Комментарии 21
Off Интересное. Только минут 30 назад размышлял над проблемами разработки канатных дорог и тут по теме статья появилась.
Собственные колебания, резонанс и ветровые нагрузки. И возможные вопросы, которые я даже не представляю.
На эти мысли меня натолкнула новость про канатную дорогу на гору Ай-Петри - сменился собственник. Новость сопровождала дискуссия, в которой прозвучало мнение, что эффективные менеджеры хотят укоротить дорогу, снеся нижнюю станцию и продав/застроив дорогую землю. И возникло мнение, что изменение конструкции дороги - это работа дороги за пределами условий для которых она проектировалась с потенциальным созданием условий для катастрофы через несколько лет .
Одной из главных проблем я бы, наверное, назвал, что канат работает крайне не линейно: мы не можем пренебречь удлинениями, на растяжение он работает, на сжатие, видите-ли, нет, всё время меняются собственные часты и их вообще толком не определишь, следовательно мы не знаем резонирующие частоты, нагрузка по нему всё время перемещается, как по рельсам, только рельсы-та лежат, а канат где-то в горах болтается, всякие бегущие и стоячие волны, регулировка натяжения, сила которого должна меняться в зависимости от температуры...)
Помимо этого ещё есть небольшие трудности с монтажом такой конструкции. Но в целом методики уже разработаны, опыт проектирования и строительства есть, осталось только совершенствовать.
В общем, достаточно интересная мысль требующих долгих дискуссий и рассуждений в программных комплексах и на испытательных стендах.
Нашлись интересные советские метеорологические наблюдения об упомянутой горе. Ветровая нагрузка на провод раз в 20 лет может достигать 23 килограмм на один метр. Трос потолще будет, значит и нагрузка выше. Явно под эти нагрузки проектировалась конструкция канатной дороги. Как поведет себя канат после вмешательстве некомпетентных менеджеров...
Я думаю, что эта табличка в будущем пригодится @Sertakov83 чтобы обновить статью "Как «эффективный менеджмент» создаёт катастрофы: изучаем причины техногенных аварий"
Не хватает рассуждений о том, что мы все-таки насчитали по его методике. Я так понимаю максимальное ветровое давление в конкретном месте проектируемого сооружения в конкретной локации конкретной местности. Максимальное в каком смысле - максимальное за последние 10 лет наблюдений - для сарая с дровами пойдет, а вот для гаража маловато будет, - за последние 30 лет, окей для гаража, а для жилого дома маловато будет, хочется больших гарантий, - за последние 100 лет, окей для дома, а для здания в котором будут массовые мероприятия маловато будет, - за все годы наблюдений плюс на случай - никогда не было и вот, парниковый эффект, потепление, активизация атмосферных явлений. Так что же мы насчитали, в конце концов?
В результате мы получили нормативное значение средней составляющей основной ветровой нагрузки на сооружение.
Давление 0,3 кПа - это базовое значение, которое предлагает нам СП "Нагрузки и воздействие", его мы в последствии умножаем на коэффициенты, значения которых так же регламентируется этим же нормативным документом и которые зависят от геометрических характеристик конструкции и типа местности.
Что касается 10, 30, 100... лет.
Во первых, если мы строем некое уникальное сооружение, выходящее за рамки стандартного гражданского строительства, то для определения ветровой нагрузки проводится свое полноценное исследование и к нему предъявляются свои, достаточно обширные требования.
Во-вторых, в общих случаях строительства скорость ветра взятая из норм гарантировано (что подтверждается наблюдениями) будет превышена в среднем один раз в 50 лет.
И самое главное. Здесь мы посчитали статическую составляющую нагрузки, намного опасней то, что у ветра есть свойство "на мгновение" заметно увеличивать скорость создавая тем самым импульсное воздействие. И мало того, такие импульсы ещё могу повторятся с определенной частотой, а у зданий есть свои собственные частоты и когда всё это дело совпадает, мы наблюдаем эффект резонанса. Именно таких нагрузок (после сейсмики) больше всего боятся различного рода небоскрёбы, мосты, мачты...
