Воздействие ветра на здания и сооружения

В книге американских авторов рассмотрены вопросы атмосферной термо- и гидродинамики, ветровой климатологии и ее влияние на проектирование и расчёт 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 6Предисловие 6Введение 8Часть I. Атмосфера 101. Атмосферная циркуляция 101.1. Термодинамика атмосферы 101.1.1. Температура атмосферы 101.1.2. Радиация в атмосфере 111.1.3. Сжатие и расширение 121.1.4. Молекулярная я турбулентная теплопроводность 131.1.5. Конденсация и испарение водяного пара 141.2. Гидродинамика атмосферы 141.2.1. Сила барического градиента 141.2.2. Отклоняющая сила, вызванная вращением Земли 151.2.3. Равновесие сил в воздушном потоке 171.2.4. Влияние трения 181.3. Движение атмосферного воздуха 201.3.1. Общая циркуляция 201.3.2. Термическая вторичная циркуляция: муссоны и ураганы 241.3.3. Внетропический циклон 271.3.4. Местные ветры 28Список литературы к главе 1 322. Пограничный слой атмосферы 332.1. Основные уравнения 342.1.1. Уравнения осредненного движения 342.1.2. Замыкание уравнений поля средних скоростей 352.1.3. Замыкание уравнений осредненного поля турбулентности 352.1.4. Замыкание уравнений во втором приближении 362.2. Профили средних скоростей в горизонтально-однородном потоке 372.2.1. Спираль Экмана 372.2.2. Турбулентный слой Экмана 382.2.3. Логарифмический закон 402.2.4. Стеленной закон 412.2.5. Соотношение между скоростями ветра для различных условий шероховатости подстилающей поверхности 422.3. Атмосферная турбулентность 452.3.1. Каскадный процесс переноса энергии 452.3.2. Спектры пульсаций продольной компоненты скорости 472.3.3. Взаимные спектры пульсаций продольной компоненты скорости 512.3.4. Спектры и взаимные спектры пульсаций вертикальной и поперечной компонент скорости 532.3.5. Зависимость скорости ветра от времени осреднения 542.4. Горизонтально-неоднородные течения 552.4.1. Поток вблизи границы изменения шероховатости подстилающей поверхности 562.4.2. Воздушный поток над холмами 582.4.3. Пограничный слой урагана 602.4.4. Ветры при грозах 61Список литературы к главе 2 623. Климатология ветра и её связь с проектированием сооружений 663.1. Данные о скорости ветра 663.1.1. Надёжность данных о скорости ветра 66З.1.2. Микрометеорологическая однородность данных о скорости ветра 683.2. Предсказания экстремальных скоростей ветра в благоприятных климатических условиях 693.2.1. Распределения вероятностей максимальных годовых скоростей 703.2.2. Нахождение оценок я доверительных интервалов для ветра с повторяемостью один раз в N лет: численный пример 723.3. Предсказания экстремальных скоростей ветра в районах действия ураганов 743.3.1. Методика, основанная на максимуме средней месячной скорости 773.3.2. Методики, основанные на климатологических характеристиках ураганов 783.4. Вероятности появления ветров торнадо 843.5. Разработка расчётных критериев ветровой нагрузки на основе климатологической информации 893.5.1. Критерии, используемые в действующих строительных нормах, для выбора расчётных скоростей ветра 893.5.2. Расчётные скорости ветра и надёжность сооружений 903.5.3. Критический анализ использования среднего интервала повторения в качестве расчётного критерия 91Список литературы к главе 3 94Часть II. Ветровые нагрузки и их воздействие на сооружения 964. Аэродинамика плохообтекаемых тел 964.1. Основные уравнения 974.1.1. Уравнения движения и неразрывности 974.1.2. Уравнения Навье-Стокса 994.1.3. Уравнение Бернулли 1004.2. Течение по криволинейной траектории. Вихревое течение 1014.3. Пограничные слои и отрыв потока 1024.4. Спутная струя и вихревые системы в плоском потоке 1054.5. Давление, подъёмная сила, сила лобового сопротивления и момент, действующие на двумерные конструкции 1134.6. Характерные особенности пространственного потока 1214.6.1. Случаи, сохраняющие основные особенности