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ASCE 7-10 Esempio di calcolo del carico del vento

Un esempio pienamente funzionato di ASCE 7-10 calcoli del carico del vento

SkyCiv ha rilasciato a calcolatore di carico del vento gratuito che ha diversi riferimenti al codice incluso ASCE 7-10 procedura di carico del vento. In questa sezione, dimostreremo come calcolare i carichi del vento, utilizzando un modello di magazzino S3D di seguito:

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-1

figura 1. Modello di magazzino in SkyCiv S3D come esempio.

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-2

figura 2. Posizione del luogo (da Google Maps).

tavolo 1. Dati di costruzione necessari per il nostro calcolo del vento.

Posizione Cordova, Memphis, Tennessee
occupazione miscellaneo – Struttura delle piante
Terreno Terreno agricolo pianeggiante
Dimensioni 64 ft × 104 ft in piano
Altezza Eave di 30 ft
Altezza dell'apice a elev. 36 ftPendenza del tetto 3:16 (10.62°)
Con apertura
rivestimento Purlins distanziati a 2 piedi
Perni a parete distanziati a 2 piedi

Nel nostro ASCE 7-10 esempio di carico del vento, progettare pressioni del vento per un grande, sarà determinata la struttura delle piante a tre piani. Figura. 1 mostra le dimensioni e l'inquadratura dell'edificio. I dati di costruzione sono mostrati in Tabella 1.

Sebbene ci siano numerosi software che hanno il calcolo del carico del vento già integrato nella loro progettazione e analisi, solo pochi forniscono un calcolo dettagliato di questo specifico tipo di carico. Gli utenti dovrebbero eseguire calcoli manuali di questa procedura per verificare se i risultati sono gli stessi di quelli ottenuti dal software.

La formula per determinare la pressione del vento di progetto è:

Per edifici chiusi e parzialmente chiusi:

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

Per edifici aperti:

\(p = q{sol}_{f}{C}_{p} -{q}({GC}_{pi})\) (2)

Dove:

\(G ) = fattore di effetto raffica
\({C}_{p}\) = coefficiente di pressione esterno
\(({GC}_{pi})\)= coefficiente di pressione interna
\(q ) = pressione di velocità, in psf, dato dalla formula:

\(q = 0.00256{K}_{con}{K}_{zt}{K}_{d}V ^ 2 ) (3)

\(q ) = \({q}_{h}\) per muri sottovento, pareti laterali, e tetti,valutato all'altezza media del tetto, \(h )
\(q ) = \({q}_{con}\) per pareti sopravento, valutato in altezza, \(z)
\({q}_{io}\) = \({q}_{h}\) per pressione interna negativa, \((-{GC}_{pi})\) valutazione e \({q}_{con}\) per una valutazione positiva della pressione interna \((+{GC}_{pi})\) di edifici parzialmente chiusi ma può essere preso come \({q}_{h}\) per valore conservativo.
\({K}_{con}\) = coefficiente di pressione della velocità
\({K}_{zt}\)= fattore topografico
\({K}_{d}\)= fattore di direzionalità del vento
\(V ) = velocità del vento di base in mph

Ci immergeremo in profondità nei dettagli di ciascun parametro di seguito. inoltre, useremo la procedura direzionale (Capitolo 30 dell'ASCE 7-10) nel risolvere le pressioni del vento progettuali.

Categoria di rischio

La prima cosa da fare per determinare le pressioni del vento di progetto è classificare la categoria di rischio della struttura che si basa sull'uso o l'occupazione della struttura. Per questo esempio, poiché questa è una struttura vegetale, la struttura è classificata come Categoria di rischio IV. Consultare tabella 1.5-1 dell'ASCE 7-10 per ulteriori informazioni sulla classificazione delle categorie di rischio.

Velocità del vento di base, \(V )

The ASCE 7-10 fornisce una mappa del vento in cui la velocità del vento di base corrispondente di una posizione può essere ottenuta dalle figure da 26.5-1A a 1C. La categoria di occupazione è definita e classificata nell'International Building Code.

Durante la visualizzazione delle mappe del vento, prendere il numero di categoria più alto della categoria di rischio o occupazione definita. Nella maggior parte dei casi, incluso questo esempio, loro sono la stessa cosa. Dalla Figura 26.5-1B, Cordova, Memphis, Il Tennessee è in qualche modo vicino al punto in cui il punto rosso su Figura 3 sotto, e da lì, la velocità del vento di base, \(V ), è 120 mph. Prendi nota che per altre posizioni, dovresti interpolare il valore base della velocità del vento tra i contorni del vento.

