由于風可以從任意方向吹來, 內部壓力系數應根據最不利原則與外部壓力系數組合,從而得到風荷載的控制工況。該規程通過“鼓風效應”和“吸風效應”分別與外部壓力系數組合得到兩種工況: 工況I為鼓風效應與外部壓力系數組合; 工況II為吸風效應與外部壓力系數組合。
《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的“剛架的風荷載體型系數”表 A.0.2-1中,橫向風作用的部分選自其荷載工況I,而縱向風作用的部分選自其荷載工況II。理論上講結構設計中兩種工況均應考慮,并取用最不利工況下的荷載,通過比較我們發現一般情況下的最不利組合恰好就是輕鋼規程所推薦的那兩種組合。
需要注意的是MBMA規程規定:橫向風作用時,當房屋端區寬度(既2Z)小于端柱距尺寸時,端區比中區額外大出的那部分風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行分配。考慮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。
由于在風荷載作用下的剛架側移是一個關于使用功能方面(正常使用極限狀態)的要求,而非強度或穩定方面(承載力極限狀態)的要求,因此手冊建議計算側移時采用一個較低的(10年)重現期的風載,即0.75 p。實際上風荷載作用下的剛架側移值遠小于按普通方法分析得出的計算值,原因是分析中未考慮蒙皮效應,及工程鉸的抗彎剛度等因素。
1.3.4 附件及圍護結構(Components and Cladding)組合壓力系數的確定
附件及圍護結構包含的構件的種類較多,其組合壓力系數GCp分別在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》表 A.0.2-2~表A.0.2-5中已有詳盡描述,在此不再重復講述,僅談幾個設計中應注意的問題:
圍護結構組合壓力系數為有效受風面積(Effective Wind Load Area)的函數,并與其線形相關。有效受風面積僅用于確定圍護結構的組合壓力系數,與受荷面積是完全不同的兩個概念,設計中應加以區分。
《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中給出的組合壓力系數均為屋面角£10°的情況,由于組合壓力系數對屋面角很敏感,因此對屋面角>10°的情況應參考“手冊”相應條件下的系數。
“手冊”允許當屋面角£10°時,墻面組合壓力系數減少10%。
當構件同時位于兩個分區時,如端開間的檁條和墻梁,應判斷采用邊區還是中區的系數,“手冊”建議當構件超過一半的長度位于邊區內時,采用邊區系數;反之則采用中區系數。
出屋面女兒墻組合壓力系數迎風面為+1.3,背風面為-1.3,這與國內《建筑結構荷載規范》的規定是相同的。
2.FM 的風荷載設計
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產保險組織之一,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”保險公司(Allendale Insurance, Arkwright and Protection Mutual Insurance)合并成立“FM Global”。其下屬科研機構FMRC(Factory Mutual Research Corp.)發布的屋面系統抗風標準、抗風測試及產品認證在全世界得到廣泛的認可,并在輕鋼結構廠房屋面設計、制作、安裝過程中得到廣泛的借鑒和應用,為眾多(被保險或未被保險的)企業避免或降低了風災損失。這其中許多內容是值得國內輕鋼結構設計、制作單位借鑒的。
FM風荷載設計所要遵循的技術標準(FM Global Property Loss Prevention Date Sheets)主要有如下幾個:
LPD 1-28 Design Wind Loads
LPD 1-31 Metal Roof System
LPD 1-54 Roof Loads for New Construction (gravity loads)
FM的風荷載取值源自美國土建工程師協會(American Society of Civil Engineers)編纂的ASCE 7 – 98“Minimum Design Load for Buildings and Other structures. ”,(即《建筑結構最小荷載規范》,它是美國主流荷載規范之一)。FMRC對其作了如下修正:
1.對所有建筑結構的風荷載重要性系數均取為 I=1.15 ,其意義在于將風速的重現期由50年調整為100年;
2.當建筑位于地面粗糙度為A 類地區時,地面粗糙度取為B 類;
3.對基本風速大于等于120mph的有颶風的海岸線,地面粗糙度取為C 類;
4.按10sf (約1m2)有效受風面積確定屋面系統的設計風壓(p)。
2.1 FM(ASCE 7 – 98)的設計風壓
設計風壓表達式:p= qz [(G Cpf) -(G Cpi)]
p ---- 設計風壓(psf);
qz ---- 速度風壓(psf);
qz=0.00256Kz Kzt Kd V² I
Kz ---- 地面粗糙度系數;
Kzt ---- 地形條件修正系數(1.0);
Kd ---- 風向系數(0.85);
I ---- 風荷載重要性系數(1.15);
V ---- 基本風速(Basic Wind Speed)指C 類場地10米高度處 3秒陣風速度;
公式中的V(里程風速)其物理意義又與MBMA 96 有所不同,其風速測量時距為3秒,所以其風速表達值較其它規范顯得偏大。國內主要城市的3秒陣風速度值,在LPD 1-28中已有規定,設計時僅依據城市名稱便可查出該值。
G Cpi為內部壓力系數,該規范規定:對封閉式建筑取為+0.18(鼓風效應)和-0.18(吸風效應);對辦封閉式建筑取為+0.55(鼓風效應)和-0.55(吸風效應)。
G Cpf為外部壓力系數,外部壓力系數分為剛架(Main Wind Force Resisting System)的外部壓力系數,和附件及圍護結構(Components and Cladding)的外部壓力系數。分別見表-6和圖-3至圖-6。