плоских потоков 1214.6.2. Сооружения в трёхмерных потоках; результаты проведенных исследований 1234.7. Соотношение переменных во времени сил и скоростей ветра в турбулентном потоке 1294.7.1. Силы лобового сопротивления 1294.7.2. Соотношение между давлениями ветра на гибкие здания и скоростями ветра 1314.7.3. Пульсации давления на наветренной стороне плохообтекаемых тел 1334.7.4. Пульсации давления на подветренной стороне плохообтекаемых тел 1354.7.5. Максимальные значения местных ветровых нагрузок 1364.7.6. Вторичные воздействия ветра 137Список литературы к главе 4 1375. Динамика сооружений 1405.1. Линейная система с одной степенью свободы 1405.1.1. Реакция при гармонической нагрузке 1415.1.2. Реакция при произвольной нагрузке 1425.1.3. Реакция при стационарной случайной нагрузке 1435.2. Линейные системы с большим числом степеней свободы 1445.2.1. Собственные частоты и формы колебаний сооружений с распределёнными параметрами 1445.2.2. Общее выражение для реакции 1455.2.3. Реакция при гармонической нагрузке 1465.2.4. Реакция при сосредоточенной стационарной случайной нагрузке 1475.2.5. Реакция при двух сосредоточенных стационарных случайных нагрузках 1475.2.6. Влияние взаимной корреляции нагрузок на величину реакции 1485.2.7. Распределенные стационарные случайные нагрузки 1495.3. Пример. Реакция в направлении ветра 1505.3.1. Среднее значение реакции. Статическая реакция 1505.3.2. Флуктуации реакции. Динамическая реакция при действии ветра: перемещения и ускорения 1515.3.3. Безразмерные выражения для динамической реакции при действии ветра 1535.3.4. Полная динамическая реакция при действии ветра как сумма квазистатической и резонансной составляющих 153Список литературы к главе 5 1566. Явления аэроупругости 1566.1. Срыв вихрей и явление захватывания частоты образования вихрей 1586.1.1. Аналитические модели реакции при вихревом возбуждении колебаний 1596.1.2. Влияние, оказываемое сооружением и потоком на вихревое возбуждение колебаний 1676.2. Галопирование поперёк воздушного потока 1676.2.1. Аналитическая формулировка проблемы галопирования 1686.3. Галопирование в спутной струе 1726.3.1. Анализ явления галопирования в спутной струе 1746.4. Дивергенция 1766.4.1. Аналитическое моделирование дивергенции 1776.5. Флаттер 1786.5.1. Уравнение движения для поперечного сечения аэродинамической поверхности или балки жесткости моста 1806.5.2. Аэродинамическая подъёмная сила и момент 1816.5.3. Решение уравнения колебаний при флаттере 1846.6. Реакция на бафтинг при наличии аэроупругих явлений 1876.6.1. Аэродинамические силы, действующие на линейно протяжённые сооружения 1886.6.2. Реакция при бафтинге висячих мостов без учёта аэродинамического воздействия между формами колебаний 1906.6.3. Общая схема решения задачи о реакции линейно протяжённых сооружений при бафтинге 190Список литературы к главе 6 1977. Реакция высоких зданий в направлении ветра 2017.1. Основные зависимости. Эквивалентные статические ветровые нагрузки 2037.2. Упрощённые методики определения реакции сооружения в направлении ветра 2047.2.1. Основные допущения 2057.2.2. Параметры реакции 2057.2.3. Выражения для реакции в направлении ветра 2087.3. Программы расчёта на ЭВМ реакции сооружения в направлении ветра 2107.4. Приближения и погрешности при оценке реакции сооружения в направлении ветра 2117.4.1. Вклад в реакцию за счёт колебаний от более высоких собственных форм 2117.4.2. Влияние отклонения от прямой линии основной собственной формы колебаний на расчётное значение реакции 2117.4.3. Влияние погрешностей в оценке параметра шероховатости на расчётное значение реакции 2137.4.4. Спектры в интервале низких частот и реакция сооружения в направлении ветра 2137.4.5. Корреляция давления поперёк потока и реакция сооружения в направлении ветра 214Список литературы к главе 7 2158. Реакции сооружения поперёк воздушного