1. Введение:
Ветровая нагрузка является важным компонентом в проектировании любой конструкции, особенно для основных систем сопротивления ветровым нагрузкам (MWFRS). Стандарт ASCE 7-22 [1] излагает несколько случаев нагрузок, учитывающих изменяющиеся направления ветра и торсионные эффекты на здание.
Исторически, Mодуль Wind Load Wizard в RFEM 6 позволял автоматически генерировать ветровые нагрузки в соответствии с ASCE 7 для традиционных Случаев 1 и 3, которые представляют собой типичные сценарии нагрузок для ветра, действующего непосредственно на основные грани конструкции.
С последним обновлением, RFEM 6 теперь поддерживает Случаи 2 и 4, которые учитывают торсионные нагрузочные эффекты из-за неоднородного распределения ветровых нагрузок по диафрагме. Это улучшение позволяет пользователям более реалистично генерировать эффекты ветровых нагрузок на основе ASCE 7-22, особенно для нерегулярных или гибких диафрагменных структур.
2. Понимание случаев ветровых нагрузок ASCE 7-22
Согласно ASCE 7-22, глава 27, случаи ветровых нагрузок для MWFRS определяются следующим образом:
- Случай 1: Одновременная нагрузка на наветренные и подветренные стены, без торсиона (положительное внутреннее давление).
- Случай 2: То же самое, что и Случай 1, но с учетом торсионной нагрузки из-за ветра, действующего эксцентрично на здание (положительное внутреннее давление).
- Случай 3: Обратное направление Случая 1 (отрицательное внутреннее давление).
- Случай 4: Обратное направление Случая 2 (отрицательное внутреннее давление с торсионом).
В то время как Случаи 1 и 3 представляют собой симметричные распределения давлений, в Случаях 2 и 4 на конструкцию прикладывается торсионный момент, чтобы смоделировать изменение ветрового давления по ширине здания.
3. Реализация в RFEM 6
3.1 Автоматическое определение диафрагмы
Модуль Wind Load Wizard в RFEM 6 теперь автоматически определяет заданные диафрагмы в структурной модели. Это может произойти двумя способами:
- С помощью дополнения 3D разрушения, которое автоматически задает диафрагмы на каждом уровне этажа.
- Путем ручного задания жесткой стяжки диафрагмы с использованием инструмента Rigid Link в модели.
После того как диафрагма определена, Wind Load Wizard оценивает эксцентриситет ветрового давления по диафрагме, чтобы определить торсионный момент, который необходимо применить в соответствии со случаями ASCE 7 Случаями 2 и 4.
3.2 Генерация случаев нагружения
При генерации ветровых нагрузок согласно ASCE 7-22, RFEM 6 теперь автоматически создает следующие случаи нагрузок:
- Случай 1: Ветер в направлении A-B (например, 180°) — стандартное распределение давления.
- Случай 2: Ветер в направлении A-B с торсионным эксцентриситетом.
- Случай 3: Ветер в направлении B-A — обратное распределение давления.
- Случай 4: Ветер в направлении B-A с торсионным эксцентриситетом.
Каждый случай применяет соответствующие коэффициенты внешнего давления (Cp) и коэффициенты внутреннего давления (GCpi) в соответствии с главами 26 и 27, в то время как торсионный момент для Случаев 2 и 4 применяется напрямую к выявленной плоскости диафрагмы.
Для примера верификации в следующем разделе некоторые направления и случаи нагрузок были отключены для упрощения примера и модели.
