Charges de vent sur les toitures en dôme circulaires selon l'ASCE 7-22

Détermination des charges de vent selon l'ASCE 7-22

Table 29.1-2 in ASCE 7-22 [1] outlines the necessary steps to determining the wind loads on a circular tank structure according to the Main Wind Force Resisting System (MWFRS).

Step 1

The Risk Category is determined from Table 1.5-1 [1] based on the use or occupancy of the building. Les structures en forme de dôme peuvent être utilisées comme entrepôts, ce qui présente un risque relativement faible pour la vie humaine. D'un autre côté, les dômes sont également utilisés pour le calcul des stades de sports, qui peuvent avoir un impact extrêmement élevé sur la vie humaine en cas de rupture.

Step 2

After determining the Risk Category from Step 1, the Basic Wind Speed (V) can be found in Figs. 26.5-1 and 26.5-2 [1]. Ces figures affichent les cartes de la vitesse de rafales aux États-Unis, qui varient selon l'emplacement et la catégorie de risque de la structure. Une interpolation linéaire est permise entre les lignes de contour données.

Step 3

Cette étape requiert plusieurs paramètres de charge de vent qui influencent en fin de compte la pression de la charge de vent.

The Wind Directionality Factor (K_d) from Table 26.6-1 [1] is given as 1.0 for circular domes and round tanks.

La catégorie d'exposition est définie en fonction de la topographie, de la végétation et d'autres structures du côté d'exposition au vent, en considérant deux directions du vent. Plus la catégorie d'exposition est élevée (c'est-à-dire la catégorie D), plus la structure peut être exposée.

Le facteur de topographie (K_zt) considère la vitesse du vent sur les collines, les faîtages et les escarpements. This value is calculated in Equation 26.8-1 [1] using the factors K₁, K₂, and K₃ given in Figure 26.8-1 [1].

K_zt = (1 + K₁K₂K₃)²

The K factors from Figure 26.8-1 [1] depend on the terrain such as hill height (H), distance from the crest to the site of the building (x), height above the ground surface (z), and so on.

Table 26.9-1 [1] gives the Ground Elevation Factor (K_e) based on the structure's elevation above sea level. Ce facteur peut également être considéré de manière conservatrice à 1,0 pour toutes les élévations.

The Enclosure Classification can be determined in Section 26.2 [1]. Les ouvertures dans la structure peuvent avoir une influence sur cette classification. Dans de nombreux cas de locaux de stockage, la classification de revêtement est considérée comme « fermée ». Pour les stades de sport, cela peut dépendre des ouvertures dans les murs de la structure, de la toiture escamotable, etc.

Depending on the Enclosure Classification, the Internal Pressure Coefficient (GC_pi) as both a positive and a negative value to account for pressure acting toward and away from the internal surfaces can be found in Table 26.13-1 [1].

The Gust-Effect Factor (G) depends on the structure's stiffness definition as rigid or flexible from Section 26.2 [1]. La fréquence propre fondamentale joue un rôle important dans la détermination de cette classification. Le module complémentaire Analyse modale de RFEM 6 peut être utilisé pour trouver la fréquence propre fondamentale de la structure. Section 26.11 [1] gives the relevant formulas to calculate G for rigid or flexible structures. Autrement, la valeur 0,85 ne peut être utilisée que pour les structures rigides.

Step 4

The Velocity Pressure Exposure Coefficient (K_z) can be found in Table 26.10-1 [1] based on the Exposure Category. Deux valeurs K_z doivent être déterminées à partir de la hauteur moyenne de la paroi du dôme et de la hauteur moyenne de la toiture du dôme. L'interpolation linéaire peut être utilisée pour les valeurs de hauteur intermédiaire.

Step 5

The Velocity Pressure (q_h) is determined from Equation 26.10-1 [1].

q_h = 0.00256K_zK_ztK_eV²

Toutes les variables de cette équation ont été déterminées dans les étapes précédentes. Deux valeurs q_h doivent être calculées pour être utilisées dans une étape ultérieure. Le premier sera q_h à la hauteur du centre de gravité du mur et le second à partir de la hauteur moyenne de la toiture en forme de dôme, qui dépend des valeurs K_z de l'étape 4. The subscript notation q_h vs. q_z is used interchangeably in Equation 26.10-1 [1] depending on the velocity pressure evaluated for walls versus the roof, respectively.

Step 6

The Force Coefficient (C_f) for walls of an isolated dome in Section 29.4.2.1 [1] can be set to 0.63, where h_c/D is in the range of 0.25 to 4.0 with h_c = solid cylinder height and D = diameter. C_f for walls of grouped domes is calculated on the basis of Figure 29.4-6 [1].

Step 7

The External Pressure Coefficient (C_p) for a dome roof with a roof angle greater than 10° is determined in Figure 27.3-2 [1]. Based on the dimensions for the dome rise, height to the base of the dome, and diameter, three C_p values will be determined from this figure for locations A, B, and C specific to the structure (Image 01).

