В книге американских авторов рассмотрены вопросы атмосферной термо- и гидродинамики, ветровой климатологии и ее влияние на проектирование и расчет инженерных конструкций. Показана зависимость ветровой нагрузки и ее распределения на здания и сооружения от скорости ветра. Исследуются явления аэроупругости. Отмечена необходимость аэродинамических модельных испытаний как важного этапа при расчете и проектировании конструкций на ветровое воздействие. Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

Предисловие к русскому изданию
Предисловие
Введение

Часть I. Атмосфера

1. Атмосферная циркуляция
1.1. Термодинамика атмосферы
1.1.1. Температура атмосферы
1.1.2. Радиация в атмосфере
1.1.3. Сжатие и расширение
1.1.4. Молекулярная и турбулентная теплопроводность
1.1.5. Конденсация и испарение водяного пара
1.2. Гидродинамика атмосферы
1.2.1. Сила барического градиента
1.2.2. Отклоняющая сила, вызванная вращением Земли
1.2.3. Равновесие сил в воздушном потоке
1.2.4. Влияние трения
1.3. Движение атмосферного воздуха
1.3.1. Общая циркуляция
1.3.2. Термическая вторичная циркуляция: муссоны и ураганы
1.3.3. Внетропический циклон
1.3.4. Местные ветры
Список литературы к гл. 1

2. Пограничный слой атмосферы
2.1. Основные уравнения
2.1.1. Уравнения осредненного движения
2.1.2. Замыкание уравнений поля средних скоростей
2.1.3. Замыкание уравнений осредненного поля турбулентности
2.1.4. Замыкание уравнений во втором приближении
2.2. Профили средних скоростей в горизонтально-однородном потоке
2.2.1. Спираль Экмана
2.2.2. Турбулентный слой Экмана
2.2.3. Логарифмический закон
2.2.4. Степенной закон
2.2.5. Соотношение между скоростями ветра для различных условий шероховатости подстилающей поверхности
2.3. Атмосферная турбулентность
2.3.1. Каскадный процесс переноса энергии
2.3.2. Спектры пульсаций продольной компоненты скорости
2.3.3. Взаимные спектры пульсаций продольной компоненты скорости
2.3.4. Спектры и взаимные спектры пульсаций вертикальной и поперечной компонент скорости
2.3.5. Зависимость скорости ветра от времени осреднения
2.4. Горизонтально-неоднородные течения
2.4.1. Поток вблизи границы изменения шероховатости подстилающей поверхности
2.4.2. Воздушный поток над холмами
2.4.3. Пограничный слой урагана
2.4.4. Ветры при грозах
Список литературы к гл. 2

3. Климатология ветра и ее связь с проектированием сооружений
3.1. Данные о скорости ветра
3.1.1. Надежность данных о скорости ветра
3.1.2. Микрометеорологическая однородность данных о скорости ветра
3.2. Предсказания экстремальных скоростей ветра в благоприятных климатических условиях
3.2.1. Распределения вероятностей максимальных годовых скоростей
3.2.2. Нахождение оценок и доверительных интервалов для ветра с повторяемостью один раз в N лет: численный пример
3.3. Предсказания экстремальных скоростей ветра в районах действия ураганов
3.3.1. Методика, основанная на максимуме средней месячной скорости
3.3.2. Методики, основанные на климатологических характеристиках ураганов
3.4. Вероятности появления ветров торнадо
3.5. Разработка расчетных критериев ветровой нагрузки на основе климатологической информации
3.5.1. Критерии, используемые в действующих строительных нормах, для выбора расчетных скоростей ветра
3.5.2. Расчетные скорости ветра и надежность сооружений
3.5.3. Критический анализ использования среднего интервала повторения в качестве расчетного критерия
Список литературы к гл. 3

