SkyCiv veröffentlichte eine kostenloser Windlastrechner das hat mehrere Code-Referenzen einschließlich der ASCE 7-10 Windlastverfahren. In diesem Abschnitt, Wir werden zeigen, wie die Windlasten berechnet werden, mithilfe eines S3D-Lagermodells unten:
Abbildung 1. Beispiel ein Lagermodell in SkyCiv S3D.
Abbildung 2. Standort (von Google Maps).
Tabelle 1. Gebäudedaten, die für unsere Windberechnung benötigt werden.
| Ort | Cordova, Memphis, Tennessee |
| Belegung | Verschiedenes – Anlagenstruktur |
| Terrain | Flaches Ackerland |
| Maße | 64 ft × 104 ft im Plan Traufhöhe von 30 ft Scheitelhöhe in der Höhe. 36 ft Dachneigung 3:16 (10.62°) Mit Öffnung |
| Verkleidung | Pfetten im Abstand von 2 Fuß Wandpfosten mit einem Abstand von 2 Fuß |
In unserem Windlast-Beispiel, Design Winddrücke für eine große, Die dreistöckige Anlagenstruktur wird festgelegt. Feige. 1 zeigt die Abmessungen und den Rahmen des Gebäudes. Die Gebäudedaten sind in der Tabelle aufgeführt 1.
Obwohl es eine Reihe von Software gibt, deren Windlastberechnung bereits in ihre Konstruktion und Analyse integriert ist, Nur wenige bieten eine detaillierte Berechnung dieser spezifischen Art von Last. Benutzer müssten manuelle Berechnungen dieses Verfahrens durchführen, um zu überprüfen, ob die Ergebnisse mit denen der Software übereinstimmen.
Formeln zur Berechnung der Windlast
Nachfolgend finden Sie die Formeln zur Bestimmung des Auslegungswinddrucks.
Für geschlossene und teilweise geschlossene Gebäude:
\(p = qG{C.}_{p} -{q}_{ich}({GC}_{Pi})\) (1)
Für offene Gebäude:
\(p = q{G}_{f}{C.}_{p} -{q}({GC}_{Pi})\) (2)
Wo:
\(G) = Böeneffektfaktor
\({C.}_{p}\) = Außendruckkoeffizient
\(({GC}_{Pi})\)= Innendruckkoeffizient
\(q ) = Geschwindigkeitsdruck, in psf, gegeben durch die Formel:
\(q = 0.00256{K.}_{mit}{K.}_{zt}{K.}_{d}V ^ 2 ) (3)
\(q ) = \({q}_{h}\) für Lee Wände, Seitenwände, und Dächer,bewertet bei mittlerer Dachhöhe, \(h )
\(q ) = \({q}_{mit}\) für Luvwände, in der Höhe ausgewertet, \([object Window])
\({q}_{ich}\) = \({q}_{h}\) für negativen Innendruck, \((-{GC}_{Pi})\) Bewertung und \({q}_{mit}\) zur positiven Innendruckbewertung \((+{GC}_{Pi})\) von teilweise geschlossenen Gebäuden kann aber als genommen werden \({q}_{h}\) für konservativen Wert.
\({K.}_{mit}\) = Geschwindigkeitsdruckkoeffizient
\({K.}_{zt}\)= topographischer Faktor
\({K.}_{d}\)= Windrichtungsfaktor
\(V ) = Grundwindgeschwindigkeit in mph
Wir werden uns eingehend mit den Details der einzelnen Parameter befassen. Außerdem, Wir werden das Richtungsverfahren verwenden (Kapitel 30 von ASCE 7-10) bei der Lösung der Design Winddrücke.
Parametererklärungen
Risikokategorie
Das erste, was bei der Bestimmung des Auslegungswinddrucks zu tun ist, ist die Klassifizierung der Risikokategorie der Struktur, die auf der Nutzung oder Belegung der Struktur basiert. Für dieses Beispiel, da dies eine Pflanzenstruktur ist, Die Struktur ist klassifiziert als Risikokategorie IV. Siehe Tabelle 1.5-1 von ASCE 7-10 Weitere Informationen zur Klassifizierung von Risikokategorien.