Во-вторых, в общих случаях строительства скорость ветра взятая из норм гарантировано (что подтверждается наблюдениями) будет превышена в среднем один раз в 50 лет.
Важная инфа. Если кто не понял, вот вы заказали проект, построили халабуду, а через какое-то время образовался шторм и халабуду развалило. Вы не сможете предъявить проектировщику, если окажется, что скорость ветра в этот раз был больше многодесятилетнего максимума, форс-мажор, епта.
Здесь мы посчитали статическую составляющую нагрузки, намного опасней то, что у ветра есть свойство "на мгновение" заметно увеличивать скорость создавая тем самым импульсное воздействие. И мало того, такие импульсы ещё могу повторятся с определенной частотой, а у зданий есть свои собственные частоты и когда всё это дело совпадает, мы наблюдаем эффект резонанса.
Был ветер 40 м/с на подступах к городу (если верить windy.com) сколько-то месяцев назад. В самом городе поменьше. Но из-за многоэтажек в некоторых местах на некоторой высоте были резонансные эффекты. На нашем не низком этаже это выглядело примерно так - на фоне общего гула , соответствующей этой скорости ветра добавляется как бы насос, который с частотой около герца то добавляет, то отнимает давление, хорошо так добавляет и отнимает, аж по ушам бьет. Пришлось окна остекления балкона полностью открыть и веревками зафиксировать, а то их стекла как диффузор в гигантском динамике то туда, то сюда. Еще тот экспириенс в час ночи.
Вот кстати про окна. Был в прошлом году в ноябре ураган https://naked-science.ru/article/nakedscience/nagon-veka
Мне недавно рассказывали что одним из последствий для аппаратаментов на побережье стали вдавленные внутрь металлопластиковые окна. Из-за давления ветра они вогнулись и потеряли герметичность.
И заборы из металлопрофиля улетели.
Многие из вас, должно быть, помнят фотографии моста «Galloping Gertie», который разорвался на части во время бури в 1940 году. Висячие мосты разрывались задолго до того, это случается с ними и в наши дни. Объясняется это феноменом аэродинамической подъемной силы, и инженерам для правильных расчетов существенно нелинейных действующих сил требуется использовать математику и концепции Колмогорова. До 50-х не было человека, который мог бы сделать это правильно. Почему же, в отличие от всех прочих, не разрывается Бруклинский мост?
Потому что Джон Роблинг (John Roebling) знал достаточно, чтобы отдавать себе отчет в том, чего он не знает. Его заметки и письма, касающиеся постройки Бруклинского моста, сохранились до наших дней, и они являются отличным примером того, как хороший инженер поступает, когда он сознает пределы своей осведомленности. Джон Роблинг сделал мост в шесть раз прочнее, чем требовалось из всех расчетов, основывавшихся на известных данных. Кроме того, он добавил сеть диагональных опор для упрочения моста. Взгляните на них, когда у вас будет такая возможность; они уникальны.
Когда Роблинга спросили, не рухнет ли его мост, как многие до того, он ответил, что этого не случится, потому что мост сделан с шестикратным запасом прочности.
Роблинг был хорошим инженером, и он построил хороший мост с шестикратным запасом прочности. Поступаем ли мы таким же образом? Я предлагаю уменьшать предполагаемую производительность систем реального времени в шесть раз в оценочных расчетах, чтобы учесть все то, чего мы можем не знать. В утверждениях о надежности и доступности нам следует уменьшать наши ожидания в десять раз, чтобы скомпенсировать недостаток наших знаний. Нам следует строить так, как Джон Роблинг, а не так, как его современники — ни один из их мостов не устоял до наших дней, причем четверть из них рухнули в течение первых десяти лет после завершения строительства.
Можем ли мы считать себя инженерами, подобными Роблингу?