Часть II. Ветровые нагрузки и их воздействие на сооружения

4. Аэродинамика плохообтекаемых тел
4.1. Основные уравнения
4.1.1. Уравнения движения и неразрывности
4.1.2. Уравнения Навье — Стокса
4.1.3. Уравнение Бернулли
4.2. Течение по криволинейной траектории. Вихревое течение
4.3. Пограничные слои и отрыв потока
4.4. Спутная струя и вихревые системы в плоском потоке
4.5. Давление, подъемная сила, сила лобового сопротивления и момент, действующие на двумерные конструкции
4.6. Характерные особенности пространственного потока
4.6.1. Случаи, сохраняющие основные особенности плоских потоков
4.6.2. Сооружения в трехмерных потоках; результаты проведенных исследований
4.7. Соотношение переменных во времени сил и скоростей ветра в турбулентном потоке
4.7.1. Силы лобового сопротивления
4.7.2. Соотношение между давлениями ветра на гибкие здания и скоростями ветра
4.7.3. Пульсации давления на наветренной стороне плохообтекаемых тел
4.7.4. Пульсации давления на подветренной стороне плохообтекаемых тел
4.7.5. Максимальные значения местных ветровых нагрузок
4.7.6. Вторичные воздействия ветра
Список литературы к гл. 4

5. Динамика сооружений
5.1. Линейная система с одной степенью свободы
5.1.1. Реакция при гармонической нагрузке
5.1.2. Реакция при произвольной нагрузке
5.1.3. Реакция при стационарной случайной нагрузке
5.2. Линейные системы с большим числом степеней свободы
5.2.1. Собственные частоты и формы колебаний сооружений с распределенными параметрами
5.2.2. Общее выражение для реакции
5.2.3. Реакция при гармонической нагрузке
5.2.4. Реакция при сосредоточенной стационарной случайной нагрузке
5.2.5. Реакция при двух сосредоточенных стационарных случайных нагрузках
5.2.6. Влияние взаимной корреляции нагрузок на величину реакции
5.2.7. Распределенные стационарные случайные нагрузки
5.3. Пример. Реакция в направлении ветра
5.3.1. Среднее значение реакции. Статическая реакция
5.3.2. Флуктуации реакции. Динамическая реакция при действии ветра: перемещения и ускорения
5.3.3. Безразмерные выражения для динамической реакции при действии ветра
5.3.4. Полная динамическая реакция при действии ветра как сумма квазистатической и резонансной составляющих
Список литературы к гл. 5

6. Явления аэроупругости
6.1. Срыв вихрей и явление захватывания частоты образования вихрей
6.1.1. Аналитические модели реакции при вихревом возбуждении колебаний
6.1.2. Влияние, оказываемое сооружением и потоком на вихревое возбуждение колебаний
6.2. Галопирование поперек воздушного потока
6.2.1. Аналитическая формулировка проблемы галопирования
6.3. Галопирование в спутной струе
6.3.1. Анализ явления галопирования в спутной струе
6.4. Дивергенция
6.4.1. Аналитическое моделирование дивергенции
6.5. Флаттер
6.5.1. Уравнение движения для поперечного сечения аэродинамической поверхности или балки жесткости моста
6.5.2. Аэродинамическая подъемная сила и момент
6.5.3. Решение уравнения колебаний при флаттере
6.6. Реакция на бафтинг при наличии аэроупругих явлений
6.6.1. Аэродинамические силы, действующие на линейно протяженные сооружения
6.6.2. Реакция при бафтинге висячих мостов без учета аэродинамического воздействия между формами колебаний
6.6.3. Общая схема решения задачи о реакции линейно протяженных сооружений при бафтинге
Список литературы к гл 6

7. Реакция высоких зданий в направлении ветра
7.1. Основные зависимости. Эквивалентные статические ветровые нагрузки
7.2. Упрощенные методики определения реакции сооружения в направлении ветра
7.2.1. Основные допущения
7.2.2. Параметры реакции
7.2.3. Выражения для реакции в направлении ветра
7.3. Программы расчета на ЭВМ реакции сооружения в направлении ветра
7.4. Приближения и погрешности при оценке реакции сооружения в направлении ветра
7.4.1. Вклад в реакцию за счет колебаний от более высоких собственных форм
7.4.2. Влияние отклонения от прямой линии основной собственной формы колебаний на расчетное значение реакции
7.4.3. Влияние погрешностей в оценке параметра шероховатости на расчетное значение реакции
7.4.4. Спектры в интервале низких частот и реакция сооружения в направлении ветра
7.4.5. Корреляция давления поперек потока и реакция сооружения в направлении ветра
Список литературы к гл. 7