Grundlegende Windgeschwindigkeit, \(V )
Die ASCE 7-10 stellt eine Windkarte bereit, auf der die entsprechende Grundwindgeschwindigkeit eines Standorts aus den Abbildungen 26.5-1A bis 1C ermittelt werden kann. Die Belegungskategorie ist im International Building Code definiert und klassifiziert.
Beim Betrachten der Windkarten, Nehmen Sie die höchste Kategorienummer der definierten Risiko- oder Belegungskategorie. In den meisten Fällen, einschließlich dieses Beispiels, Sie sind gleich. Aus Abbildung 26.5-1B, Cordova, Memphis, Tennessee ist irgendwie in der Nähe des roten Punktes auf der Figur 3 unten, und von dort, die Grundwindgeschwindigkeit, \(V ), ist 120 mph. Beachten Sie dies für andere Standorte, Sie müssten den grundlegenden Windgeschwindigkeitswert zwischen den Windkonturen interpolieren.
Abbildung 3. Grundlegende Windgeschwindigkeitskarte von ASCE 7-10.
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Belichtungskategorie
Siehe Sektion 26.7 Einzelheiten zum Verfahren zur Bestimmung der Expositionskategorie finden Sie hier.
Abhängig von der gewählten Windrichtung, Die Exposition der Struktur ist aus dem 45 ° -Aufwindbereich zu bestimmen. Die zu übernehmende Exposition sollte diejenige sein, die die höchste Windlast aus dieser Richtung ergibt.
Die Beschreibung jeder Expositionsklassifizierung finden Sie im Abschnitt 26.7.2 sowie 26.7.3. Um jeden Fall besser zu veranschaulichen, Beispiele für jede Kategorie sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Tabelle 2. Beispiele für Bereiche, die nach Expositionskategorien klassifiziert sind (Kapitel C26).
| Exposition | Beispiel |
|---|---|
| Belichtung B. |
|
| Belichtung C. |
|
| Belichtung D. |
|
Für unser Beispiel, da der Standort der Struktur in Ackerland in Cordova ist, Memphis, Tennessee, ohne Gebäude höher als 30 ft, Daher wird das Gebiet als klassifiziert Belichtung C.. Ein hilfreiches Tool zur Bestimmung der Belichtungskategorie besteht darin, Ihren potenziellen Standort über ein Satellitenbild anzuzeigen (Google Maps zum Beispiel).
Windrichtungsfaktor, \({K.}_{d}\)
Die Windrichtungsfaktoren, \({K.}_{d}\), denn unsere Struktur ist beide gleich 0.85 da das Gebäude das Hauptwindkraft-Widerstandssystem ist und auch Komponenten und Verkleidungen an der Struktur angebracht sind. Dies ist in der Tabelle gezeigt 26.6-1 von ASCE 7-10 wie unten in Abbildung gezeigt 4.
Abbildung 4. Windrichtungsfaktor basierend auf Strukturtyp (Tabelle 26.6-1).
Topographischer Faktor, \({K.}_{zt}\)
Da der Standort der Struktur in flachem Ackerland ist, wir können davon ausgehen, dass der topografische Faktor, \({K.}_{zt}\), ist 1.0. Andernfalls, Der Faktor kann mit Abbildung gelöst werden 26.8-1. Um festzustellen, ob weitere Berechnungen des topografischen Faktors erforderlich sind, siehe Sektion 26.8.1, wenn Ihre Website nicht alle aufgeführten Bedingungen erfüllt, dann kann der topografische Faktor als angenommen werden 1.0.
Abbildung 5. Parameter, die für die Berechnung des topografischen Faktors benötigt werden, \({K.}_{zt}\) (Tabelle 26.8-1).
