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协会 7-10 风荷载计算实例

ASCE的一个完整的例子 7-10 风荷载计算

SkyCiv发布了 免费风荷载计算器 有几个代码参考,包括ASCE 7-10 风荷载程序. 在这个部分, 我们将演示如何计算风荷载, 通过使用下面的S3D仓库模型:

示例风负荷计算屏幕截图1

数字 1. 以SkyCiv S3D中的仓库模型为例.

示例风负荷计算屏幕截图2

数字 2. 地点坐标 (从Google地图).

桌子 1. 风能计算所需的建筑数据.

位置 科尔多瓦, 孟菲斯, 田纳西州
占用 各种各样的 – 厂房结构
地形 平坦的农田
方面 64 英尺× 104 ft in plan
屋檐高度 30 英尺
海拔高度. 36 英尺屋顶坡度 3:16 (10.62°)
有开孔
覆层 条间距为2英尺
墙钉间距为2英尺

在我们的ASCE中 7-10 风荷载示例, 设计大风压, 确定三层楼的工厂结构. 图. 1 显示建筑物的尺寸和框架. 建筑物数据见表 1.

尽管有许多软件已经将风荷载计算集成到其设计和分析中, 只有少数几个提供了此特定类型负载的详细计算. 用户将需要对该程序进行手动计算,以验证结果是否与从软件获得的结果相同.

确定设计风压的公式为:

对于封闭和部分封闭的建筑物:

\(p = qG{C}_{p} -{q}_{一世}({GC}_{pi})\) (1)

对于开放式建筑物:

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

在哪里:

\(G) =阵风影响因子
\({C}_{p}\) = 外部压力系数
\(({GC}_{pi})\)=内部压力系数
\(q) =速度压力, 在psf中, 由公式给出:

\(q = 0.00256{ķ}_{与}{ķ}_{t}{ķ}_{d}V^2) (3)

\(q) = \({q}_{H}\) 用于背风墙, 侧壁, 和屋顶,在屋顶平均高度评估, \(H)
\(q) = \({q}_{与}\) 用于迎风墙, 高处评估, \(z)
\({q}_{一世}\) = \({q}_{H}\) 负内压, \((-{GC}_{pi})\) 评估和 \({q}_{与}\) 用于积极的内压评估 \((+{GC}_{pi})\) 部分封闭的建筑物 但可以视为 \({q}_{H}\) 为了保守的价值.
\({ķ}_{与}\) =速度压力系数
\({ķ}_{t}\)=地形因子
\({ķ}_{d}\)=风向因子
\(V\) =基本风速(英里/小时)

我们将在下面深入探讨每个参数的详细信息. 此外, 我们将使用定向程序 (章节 30 ASCE的 7-10) 在解决设计风压方面.

风险类别

确定设计风压的第一件事是根据结构的使用或占用程度对结构的风险类别进行分类。. 对于这个例子, 因为这是工厂结构, 该结构分类为 第四类风险. 见表 1.5-1 ASCE的 7-10 有关风险类别分类的更多信息.

基本风速, \(V\)

ASCE 7-10 提供了一个风向图,可以从图26.5-1A至1C获得一个位置的相应基本风速. 占用类别在《国际建筑规范》中进行了定义和分类.

查看风向图时, 采用已定义的“风险或占用”类别中的最高类别编号. 在大多数情况下, 包括这个例子, 他们是一样的. 从图26.5-1B, 科尔多瓦, 孟菲斯, 田纳西州以某种方式靠近图上的红点 3 下面, 然后从那里, 基本风速, \(V\), 是 120 英里每小时. 请注意,对于其他位置, 您将需要在风等值线之间插入基本风速值.

示例风负荷计算屏幕截图3, 轴 7 10 风荷载

数字 3. 来自ASCE的基本风速图 7-10.

SkyCiv现在可以通过一些参数自动执行风速计算. 尝试 我们的 SkyCiv自由风工具

暴露类别

见章节 26.7 ASCE的 7-10 详细说明确定暴露类别的步骤.

根据所选的风向, 结构的暴露应从迎风45°扇区确定. 应采用的暴露量应为从上述方向产生最大风荷载的暴露量.

每种暴露类别的说明在第节中进行了详细说明 26.7.2 和 26.7.3 ASCE的 7-10. 为了更好地说明每种情况, 下表显示了每个类别的示例.

桌子 2. 根据暴露类别分类的区域示例 (ASCE第C26章 7-10).

