Занятие 2-2. ВНЕШНИЕ СИЛЫ

На участке BC необходимо учесть и давление воды
в точке В q = 0,
в точке С q = γ·h = 10·2 = 20 кПа.
Эпюры давлений построены на рисунке 2.1

П р и м е р 2.11 (для самостоятельного решения). Определить давление на ограждения, размеры которых и характеристики засыпки показаны на рисунке 2.15.

П р и м е р 2.12 (для самостоятельного решения).
Определить давление воды в круглом резервуаре водонапорной башни (рис. 2.16). Диаметр цилиндрической части 6 м, а дна - 2 м. Высота от дна резервуара до уровня воды в нем H = 4 м. Высота вертикальной стенки цилиндрической части равна 1.2 м, а высота усеченного конуса (от дна резервуара) 3 м

Определить нагрузку на оболочку склада (рис.2.17), если вентиляторы создают внутреннее давление воздуха 1,5 атм. (150 кПа).

2.3. Аэродинамическая ветровая нагрузка

При обтекании сооружения потоком воздуха, воды (жидкости), грунтовых масс в оползнях и селях связи между средой и сооружением разрушаются, образуются зоны разряжения и напора, зависящие от конфигурации сооружения и скорости потока (рис.2.18). Учитывая свойство газообразной (воздуха) и жидкой (воды) среды не образовывать касательных связей с сооружением, давление от их движения всегда направлено по перпендикуляру к поверхности. Рассмотрим среду, в которой ускорения движения малы по сравнению со скоростью. В соответствии с законами гидродинамики сопротивление объекта в потоке или равное ему и противоположно направленное давление (нагрузка) на объект определяется скоростью потока v, плотностью среды ρ и формой объекта, учитываемой коэффициентом обтекания c

q = c·ρ ·v²/ 2 . (2.10)

Рис. 2.18. Обтекание сооружения потоком воздуха

Коэффициент c обычно определяется экспериментально. Для малодеформируемых сооружений, когда их форма в потоке не изменяется, коэффициент сопротивления определяется на жестких моделях в аэродинамических трубах. В том случае, когда объект изменяет свою форму в потоке (гибкие сооружения), величина сопротивления измеряется в натуре. Значения этих коэффициентов, которые часто называют аэродинамическими, для некоторых сооружений приведены на рисунке 2.19.

Ветровая нагрузка, как и снеговая, относится к классу климатических. Потоки воздуха, создаваемые ветром, обусловлены многими факторами: состоянием местности, растительности, атмосферного давления и другими. Градиенты измерения скоростей воздуха при ветре в большой степени зависят от местности. Поэтому районирование по ветровым нагрузкам значительно усложняется. Нормативные рекомендации сводятся к тому, чтобы нагрузку определять по формуле (2.10) с учетом плотности воздуха (ρ = 0,125 кг/м³) и скорости ветра на высоте 10 м от земли, возможной один раз в пять лет (v₅)

w₀ = 0.125 v₅ ² ·g / 2 = 0.61·v₅ ² (Н/м ). (2.11)

Рис. 2.19. Аэродинамические коэффициенты
а - коэффициенты для здания с двускатной кровлей; б - тоже для зданий с цилиндрической кровлей; в - профиль здания с двускатной кровлей; г - его план; д - профиль здания с цилиндрической кровлей

Вероятность этого события можно под- считать из простых соображений. Изме- рения скорости вет- ра производятся 4 раза в сутки. В году 365 суток, поэтому за пять лет будет произведено 4×365×5 = 7300 наблюдений, то есть в расчете используется такая скорость ветра, ко- торая возможна один раз из 7300 случаев. Расчетная скорость получается путем обработки данных многолетних наблю- дений. Карта райони рования по семи градациям ветра (табл. 2.7). терри- тории. Дальнего Вос- тока, приведена на рисунке 2.20.

Скорость ветра по мере удаления от поверхности зем-ли возрастает. Иссле- дования показали, что это увеличение зависит от типа местности (табл. 2.8).

Таким образом, скоростная составля- ющая ветровой наг- рузки определяется по формуле w = w₀·k·c (2.12)

Таблица 2.7 Скоростные напоры ветра на высоте 10 м от поверхности земли

Таблица 2.8 Коэффициент увеличения скоростного напора по высоте - k

П р и м е р 2.13. Определить давление ветра на здание, контур которого изображен на рисунке 2.21. Здание строится в г. Хабаровске на открытой местности.

Рис. 2.21. Эпюры давления ветра на здание в поперечном разрезе (а) - ветер слева направо - и в плане (б) - ветер снизу вверх

Р е ш е н и е. Согласно карте (рис. 2.20) Хабаровск относится к ветровому району III, скоростной напор для него (табл. 2.7) w₀ = 0.45 кПа. Для открытой местности коэффициент увеличения скоростного напора примем по первой строке таблице 2.8:

на уровне от земли до 5 м: k = 0.75,
10 м: k = 1.00,
12 м: k = 1.05
(на высоте 12 м коэффициент k найден линейной интерполяцией).

Учитывая, что h/ l = 1.0, по рисунку 2.18 получаем
c = - 0.7, c = - 0.5, c = - 0.6

Знак минус показывает, что давление направлено от здания (отсос).
По формуле (2.11) найдем давление:
на высоте до 5 м с наветренной стороны (напор)
w_н = w₀·k·c = 0.45·0.75·0.8 = 0.27 кПа,

с подветренной стороны и по торцам здания (отсос)
w_о = 0.45·0.75·0.6 = 0.20 кПа,

на высоте 10 м
w_н = 0.45·1.00·0.8 = 0.36 кПа,
w_о = 0.45·1.00·0.6 = 0.27 кПа;

на высоте 12 м
w_н = 0.45·1.05·0.8 = 0.38 кПа,
w_о = 0.45·1.05·0.6 = 0.28 кПа.

Давление на кровлю:
с левой стороны
w_н = 0.45·1.05·0.7 = 0.33 кПа,

с правой стороны
w_о = 0.45·1.05·0.5 = 0.24 кПа.

П р и м е р 2.14 (для самостоятельного решения). Для заданных профилей зданий (рис.2.22), расположенных на местности, защищенной зданиями высотой до 10 м, определить давление ветра на боковую поверхность и кровлю. Здания могут быть построены в Якутске, Комсомольске на Амуре и Благовещенске.

Рис. 2.22. Цилиндрическое (а) и шедовое (б) покрытия