4. Пример верификации
Чтобы проверить эту новую функциональность, простое прямоугольное здание с двускатной крышей (показанное ниже) было смоделировано в RFEM 6 и сравнивалось с ручными расчетами по ASCE 7-22 в главах 26 и 27.
| Параметр | Символ | Значение |
|---|---|---|
| Ширина здания | B | 32 фт |
| Длина здания | L | 40 фт |
| Высота карниза | he | 20 фт |
| Высота конька | hr | 30 фт |
| Средняя высота крыши | hm = (he + hr)/2 | 25 фт |
| Угол наклона крыши | θ | ≈33° |
4.1 Определение параметров проектного давления ветра
Согласно разделу 26.10 ASCE 7-22:
В этом примере имеется qz для наветренных стен, следующее
- Категория риска III
- V=107 миль в час
- Kz = 0,57 (Экспозиция B, от 0 до 15 футов)
- Kz = 0,62 (Экспозиция B, на 20 футах)
- Kh = 0,66 (Экспозиция B, на 25 футах)
- Kzt = 1,0
- kd = 0,85
- Ke = 1,0
- G = 0,85
4.2 Коэффициенты внешнего давления
Из ASCE 7-22 Рис. 27.3-1 (двускатная крыша, уклон 18°):
| Поверхность | Cp |
|---|---|
| Наветренная стена | +0,8 |
| Подветренная стена | -0,5 |
| Боковые стены | -0,7 |
| Крыша (нав. отд.) | -0,12 |
| Крыша (подв. отд.) | -0,6 |
4.3 Проектные давления
Предполагая внутренний коэффициент давления GCpi = +/- 0,18
| Поверхность | Cp | GCpi | p+ (фсф) | p- (фсф) |
|---|---|---|---|---|
| Наветренная стена (0-15 фт) | +0,8 | +-0,18 | 6,70 | 12,62 |
| Наветренная стена (20 фт) | +0,8 | +-0,18 | 7,54 | 13,423 |
| Подветренная стена | -0,5 | +-0,18 | -9,92 | -4,00 |
| Боковая стена | -0,7 | +-0,18 | -12,82 | -6,91 |
| Крыша наветренная | -0,23 | +-0,18 | -6,25 | -0,25 |
| Крыша подветренная | -0,6 | +-0,18 | -11,34 | -5,42 |
4.4 Проектные торсионные моменты
Торсионный момент вокруг оси Z (+GCpi)
Случай 2:
Случай 4:
5. Сравнение с Wind Load Wizard в RFEM 6
В RFEM 6 используйте Wind Load Wizard с ASCE 7-22 и те же параметры:
- Программа автоматически рассчитывает qz и qh на основе средней высоты крыши и высоты стен.
- Значения Cp назначаются каждой поверхности на основе ориентации и угла наклона стен и крыши.
- Для Случаев 1 и 3 генерируются симметричные давления.
- Для Случаев 2 и 4 обнаруживается эксцентриситет диафрагмы, и дополнительный торсионный момент применяется согласно ASCE 7-22 27.3-8
Полученные давления и распределение нагрузки из RFEM 6 близко совпадали с расчетными значениями вручную, подтверждая точность реализации. Незначительные различия (≤ 5%) можно объяснить более точной геометрической выборкой высот поверхностей и зон давления в программе.
Сравнение результатов между расчетами вручную и RFEM 6:
5.1 Проектные давления из RFEM 6
Следующие значения взяты из RFEM 6, конкретно Случай 1 и положительное/отрицательное внутреннее давление. Сравнение будет проведено с аналитическими значениями, рассчитанными вручную из раздела 4 этой статьи. Файл модели можно найти внизу страницы для индивидуального сравнения:
- Категория риска III
- V = 107 миль в час
- Kz = 0,57 (Экспозиция B, от 0 до 15 футов)
- Kz = 0,62 (Экспозиция B, на 20 футах)
- Kh = 0,6565 (Экспозиция B, на 25 футах)
- Kzt = 1,0
- kd = 0,85
- Ke = 1,0
- G = 0,85
Примечание: qz не показано в Wind Load Wizard
Предполагая внутренний коэффициент давления GCpi = +/- 0,18
| Поверхность | Cp | GCpi | p+ (фсф) | p- (фсф) |
|---|---|---|---|---|
| Наветренная стена (0-15 фт) | +0,8 | +-0,18 | 6,761 | 12,649 |
| Наветренная стена (20 фт) | +0,8 | +-0,18 | 7,535 | 13,460 |
| Подветренная стена | -0,5 | +-0,18 | -9,895 | -4,007 |
| Боковая стена | -0,7 | +-0,18 | -12,675 | -6,787 |
| Крыша наветренная | -0,23 | +-0,18 | -6,193 | -0,305 |
| Крыша подветренная | -0,6 | +-0,18 | -11,285 | -5,397 |
5.3 Проектные торсионные моменты из RFEM 6
Торсионный момент вокруг оси Z (+GCpi)
В RFEM 6 торсионный момент рассчитывается внутри программы и параметры не показываются. Причина заключается в том, что необходимый для этого расчет сложен и было бы трудно отобразить в диалоговом окне.