потока и на кручение 2168.1. Механизмы возникновения реакций поперёк воздушного потока и на кручение 2178.2. Гибкие башни, дымовые и вытяжные трубы 2188.2.1. Оценка реакции при вихревом возбуждении колебаний 2188.2.2. Снижение колебаний при вихревом возбуждении 2228.3. Высокие здания 2238.4. Висячие и вантовые мосты 2268.4.1. Виды испытаний висячих и вантовых мостов в аэродинамической трубе 2288.4.2. Дивергенция или поперечная потеря устойчивости 2308.4.3. Захватывание частоты образования вихрей при вихревом возбуждении колебаний 2328.4.4. Флаттер 2358.4.5. Галопирование 2398.4.6. Бафтинг 2398.4.7. Обзор исследований по изучению работы висячих и вантовых мостов 2438.5. Элементы строительных конструкций, висячие вантовые покрытия и линии электропередачи 2438.5.1. Элементы строительных конструкций 2438.5.2. Висячие вантовые покрытия 2448.5.3. Линии электропередачи 246Список литературы к главе 8 2479. Использование результатов испытаний сооружений в аэродинамической трубе при проектировании 2519.1. Требования подобия 2539.1.1. Анализ размерностей 2539.1.2. Использование основных дифференциальных уравнений 2569.2. Моделирование течений в пограничном слое атмосферы 2619.2.1. Число Рейнольдса и структура пограничного слоя потока 2619.2.2. Число Россби и структура пограничного слоя потока 2629.2.3. Соответствие современной экспериментальной техники моделирования атмосферных течений различным видам испытаний на моделях 2649.3. Моделирование обтекания зданий и других сооружений 2669.3.1. Тела, имеющие закругленные очертания 2669.3.2. Тела с острыми кромками 268Список литературы к главе 9 26910. Дискомфорт, вызываемый ветром внутри и вокруг зданий 27110.1. Пригодность к нормальной эксплуатации высоких зданий при ветровых воздействиях 27210.1.1. Влияние колебаний, вызванных ветром, на организм человека 27210.1.2. Критерии комфорта 27410.1.3. Зависимость между скоростями ветра и ускорениями здания 27510.1.4. Частоты повторения ветров, вызывающие критические ускорения 27610.2. Критерии комфорта для пешеходных зон внутри застроенной территории 27710.2.1. Скорости ветра и дискомфорт пешеходов 27710.2.2. Критерии комфорта 27910.3. Зоны сильных приземных ветров внутри застроенной территории 28010.3.1. Воздушный поток вблизи высоких зданий 28010.3.2. Скорости ветра на уровне пешеходов для основного стандартного случая 28310.3.3. Измерения приземных ветров в аэродинамической трубе и в натуре: результаты проведённых исследований 28710.3.4. Улучшение режима приземного ветра 29310.4. Частоты повторения на застроенной территории ветров, вызывающих неприятные ощущения 29710.4.1. Уточнённая методика оценки 29710.4.2. Упрощённая методика оценки 300Список литературы к главе 10 30111. Воздействия торнадо 30211.1. Давления ветра 30411.2. Нагрузка, вызванная изменением атмосферного давления 30711.3. Скорости летящих предметов при прохождении торнадо 30911.3.1. Уравнения движения и построение аэродинамической модели 31011.3.2. Проведение расчётов и численные результаты 31211.3.3. Исследования зависимости максимальных горизонтальных скоростей летящих предметов от различных факторов 31511.4. Совместные воздействия нагрузок, вызываемых торнадо 31711.4.1. Совместное воздействие Нагрузок от давления ветра и изменения атмосферного давления 31711.4.2. Сочетания нагрузок, включающие воздействия летящих предметов 318Список литературы к главе 11 319Приложения 320А1. Элементы теории вероятностей и её применение 320А1.1. Введение 320А1.2. Фундаментальные соотношения 321А1.3. Случайные величины и распределения вероятностей 322А1.4. Характеристики случайной величины 326А1.5. Распределения вероятностей, обычно используемых в инженерных исследованиях ветровых воздействий 327А1.6. Теория вероятностей и статистические данные 334Список литературы к прил. А.1 343А2. Случайные процессы 344Оглавление 356