1 Coefficients de pression extérieure Cp pour toiture en forme de dôme à base circulaire

Deux cas de charge de vent doivent être considérés le long du périmètre et à la hauteur à l'aide de ces différentes valeurs de C_p :

Cas A : Les valeurs de C_p entre A et B et entre B et C doivent être déterminées par une interpolation linéaire le long des arcs du dôme parallèles à la direction du vent.

Cas B : C_p doit être la valeur constante de A pour θ ≤ 25° et doit être déterminée par une interpolation linéaire de 25° à B et de B à C.

Step 8

The Wind Force (F) for walls is calculated in Equation 29.4-1 [1].

F = q_zK_dGC_fA_f

La force du vent (F) peut à son tour être divisée par l'aire projetée perpendiculaire au vent (A_f) afin de trouver dans RFEM la pression sur le mur à appliquer comme charge surfacique. Veuillez noter que q_z est la pression dynamique calculée précédemment à l'étape 5, mais qu'elle est utilisée avec un autre indice, car ils sont tous deux utilisés de manière interchangeable et évalués au centre de gravité de A_f (la hauteur moyenne d'une paroi).

The Design Pressure (p) for both an isolated and grouped dome roof is found with Equation 29.4-4 [1].

p = q_hK_d(GC_p - GC_pi)

La valeur q_h de l'étape 5 est évaluée à la hauteur moyenne de la toiture en forme de dôme. G et GC_pi sont déterminés à l'étape 3, tandis que plusieurs valeurs de C_p pour une toiture en forme de dôme > 10 ° sont trouvées à l'étape 7.

Application de la pression sur un voile dans RFEM

La pression du vent est déterminée à partir de l'étape 8 de la séquence ci-dessus. La pression du vent doit être appliquée à la zone projetée perpendiculairement au vent, dans la direction du vent comme sous le vent. Cette charge de surface projetée peut être facilement appliquée sur la face des parois du dôme dans la section « Insérer » → « Charges » → « Charges surfaciques ». In the corresponding dialog box, you can select the wall surfaces first and define the projection direction (Image 02).

2 Boîte de dialogue Charge de surface dans la direction projetée

To visually check the applied loads, select the "Distribution of loads" check box in the Results navigator (see Image 03) after running the analysis. Une seul itération du calcul suffit pour le cas de charge correspondant. Cela peut faire gagner un temps considérable au lieu de résoudre tous les cas de charge et toutes les combinaisons de charges pour les grandes structures avec un maillage EF fin. La précision de la distribution de charge dépend du maillage EF. Plus le maillage EF est petit, plus la grandeur de distribution de charge sera précise et exacte.

3 Répartition de charge le long des parois de contour

Application de la pression sur une toiture en forme de dôme dans RFEM

Comme expliqué dans l'étape 7 ci-dessus, la Figure 27.3-2 dans l'ASCE 7-22 spécifie les coefficients de pression externe pour les dômes à base circulaire. Note 4 in Figure 27.3-2 [1] indicates the external pressure coefficients are constant along any plane perpendicular to the wind direction. Figure 27.3-2 [1] mentioned in Step 7 displays the external pressure coefficients to be applied to three areas along the dome roof (A, B, and C). Two load cases shall be considered as further specified in Figure 27.3-2 Note 1 [1]. Dans les deux cas, les emplacements entre les points A, B et C doivent être déterminés par une interpolation linéaire.

The external pressure coefficient has a value of -0.4 for Point A, -1.1 for Point B, and -0.4 for Point C (see Image 01). According to Equation 29.4-4 [1] and Step 8 above, the wind pressure results are -12.79 psf / -3.94 psf for Point A, -27.43 psf / -18.573 psf for Point B, and -12.79 psf / -3.94 psf for Point C for a +GC_pi and -GC_pi, respectively.

Ces charges peuvent être facilement définies dans RFEM avec des charges rectangulaires libres qui peuvent être générées dans le menu « Insérer » → « Charges » → « Charges rectangulaires libres ». Outre la définition du plan de projection et de la direction de charge, vous pouvez considérer une fonction linéaire pour la distribution de charge qui couvre l'interpolation entre les différents points (A, B et C). Deux charges rectangulaires libres sont créées. One is designated for areas A to B (Image 04), the second for areas B to C (Image 05).

4 Boîte de dialogue pour une charge rectangulaire libre (zones A à B)

5 Boîte de dialogue pour une charge rectangulaire libre (zones B à C)

La fonction de distribution de charge mentionnée précédemment dans le navigateur de Résultats permet d'afficher la charge de vent appliquée sur la toiture en forme de dôme. For a clear look at the load effect along a single cut line of the roof, you can optionally create a Result section (Image 06).

6 Répartition de charge sur un dôme avec coupe de résultats

Base de connaissance

KB 001858 | Charges de vent sur les toitures en dôme circulaires selon l'ASCE 7-22