На изображении ниже показан небольшой пример того, как RFEM 6 выполняет расчет:
M = 7,54 * A1 * 0,15 * b1 + 9,92 * A2 * 0,15 * b2
A1 ... площадь нагрузки на диафрагму на наветренной стороне
A2 ... площадь нагрузки на диафрагму на подветренной стороне
b1 ... ширина здания на наветренной стороне
b2 ... ширина здания на подветренной стороне
Вот моменты для Случаев 2 и 4, которые RFEM 6 расчитал:
Случай 2:
Mz,2 = 60,66 kip-ft
Случай 4:
Mz,4 = 80,84 kip-ft
6. Заключение и сравнение результатов
Добавление Случаев 2 и 4 в RFEM 6 представляет собой значительный прогресс в автоматизированной генерации ветровых нагрузок в соответствии с ASCE 7-22. Автоматически обнаруживая диафрагмы и применяя торсионные эффекты, инженеры теперь могут:
- Охватывать полный спектр случаев нагрузок MWFRS (1-4) без ручного ввода
- Обеспечивать соответствие главам 26 и 27 ASCE 7-22.
- Улучшать эффективность моделирования и надежность проектирования.
Этот пример верификации продемонстрировал, что модуль Wind Load Wizard в RFEM 6 производит результаты, соответствующие ручным расчетам по ASCE 7-22, предоставляя пользователям уверенность как в точности, так и в автоматизации. Это можно увидеть в таблице ниже, которая сравнивает значения, рассчитанные вручную, с значениями, найденными в RFEM 6:
Примечание: Такие значения, как Kh и Cp, округлены в ручном расчете, что вызывает некоторые расхождения. RFEM 6 использует точные значения.
Положительное внутреннее давление (+GCpi)
| Поверхность | Аналитическое давление (фсф) | Давление RFEM 6 (фсф) | RFEM/Аналитическое |
|---|---|---|---|
| Наветренная стена (0-15 фт) | 6,70 | 6,761 | 1,01 |
| Наветренная стена (20 фт) | 7,54 | 7,54 | 1,00 |
| Подветренная стена | -9,92 | -9,895 | 1,00 |
| Боковая стена | -12,82 | -12,675 | 0,99 |
| Крыша (нав. отд.) | -6,25 | -6,193 | 0,99 |
| Крыша (подв. отд.) | -11,34 | -11,285 | 1,00 |
Отрицательное внутреннее давление (-GCpi)
| Поверхность | Аналитическое давление (фсф) | Давление RFEM 6 (фсф) | RFEM/Аналитическое |
|---|---|---|---|
| Наветренная стена (0-15 фт) | 12,62 | 13,423 | 1,00 |
| Наветренная стена (20 фт) | 10,50 | 12,649 | 1,00 |
| Подветренная стена | -4,00 | -4,01 | 1,00 |
| Боковая стена | -6,91 | -6,787 | 0,98 |
| Крыша (нав. отд.) | -0,33 | -0,305 | 0,92 |
| Крыша (подв. отд.) | -5,42 | -5,397 | 1,00 |
Проектные торсионные моменты (+GCpi)
| Случай | Аналитический момент (kip-ft) | Момент RFEM 6 (kip-ft)) | RFEM/Аналитическое |
|---|---|---|---|
| 2 | 63,25 | 60,66 | 0,96 |
| 4 | 89,82 | 80,84 | 0,90 |
