由于风可以从任意方向吹来, 内部压力系数应根据最不利原则与外部压力系数组合,从而得到风荷载的控制工况。该规程通过“鼓风效应”和“吸风效应”分别与外部压力系数组合得到两种工况: 工况I为鼓风效应与外部压力系数组合; 工况II为吸风效应与外部压力系数组合。
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的“刚架的风荷载体型系数”表 A.0.2-1中,横向风作用的部分选自其荷载工况I,而纵向风作用的部分选自其荷载工况II。理论上讲结构设计中两种工况均应考虑,并取用最不利工况下的荷载,通过比较我们发现一般情况下的最不利组合恰好就是轻钢规程所推荐的那两种组合。
需要注意的是MBMA规程规定:横向风作用时,当房屋端区宽度(既2Z)小于端柱距尺寸时,端区比中区额外大出的那部分风荷载可直接作用于端刚架,并不在端刚架与相邻中间刚架之间进行分配。考虑到端刚架刚度往往较中间刚架刚度大得多,所以这样的做法是合理的。
由于在风荷载作用下的刚架侧移是一个关于使用功能方面(正常使用极限状态)的要求,而非强度或稳定方面(承载力极限状态)的要求,因此手册建议计算侧移时采用一个较低的(10年)重现期的风载,即0.75 p。实际上风荷载作用下的刚架侧移值远小于按普通方法分析得出的计算值,原因是分析中未考虑蒙皮效应,及工程铰的抗弯刚度等因素。
1.3.4 附件及围护结构(Components and Cladding)组合压力系数的确定
附件及围护结构包含的构件的种类较多,其组合压力系数GCp分别在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有详尽描述,在此不再重复讲述,仅谈几个设计中应注意的问题:
围护结构组合压力系数为有效受风面积(Effective Wind Load Area)的函数,并与其线形相关。有效受风面积仅用于确定围护结构的组合压力系数,与受荷面积是完全不同的两个概念,设计中应加以区分。
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中给出的组合压力系数均为屋面角£10°的情况,由于组合压力系数对屋面角很敏感,因此对屋面角>10°的情况应参考“手册”相应条件下的系数。
“手册”允许当屋面角£10°时,墙面组合压力系数减少10%。
当构件同时位于两个分区时,如端开间的檩条和墙梁,应判断采用边区还是中区的系数,“手册”建议当构件超过一半的长度位于边区内时,采用边区系数;反之则采用中区系数。
出屋面女儿墙组合压力系数迎风面为+1.3,背风面为-1.3,这与国内《建筑结构荷载规范》的规定是相同的。
2.FM 的风荷载设计
FM(Factory Mutual Insurance Company)是美国“FM Global”的简称,它是世界上最主要的工商财产保险组织之一,其前身最早可追述至1835年成立的“Manufacturers Mutual Fire Insurance Company”,1999年美国三家最大的“FM”保险公司(Allendale Insurance, Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下属科研机构FMRC(Factory Mutual Research Corp.)发布的屋面系统抗风标准、抗风测试及产品认证在全世界得到广泛的认可,并在轻钢结构厂房屋面设计、制作、安装过程中得到广泛的借鉴和应用,为众多(被保险或未被保险的)企业避免或降低了风灾损失。这其中许多内容是值得国内轻钢结构设计、制作单位借鉴的。
FM风荷载设计所要遵循的技术标准(FM Global Property Loss Prevention Date Sheets)主要有如下几个:
LPD 1-28 Design Wind Loads
LPD 1-31 Metal Roof System
LPD 1-54 Roof Loads for New Construction (gravity loads)
FM的风荷载取值源自美国土建工程师协会(American Society of Civil Engineers)编纂的ASCE 7 – 98“Minimum Design Load for Buildings and Other structures. ”,(即《建筑结构最小荷载规范》,它是美国主流荷载规范之一)。FMRC对其作了如下修正:
1.对所有建筑结构的风荷载重要性系数均取为 I=1.15 ,其意义在于将风速的重现期由50年调整为100年;
2.当建筑位于地面粗糙度为A 类地区时,地面粗糙度取为B 类;
3.对基本风速大于等于120mph的有飓风的海岸线,地面粗糙度取为C 类;
4.按10sf (约1m2)有效受风面积确定屋面系统的设计风压(p)。
2.1 FM(ASCE 7 – 98)的设计风压
设计风压表达式:p= qz [(G Cpf) -(G Cpi)]
p ---- 设计风压(psf);
qz ---- 速度风压(psf);
qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I
Kz ---- 地面粗糙度系数;
Kzt ---- 地形条件修正系数(1.0);
Kd ---- 风向系数(0.85);
I ---- 风荷载重要性系数(1.15);
V ---- 基本风速(Basic Wind Speed)指C 类场地10米高度处 3秒阵风速度;
公式中的V(里程风速)其物理意义又与MBMA 96 有所不同,其风速测量时距为3秒,所以其风速表达值较其它规范显得偏大。国内主要城市的3秒阵风速度值,在LPD 1-28中已有规定,设计时仅依据城市名称便可查出该值。
G Cpi为内部压力系数,该规范规定:对封闭式建筑取为+0.18(鼓风效应)和-0.18(吸风效应);对办封闭式建筑取为+0.55(鼓风效应)和-0.55(吸风效应)。
G Cpf为外部压力系数,外部压力系数分为刚架(Main Wind Force Resisting System)的外部压力系数,和附件及围护结构(Components and Cladding)的外部压力系数。分别见表-6和图-3至图-6。