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ASCE 7-10 Exemple de calcul de la charge du vent

Un exemple pleinement travaillé de l'ASCE 7-10 calculs de charge de vent

SkyCiv a publié un calculateur de charge de vent gratuit qui a plusieurs références de code, y compris l'ASCE 7-10 procédure de charge de vent. Dans cette section, nous allons montrer comment calculer les charges de vent, en utilisant un modèle d'entrepôt S3D ci-dessous:

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 1. Modèle d'entrepôt dans SkyCiv S3D à titre d'exemple.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 2. L'emplacement du site (depuis Google Maps).

Table 1. Données de construction nécessaires pour notre calcul du vent.

Emplacement Cordoue, Memphis, Tennessee
Occupation Divers – Structure de l'usine
Terrain Terres agricoles plates
Dimensions 64 pi × 104 pi dans le plan
Hauteur d'avant-toit de 30 pi
Hauteur de l'apex en élévation. 36 pi
Pente du toit 3:16 (10.62°)
Avec ouverture
Bardage Pannes espacées de 2 pieds
Poteaux muraux espacés de 2 pieds

Dans notre ASCE 7-10 exemple de charge de vent, conception des pressions du vent pour une grande, la structure de l'usine à trois étages sera déterminée. Figure. 1 montre les dimensions et la charpente du bâtiment. Les données du bâtiment sont présentées dans le tableau 1.

Bien qu'il existe un certain nombre de logiciels qui intègrent déjà le calcul de la charge du vent dans leur conception et leur analyse, seuls quelques-uns fournissent un calcul détaillé de ce type spécifique de charge. Les utilisateurs devront effectuer des calculs manuels de cette procédure afin de vérifier si les résultats sont les mêmes que ceux obtenus à partir du logiciel.

La formule pour déterminer la pression du vent de conception est:

Pour les bâtiments fermés et partiellement fermés:

\(p = qG{C}_{p} -{q}_{je}({GC}_{pi})\) (1)

Pour les bâtiments ouverts:

\(p = q{g}_{F}{C}_{p} -{q}({GC}_{pi})\) (2)

Où:

\(G) = facteur d'effet de rafale
\({C}_{p}\) = coefficient de pression externe
\(({GC}_{pi})\)= coefficient de pression interne
\(q ) = pression de vitesse, en psf, donné par la formule:

\(q = 0.00256{K}_{avec}{K}_{zt}{K}_{ré}V ^ 2 ) (3)

\(q ) = \({q}_{h}\) pour murs sous le vent, parois latérales, et toitures,évalué à la hauteur moyenne du toit, \(h )
\(q ) = \({q}_{avec}\) pour murs au vent, évalué en hauteur, \(Avec)
\({q}_{je}\) = \({q}_{h}\) pour pression interne négative, \((-{GC}_{pi})\) évaluation et \({q}_{avec}\) pour l'évaluation de la pression interne positive \((+{GC}_{pi})\) de bâtiments partiellement clos mais peut être pris comme \({q}_{h}\) pour valeur conservatrice.
\({K}_{avec}\) = coefficient de pression de vitesse
\({K}_{zt}\)= facteur topographique
\({K}_{ré}\)= facteur de directionnalité du vent
\(V ) = vitesse du vent de base en mph

Nous allons plonger dans les détails de chaque paramètre ci-dessous. de plus, nous utiliserons la procédure directionnelle (Chapitre 30 de l'ASCE 7-10) pour résoudre les pressions de vent de conception.

Catégorie de risque

La première chose à faire pour déterminer les pressions de vent de conception est de classer la catégorie de risque de la structure en fonction de l'utilisation ou de l'occupation de la structure.. Pour cet exemple, puisqu'il s'agit d'une structure végétale, la structure est classée comme Catégorie de risque IV. Voir le tableau 1.5-1 de l'ASCE 7-10 pour plus d'informations sur la classification des catégories de risque.

Vitesse du vent de base, \(V )

L'ASCE 7-10 fournit une carte du vent où la vitesse du vent de base correspondante d'un emplacement peut être obtenue à partir des figures 26.5-1A à 1C. La catégorie d'occupation est définie et classée dans le code international du bâtiment.

Lors de la visualisation des cartes des vents, prendre le numéro de catégorie le plus élevé de la catégorie de risque ou d'occupation définie. Dans la plupart des cas, y compris cet exemple, ce sont les mêmes. D'après la figure 26.5-1B, Cordoue, Memphis, Le Tennessee est en quelque sorte près de l'endroit où le point rouge sur la figure 3 au dessous de, et à partir de là, la vitesse de base du vent, \(V ), est 120 mph. Prenez note que pour les autres emplacements, vous auriez besoin d'interpoler la valeur de base de la vitesse du vent entre les contours du vent.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 3. Carte de base de la vitesse du vent de l'ASCE 7-10.