接触
曝光B
  • 郊区住宅区,大部分为单户住宅 – 低层建筑, 少于 30 英尺高, 照片中央的位置被指定为曝光b,且该位置周围的表面粗糙度为B类地形,且距离大于 1500 ft在任何风向.
  • 市区内有许多紧密隔开的障碍物,其大小为单户住宅或更大 – 对于所示的所有结构, 代表表面粗糙度类别b的地形延伸到结构高度的20倍以上,或 2600 英尺, 以较大者为准, 在上风向. 前景中的结构位于曝光B中 – 照片中心顶部的结构,与左侧的空白处相邻, 大于大约 656 英尺长, 当风从空旷处的左侧来时,它们位于曝光c中.
曝光C
  • 平坦开阔的草地,障碍物分散,高度通常小于 30 英尺.
  • 具有分散障碍物的开放地形,其高度通常小于 30 ft适用于大多数风向, 所有1层结构的平均屋顶高度小于 30 照片中的ft小于 1500 英尺或结构高度的十倍, 以较大者为准, 从一个禁止使用曝光B的开放区域.
曝光D
  • 海岸线上的建筑物 (不包括飓风多发地区的海岸线) 风在开放水域上流动至少距离 1 英里. D处的海岸线包括内陆水道, 大湖, 和加利福尼亚的沿海地区, 俄勒冈州, 华盛顿州, 和阿拉斯加.


对于我们的例子, 因为该结构的位置在科尔多瓦的农田中, 孟菲斯, 田纳西州, 没有比这更高的建筑物 30 英尺, 因此该区域被分类为
曝光C. 确定曝光类别的有用工具是通过卫星图像查看您的潜在站点。 (以Google地图为例).

风向因子, \({ķ}_{d}\)

风向因素, \({ķ}_{d}\), 因为我们的结构都等于 0.85 由于该建筑物是主要的抗风系统,并且还具有与该结构相连的组件和覆层. 如表所示 26.6-1 ASCE的 7-10 如下图所示 4.

示例风负荷计算屏幕截图4

数字 4. 基于结构类型的风向因子 (桌子 26.6-1 ASCE的 7-10).

地形因素, \({ķ}_{t}\)

由于该结构的位置在平坦的农田中, 我们可以假设地形因素, \({ķ}_{t}\), 是 1.0. 除此以外, 这个因素可以用图来解决 26.8-1 ASCE的 7-10. 确定是否需要进一步计算地形因子, 见章节 26.8.1, 如果您的网站不符合列出的所有条件, 那么地形因子可以看作是 1.0.

示例风负荷计算屏幕截图5

数字 5. 计算地形因子所需的参数, \({ķ}_{t}\) (桌子 26.8-1 ASCE的 7-10).

注意: 地形因子可以使用 SkyCiv风设计软件

速度压力系数, \({ķ}_{与}\)

速度压力系数, \({ķ}_{与}\), 可以用表来计算 27.3-1 ASCE的 7-10. 此参数取决于考虑风压的点的高于地面的高度, 和曝光类别. 此外, 表中显示的值基于以下公式:

15英尺 < \({与}\) < \({与}_{G}\): \({ķ}_{与} = 2.01(和/{与}_{G})^{2/一种}\) (4)
对于 \({与}\) < 15英尺: \({ķ}_{与} = 2.01(15/{与}_{G})^{2/一种}\) (5)

在哪里:

桌子 3. 的价值 和 \({与}_{G}\) 从表 26.9-1 ASCE的 7-10.

接触 一种 \({与}_{G}\)(英尺)
7 1200
C 9.5 900
d 11.5 700


通常, 平均车顶高度处的速度压力系数, \({ķ}_{H}\)
, 在每个楼层, \({ķ}_{日}\), 是解决设计风压所需的值. 对于这个例子, 因为上风侧的风压本质上是抛物线形的, 我们可以通过假设在地板之间的墙壁上施加均匀的压力来简化此负载.

工厂结构有三个 (3) 地板, 所以我们将迎风压力划分为这些水平. 此外, 因为屋顶是山墙式的屋顶, 屋顶平均高度可以取为屋檐和顶点高程的平均值, 这是 33 英尺.

桌子 4. 每个海拔高度的速度压力系数的计算值.

海拔 (英尺) \({ķ}_{与}\)
10 0.85
20 0.90
30 0.98
33 1.00 \({ķ}_{zh}\)

速度压力

从方程式 (3), 我们可以解决速度压力, \(q) 在PSF中, 在考虑的每个海拔高度.

桌子 5. 每个高程高度的速度压力计算值.