8. Реакции сооружения поперек воздушного потока и на кручение
8.1. Механизмы возникновения реакций поперек воздушного потока и на кручение
8.2. Гибкие башни, дымовые и вытяжные трубы
8.2.1. Оценка реакции при вихревом возбуждении колебаний
8.2.2. Снижение колебаний при вихревом возбуждении
8.3. Высокие здания
8.4. Висячие и вантовые мосты
8.4.1. Виды испытаний висячих и вантовых мостов в аэродинамической трубе
8.4.2. Дивергенция или поперечная потеря устойчивости
8.4.3. Захватывание частоты образования вихрей при вихревом возбуждении колебаний
8.4.4. Флаттер
8.4.5. Галопирование
8.4.6. Бафтинг
8.4.7. Обзор исследований по изучению работы висячих и вантовых мостов
8.5. Элементы строительных конструкций, висячие вантовые покрытия и линии электропередачи
8.5.1. Элементы строительных конструкций
8.5.2. Висячие вантовые покрытия
8.5.3. Линии электропередачи
Список литературы к гл. 8

9. Использование результатов испытаний сооружений в аэродинамической трубе при проектировании
9.1. Требования подобия
9.1.1. Анализ размерностей
9.1.2. Использование основных дифференциальных уравнений
9.2. Моделирование течений в пограничном слое атмосферы
9.2.1. Число Рейнольдса и структура пограничного слоя потока
9.2.2. Число Россби и структура пограничного слоя потока
9.2.3. Соответствие современной экспериментальной техники моделирования атмосферных течений различным видам испытаний на моделях
9.3. Моделирование обтекания зданий и других сооружений
9.3.1. Тела, имеющие закругленные очертания
9.3.2. Тела с острыми кромками
Список литературы к гл. 9

10. Дискомфорт, вызываемый ветром внутри и вокруг зданий
10.1. Пригодность к нормальной эксплуатации высоких зданий при ветровых воздействиях
10.1.1. Влияние колебаний, вызванных ветром, на организм человека
10.1.2. Критерии комфорта
10.1.3. Зависимость между скоростями ветра и ускорениями здания
10.1.4. Частоты повторения ветров, вызывающие критические ускорения
10.2. Критерии комфорта для пешеходных зон внутри застроенной территории
10.2.1. Скорости ветра и дискомфорт пешеходов
10.2.2. Критерии комфорта
10.3. Зоны сильных приземных ветров внутри застроенной территории
10.3.1. Воздушный поток вблизи высоких зданий
10.3.2. Скорости ветра на уровне пешеходов для основного стандартного случая
10.3.3. Измерения приземных ветров в аэродинамической трубе и в натуре: результаты проведенных исследований
10.3.4. Улучшение режима приземного ветра
10.4. Частоты повторения на застроенной территории ветров, вызывающих неприятные ощущения
10.4.1. Уточненная методика оценки
10.4.2. Упрощенная методика оценки
Список литературы к гл. 10

11. Воздействия торнадо
11.1. Давления ветра
11.2. Нагрузка, вызванная изменением атмосферного давления
11.3. Скорости летящих предметов при прохождении торнадо
11.3.1. Уравнения движения и построение аэродинамической модели
11.3.2. Проведение расчетов н численные результаты
11.3.3. Исследования зависимости максимальных горизонтальных скоростей летящих предметов от различных факторов
11.4. Совместные воздействия нагрузок, вызываемых торнадо
11.4.1. Совместное воздействие нагрузок от давления ветра и изменения атмосферного давления
11.4.2. Сочетания нагрузок, включающие воздействия летящих предметов
Список литературы к гл. 11