Hinweis: Topographiefaktoren können automatisch mit berechnet werden SkyCiv Wind Design Software
Geschwindigkeitsdruckkoeffizient, \({K.}_{mit}\)
Der Geschwindigkeitsdruckkoeffizient, \({K.}_{mit}\), kann mit Tabelle berechnet werden 27.3-1. Dieser Parameter hängt von der Höhe über dem Boden des Punktes ab, an dem der Winddruck berücksichtigt wird, und die Expositionskategorie. Außerdem, Die in der Tabelle angegebenen Werte basieren auf der folgenden Formel:
Für 15ft < \({mit}\) < \({mit}_{G}\): \({K.}_{mit} = 2.01(mit/{mit}_{G})^{2/ein}\) (4)
Zum \({mit}\) < 15ft: \({K.}_{mit} = 2.01(15/{mit}_{G})^{2/ein}\) (5)
Wo:
Tabelle 3. Werte von sowie \({mit}_{G}\) vom Tisch 26.9-1 von ASCE 7-10.
| Exposition | ein | \({mit}_{G}\)(ft) |
| B. | 7 | 1200 |
| C. | 9.5 | 900 |
| D. | 11.5 | 700 |
Üblicherweise, Geschwindigkeitsdruckkoeffizienten bei mittlerer Dachhöhe, \({K.}_{h}\), und auf jeder Etage, \({K.}_{Tag}\), sind die Werte, die wir benötigen würden, um die Auslegungswinddrücke zu lösen. Für dieses Beispiel, da der Winddruck auf der Luvseite parabolischer Natur ist, Wir können diese Belastung vereinfachen, indem wir davon ausgehen, dass zwischen den Bodenebenen ein gleichmäßiger Druck auf die Wände ausgeübt wird.
Die Anlagenstruktur hat drei (3) Böden, Also werden wir den Winddruck in diese Ebenen aufteilen. Außerdem, da das Dach ein Giebeldach ist, Die mittlere Dachhöhe kann als Durchschnitt der Dachvorsprünge und der Scheitelhöhe genommen werden, welches ist 33 ft.
Tabelle 4. Berechnete Werte des Geschwindigkeitsdruckkoeffizienten für jede Höhenhöhe.
| Elevation (ft) | \({K.}_{mit}\) |
| 10 | 0.85 |
| 20 | 0.90 |
| 30 | 0.98 |
| 33 | 1.00 \({K.}_{zh}\) |
Geschwindigkeitsdruck
Aus der Gleichung (3), wir können nach dem Geschwindigkeitsdruck lösen, \(q ) in PSF, bei jeder betrachteten Höhe.
Tabelle 5. Berechnete Werte des Geschwindigkeitsdrucks in jeder Höhenhöhe.
| Elevation (ft) | \({K.}_{mit}\) | \(q )(psf) | Bemerkungen |
| 10 | 0.85 | 26.63 | 1st Etage |
| 20 | 0.90 | 28.20 | 2nd Etage |
| 30 | 0.98 | 30.71 | Dachvorsprung |
| 33 | 1.00 | 31.33 | Mittlere Dachhöhe, \({q}_{h}\) |
Berechnungsmethodik
Böeneffektfaktor, G
Der Böeneffektfaktor, \(G), ist eingestellt auf 0.85 da die Struktur als starr angenommen wird (Sektion 26.9.1 von ASCE 7-10).
Gehäuseklassifizierung und Innendruckkoeffizient
Es wird angenommen, dass die Anlagenstruktur Öffnungen aufweist, die der Definition eines teilweise geschlossenen Gebäudes in Abschnitt entsprechen 26.2 von ASCE 7-10. So, der Innendruckkoeffizient, \(({GC}_{Pi})\), muss +0.55 sowie -0.55 basierend auf Tabelle 26.11-1 von ASCE 7-10.
Abbildung 6. Innendruckkoeffizient, \(({GC}_{Pi})\) (Tabelle 26.11-10).
Externer Druckkoeffizient, \({C.}_{p}\)
Für geschlossene und teilweise geschlossene Gebäude, der externe Druckkoeffizient, \({C.}_{p}\), wird anhand der in Abbildung angegebenen Informationen berechnet 27.4-1 durch Abbildung 27.4-3. Für ein teilweise geschlossenes Gebäude mit Satteldach, Verwenden Sie Abbildung 27.4-1.
Die Außendruckkoeffizienten für Wände und Dach werden anhand der Gebäudeparameter L separat berechnet, B., und h, die in Anmerkung definiert sind 7 der Figur 27.4-1.