海拔 (英尺) \({ķ}_{与}\) \(q)(psf) 评论
10 0.85 26.63 1楼
20 0.90 28.20 2二楼
30 0.98 30.71 屋檐
33 1.00 31.33 屋顶平均高度, \({q}_{H}\)

阵风影响因子, G

阵风影响因素, \(G), 设定为 0.85 因为假定该结构是刚性的 (部分 26.9.1 ASCE的 7-10).

外壳分类和内压系数

假定工厂结构的开口满足本节中部分封闭式建筑物的定义 26.2 ASCE的 7-10. 从而, 内部压力系数, \(({GC}_{pi})\), 应该 +0.55 和 -0.55 基于表 26.11-1 ASCE的 7-10.

示例风负荷计算屏幕截图6

数字 6. 内压系数, \(({GC}_{pi})\), 从 表26.11-1的ASCE 7-10.

外压系数, \({C}_{p}\)

对于封闭和部分封闭的建筑物, 外部压力系数, \({C}_{p}\), 使用图中提供的信息计算 27.4-1 通过图 27.4-3. 对于带有山墙屋顶的部分封闭建筑, 使用图 27.4-1.

使用建筑物参数L分别计算墙壁和屋顶的外部压力系数, 乙, 和h, 注意中定义的 7 图 27.4-1.

从而, 我们需要计算 升/升:

屋顶平均高度, h = 33′
建筑长度, L = 64′
建筑宽度, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317

从这些值, 我们可以得到外部压力系数, \({C}_{p}\), 使用表的每个表面 27.4-1 ASCE的 7-10. 注意屋顶角度时我们可以使用线性插值, θ, , 和 升/升 值介于表中的值之间. 对于我们的例子, 表中显示了每个表面的外部压力系数 6 至 8.

桌子 6. 计算得出的墙面外部压力系数.

表面 \({C}_{p}\)
迎风墙 0.8
背风墙 -0.5
侧墙 -0.7


桌子 7. 计算的屋顶表面外部压力系数 (沿L的风荷载).

屋顶的外部压力系数 \({C}_{p}\) (沿着L)
升/升 迎风 背风
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


桌子 8. 计算的屋顶表面外部压力系数 (沿B的风荷载).

屋顶的外部压力系数 \({C}_{p}\) (沿B)
高/低 位置 \({C}_{p}\)
0.317 0 至 H -0.9
-0.18
h / 2H -0.9
-0.18
H2H -0.5
-0.18
>2H -0.3
-0.18


外部压力系数具有两个值,如表中所示 7 和 8 两种情况均应检查.

主抗风框架系统的设计风压

使用方程式 (1), 可以计算出设计风压. 表中显示了我们的计算结果 8 和 9 下面. 请注意,将有四种情况作用于结构,因为我们将考虑使用以下方法解决的压力 \((+{GC}_{pi})\) 和 \((-{GC}_{pi})\) , 和 \(+{C}_{p}\) 和 \(-{C}_{p}\) 用于屋顶.

桌子 9. 墙面设计风压.

设计压力, \(p ), 墙壁
楼层高度 \({q}_{与}\), psf 迎风 背风 侧墙
\((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\)
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风荷载结果)

桌子 10. 屋顶表面的设计风压.

设计顶板压力, psf (沿着L) 设计顶板压力, psf (沿B)
表面 \((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\) 位置
(从迎风的边缘)
\((+{GC}_{pi})\) \((-{GC}_{pi})\)
迎风 -40.87 (-40.87) -6.41 (-6.40) 0 至 h / 2 -41.20(-41.20) 12.44(12.44)
-22.03 (-22.03) 12.44 (12.44) h / 2H -41.20(-41.20)
背风 -30.71 (-30.71) 3.76 (3.83) H2H -30.55(-30.55)
>2H -25.22(-25.22)

(SkyCiv风荷载结果)

将这些压力施加到结构上, 我们将考虑结构上的单个框架. 申请案例样本 1 和 2 (对彼此而言 \(({GC}_{pi})\)) 如图所示 7 和 8. 上图中所示的风向沿长度方向, 大号, 建筑的.

请注意,正号表示压力作用于表面,而负号则远离表面. 托架长度为 26 脚.

示例风负荷计算屏幕截图7

数字 7. 一框设计风压 – \((+{GC}_{pi})\) 和绝对最大屋顶压力情况.

示例风负荷计算屏幕截图8

数字 8. 一框设计风压 – \((-{GC}_{pi})\) 和绝对最大屋顶压力情况.

