Согласно модифицированному определению в СП 20.13330.2011 нормативную среднюю ветровую нагрузку wm определяют из усложненной по сравнению с формулой (3) формулы
,
(4)
в которой аргумент второго сомножителя задан таблицей 5 как функция координаты z и параметров h, d (высоты и характерного поперечного размера здания): = f (z, h, d).
Примечание - При одном и том же значении аэродинамического коэффициента с формулы (3) и (4) дают разные значения ветровой нагрузки в нижней и верхней частях здания, тем самым формула (4) до некоторой степени учитывает концевые эффекты при пространственном обтекании удлиненных тел.
Таблица 5 - Функция = f(z, h, d) - "эквивалентная высота"
При h>2d | При d | При h |
= h |
5.2.2 Для практического использования формул (3), (4) необходимо априорно задавать аэродинамический коэффициент с. В СП 20.13330.2011 приведены числовые значения этого коэффициента для отдельно стоящих сооружений простейшей формы и малой этажности, а для остальных случаев рекомендовано проводить специальные экспериментальные исследования.
Примечание - Однако объективно не существует независимых от формул (3), (4) способов определения коэффициента с. В самом деле, при моделировании обтекания зданий и сооружений в аэродинамической трубе или с помощью компьютерных вычислительных технологий определяют (измеряют) непосредственно распределения ветрового давления (см. 5.4), после чего для вычисления коэффициента с возможно только воспользоваться формулами (3), (4) с заданными функциями k(z), k( ). Поэтому требование экспериментально определять аэродинамический коэффициент с для подстановки в формулы (3), (4) контрпродуктивно.
5.3 Базовый (основной) аэродинамический коэффициент
5.3.1 Для высоких зданий и сооружений (Н>1, см. 4.2.2) нормативную ветровую нагрузку следует определять на основании модельных исследований в специализированных аэродинамических трубах (см. 5.4) и/или с помощью специализированных компьютерных (вычислительных) технологий (см. 5.5). В том и другом случае осуществляется моделирование обтекания нормативным ветром проектируемого строительного сооружения с учетом интерференции от аэродинамически значимых объектов окружающей застройки. В ходе такого моделирования непосредственно измеряют (вычисляют) распределения ветрового давления (в том числе средней ветровой нагрузки ) в контрольных точках на внешних поверхностях макета сооружения.
5.3.2 Результаты измерения (расчета) следует представлять в виде отношения
,
(5)
где - базовый (основной) аэродинамический коэффициент ветровой нагрузки;
- значение скоростного напора q( ), измеренное в моделируемом нормативном ветре на высоте, соответствующей отметке z = .
Примечание - Значение при моделировании не обязательно должно совпадать с нормативным значением . Способы практического определения приведены ниже в разделах 5.4 - 5.5.
5.3.3 Нормативное значение средней ветровой нагрузки на ограждающие конструкции проектируемого объекта определяют по формуле
.
(6)
Примечание - Базовый (основной) аэродинамический коэффициент ветровой нагрузки - универсальный безразмерный критерий ветрового воздействия для исследуемого строительного объекта. В нем учитывается влияние всех факторов, влияющих на взаимодействие проектируемого здания с нормативным ветром, в том числе таких, как высота и форма сооружения, относительное направление и структура настилающего ветра, аэродинамическая интерференция от соседних соизмеримых объектов. При необходимости по можно вычислить значения аэродинамического коэффициента с из формул (3),(4), как с = /k(z) или c = /k( ), однако это не имеет практического смысла.
5.4 Экспериментальное (аэрофизическое) моделирование
5.4.1 Целью аэрофизического моделирования является определение параметров взаимодействия проектируемого объекта с нормативным ветром.
5.4.2 Следует использовать аэродинамические трубы, оснащенные средствами создания неравномерного профиля скорости воздушного потока, имитирующего структуру нормативного ветра в соответствующем уменьшенном линейном масштабе.
5.4.3 Макет здания с элементами окружающей застройки изготавливают с соблюдением правил геометрического подобия. Высоту макета выбирают из условий соблюдения установленных для данной трубы ограничений на степень загромождения поперечного сечения рабочей части.
5.4.4 Величина N = является коэффициентом геометрического подобия макета по отношению к натурному объекту, обычно N находится в диапазоне от 100 до 400.
5.4.5 Для контроля неравномерности потока, реализованной в аэродинамической трубе, определяют -фактор
,
(7)
представляющий собой отношение скоростных напоров потока, измеренных на уровне высоты макета здания и на уровне половины этой высоты. Отличие полученного значения от величины (таблица 6) характеризует отклонение фактически реализованной неравномерности потока в аэродинамической трубе от нормативной по формуле (1) для заданного типа местности.
Таблица 6 - Нормативное значение -фактора
Тип местности | А | В | С |
1,23 | 1,32 | 1,41 |
5.4.6 При проведении испытаний макета сооружения в аэродинамической трубе непосредственно измеряют скоростной напор q( ) набегающего потока на высоте и значения избыточного давления в заданных контрольных дренажных точках j = 1, 2, ... на поверхности макета, по которым затем определяют безразмерный коэффициент давления
.
(8)
5.4.7 Характерную скорость воздушного потока в трубе выбирают достаточной для обеспечения автомодельности по числу Рейнольдса, когда дальнейшее увеличение скорости не приводит к существенному изменению осредненных значений в контрольных точках на макете.
5.4.8 Результаты экспериментов представляют в виде таблиц значений базового аэродинамического коэффициента (см. 5.3.2) для заданных точек j на ограждающих конструкциях проектируемого объекта. Значения определяют по формуле
,
(9)
где Н - коэффициент высоты (см. 4.2.2);
- осредненное значение экспериментального коэффициента давления, полученного по формуле (8).
5.4.9 Сопроводительная документация должна содержать следующие контрольные сведения:
- наименование и принадлежность аэродинамической трубы (с указанием ее основных размеров, диапазона скоростей, характеристик турбулентности потока);
- способ создания неравномерного профиля скоростного напора, имитирующего нормативный ветер (искусственная шероховатость или поперечные решетки переменной густоты, или их комбинация и т.п.);
- значение фактически реализованного -фактора;
- данные, подтверждающие соответствие условий эксперимента диапазону автомодельности по числу Рейнольдса.
Примечание - В настоящем стандарте не затрагиваются вопросы экспериментального определения пульсационных составляющих ветровой нагрузки. Эти вопросы необходимо решать через установление отдельного стандарта на характеристики турбулентности и нестационарных порывов для нормативного ветра. Приближенные методики оценки пульсационной составляющей ветровой нагрузки приведены в СП 20.13330.2011.