SkyCiv automatise désormais les calculs de vitesse du vent avec quelques paramètres. Essayer notre Outil de vent libre SkyCiv

Catégorie d'exposition

Voir section 26.7 de l'ASCE 7-10 détaille la procédure de détermination de la catégorie d'exposition.

En fonction de la direction du vent sélectionnée, l'exposition de la structure doit être déterminée à partir du secteur au près de 45 °. L'exposition à adopter doit être celle qui produira la charge de vent la plus élevée dans ladite direction.

La description de chaque classification d'exposition est détaillée dans la section 26.7.2 et 26.7.3 de l'ASCE 7-10. Pour mieux illustrer chaque cas, des exemples de chaque catégorie sont présentés dans le tableau ci-dessous.

Table 2. Exemples de zones classées selon la catégorie d'exposition (Chapitre C26 de l'ASCE 7-10).

Exposition Exemple
Exposition B
  • Zone résidentielle de banlieue avec principalement des logements unifamiliaux – Structures basses, moins que 30 ft haut, au centre de la photographie, des sites désignés comme exposition b avec une rugosité de surface Terrain de catégorie B autour du site sur une distance supérieure à 1500 ft dans n'importe quelle direction du vent.
  • Une zone urbaine avec de nombreux obstacles rapprochés ayant la taille d'une maison unifamiliale ou plus – Pour toutes les structures présentées, un terrain représentatif de la catégorie de rugosité de surface b s'étend plus de vingt fois la hauteur de la structure ou 2600 pi, celui qui est le plus élevé, dans le sens du vent. Les structures au premier plan sont situées dans l'exposition B – Structures au centre en haut de la photographie à côté de la clairière à gauche, qui est supérieur à environ 656 ft de longueur, sont situés en exposition c lorsque le vent vient de la gauche au-dessus de la clairière.
Exposition C
  • Prairies plates et ouvertes avec des obstructions éparses ayant des hauteurs généralement inférieures à 30 pi.
  • Terrain ouvert avec des obstructions éparses ayant des hauteurs généralement inférieures à 30 ft pour la plupart des directions du vent, toutes les structures d'un étage avec une hauteur de toit moyenne inférieure à 30 ft sur la photographie sont inférieurs à 1500 pi ou dix fois la hauteur de la structure, celui qui est le plus élevé, à partir d'un champ ouvert qui empêche l'utilisation de l'exposition B.
Exposition D
  • Un bâtiment sur le rivage (à l'exclusion des rivages dans les régions sujettes aux ouragans) avec le vent qui coule au-dessus de l'eau libre sur une distance d'au moins 1 mile. Les rives exposées D comprennent les voies navigables intérieures, les grands Lacs, et zones côtières de Californie, Oregon, Washington, et Alaska.


Pour notre exemple, puisque l'emplacement de la structure est dans les terres agricoles de Cordoue, Memphis, Tennessee, sans bâtiments plus hauts que 30 pi, donc la zone est classée comme
Exposition C. Un outil utile pour déterminer la catégorie d'exposition est de visualiser votre site potentiel via une image satellite (Google Maps par exemple).

Facteur de directionnalité du vent, \({K}_{ré}\)

Les facteurs de directionnalité du vent, \({K}_{ré}\), car notre structure est à la fois égale à 0.85 puisque le bâtiment est le principal système résistant à la force du vent et a également des composants et un revêtement attachés à la structure. Ceci est montré dans le tableau 26.6-1 de l'ASCE 7-10 comme indiqué ci-dessous dans la figure 4.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 4. Facteur de direction du vent basé sur le type de structure (Table 26.6-1 de l'ASCE 7-10).

Facteur topographique, \({K}_{zt}\)

Étant donné que l'emplacement de la structure est dans des terres agricoles plates, on peut supposer que le facteur topographique, \({K}_{zt}\), est 1.0. Autrement, le facteur peut être résolu en utilisant la figure 26.8-1 de l'ASCE 7-10. Pour déterminer si des calculs supplémentaires du facteur topographique sont nécessaires, voir section 26.8.1, si votre site ne remplit pas toutes les conditions énumérées, alors le facteur topographique peut être pris comme 1.0.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 5. Paramètres nécessaires au calcul du facteur topographique, \({K}_{zt}\) (Table 26.8-1 de l'ASCE 7-10).