Джон Бентли — «Жемчужины программирования» (гл. 7.3)
@Betonovos отсюда, кстати, вопрос: кто и как измеряет и рассчитывает все табличные значения? В реальной жизни ведь колоссальное количество переменных, в том числе неизвестных (unknown unknowns). А строить дома для краш-тестов под каждые климатические условия — слишком дорого.
При этом в СП и СНиПах уже переваренные модели, требующие минимум математики.
Физику, математику и инженеру дали задание — найти объём красного резинового мячика. Физик погрузил мяч в стакан с водой и измерил объём вытесненной жидкости. Математик измерил диаметр мяча и рассчитал тройной интеграл. Инженер достал из стола свою «Таблицу объёмов красных резиновых мячей» и нашёл нужное значение.
Типичный вопрос на форуме строителей (на скриншоте). Я не осуждаю, этот вопрос на самом деле достаточно справедливый и до конца для многих не раскрытый.
Территории нашей страны достаточны полно исследованы (например, в отчетах по инженерно-геологическим изысканиях я не раз читал про природу, реки, папоротники... а не о том, что искал (о характеристике грунтов), но тем не менее об абсолютной точности речи не идет, да и необходимости в этом нет (здесь я говорю конкретно про ветер и применимо к общегражданскому строительству).
А если необходимость всё-таки появляется, то, например, у операторов сотовой связи есть свои, разрешенные к использованию, хендбуки.
А вот вам пример кто измеряет и рассчитывает (я не конкретно про Яндекс.Погода, я, скорее, про BigDataSience)
Люди учатся на своих ошибках, и в нормативах это также отражается.
Во-первых, когда мы рассчитываем сооружение, то принимаем различные коэффициенты (коэффициент по надежности, по нагрузке, для сочетания нагрузок, по условию работы...) на них умножаются рассчитанные значения нагрузок, тем самым значительно повышая запас прочности (NOTE как правило эти коэффициенты меньше 2)
Во-вторых, проектируя, мы рассматриваем достаточно большое количество сочетаний нагрузок, например, вес максимального количества людей + вес оборудования + снеговые мешки + порывистый ветер... и все это в разных местах.
В-третьих, как пример, загрузить цельную балку опирающуюся более, чем в двух местах (инженеры такую балку называют многопролетной неразрезной) сосредоточенной небольшой нагрузкой в одном пролете на много опаснее, чем нагрузить значительной силой, но равномерно распределенной.
И в-четвертых, допустим, плита перекрытия прежде, чем полностью потерять несущую способность и разрушиться, способна значительно изогнуться. Поэтому, т. к. обывателям, как правило, не приятно смотреть на потрескавшуюся и изогнутую плиту, расчёт делится на две части: по первым предельным состояниям (разрушение) и по вторым предельным состояниям (эстетика и максимально допустимые перемещения).
Note. Трещины в растянутой части железобетонного изделия зачастую хороший знак, потому что это говорит нам о том, что арматура вступила работу и приняла на себя растягивающие усилия (бетон на растяжения почти не работает).
Всё перечисленное это конечно не х16 несущей способности, но, особенно учитывая что мы не можем забыть про экономическую составляющую строительства, этого более чем достаточно. Другое дело что нормы соблюдаются не всегда и чаще всего из-за отсутствия понимания.
вес максимального количества людей + вес оборудования
Года три назад мне рассказывали "про реконструкцию" магистральной подстанции Россетей. Построена она в конце 80-х в условиях дефицита материалов из каких-то промышленных железобетонных плит - одни и те же плиты и стены и пол и крыша.
На первом этаже помещение с аккумуляторами, на втором оборудование связи. Подрядчик спроектировал перенос аккумуляторов в помещение связи, компактно сложив их в несколько рядом стоящих стоек. Проект прошел все согласования и выполнен. Персонал ждет когда это всё завалится.
