элементов конструкции с квадратичным сечением и закругленными углами определяется по [1] следующим образом:
cf = cf,0 ⋅ Ψr ⋅ Ψλ
где
cf,0... базовый коэффициент силы у сечений с острыми кромками
Ψr... поправочный коэффициент для учета закругленных углов у квадратичного сечения
Ψλ... поправочный коэффициент для учета эффективной вытянутости λ, зависящей от коэффициента сплошности φ
φ ... коэффициент сплошности для учета проницаемости наветренных поверхностей
Традиционный расчет ветровой нагрузки
В качестве примера для данных характеристик элемента мы получим согласно [1]
коэффициент силы cf = 0,97.
Это значение основано на величине базового коэффициента силы cf,0 = 2,15 в зависимости от соотношения сторон d/b = 280 мм/280 мм = 1,
величине поправочного коэффициента Ψr = 0,75, зависящего от отношения радиуса закругления к длине сторон r/b = 28 мм/280 мм = 0,1,
и, наконец, на величине поправочного коэффициента Ψλ = 0,6, зависящего от вытянутости λ = 1, при условии, что поверхность элемента полностью закрыта φ = 1.
Скоростное давление q = 563 Н/м², действующее на расчетную поверхность Aref = 280 мм ⋅ 280 мм = 0,0784 м², рассчитывается по уравнению:
q = 0,5 ⋅ ρ ⋅ v²
где
ρ ... плотность воздуха 1,25 кг/м³
v ... скорость ветра
Таким образом, сила ветра Fw = 0,97 ⋅ 563 Н/м² ⋅ 0,0784 м² = 43 Н действует на конструктивный элемент в направлении ветра.
Численное определение ветровой нагрузки
Если в дополнение к полученной силе ветра Fw необходимо определить распределение давления ветра на элемент, то можно рассчитать соответствующее распределение давления, например, с помощью анализа CFD. В этом случае предполагается, что элемент находится в численной аэродинамической трубе, а распределение давления на элемент определяется в зависимости от результирующего распределения давления и скорости вокруг элемента.
В программе RWIND Simulation можно выполнить такое численное моделирование ветровых потоков вокруг зданий или других объектов на основе трехмерной сетки конечных объемов. Программа создаст данную сеть автоматически, а размеры элементов во взаимном соответствии приспособит потребностям модели. Чем ближе элементы конечного объема к поверхности модели, тем тоньше создаётся сетка. Для данного процесса программа применяет генератор сетки OpenFOAM (SnappyHexMesh). Для расчета воздушного потока и давления ветра на поверхность модели применяется стационарный решатель SimpleFOAM для несжимаемых турбулентных потоков.
Для данного примера из расчета в RWIND Simulation мы получим аналогичную силу ветра Fw = 41 Н. В дополнение к этому результату программа отобразит распределение давления ветра и скорости ветра вокруг конструктивного элемента, а также распределение давления на конструктивный элемент.