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-3, asce 7 10 carico del vento

figura 3. Mappa della velocità del vento di base da ASCE 7-10.

SkyCiv ora automatizza i calcoli della velocità del vento con alcuni parametri. Provare nostro Strumento vento gratuito SkyCiv

Categoria di esposizione

Vedi la sezione 26.7 dell'ASCE 7-10 espone in dettaglio la procedura per determinare la categoria di esposizione.

A seconda della direzione del vento selezionata, l'esposizione della struttura è determinata dal settore controvento di 45 °. L'esposizione da adottare dovrebbe essere quella che produrrà il massimo carico del vento da detta direzione.

La descrizione di ciascuna classificazione di esposizione è dettagliata nella Sezione 26.7.2 e 26.7.3 dell'ASCE 7-10. Per illustrare meglio ogni caso, esempi di ciascuna categoria sono mostrati nella tabella sottostante.

tavolo 2. Esempi di aree classificate in base alla categoria di esposizione (Capitolo C26 dell'ASCE 7-10).

Esposizione Esempio
Esposizione B
  • Zona residenziale suburbana con abitazioni prevalentemente unifamiliari – Strutture a pochi piani, meno di 30 ft alto, al centro della fotografia hanno siti designati come esposizione b con rugosità superficiale terreno di categoria B attorno al sito per una distanza maggiore di 1500 ft in qualsiasi direzione del vento.
  • Un'area urbana con numerosi ostacoli ravvicinati aventi le dimensioni di abitazioni unifamiliari o più grandi – Per tutte le strutture mostrate, il terreno rappresentativo della categoria di rugosità superficiale b si estende per oltre venti volte l'altezza della struttura o 2600 ft, qualunque sia maggiore, nella direzione di bolina. Le strutture in primo piano si trovano in esposizione B – Strutture nella parte superiore centrale della fotografia adiacente alla radura a sinistra, che è maggiore di approssimativamente 656 ft di lunghezza, si trovano in esposizione c quando il vento proviene da sinistra sopra la radura.
Esposizione C
  • Prati aperti pianeggianti con ostacoli sparsi con altezza generalmente inferiore a 30 ft.
  • Terreno aperto con ostacoli sparsi con altezze generalmente inferiori a 30 ft per la maggior parte delle direzioni del vento, tutte le strutture a 1 piano con un'altezza media del tetto inferiore a 30 ft nella fotografia sono inferiori a 1500 ft o dieci volte l'altezza della struttura, qualunque sia maggiore, da un campo aperto che impedisce l'uso dell'esposizione B.
Esposizione D
  • Un edificio al litorale (esclusi i litorali nelle regioni soggette a uragani) con il vento che scorre sull'acqua aperta per almeno una distanza 1 miglio. Le coste dell'esposizione D comprendono vie navigabili interne, i grandi laghi, e zone costiere della California, Oregon, Washington, e Alaska.


Per il nostro esempio, poiché l'ubicazione della struttura è in terreni agricoli a Cordova, Memphis, Tennessee, senza edifici più alti di 30 ft, pertanto l'area è classificata come
Esposizione C. Uno strumento utile per determinare la categoria di esposizione è visualizzare il tuo potenziale sito attraverso un'immagine satellitare (Google Maps per esempio).

Fattore di direzionalità del vento, \({K}_{d}\)

I fattori di direzionalità del vento, \({K}_{d}\), per la nostra struttura sono entrambi uguali a 0.85 poiché l'edificio è il principale sistema di resistenza alla forza del vento e ha anche componenti e rivestimenti attaccati alla struttura. Questo è mostrato in Tabella 26.6-1 dell'ASCE 7-10 come mostrato di seguito in Figura 4.

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-4

figura 4. Fattore di direzionalità del vento in base al tipo di struttura (tavolo 26.6-1 dell'ASCE 7-10).

Fattore topografico, \({K}_{zt}\)

Poiché l'ubicazione della struttura è in terreno agricolo pianeggiante, possiamo supporre che il fattore topografico, \({K}_{zt}\), è 1.0. Altrimenti, il fattore può essere risolto usando la Figura 26.8-1 dell'ASCE 7-10. Per determinare se sono necessari ulteriori calcoli del fattore topografico, vedere la sezione 26.8.1, se il tuo sito non soddisfa tutte le condizioni elencate, quindi il fattore topografico può essere preso come 1.0.

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-5

figura 5. Parametri necessari nel calcolo del fattore topografico, \({K}_{zt}\) (tavolo 26.8-1 dell'ASCE 7-10).