So, wir müssen die berechnen PFUND sowie h / L.:
Mittlere Dachhöhe, h = 33′
Gebäudelänge, L = 64′
Gebäudebreite, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317
Aus diesen Werten, wir können die externen Druckkoeffizienten erhalten, \({C.}_{p}\), für jede Oberfläche mit Tabelle 27.4-1. Beachten Sie, dass wir beim Dachwinkel eine lineare Interpolation verwenden können, θ, PFUND, sowie h / L. Die Werte liegen zwischen denen in der Tabelle. Für unser Beispiel, Die Außendruckkoeffizienten jeder Oberfläche sind in Tabellen aufgeführt 6 zu 8.
Tabelle 6. Berechnete Außendruckkoeffizienten für Wandflächen.
| Oberfläche | \({C.}_{p}\) |
| Luvwand | 0.8 |
| Leeward Wand | -0.5 |
| Seitenwand | -0.7 |
Tabelle 7. Berechnete Außendruckkoeffizienten für Dachflächen (Windlast entlang L.).
| Außendruckkoeffizienten für Dach \({C.}_{p}\) (entlang L.) | ||||||
| h / L. | Luv | Lee | ||||
| 10° | 10.62° | 15° | 10° | 10.62° | 15° | |
| 0.5 | -0.9 -0.18 |
-0.88 -0.18 |
-0.7 -0.18 |
-0.50 | -0.50 | -0.50 |
| 0.516 | -0.91 -0.18 |
-0.89 -0.18 |
-0.71 -0.18 |
-0.51 | -0.51 | -0.50 |
| 1.0 | -1.3 -0.18 |
-1.26 -0.18 |
-1.0 -0.18 |
-0.70 | -0.69 | -0.60 |
Tabelle 8. Berechnete Außendruckkoeffizienten für Dachflächen (Windlast entlang B.).
| Außendruckkoeffizienten für Dach \({C.}_{p}\) (entlang B.) | ||
| h / B. | Ort | \({C.}_{p}\) |
| 0.317 | 0 zu h | -0.9 -0.18 |
| h / 2 zu h | -0.9 -0.18 |
|
| h zu 2h | -0.5 -0.18 |
|
| >2h | -0.3 -0.18 |
|
Externer Druckkoeffizient mit zwei Werten, wie in den Tabellen gezeigt 7 sowie 8 ist in beiden Fällen zu prüfen.
Design-Winddruck
Hauptwindrahmen-Widerstandssystem
Gleichung verwenden (1), Die Auslegungswinddrücke können berechnet werden. Die Ergebnisse unserer Berechnungen sind in Tabellen aufgeführt 8 sowie 9 unten. Beachten Sie, dass es vier Fälle gibt, die auf die Struktur einwirken, da wir den Druck berücksichtigen, der mit gelöst wird \((+{GC}_{Pi})\) sowie \((-{GC}_{Pi})\) , und das \(+{C.}_{p}\) sowie \(-{C.}_{p}\) für Dach.
Tabelle 9. Design Winddruck für Wandflächen.
| Auslegungsdruck, \(p ), für Wände |
|||||||
| Bodenhöhe | \({q}_{mit}\), psf | Luv | Lee | Seitenwand | |||
| \((+{GC}_{Pi})\) | \((-{GC}_{Pi})\) | \((+{GC}_{Pi})\) | \((-{GC}_{Pi})\) | \((+{GC}_{Pi})\) | \((-{GC}_{Pi})\) | ||
| 10 | 26.63 | 0.88 (0.88) | 35.35 (35.35) | -30.55 (-30.55) |
3.92 (3.92) |
-35.88 (-35.88) |
-1.41 (-1.41) |
| 20 | 28.20 | 1.94 (1.94) | 36.41 (36.41) | ||||
| 30 | 30.71 | 3.65 (3.65) | 38.12 (38.12) | ||||
| 33 | 31.33 | 4.07 (4.07) | 38.54 (38.54) | ||||
(SkyCiv Wind Load Ergebnisse)
Tabelle 10. Design Winddruck für Dachflächen.
