由于風(fēng)可以從任意方向吹來, 內(nèi)部壓力系數(shù)應(yīng)根據(jù)最不利原則與外部壓力系數(shù)組合,從而得到風(fēng)荷載的控制工況。該規(guī)程通過“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”分別與外部壓力系數(shù)組合得到兩種工況: 工況I為鼓風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合; 工況II為吸風(fēng)效應(yīng)與外部壓力系數(shù)組合。
《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的“剛架的風(fēng)荷載體型系數(shù)”表 A.0.2-1中,橫向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況I,而縱向風(fēng)作用的部分選自其荷載工況II。理論上講結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兩種工況均應(yīng)考慮,并取用最不利工況下的荷載,通過比較我們發(fā)現(xiàn)一般情況下的最不利組合恰好就是輕鋼規(guī)程所推薦的那兩種組合。
需要注意的是MBMA規(guī)程規(guī)定:橫向風(fēng)作用時(shí),當(dāng)房屋端區(qū)寬度(既2Z)小于端柱距尺寸時(shí),端區(qū)比中區(qū)額外大出的那部分風(fēng)荷載可直接作用于端剛架,并不在端剛架與相鄰中間剛架之間進(jìn)行分配??紤]到端剛架剛度往往較中間剛架剛度大得多,所以這樣的做法是合理的。
由于在風(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移是一個(gè)關(guān)于使用功能方面(正常使用極限狀態(tài))的要求,而非強(qiáng)度或穩(wěn)定方面(承載力極限狀態(tài))的要求,因此手冊建議計(jì)算側(cè)移時(shí)采用一個(gè)較低的(10年)重現(xiàn)期的風(fēng)載,即0.75 p。實(shí)際上風(fēng)荷載作用下的剛架側(cè)移值遠(yuǎn)小于按普通方法分析得出的計(jì)算值,原因是分析中未考慮蒙皮效應(yīng),及工程鉸的抗彎剛度等因素。
1.3.4 附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(Components and Cladding)組合壓力系數(shù)的確定
附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)包含的構(gòu)件的種類較多,其組合壓力系數(shù)GCp分別在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有詳盡描述,在此不再重復(fù)講述,僅談幾個(gè)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題:
圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合壓力系數(shù)為有效受風(fēng)面積(Effective Wind Load Area)的函數(shù),并與其線形相關(guān)。有效受風(fēng)面積僅用于確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組合壓力系數(shù),與受荷面積是完全不同的兩個(gè)概念,設(shè)計(jì)中應(yīng)加以區(qū)分。
《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中給出的組合壓力系數(shù)均為屋面角£10°的情況,由于組合壓力系數(shù)對屋面角很敏感,因此對屋面角>10°的情況應(yīng)參考“手冊”相應(yīng)條件下的系數(shù)。
“手冊”允許當(dāng)屋面角£10°時(shí),墻面組合壓力系數(shù)減少10%。
當(dāng)構(gòu)件同時(shí)位于兩個(gè)分區(qū)時(shí),如端開間的檁條和墻梁,應(yīng)判斷采用邊區(qū)還是中區(qū)的系數(shù),“手冊”建議當(dāng)構(gòu)件超過一半的長度位于邊區(qū)內(nèi)時(shí),采用邊區(qū)系數(shù);反之則采用中區(qū)系數(shù)。
出屋面女兒墻組合壓力系數(shù)迎風(fēng)面為+1.3,背風(fēng)面為-1.3,這與國內(nèi)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定是相同的。
2.FM 的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)
FM(Factory Mutual Insurance Company)是美國“FM Global”的簡稱,它是世界上最主要的工商財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)組織之一,其前身最早可追述至1835年成立的“Manufacturers Mutual Fire Insurance Company”,1999年美國三家最大的“FM”保險(xiǎn)公司(Allendale Insurance, Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下屬科研機(jī)構(gòu)FMRC(Factory Mutual Research Corp.)發(fā)布的屋面系統(tǒng)抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)、抗風(fēng)測試及產(chǎn)品認(rèn)證在全世界得到廣泛的認(rèn)可,并在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面設(shè)計(jì)、制作、安裝過程中得到廣泛的借鑒和應(yīng)用,為眾多(被保險(xiǎn)或未被保險(xiǎn)的)企業(yè)避免或降低了風(fēng)災(zāi)損失。這其中許多內(nèi)容是值得國內(nèi)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作單位借鑒的。
FM風(fēng)荷載設(shè)計(jì)所要遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(FM Global Property Loss Prevention Date Sheets)主要有如下幾個(gè):
LPD 1-28 Design Wind Loads
LPD 1-31 Metal Roof System
LPD 1-54 Roof Loads for New Construction (gravity loads)
FM的風(fēng)荷載取值源自美國土建工程師協(xié)會(American Society of Civil Engineers)編纂的ASCE 7 – 98“Minimum Design Load for Buildings and Other structures. ”,(即《建筑結(jié)構(gòu)最小荷載規(guī)范》,它是美國主流荷載規(guī)范之一)。FMRC對其作了如下修正:
1.對所有建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載重要性系數(shù)均取為 I=1.15 ,其意義在于將風(fēng)速的重現(xiàn)期由50年調(diào)整為100年;
2.當(dāng)建筑位于地面粗糙度為A 類地區(qū)時(shí),地面粗糙度取為B 類;
3.對基本風(fēng)速大于等于120mph的有颶風(fēng)的海岸線,地面粗糙度取為C 類;
4.按10sf (約1m2)有效受風(fēng)面積確定屋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓(p)。
2.1 FM(ASCE 7 – 98)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓
設(shè)計(jì)風(fēng)壓表達(dá)式:p= qz [(G Cpf) -(G Cpi)]
p ---- 設(shè)計(jì)風(fēng)壓(psf);
qz ---- 速度風(fēng)壓(psf);
qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I
Kz ---- 地面粗糙度系數(shù);
Kzt ---- 地形條件修正系數(shù)(1.0);
Kd ---- 風(fēng)向系數(shù)(0.85);
I ---- 風(fēng)荷載重要性系數(shù)(1.15);
V ---- 基本風(fēng)速(Basic Wind Speed)指C 類場地10米高度處 3秒陣風(fēng)速度;
公式中的V(里程風(fēng)速)其物理意義又與MBMA 96 有所不同,其風(fēng)速測量時(shí)距為3秒,所以其風(fēng)速表達(dá)值較其它規(guī)范顯得偏大。國內(nèi)主要城市的3秒陣風(fēng)速度值,在LPD 1-28中已有規(guī)定,設(shè)計(jì)時(shí)僅依據(jù)城市名稱便可查出該值。
G Cpi為內(nèi)部壓力系數(shù),該規(guī)范規(guī)定:對封閉式建筑取為+0.18(鼓風(fēng)效應(yīng))和-0.18(吸風(fēng)效應(yīng));對辦封閉式建筑取為+0.55(鼓風(fēng)效應(yīng))和-0.55(吸風(fēng)效應(yīng))。
G Cpf為外部壓力系數(shù),外部壓力系數(shù)分為剛架(Main Wind Force Resisting System)的外部壓力系數(shù),和附件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(Components and Cladding)的外部壓力系數(shù)。分別見表-6和圖-3至圖-6。