Возникают они в результате неустойчивого состояния воздушной массы.
Торнадо. Это - сравнительно небольшие образования в атмосфере. Диаметр в среднем составляет 400 м, средний путь - 25 км. Скорость ветра в
123
торнадо порой достигает 400 км/ч. Энергия огромна. В 1931 году в штате Миннесота торнадо поднял в воздух железнодорожный вагон со 117 пассажирами, перенес на 24 м и без повреждений опустил в кювет. Сильные перепады давления разрушают объекты. Восходящие потоки воздуха поднимают вверх различные предметы и переносят их на расстояние до нескольких сотен метров. Предметы ударяют в здания и могут вызвать большие разрушения.
В США ежегодно регистрируются около 900 торнадо. Большинство из них приходится на Долину смерчей, протянувшуюся от западного Техаса до Канзаса. Информацию о торнадо для проектировщиков дает Институт исследований стихийных бедствий Техасского технического университета. При разработке проектных решений исходят из следующих критериев; доступность, возможность исследования, уровень защиты и экономичность. В школьных зданиях предусматриваются защитные зоны, расположенные ближе к центру и соединенные коридорами с классными комнатами. Давления, индуцированные ветром, могут вызвать разрушения любых слабых связей. Вследствие аэродинамического эффекта наиболее высокие давления возникают по углам крыш и стен, в районе карнизов. Важно обеспечить надежное соединение между элементами крыши и конструкции стен.
Тропические циклоны (тайфуны, циклоны, ураганы). Скорость ветра достигает 320 км/ч. Чудовищная сила тропического циклона является результатом исключительно больших градиентов давлений. Иногда ветер дует в одном направлении со страшной силой. Затем наступает полное безветрие. После чего ветер начинает дуть снова, но в противоположном направлении. В 1953 году бюро погоды США официально приняло систему наименования тропических циклонов женскими именами в их алфавитном порядке. Диаметр циклона составляет от 480 до 960 км.
21 сентября 1974 года появились начальные сведения об урагане "Фифа", который пронесся над Никарагуа, Гондурасом, Сальвадором, Гватемалой и Мексикой. Ущерб, причиненный ураганом, превысил миллиард долларов. Последствия урагана сказывались на экономике перечисленных стран в течение пяти лет. Давление ветра на сооружения пропорционально квадрату скорости. Наибольшая скорость ветра зарегистрирована 12 апреля 1934 года в Нью-Гемпшире и равнялась 416 км/ч. Давление ветра составляло 722 кг/м2.
Наиболее изучено воздействие ураганных нагрузок на мосты, высотные сооружения. Устойчивость мостов, например, исследуется на моделях в аэродинамических трубах.
Воздействие ветровой нагрузки па здания и сооружения. По СНиП 2.01.07-85 ветровую нагрузку ω определяют как сумму средней ω m и пульсационной ω p составляющих, т.е. ω = ωm + ωр.
124
Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки ωр на высоте z находят в зависимости от состояния первой f1, второй f2, и предельной собственной частоты fB колебаний.
Для сооружений цилиндрической формы при f1 > fB необходимо дополнительно производить расчет на резонанс. Критическую скорость ветра, вызывающую резонансные колебания сооружения в направлении, перпендикулярном ветровому потоку, допускается определять по формуле
(4.1)
где Ti - период собственных колебаний сооружения по i-ой форме; Sh - число Струхаля поперечного сечения (для круга Sh = 0,2, для сечения с угловыми точками Sh = 0,15).
Критерий подобия Струхаля
Sh = ndv,(4.2)
где п - частота срыва вихрей; d - размер сооружения.
Инерционную силу, приложенную в середине участка j, при колебаниях сооружения по i-ой собственной форме определяют по формуле
Gijn = Мj ξi ηij v,
(4.3)
где Мj - масса 1-го участка; ξi, - коэффициент динамичности; ηij - приведенное ускорение; v - коэффициент, учитывающий пространственную корреляцию пульсации скорости ветра.
Различают два явления аэродинамической неустойчивости: вихревое возбуждение и галопирование гибких призматических конструкций.
Для описания скоростей ветра используют степенной закон
| v(z) = vанем |
( |
z |
)a, |
zанем |
(4.4)
где v(z) и vанем - скорости ветра на уровне z и на стандартном уровне расположения анемометра (10 м).
Нестационарные динамические силы зависят от чисел Рейнольдса Re. При Re < 10 имеет место ламинарный поток, при Re > 50 начинается попеременный отрыв вихрей от сооружения цилиндрической формы, 150 < Re <300 поток становится турбулентным, а отрыв вихрей нерегулярным. Начиная с Re = 300
125
в отрыве вихрей наблюдают периодичность. На колебания потока налагаются турбулентные флуктуации. Заметим, что
Re = vd/v = ρvd/μ,
(4.5)
где v - скорость невозмущенного потока; ρ - плотность воздуха; μ - его вязкость; v - кинематическая вязкость.
126