| Dachdruck auslegen, psf (entlang L.) | Dachdruck auslegen, psf (entlang B.) | ||||
| Oberfläche | \((+{GC}_{Pi})\) | \((-{GC}_{Pi})\) | Ort (von der Luvkante) |
\((+{GC}_{Pi})\) | \((-{GC}_{Pi})\) |
| Luv | -40.87 (-40.87) | -6.41 (-6.40) | 0 zu h / 2 | -41.20(-41.20) | 12.44(12.44) |
| -22.03 (-22.03) | 12.44 (12.44) | h / 2 zu h | -41.20(-41.20) | ||
| Lee | -30.71 (-30.71) | 3.76 (3.83) | h zu 2h | -30.55(-30.55) | |
| >2h | -25.22(-25.22) | ||||
(SkyCiv Wind Load Ergebnisse)
Um diese Drücke auf die Struktur anzuwenden, Wir werden einen einzelnen Rahmen auf der Struktur betrachten. Beispiel eines Anwendungsfalls 1 sowie 2 (für beide \(({GC}_{Pi})\)) sind in den Figuren gezeigt 7 sowie 8. Die in den vorgenannten Figuren gezeigte Windrichtung verläuft entlang der Länge, L., des Gebäudes.
Beachten Sie, dass ein positives Vorzeichen bedeutet, dass der Druck auf die Oberfläche wirkt, während ein negatives Vorzeichen von der Oberfläche entfernt ist. Buchtlänge ist 26 Füße.
Abbildung 7. Design Winddruck auf einen Rahmen ausgeübt – \((+{GC}_{Pi})\) und absoluter maximaler Dachdruckfall.
Abbildung 8. Design Winddruck auf einen Rahmen ausgeübt – \((-{GC}_{Pi})\) und absoluter maximaler Dachdruckfall.
SkyCiv vereinfacht dieses Verfahren, indem lediglich Parameter definiert werden. Versuchen unsere SkyCiv Free Wind Tool
Komponenten und Verkleidung (C.&C.)
Bauteile und Verkleidungen sind im Kapitel C26 definiert als: „Komponenten empfangen Windlasten direkt oder von der Verkleidung und übertragen die Last auf das MWFRS“, während „Verkleidung Windlasten direkt empfängt“. Beispiele für Komponenten sind „Verbindungselemente, Pfetten, Bolzen, Dachterrasse, und Dachstühle “und für Verkleidungen sind„ Wandverkleidungen, Vorhangfassaden, Dacheindeckungen, Außenfenster, etc."
Aus dem Kapitel 30, Der Auslegungsdruck für Bauteile und Verkleidungen ist anhand der Gleichung zu berechnen (30.4-1), unten gezeigt:
\(p = {q}_{h}[({GC}_{p})-({GC}_{Pi})]\) (6)
Wo:
\({q}_{h}\): Geschwindigkeitsdruck bei mittlerer Dachhöhe, h (31.33 psf)
\(({GC}_{Pi}\)): Innendruckkoeffizient
\(({GC}_{p}\)): Außendruckkoeffizient
Für dieses Beispiel, \(({GC}_{p}\)) wird mit Abbildung gefunden 30.4-1 für Zone 4 sowie 5 (die Wände), und Abbildung 30.4-2B für Zone 1-3 (das Dach). In unserem Fall, Welche Zahl richtig verwendet wird, hängt davon ab Dachneigung, θ, das ist 7 °< θ ≤ 27 °. \(({GC}_{p}\)) kann für eine Vielzahl von in Abbildung dargestellten Dachtypen bestimmt werden 30.4-1 durch Abbildung 30.4-7 und Abbildung 27.4-3 Im Kapitel 30 und Kapitel 27, beziehungsweise.
Wir werden nur die Auslegungswinddrücke für Pfetten und Wandpfosten berechnen. Zonen für Komponenten und Plattierungsdrücke sind in Abbildung dargestellt 9.
Abbildung 9. Ort des berechneten C.&C Drücke.