Nota: I fattori topografici possono essere calcolati automaticamente utilizzando Software SkyCiv Wind Design

Coefficiente di pressione di velocità, \({K}_{con}\)

Il coefficiente di pressione della velocità, \({K}_{con}\), può essere calcolato utilizzando la tabella 27.3-1 dell'ASCE 7-10. Questo parametro dipende dall'altezza dal livello del suolo del punto in cui viene considerata la pressione del vento, e la categoria di esposizione. inoltre, i valori mostrati nella tabella si basano sulla seguente formula:

Per 15 piedi < \({con}\) < \({con}_{g}\): \({K}_{con} = 2.01(con/{con}_{g})^{2/un'}\) (4)
Per \({con}\) < 15ft: \({K}_{con} = 2.01(15/{con}_{g})^{2/un'}\) (5)

Dove:

tavolo 3. Valori di e \({con}_{g}\) dal tavolo 26.9-1 dell'ASCE 7-10.

Esposizione un' \({con}_{g}\)(ft)
B 7 1200
C 9.5 900
D 11.5 700


Generalmente, coefficienti di pressione della velocità all'altezza media del tetto, \({K}_{h}\)
, e ad ogni livello del piano, \({K}_{giorno}\), sono i valori di cui avremmo bisogno per risolvere le pressioni del vento progettuali. Per questo esempio, poiché la pressione del vento sul lato sopravento è di natura parabolica, possiamo semplificare questo carico supponendo che venga applicata una pressione uniforme sulle pareti tra i livelli del pavimento.

La struttura dell'impianto ha tre (3) piani, quindi divideremo la pressione al vento in questi livelli. inoltre, poiché il tetto è un tetto a due falde, l'altezza media del tetto può essere calcolata come media della grondaia del tetto e dell'apice, che è 33 ft.

tavolo 4. Valori calcolati del coefficiente di pressione della velocità per ciascuna altezza di elevazione.

Elevazione (ft) \({K}_{con}\)
10 0.85
20 0.90
30 0.98
33 1.00 \({K}_{zh}\)

Pressione di velocità

Dall'equazione (3), possiamo risolvere per la pressione della velocità, \(q ) in PSF, ad ogni elevazione considerata.

tavolo 5. Valori calcolati della pressione di velocità ad ogni altezza di elevazione.

Elevazione (ft) \({K}_{con}\) \(q )(PSF) Osservazioni
10 0.85 26.63 1primo piano
20 0.90 28.20 2secondo piano
30 0.98 30.71 Gronda del tetto
33 1.00 31.33 Altezza media del tetto, \({q}_{h}\)

Gust Effect Factor, sol

Il fattore dell'effetto raffica, \(G ), è impostato per 0.85 poiché la struttura è considerata rigida (Sezione 26.9.1 dell'ASCE 7-10).

Classificazione del contenitore e coefficiente di pressione interna

Si presume che la struttura impiantistica presenti aperture che soddisfano la definizione di edificio parzialmente recintato in Sezione 26.2 dell'ASCE 7-10. così, il coefficiente di pressione interna, \(({GC}_{pi})\), deve essere +0.55 e -0.55 basato sulla tabella 26.11-1 dell'ASCE 7-10.

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-6

figura 6. Coefficiente di pressione interna, \(({GC}_{pi})\), a partire dal Tabella 26.11-1 di ASCE 7-10.

Coefficiente di pressione esterno, \({C}_{p}\)

Per edifici chiusi e parzialmente chiusi, il coefficiente di pressione esterna, \({C}_{p}\), viene calcolato utilizzando le informazioni fornite in Figura 27.4-1 attraverso la figura 27.4-3. Per un edificio parzialmente chiuso con tetto a due falde, usa la figura 27.4-1.

I coefficienti di pressione esterna per le pareti e il tetto sono calcolati separatamente utilizzando i parametri dell'edificio L, B, e h, che sono definiti nella Nota 7 di figura 27.4-1.

così, dobbiamo calcolare il LIBBRE e h / L:

Altezza media del tetto, h = 33′
Lunghezza dell'edificio, L = 64′
Larghezza dell'edificio, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317

Da questi valori, possiamo ottenere i coefficienti di pressione esterni, \({C}_{p}\), per ogni superficie utilizzando la tabella 27.4-1 dell'ASCE 7-10. Si noti che possiamo usare l'interpolazione lineare quando l'angolo del tetto, θ, LIBBRE, e h / L i valori sono tra quelli che sono nella tabella. Per il nostro esempio, i coefficienti di pressione esterna di ciascuna superficie sono riportati nelle tabelle 6 per 8.

tavolo 6. Coefficienti di pressione esterni calcolati per le superfici delle pareti.