Remarque: Les facteurs de topographie peuvent être calculés automatiquement en utilisant Logiciel de conception de vent SkyCiv

Coefficient de pression de vitesse, \({K}_{avec}\)

Le coefficient de pression de vitesse, \({K}_{avec}\), peut être calculé à l'aide du tableau 27.3-1 de l'ASCE 7-10. Ce paramètre dépend de la hauteur au-dessus du sol du point où la pression du vent est considérée, et la catégorie d'exposition. de plus, les valeurs indiquées dans le tableau sont basées sur la formule suivante:

Pour 15 pieds < \({avec}\) < \({avec}_{g}\): \({K}_{avec} = 2.01(avec/{avec}_{g})^{2/une}\) (4)
Pour \({avec}\) < 15pi: \({K}_{avec} = 2.01(15/{avec}_{g})^{2/une}\) (5)

Où:

Table 3. Valeurs de et \({avec}_{g}\) de la table 26.9-1 de l'ASCE 7-10.

Exposition une \({avec}_{g}\)(pi)
B 7 1200
C 9.5 900
11.5 700


habituellement, coefficients de pression de vitesse à la hauteur moyenne du toit, \({K}_{h}\)
, et à chaque étage, \({K}_{journée}\), sont les valeurs dont nous aurions besoin pour résoudre les pressions de vent de conception. Pour cet exemple, puisque la pression du vent du côté au vent est de nature parabolique, nous pouvons simplifier cette charge en supposant qu'une pression uniforme est appliquée sur les murs entre les niveaux de plancher.

La structure de la plante a trois (3) planchers, nous allons donc diviser la pression au vent en ces niveaux. de plus, puisque le toit est un toit à pignon, la hauteur moyenne du toit peut être considérée comme la moyenne des avant-toits et de l'élévation du sommet, lequel est 33 pi.

Table 4. Valeurs calculées du coefficient de pression de vitesse pour chaque hauteur d'élévation.

Élévation (pi) \({K}_{avec}\)
10 0.85
20 0.90
30 0.98
33 1.00 \({K}_{zh}\)

Pression de vitesse

À partir de l'équation (3), nous pouvons résoudre la pression de vitesse, \(q ) en PSF, à chaque élévation considérée.

Table 5. Valeurs calculées de la pression de vitesse à chaque hauteur d'élévation.

Élévation (pi) \({K}_{avec}\) \(q )(psf) Remarques
10 0.85 26.63 11er étage
20 0.90 28.20 2ème étage
30 0.98 30.71 Avant-toit
33 1.00 31.33 Hauteur moyenne du toit, \({q}_{h}\)

Facteur d'effet de rafale, g

Le facteur d'effet de rafale, \(G), est réglé sur 0.85 car la structure est supposée rigide (Section 26.9.1 de l'ASCE 7-10).

Classification de l'enceinte et coefficient de pression interne

La structure de l'usine est supposée avoir des ouvertures qui satisfont à la définition d'un bâtiment partiellement fermé dans la section 26.2 de l'ASCE 7-10. Donc, le coefficient de pression interne, \(({GC}_{pi})\), doit être +0.55 et -0.55 basé sur la table 26.11-1 de l'ASCE 7-10.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 6. Coefficient de pression interne, \(({GC}_{pi})\), de Tableau 26.11-1 de l'ASCE 7-10.

Coefficient de pression externe, \({C}_{p}\)

Pour les bâtiments fermés et partiellement fermés, le coefficient de pression externe, \({C}_{p}\), est calculé à l'aide des informations fournies dans la figure 27.4-1 à travers la figure 27.4-3. Pour un bâtiment partiellement clos avec un toit à pignon, utiliser la figure 27.4-1.

Les coefficients de pression externe pour les murs et le toit sont calculés séparément à l'aide des paramètres de construction L, B, et h, qui sont définis dans la note 7 de la figure 27.4-1.

Donc, nous devons calculer le KG et h / L:

Hauteur moyenne du toit, h = 33′
Longueur du bâtiment, L = 64′
Largeur du bâtiment, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317

De ces valeurs, on peut obtenir les coefficients de pression externe, \({C}_{p}\), pour chaque surface à l'aide du tableau 27.4-1 de l'ASCE 7-10. Notez que nous pouvons utiliser l'interpolation linéaire lorsque l'angle du toit, θ, KG, et h / L les valeurs se situent entre celles qui figurent dans le tableau. Pour notre exemple, les coefficients de pression externe de chaque surface sont indiqués dans les tableaux 6 à 8.