Приложения:
А1. Элементы теории вероятностей и ее применение
A1.1. Введение
А1.2. Фундаментальные соотношения
А1.3. Случайные величины и распределения вероятностей
А1.4. Характеристики случайной величины
А1.5. Распределения вероятностей, обычно используемых в инженерных исследованиях ветровых воздействий
А1.6. Теория вероятностей и статистические данные
Список литературы к прил. А.1
А2. Случайные процессы

Предисловие к русскому изданию

Предлагаемая вниманию читателей книга «Воздействие ветра на здания и сооружения» написана известными американскими специалистами д-ром Э. Симиу и проф. Р. X. Сканланом. В подзаголовке авторы, назвали свой труд «Введением в инженерные исследования ветровых воздействий». Определение этой области прикладных исследований, сформировавшейся в последние годы в самостоятельную дисциплину, и стоящих перед ней задач дал проф. Дж. Е. Чермак (1957). Он охарактеризовал ее «как рациональный подход к рассмотрению взаимодействия между ветром в пограничном слое атмосферы, человеком и инженерными сооружениями на поверхности земли... И задача инженера состоит в том, чтобы не только свести к минимуму человеческие жертвы и расходы, связанные с потерей имущества, но также использовать все возможности улучшения комфортных условий для людей и увеличения экономичности проекта путем учета благоприятных условий, создаваемых воздействием ветра».

Книга охватывает широкий круг проблем, разрабатываемых на основе последних достижений в этой области. Основной акцент авторы делают на физическую интерпретацию рассматриваемых явлений, зачастую опуская сложные математические выкладки. Естественно, не все вопросы раскрыты в ней с достаточной полнотой, но некоторые из них представляют особый интерес для советских специалистов в связи с тем, что не нашли еще должного освещения в отечественной литературе. Небезынтересно будет также сравнить методики определения расчетных скоростей ветра и расчета зданий и ряда сооружений, рассматриваемые авторами, с решениями аналогичных вопросов в нашей стране, изложенными, например, в «Руководстве по расчету зданий и сооружений на действие ветра».

Одно из достоинств книги — практическая направленность всех полученных результатов, по-видимому, обусловлена характером деятельности самих авторов. Книга содержит много разнообразных примеров применения описанных методов исследований и расчета сооружений, большой иллюстративный материал и рекомендации по правильной интерпретации полученных данных. Вместе с тем она представляет большую научную ценность и в другом аспекте: авторы объединили и рассмотрели с единых позиций огромный фактический материал (свыше 500 литературных источников), используя который читатель может в дальнейшем более углубленно изучить интересующие его вопросы.

«Воздействие ветра на здания и сооружения» — первая переводная книга, выпускаемая Стройиздатом по указанной проблеме. При переводе терминология в основном приведена в соответствие с терминологией, используемой в отечественной литературе. Однако в отдельных случаях мы сочли целесообразным оставить американскую терминологию, например, когда авторы при рассмотрении обтекания сооружений воздушным потоком широко используют термины гидродинамики: жидкость (подразумевая среду, в которой находится тело), поток жидкости, гидродинамические силы и целый ряд других.

Книга, несомненно, представляет интерес для инженерных и научных работников. Она может служить и хорошим учебным пособием, поскольку содержит необходимые сведения (математический аппарат, основные сведения из метеорологии, климатологии, механики жидкости и газа, аэродинамики, динамики сооружений и др.), позволяющие молодому специалисту овладеть современными методами исследований и расчета сооружений на ветровые воздействия.

Канд. техн. наук Б.Е. Маслов

Предисловие

Определение ветровых нагрузок на здания и инженерные сооружения в ряде случаев приводит к весьма сложным проблемам, решение которых требует особо серьезного внимания, поскольку разрабатываемые проекты должны удовлетворять требованиям надежности и пригодности сооружений к нормальной эксплуатации. К таким инженерным задачам относятся: определение динамических реакций высоких сооружений, нагрузок на наружное остекление зданий и навесные стены, особенно в высотных зданиях, выявление степени пригодности к нормальной эксплуатации пешеходных зон при некоторых типах застройки территории, изучение колебаний и флаттера висячих мостов, описание воздействия торнадо на ядерные энергетические установки, оценивание вероятности появления экстремальных ветров на строительной площадке.