Superficie \({C}_{p}\)
Parete sopravento 0.8
Muro sottovento -0.5
Parete laterale -0.7


tavolo 7. Coefficienti di pressione esterni calcolati per le superfici del tetto (carico del vento lungo L).

Coefficienti di pressione esterni per il tetto \({C}_{p}\) (lungo L)
h / L sopravvento Sottovento
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


tavolo 8. Coefficienti di pressione esterni calcolati per le superfici del tetto (carico del vento lungo B).

Coefficienti di pressione esterni per il tetto \({C}_{p}\) (lungo B)
h / B Posizione \({C}_{p}\)
0.317 0 per h -0.9
-0.18
h / 2 per h -0.9
-0.18
h per 2h -0.5
-0.18
>2h -0.3
-0.18


Coefficiente di pressione esterno con due valori, come mostrato nelle tabelle 7 e 8 deve essere controllato per entrambi i casi.

Progettare pressioni del vento per il sistema di resistenza al telaio principale del vento

Usando l'equazione (1), è possibile calcolare la pressione del vento di progetto. I risultati dei nostri calcoli sono mostrati nelle tabelle 8 e 9 sotto. Si noti che ci saranno quattro casi che agiscono sulla struttura poiché considereremo le pressioni risolte utilizzando \((+{GC}_{pi})\) e \((-{GC}_{pi})\) , e il \(+{C}_{p}\) e \(-{C}_{p}\) per tetto.

tavolo 9. Progettare la pressione del vento per le pareti.

Pressione di progettazione, \(p ), per pareti
Altezza del pavimento \({q}_{con}\), PSF sopravvento Sottovento Parete laterale
\((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\)
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)

(Risultati SkyCiv Wind Load)

tavolo 10. Progettare la pressione del vento per le superfici del tetto.

Progettare la pressione sul tetto, PSF (lungo L) Progettare la pressione sul tetto, PSF (lungo B)
Superficie \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) Posizione
(dal bordo sopravento)
\((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\)
sopravvento -40.87 (-40.87) -6.41 (-6.40) 0 per h / 2 -41.20(-41.20) 12.44(12.44)
-22.03 (-22.03) 12.44 (12.44) h / 2 per h -41.20(-41.20)
Sottovento -30.71 (-30.71) 3.76 (3.83) h per 2h -30.55(-30.55)
>2h -25.22(-25.22)

(Risultati SkyCiv Wind Load)

Per applicare queste pressioni alla struttura, considereremo un unico frame sulla struttura. Esempio di caso di applicazione 1 e 2 (per entrambi \(({GC}_{pi})\)) sono mostrati nelle figure 7 e 8. La direzione del vento mostrata nelle figure sopra è lungo, L, della costruzione.

Tieni presente che un segno positivo significa che la pressione agisce verso la superficie mentre un segno negativo è lontano dalla superficie. La lunghezza della baia è 26 piedi.

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-7

figura 7. Progettare la pressione del vento applicata su un telaio – \((+{GC}_{pi})\) e cassa di pressione massima assoluta sul tetto.

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figura 8. Progettare la pressione del vento applicata su un telaio – \((-{GC}_{pi})\) e cassa di pressione massima assoluta sul tetto.

SkyCiv semplifica questa procedura semplicemente definendo i parametri. Provare nostro Strumento vento gratuito SkyCiv

Progettare pressioni del vento per componenti e rivestimenti (C&C)

Componenti e rivestimenti sono definiti nel capitolo C26 dell'ASCE 7-10 come: "I componenti ricevono i carichi del vento direttamente o dal rivestimento e trasferiscono il carico al MWFRS" mentre "il rivestimento riceve i carichi del vento direttamente". Esempi di componenti includono “elementi di fissaggio, arcarecci, borchie, rivestimento del tetto, e capriate del tetto "e per il rivestimento sono" rivestimenti murali, tende da pareti, coperture del tetto, finestre esterne, eccetera."

Dal capitolo 30 dell'ASCE 7-10, la pressione di progetto per i componenti e il rivestimento deve essere calcolata usando l'equazione (30.4-1), mostrato sotto:

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

Dove:

\({q}_{h}\): pressione di velocità valutata all'altezza media del tetto, h (31.33 PSF)
\(({GC}_{pi}\)): coefficiente di pressione interna
\(({GC}_{p}\)): coefficiente di pressione esterno

Per questo esempio, \(({GC}_{p}\)) sarà trovato usando la Figura 30.4-1 per zona 4 e 5 (le mura), e Figura 30.4-2B per Zona 1-3 (il tetto). Nel nostro caso, la cifra corretta utilizzata dipende dalla pendenza del tetto, θ, che è 7 °< θ ≤ 27 °. \(({GC}_{p}\)) può essere determinato per una moltitudine di tipi di tetto rappresentati in Figura 30.4-1 attraverso la figura 30.4-7 e figura 27.4-3 nel capitolo 30 e capitolo 27 dell'ASCE 7-10, rispettivamente.