Table 6. Coefficients de pression externe calculés pour les surfaces murales.

Surface \({C}_{p}\)
Mur au vent 0.8
Mur sous le vent -0.5
Paroi latérale -0.7


Table 7. Coefficients de pression externe calculés pour les surfaces de toit (charge de vent le long de L).

Coefficients de pression externe pour le toit \({C}_{p}\) (le long de L)
h / L Au vent Côté sous le vent
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


Table 8. Coefficients de pression externe calculés pour les surfaces de toit (charge de vent le long de B).

Coefficients de pression externe pour le toit \({C}_{p}\) (le long de B)
h / B Emplacement \({C}_{p}\)
0.317 0 à h -0.9
-0.18
h / 2 à h -0.9
-0.18
h à 2h -0.5
-0.18
>2h -0.3
-0.18


Coefficient de pression externe avec deux valeurs comme indiqué dans les tableaux 7 et 8 doit être vérifié dans les deux cas.

Concevoir les pressions du vent pour le système de résistance au vent principal

Utiliser l'équation (1), les pressions de vent de conception peuvent être calculées. Les résultats de nos calculs sont présentés sur des tableaux 8 et 9 au dessous de. Prenez note qu'il y aura quatre cas agissant sur la structure car nous considérerons les pressions résolues en utilisant \((+{GC}_{pi})\) et \((-{GC}_{pi})\) , et le \(+{C}_{p}\) et \(-{C}_{p}\) pour toit.

Table 9. Conception de la pression du vent pour les surfaces murales.

Pression de conception, \(p ), pour murs
Élévation du sol \({q}_{avec}\), psf Au vent Côté sous le vent Paroi latérale
\((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\)
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)

(Résultats SkyCiv Wind Load)

Table 10. Conception de la pression du vent pour les surfaces de toit.

Conception de la pression du toit, psf (le long de L) Conception de la pression du toit, psf (le long de B)
Surface \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) Emplacement
(du bord au vent)
\((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\)
Au vent -40.87 (-40.87) -6.41 (-6.40) 0 à h / 2 -41.20(-41.20) 12.44(12.44)
-22.03 (-22.03) 12.44 (12.44) h / 2 à h -41.20(-41.20)
Côté sous le vent -30.71 (-30.71) 3.76 (3.83) h à 2h -30.55(-30.55)
>2h -25.22(-25.22)

(Résultats SkyCiv Wind Load)

Pour appliquer ces pressions à la structure, nous considérerons un seul cadre sur la structure. Exemple de cas d'application 1 et 2 (pour les deux \(({GC}_{pi})\)) sont montrés dans les figures 7 et 8. La direction du vent représentée sur les figures ci-dessus est sur la longueur, L, du bâtiment.

Notez qu'un signe positif signifie que la pression agit vers la surface tandis qu'un signe négatif est éloigné de la surface. La longueur de la baie est 26 pieds.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 7. Pression du vent de conception appliquée sur un cadre – \((+{GC}_{pi})\) et cas de pression de toit maximale absolue.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 8. Pression du vent de conception appliquée sur un cadre – \((-{GC}_{pi})\) et cas de pression de toit maximale absolue.

SkyCiv simplifie cette procédure en définissant simplement des paramètres. Essayer notre Outil de vent libre SkyCiv

Conception des pressions du vent pour les composants et le revêtement (C&C)

Les composants et les revêtements sont définis au chapitre C26 de l'ASCE 7-10 comme: «Les composants reçoivent les charges de vent directement ou du bardage et transfèrent la charge au MWFRS» tandis que «le bardage reçoit les charges de vent directement." Des exemples de composants incluent les «attaches, pannes, goujons, platelage de toit, et fermes de toit »et pour le revêtement sont des« revêtements muraux, murs rideaux, couvertures de toiture, fenêtres extérieures, etc."

Du chapitre 30 de l'ASCE 7-10, la pression de conception pour les composants et le revêtement doit être calculée à l'aide de l'équation (30.4-1), indiqué ci-dessous:

\(p = {q}_{h}[({GC}_{p})-({GC}_{pi})]\) (6)

Où:

\({q}_{h}\): pression de vitesse évaluée à la hauteur moyenne du toit, h (31.33 psf)
\(({GC}_{pi}\)): coefficient de pression interne
\(({GC}_{p}\)): coefficient de pression externe

Pour cet exemple, \(({GC}_{p}\)) sera trouvé à l'aide de la figure 30.4-1 pour Zone 4 et 5 (les murs), et Figure 30.4-2B pour la zone 1-3 (Le toit). Dans notre cas, le chiffre correct utilisé dépend de la pente du toit, θ, qui fait 7 °< θ ≤ 27 °. \(({GC}_{p}\)) peut être déterminé pour une multitude de types de toits représentés sur la figure 30.4-1 à travers la figure 30.4-7 et figure 27.4-3 dans le chapitre 30 et chapitre 27 de l'ASCE 7-10, respectivement.