Die Distanz ein von den Kanten kann als Minimum von berechnet werden 10% der geringsten horizontalen Abmessung oder 0.4h aber nicht weniger als beides 4% der geringsten horizontalen Abmessung oder 3 ft.
ein : 10% von 64ft = 6.4 ft > 3ft
0.4(33ft) = 13.2 ft 4% von 64ft = 2.56 ft
a = 6.4 ft
Wandpfosten (C.&C Wanddruck)
Basierend auf Abbildung 30.4-1, bleibt die \(({GC}_{p}\)) kann für Zonen berechnet werden 4 sowie 5 basierend auf der effektiven Windfläche. Beachten Sie, dass die Definition der effektiven Windfläche in Kapitel C26 dies besagt: „Um die tatsächliche Lastverteilung in solchen Fällen besser zu approximieren, die Breite des zur Bewertung verwendeten effektiven Windbereichs \(({GC}_{p}\)) muss nicht weniger als ein Drittel der Fläche betragen. “ Daher, Die effektive Windfläche sollte maximal sein:
Effektive Windfläche = 10ft *(2ft) oder 10ft *(10/3 ft) = 20 sq.ft.. oder 33.3 sq ft.
Effektive Windfläche = 33.3 sq ft.
Das Positive und das Negative \(({GC}_{p}\)) für Wände kann anhand der unten gezeigten Grafik angenähert werden, als Teil der Abbildung 30.4-1:
Abbildung 10. Annäherung \(({GC}_{p}\)) Werte aus Abbildung 30.4-1 von ASCE 7-10.
Tabelle 11. Berechnet C.&C Drücke für Wandpfosten.
| Zone | \(+({GC}_{p}\)) | \(-({GC}_{p}\)) | C.&C Drücke, psf | |
| \(+({GC}_{p}\)) | \(-({GC}_{p}\)) | |||
| 4 | 0.90 | -1.0 | 10.97 45.43 |
-48.56 -14.10 |
| 5 | 0.90 | -1.2 | 10.97 45.43 |
-54.83 -20.36 |
Pfetten (C.&C Dachdruck)
Vom 30.4-2B, die effektiven Winddrücke für Zonen 1, 2, sowie 3 bestimmt werden kann. Da Traversen bei 26ft beabstandet sind, daher, Dies ist die Länge der Pfetten. Die effektive Windfläche sollte maximal sein:
Effektive Windfläche = 26ft *(2ft) oder 26ft *(26/3 ft) = 52 ft2 oder 225.33 sq.ft..
Effektive Windfläche = 225.33 sq.ft..
Das Positive und das Negative \(({GC}_{p}\)) für das Dach kann anhand der unten gezeigten Grafik angenähert werden, als Teil von Abbildung 30.4-2B:
Abbildung 11. \(({GC}_{p}\)) Werte aus Abbildung 30.4-2B.
Tabelle 12. Berechnet C.&C-Drücke für Pfetten.
| Zone | +(GC.p) | -(GC.p) | C.&C Drücke, psf | |
| +(GC.Pi) | -(GC.Pi) | |||
| 1 | 0.30 | -0.80 | -7.83 26.63 |
-42.30 -7.83 |
| 2 | 0.30 | -1.2 | -7.83 26.63 |
-54.83 -20.36 |
| 3 | 0.30 | -2.0 | -7.83 26.63 |
-79.89 -45.43 |
Diese Berechnungen können alle mit durchgeführt werden Windlas-Software von SkyCiv für ASCE 7-10, 7-16, IM 1991, NBBC 2015, und 1170. Benutzer können einen Standort eingeben, um Windgeschwindigkeiten und Topografiefaktoren abzurufen, Gebäudeparameter eingeben und Winddrücke erzeugen. Mit einem professionellen Konto, Benutzer können dies automatisch auf ein Strukturmodell anwenden und die Strukturanalyse in einer einzigen Software ausführen.
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Verweise:
- Mehta, K.. C., & Coulbourne, W.. L.. (2013, Juni). Windlasten: Leitfaden zu den Windlastbestimmungen von ASCE 7-10. Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure.
- Minimale Bemessungslasten für Gebäude und andere Strukturen. (2013). ASCE / SEI 7-10. Amerikanische Gesellschaft der Bauingenieure.