В последние два десятилетия опубликовано большое число работ, в которых сделана попытка дать обоснованное объяснение вышеуказанным явлениям и разработать соответствующие аналитические решения и инженерные методы расчета. Однако не все они легко доступны для понимания. Авторы книги «Воздействие ветра на здания и сооружения» поставили перед собой задачу объединить основные направления проводимых исследований в этой области.

Книга предназначена для инженеров и архитекторов, которые могут ее использовать в своей практической деятельности. Выбранные для данной работы темы изложены вне зависимости друг от друга и, по возможности, на основе положений фундаментальных исследований. В монографию включено большое число ссылок на первоисточники.

Уровень подготовки, предполагаемой у читателя, должен примерно соответствовать степени бакалавра науки и техники. Авторы стремились избегать сложных математических формулировок, когда они необязательны. Основные понятия теории вероятностей, статистики и теории случайных процессов, используемые в современных исследованиях ветровых воздействий, даны в приложениях, в которых особо подчеркивается значение интуитивных подходов к решению задач.

В I части книги рассмотрены те метеорологические, микрометеорологические и климатологические аспекты ветрового режима местности, которые представляют интерес для инженерных исследований ветровых воздействий. Во II части книги приведены основные положения аэродинамики, динамики сооружений и аэроупругости с последующим использованием их для расчета различных типов сооружений и элементов конструкций. Отдельные главы посвящены обсуждению вопросов, связанных с вызываемым ветром дискомфортом как внутри зданий, так и вокруг них, а также оценке необходимости проведения испытаний в аэродинамической трубе для проектирования сооружений.

Инженерные исследования ветровых воздействий — новая и быстроразвивающаяся область прикладных наук. По этой причине современные методы определений ветровых воздействий и данные, на которых они основаны, не следует рассматривать как окончательные. Авторы глубоко убеждены, что необходимо тщательно выявлять области неопределенности и четко указывать на недостатки, присущие этим методам. И это они делали на протяжении всей книги.

Распределение обязанностей при работе над книгой было следующим: главы 1—3, 5, 7, 9—11, а также приложения написаны Э. Симиу, главы 4, 6 и 8 — P. X. Сканланом. Однако авторы совместно редактировали и обменивались многочисленными критическими замечаниями по всем разделам книги.

Авторы выражают искреннюю благодарность следующим лицам, которые читали отдельные части рукописи и внесли ценные критические замечания: проф. X. А. Панофски, д-ру Н. Дж. Куку, д-ру Дж. Ф. Костелло, д-ру X. Л. Крачеру, д-ру Дж. Дж. Филибеиу, д-ру Г. Е. Маттингли, д-ру Дж. М. Митчеллу, д-ру Р. Н. Райту, проф. Дж. Т. П. Яо. Все они заслуживают нашу признательность, так как их критические замечания способствовали значительному улучшению работы. Однако ответственность за все ошибки и неточности целиком лежит на авторах.

Мы также признательны Д. Симиу и Р. Н. Сканлану за внимательное прочтение и редактирование текста, а С. Мюррей, Р. Хокер и Н. Сканлан за высококвалифицированную перепечатку на машинке. Авторы выражают свою благодарность Р. С. Вулсону, Дж. Френсису Тиндаллу, Дж. Л. Бромбергу, Д. Оппенгейму и С. Винклер, а также всем работникам издательства «Джои Вайли энд санз».

Вашингтон, Федеральный округ Колумбия Принстон, Нью-Джерси, июнь, 1977
Эмиль Симиу, Роберт X. Сканлан

Введение

Развитие производства современных видов строительных материалов и типов конструкций привело к появлению нового поколения сооружений, которые по сравнению с построенными ранее являются исключительно гибкими, легкими, со слабыми демпфирующими свойствами. Такие сооружения, как правило, характеризуются повышенной чувствительностью к действию ветра. В связи с этим появилась необходимость разработать методы расчета, дающие возможность проектировщику оценивать ветровые воздействия с большей степенью точности, чем это требовалось раньше. Усилия, направленные на развитие таких методов, привели к созданию, в основном в прошлом десятилетии, прикладной дисциплины, получившей название инженерные исследования ветровых воздействий.