Как сложно. А можно по простому, чисто практический вопрос - с какой силой давит ветер 30м/сек на глухой забор высотой 2 метра.
Конечно можно. Считаем по формуле из СП 20.13330.2016 нормативное значение давления ветра
Получаем 387 Па = 0,39 кПа. Умножаем на коэффициент k(ze) (допустим у нас тип местности А)
Получаем 0,39*0,75 = 0,29 кПа
Осталось определиться с аэродинамическим коэффициентом. Чтобы самим не моделировать, не считать, не изобретать велосипед смотрим в приложении к СП:
Вообще, судя по картинке, на разных участках у нас будет разное давление, но если представить, что забор бесконечно длинный, то у нас везде будет участок D. Следовательно получаем: 0,29 кПа*1,2 = 0,35 кПа или, примерно, 36 кг/м^2. Так мы получили нормативное значение. В расчете сооружения нагрузки домножаются ещё на "коэффициенты по нагрузке", для ветра такой коэффициент равен 1,4. Получаем 50,4 кг/м^2 - это та часть ветровой нагрузки, которая относительно постоянная (правда проектировщики называют её кратковременной), так же есть импульсная составляющая, о ней я планирую рассказать в следующей статье, с ней всё намного интереснее.
Очень интересно!
Скажите, пожалуйста, как учитывается эта нагрузка при проектировании зданий?
С примером забора в целом понятно: имеется опрокидывающий момент, и необходимо его компенсировать. Считаем опоры: чтобы не вырвало из грунта, чтобы не погнулись.
С мачтами в целом тоже понятно: есть основа для расчета растяжек, их крепление к грунту.
А в случае с многоэтажными (тяжелыми) зданиями как быть? Получается этакий парус, усилие от который понятно как рассчитать. А что дальше с этими цифрами делать? Рассчитывать заглубление фундаментов?
Если есть возможность - расскажите, пожалуйста, как использовать результаты Вашего расчета.
Сначала скажу про мачту на оттяжках. Тут мы прикладываем нагрузку (а ветровая для неё самая значимая) и смотрим на перемещения. Дальше в зависимости от этих перемещений выбираем необходимую силу натяжения (иногда практически "методом тыка" подбираем такую силу натяжения тросов, чтобы перемещения были меньше максимально допустимых от наихудшего сочетания нагрузок).
Отсюда вытекает и расчет фундамента, но по большей части на почти вертикальную нагрузку; расчет на выдёргивание крепления оттяжек (если эти крепления в земле); расчет различных болтовых соединений (локальный расчет, для него нужно сначала рассчитывать конструкцию в целом, чтобы узнать какие усилия будут, например, в рассчитываемом болте) и т.д. и т.п.
Что касается многоэтажек (НЕ небоскрёбов и других уникальных зданий), ветровая нагрузка не вносит особо значимый вклад, куда страшнее может оказаться, например, снеговая нагрузка.
Получается, что после расчета всех нагрузок мы их складываем всяко разно, но согласно норм и правим, прикладываем к расчетной модели здания, и получаем внутренние усилия во всех элемента. Далее, зная усилия, например в той же балке, я могу рассчитать сколько и какой арматуры мне надо в эту балку впихнуть.
Здесь я предполагаю, что расчёты ведутся в каком-нибудь программном комплексе на полноценной информационной модели сооружения методами конечных элементов. В случае же, если мы будем считать ручками на бумажке, то тут принцип, конечно, останется тот же, но добавится куча хитростей, непонятных полу-эмпирических формул и упрощений расчётной модели (на удивление, результаты будут везде плюс-минус одинаковые, что говорит о справедливости современных методов расчёта)
Если коротко, то для расчётов стен, колонн и фундаментов.
А если длинно - это уже надо сопромат со строймехом рассказывать.
Автор мог бы и про снеговую нагрузку рассказать, для тех кто к примеру строит навес для автомобиля могло быть интересно. Типичные ошибки конструкций ферм.
Ветровая нагрузка на здания и сооружения