SkyCiv只需定义参数即可简化此过程. 尝试 我们的 SkyCiv自由风工具

组件和覆层的设计风压 (C&C)

组件和覆层在ASCE的C26章中定义 7-10 作为: “组件直接或从包层接收风荷载并将荷载传递到MWFRS”,而“包层直接接收风荷载。” 组件的示例包括“紧固件”, 条, 螺柱, 屋顶板, 和屋顶桁架”和“用于壁板”是“墙面材料”, 幕墙, 屋顶覆盖物, 外窗, 等等。”

从章节 30 ASCE的 7-10, 零部件和覆层的设计压力应使用以下公式计算 (30.4-1), 如下图所示:

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

在哪里:

\({q}_{H}\): 在平均屋顶高度处评估的速度压力, H (31.33 psf)
\(({GC}_{pi}\)): 内压系数
\(({GC}_{p}\)): 外部压力系数

对于这个例子, \(({GC}_{p}\)) 将使用图找到 30.4-1 用于区域 4 和 5 (墙壁), 图30.4-2B(区域) 1-3 (屋顶). 就我们而言, 使用的正确数字取决于屋顶坡度, θ, 那是7°< θ≤27°. \(({GC}_{p}\)) 可以针对图中所示的多种屋顶类型进行确定 30.4-1 通过图 30.4-7 和图 27.4-3 在本章中 30 和章 27 ASCE的 7-10, 分别.

我们将只计算pur条和墙钉的设计风压. 图中显示了组件和包层压力的区域 9.

示例风负荷计算屏幕截图9, 轴 7 10 风荷载

数字 9. 计算出的C的位置&C压力.

距离 一个 从边缘可以计算为最小值 10% 最小水平尺寸或 0.4H 但不少于 4% 最小水平尺寸或 3 英尺.

一个 : 10% 64英尺= 6.4 英尺 > 3英尺
0.4(33英尺) = 13.2 英尺 4% 64英尺= 2.56 英尺
a = 6.4 英尺

墙钉 (C&C壁压力)

基于图 30.4-1, 的 \(({GC}_{p}\)) 可以计算区域 4 和 5 根据有效风面积. 请注意,ASCE C26章中有效风区的定义 7-10 指出: “在这种情况下,为了更好地估算实际的负载分布, 用于评估的有效风区的宽度 \(({GC}_{p}\)) 不必小于面积的三分之一。”因此, 有效风面积应为最大:

有效风面积= 10英尺*(2英尺) 或10英尺*(10/3 英尺) = 20 平方尺. 要么 33.3 平方尺.
有效风面积= 33.3 平方尺.

正面和负面 \(({GC}_{p}\)) 墙壁 可以使用下图来近似, 作为图的一部分 30.4-1:

示例风荷载计算屏幕截图10

数字 10. 近似值 \(({GC}_{p}\)) 图中的值 30.4-1 ASCE的 7-10.

桌子 11. 计算的C&墙钉的C压力.

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

lin条 (C&C屋顶压力)

从30.4-2B, 区域的有效风压 1, 2, 和 3 可以确定. 由于桁架的间距为26英尺, 因此, 这将是pur条的长度. 有效风面积应为最大:

有效风面积= 26ft *(2英尺) 或26英尺*(26/3 英尺) = 52 英尺2 要么 225.33 平方尺.
有效风面积= 225.33 平方尺.

正面和负面 \(({GC}_{p}\)) 用于屋顶 可以使用下图来近似, 作为图30.4-2B的一部分:

example-风荷载计算屏幕截图11

数字 11. \(({GC}_{p}\)) 来自ASCE图30.4-2B的值 7-10.

桌子 12. 计算的C&pur条的C压力.

+(GCp) -(GCp) C&C压力, 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

这些计算都可以使用 SkyCiv的风荷载软件 对于ASCE 7-10, 7-16, 在 1991, 全国广播公司 2015, 并作为 1170. 用户可以输入站点位置以获取风速和地形因子, 输入建筑参数并生成风压. 拥有专业账户, 用户可以将其自动应用于结构模型并在一个软件中运行结构分析.

除此以外, 尝试 我们的 SkyCiv自由风工具 用于简单结构上的风速和风压计算.

Patrick Aylsworth Garcia 结构工程师, 产品开发
帕特里克·艾尔斯沃斯·加西亚
结构工程师, 产品开发
土木工程硕士
领英

参考资料:

  • 梅塔, ķ. C。, & 库尔伯恩, w ^. 大号. (2013, 六月). 风荷载: ASCE风荷载规定指南 7-10. 美国土木工程师学会.
  • 建筑物和其他结构的最低设计负荷. (2013). 轴/六 7-10. 美国土木工程师学会.

 

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