Задача инженера состоит в том, чтобы обеспечить такую работу сооружений под действием ветровых нагрузок, которая отвечала бы требованиям надежности и пригодности к нормальной эксплуатации в течение всего срока их службы. Для достижения этой цели проектировщику необходимо иметь данные о ветровом режиме местности, о зависимости между ветровым режимом местности и нагрузками, вызываемыми при этом на сооружение, о работе сооружения под действием этих нагрузок.

Ветровой режим местности. Информация о ветровом режиме местности, необходимая для проектирования сооружений, включает отдельные элементы, полученные на основе метеорологии, микрометеорологии и климатологии.

Метеорология дает описание и объяснение основных характерных особенностей атмосферных течений. Эти особенности могут иметь весьма существенное значение для расчета сооружений. Например, в случае торнадо наличие области низкого атмосферного давления в центре циклона является фактором особой значимости для расчета ядерных энергетических установок.

Микрометеорология пытается дать подробное описание структуры атмосферных течений вблизи поверхности земли. Проектировщика сооружений непосредственно интересуют характер изменения средних скоростей ветра по высоте над поверхностью земли, структура атмосферной турбулентности и зависимость средних скоростей и турбулентности от шероховатости подстилающей поверхности местности.

Климатология, применительно к описанию ветрового режима местности, занимается вопросами прогнозирования ветровых условий для заданных географических районов. Вероятностные формулировки по прогнозируемым скоростям ветра удобно представлять в виде карт ветров, которые в настоящее время включаются в различные строительные нормы.

Силы, вызываемые действием ветра на сооружения. Сооружение, помещенное в воздушный поток, подвергается действию аэродинамических сил, которые, в общем, можно определить, используя имеющиеся решения теоретической аэродинамики и данные экспериментальных исследований. Однако если условия окружающей местности или характеристики сооружения существенно отличаются от рассмотренных ранее, то возникает необходимость в проведении специальных экспериментов в аэродинамической трубе.

Аэродинамические силы состоят из сил лобового сопротивления, которые действуют в направлении среднего течения, и подъемных (поперечных) сил, действующих перпендикулярно этому направлению. Если же расстояние между центром жесткости сооружения и центром давления (т.е. точкой приложения равнодействующей аэродинамических сил) велико, то сооружение подвергается также действию крутящих моментов, которые могут оказать существенное влияние при его расчете.

Реакция сооружения на ветровые нагрузки. Поскольку аэродинамические силы зависят от времени, для определения реакции сооружения следует использовать методы динамики сооружений. Более того, нерегулярный характер этой зависимости потребует применения основных положений теории случайных процессов в теоретических исследованиях. В отдельных случаях может возникнуть необходимость в проведении анализа на основе аэроупругости, т. е. в изучении взаимодействия между аэродинамическими и инерционными силами, демпфированием и силами упругости с целью исследования аэродинамической устойчивости сооружения.

Из всего вышеизложенного видно, что расчет современных сооружений, подверженных действию ветровых нагрузок, требует использования методов большого числа других дисциплин, а также соответствующих экспериментальных данных. Авторы склонны считать, что в настоящее время нет еще исчерпывающих ответов на все рассматриваемые здесь вопросы, однако за последние десять лет были достигнуты значительные успехи в разработке некоторых из них.

При этом получили развитие такие методы расчета и техника экспериментальных исследований, которые существенно расширили возможности проектировщика в оценке воздействия ветра с позиций обеспечения как прочности, так и пригодности сооружений к нормальной эксплуатации. Цель данной книги состоит в том, чтобы изложить эти методы расчета и экспериментальных исследований, привести соответствующий материал, необходимый для понимания и обоснования рациональности такого подхода, а также критически рассмотреть их возможности и недостатки при расчете сооружений.