Calcoleremo solo le pressioni del vento progettuali per arcarecci e borchie a parete. Le zone per i componenti e le pressioni dei rivestimenti sono mostrate in Figura 9.

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-9, asce 7 10 carico del vento

figura 9. Posizione del C calcolato&Pressioni C..

La distanza un' dai bordi può essere calcolato come il minimo di 10% di dimensione orizzontale minima o 0.4h ma non meno di nessuno dei due 4% di dimensione orizzontale minima o 3 ft.

un' : 10% di 64ft = 6.4 ft > 3ft
0.4(33ft) = 13.2 ft 4% di 64ft = 2.56 ft
a = 6.4 ft

Borchie a muro (C&C Pressione della parete)

Sulla base della figura 30.4-1, il \(({GC}_{p}\)) può essere calcolato per zone 4 e 5 in base all'area del vento efficace. Si noti che la definizione di area del vento efficace nel capitolo C26 dell'ASCE 7-10 afferma che: “Per meglio approssimare l'effettiva distribuzione del carico in questi casi, la larghezza dell'area del vento efficace utilizzata per valutare \(({GC}_{p}\)) non è necessario che siano presi come meno di un terzo della lunghezza dell'area. " Quindi, l'area del vento efficace dovrebbe essere il massimo di:

Efficace area del vento = 10 piedi *(2ft) o 10 piedi *(10/3 ft) = 20 sq.ft. o 33.3 piedi quadrati.
Area del vento efficace = 33.3 piedi quadrati.

Il positivo e il negativo \(({GC}_{p}\)) per pareti può essere approssimato usando il grafico mostrato sotto, come parte della figura 30.4-1:

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-10

figura 10. approssimato \(({GC}_{p}\)) valori dalla Figura 30.4-1 dell'ASCE 7-10.

tavolo 11. Calcolato C&Pressioni C per montante a muro.

Zona \(+({GC}_{p}\)) \(-({GC}_{p}\)) C&C Pressioni, 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

purlins (C&C Pressione sul tetto)

Da 30,4 a 2 B., le effettive pressioni del vento per le zone 1, 2, e 3 può essere determinato. Poiché le capriate sono distanziate a 26 piedi, quindi, questa sarà la lunghezza dei purlins. L'area del vento efficace dovrebbe essere il massimo di:

Area del vento efficace = 26ft *(2ft) o 26 piedi *(26/3 ft) = 52 ft2 o 225.33 sq.ft.
Area del vento efficace = 225.33 sq.ft.

Il positivo e il negativo \(({GC}_{p}\)) per il tetto può essere approssimato usando il grafico mostrato sotto, come parte della Figura 30.4-2B:

esempio-wind-load-calcolo-Schermate-11

figura 11. \(({GC}_{p}\)) valori dalla Figura 30.4-2B dell'ASCE 7-10.

tavolo 12. Calcolato C&C pressioni per purlins.

Zona +(solCp) -(solCp) C&C Pressioni, PSF
+(solCpi) -(solCpi)
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

Questi calcoli possono essere eseguiti tutti utilizzando Software di caricamento del vento di SkyCiv per ASCE 7-10, 7-16, NEL 1991, NBBC 2015, e come 1170. Gli utenti possono entrare in una posizione del sito per ottenere velocità del vento e fattori topografici, inserire i parametri di costruzione e generare le pressioni del vento. Con un account professionale, gli utenti possono applicarlo automaticamente a un modello strutturale ed eseguire l'analisi strutturale in un unico software.

Altrimenti, provare nostro Strumento vento gratuito SkyCiv per il calcolo della velocità e della pressione del vento su strutture semplici.

Patrick Aylsworth Garcia Ingegnere strutturale, Sviluppo del prodotto
Patrick Aylsworth Garcia
Ingegnere strutturale, Sviluppo del prodotto
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Riferimenti:

  • Mehta, K. C., & Coulbourne, W. L. (2013, giugno). Carichi del vento: Guida alle disposizioni sul carico del vento di ASCE 7-10. American Society of Civil Engineers.
  • Carichi minimi di progettazione per edifici e altre strutture. (2013). ASCE/SEI 7-10. American Society of Civil Engineers.

 

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