Nous ne calculerons que les pressions de vent de conception pour les pannes et les montants muraux. Les zones pour les composants et les pressions de gaine sont illustrées à la figure 9.

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 9. Emplacement du C calculé&Pressions C.

La distance une à partir des bords peut être calculé comme le minimum de 10% de moindre dimension horizontale ou 0.4h mais pas moins que non plus 4% de moindre dimension horizontale ou 3 pi.

une : 10% de 64 pieds = 6.4 pi > 3pi
0.4(33pi) = 13.2 pi 4% de 64 pieds = 2.56 pi
a = 6.4 pi

Clous muraux (C&C Pression Murale)

Basé sur la figure 30.4-1, les \(({GC}_{p}\)) peut être calculé pour les zones 4 et 5 basé sur la zone de vent effective. Prendre note que la définition de la zone de vent effective au chapitre C26 de l'ASCE 7-10 stipule que: «Pour mieux se rapprocher de la répartition réelle de la charge dans de tels cas, la largeur de la zone de vent effective utilisée pour évaluer \(({GC}_{p}\)) ne doit pas être considérée comme inférieure à un tiers de la longueur de la zone. » Par conséquent, la zone de vent effective doit être le maximum de:

Zone de vent efficace = 10 pieds *(2pi) ou 10 pieds *(10/3 pi) = 20 pieds carrés. ou 33.3 pieds carrés.
Zone de vent efficace = 33.3 pieds carrés.

Le positif et le négatif \(({GC}_{p}\)) pour les murs peut être estimé à l'aide du graphique ci-dessous, dans le cadre de la figure 30.4-1:

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 10. Approximatif \(({GC}_{p}\)) valeurs de la figure 30.4-1 de l'ASCE 7-10.

Table 11. C calculé&C pressions pour le montant mural.

Zone \(+({GC}_{p}\)) \(-({GC}_{p}\)) C&C Pressions, 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

Pannes (C&C Pression du toit)

De 30,4 à 2B, les pressions de vent effectives pour les zones 1, 2, et 3 peut être déterminé. Puisque les fermes sont espacées de 26 pieds, Par conséquent, ce sera la longueur des pannes. La zone de vent effective doit être le maximum de:

Zone de vent efficace = 26 pieds *(2pi) ou 26 pieds *(26/3 pi) = 52 pi2 ou 225.33 pieds carrés.
Zone de vent efficace = 225.33 pieds carrés.

Le positif et le négatif \(({GC}_{p}\)) pour le toit peut être estimé à l'aide du graphique ci-dessous, dans le cadre de la figure 30.4-2B:

ASCE 7-10 Calcul de la charge de vent

Figure 11. \(({GC}_{p}\)) valeurs de la Figure 30.4-2B de l'ASCE 7-10.

Table 12. C calculé&C pressions pour pannes.

Zone +(gCp) -(gCp) C&C Pressions, psf
+(gCpi) -(gCpi)
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

Ces calculs peuvent tous être effectués en utilisant Logiciel Wind Load de SkyCiv pour ASCE 7-10, 7-16, DANS 1991, NBBC 2015, et comme 1170. Les utilisateurs peuvent entrer dans un emplacement du site pour obtenir les vitesses du vent et les facteurs topographiques, entrer les paramètres du bâtiment et générer les pressions du vent. Avec un compte professionnel, les utilisateurs peuvent l'appliquer automatiquement à un modèle structurel et exécuter une analyse structurelle dans un seul logiciel.

Autrement, essayer notre Outil de vent libre SkyCiv pour les calculs de vitesse et de pression du vent sur des structures simples.

Patrick Aylsworth Garcia Ingénieur en structure, Développement de produits
Patrick Aylsworth Garcia
Ingénieur en structure, Développement de produits
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Références:

  • Mehta, K. C., & Coulbourne, W. L. (2013, juin). Charges de vent: Guide des dispositions relatives à la charge du vent de l'ASCE 7-10. Société américaine des ingénieurs civils.
  • Charges minimales de conception pour les bâtiments et autres structures. (2013). ASCE / SEI 7-10. Société américaine des ingénieurs civils.

 

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