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2设计风速的估算
——迈克尔bull;卡斯帕斯基
摘要 设计风速规范的现代方法是有利于直接呈现风速设计值的显示格式，而不是隐藏了特征风速乘积和部分因子后面的值的格式。这种方法在地理条件变化很大的情况下可以提高可靠性，避免对具有不利非线性特征的系统进行低估。因此一些领先的规范采用了这一概念。本章将介绍考虑建筑和结构的六个重要性等级，参照设计工作寿命时，极限状态下设计风速超越概率的暂定目标值。此外，暂定目标值是参照一年的适用性极限状态给出的。对于实际应用，讨论了有关数据的质量检查，和考虑适当合奏样本以及适当置信区间时设计值的估算方法，由于统计不确定性甚至在几十年的观测中仍然很大，因此提出了一种新方法，其得出的设计风速的值一致。另外，关于方向性的复杂话题是以强前锋洼地诱发的风暴为例。
关键词 最佳估算bull;设计风速bull;设计工作寿命bull;方向性bull;结构课
2.1简介
2.1.1术语
狭义上的设计风速是指用于评估结构在极限状态下的抗风能力的设计风速。 加上空气动力系数的设计值和设计风速的空气密度得出设计风载确定值的公式如下：
（2.1）
：设计风载;：风速的设计值;：空气动力系数的设计值; rho;：空气密度
作为显示格式公式的公式（2.1），即设计值的直接规范，起源于地震工程学，并于1989年在澳大利亚标准（AS 1170）中首次被风力工程采用。它已于2009年最近修订的ISO文件（ISO 4354 2009）中采用，它在ASCE（ASCE SEI 7 10）中实际使用，当然仍被最新的澳大利亚/新西兰标准（AS / NZS 1170）采用。作为传统的隐藏特征值和相应部分因子的产品背后的设计价值格式的替代方法，显式格式有两个优点：在地理条件变化很大的情况下，它可以提高可靠性,一致性，避免低估如出现不利的非线性特征的系统的情况时，结构的沿风响应的谐振部分的增长与的联系比更大等。此外，它满足了对明了的基本要求，并且允许设计工程师在研究非常罕见的事件时确定风阻设计，这些事件在建筑物和结构的预期使用寿命中不太可能发生，该事件被用作指定适当目标值的参考周期的设计事件的超越概率。
广义上的设计风速还包括用于分析不同使用极限状态的那些风速值。基本上，还有区分可逆和不可逆极限状态的标准。通常使用一年为参考时间。
至少在ULS设计风速的规范中，需要更多的外推。然后，必须考虑两类不确定性：由于观测的密集集合而出现的统计不确定性，以及由于对过程知识了解不充分而导致的不确定性。长期趋势可能是由气候变化引起的。
事实上，不确定性可能导致对真实设计价值的高估或低估。虽然高估可能导致使用不必要的昂贵结构，但低估可能会导致结构的可靠性低于预期。可以通过引入适当的单侧置信区间来避免后一种情况，即错误估计设计风速的过低值的概率被限制在可接受的小概率内。这
------------------
迈克尔bull;卡斯帕斯基
鲁尔大学波鸿分校土木与环境工程科学系，
德国，波鸿44780
电子邮件：michael.kasperski@rub.de
Y. Tamura和A. Kareem（编），先进的结构风力工程，
DOI 10.1007 / 978-4-431-54337-4_2，copy; Springer Japan 2013
个错误概率是对置信度的补充。在结构工程中，测试估算电阻的设计值时通常应用75％的置信度（EN 1990）。当估计设计值的时候，可以采用相同的置信度目标。
2.1.2基本可靠性要求
基本的可靠性要求可以参照一年或参照预计或设计的工作年限，即工期进行规定选取，该寿命是结构预期执行其所需功能的时间段。 后一种方法允许基于构建环境更经济的设计。典型的设计工作寿命为临时建筑物1 - 5年，工业建筑物和建筑物10 - 40年，住宅建筑物和建筑物60 - 80年，桥梁100-150年。今天的大部分数据都不允许考虑设计结构的使用时间作为一个明确的设计变量; 相反，他们经常考虑隐含一般为50年的价值，并将设计事件与单一年相关联。
基本上，参照设计工作寿命的目标值可以转化为相应的年超标概率如下：
（2.2）
：设计使用寿命中的超标概率;：每年超标可能性; L：设计几年的工作年限。
将结构以失败后对生命，经济和社会的危害不同来分类是合理的。 在现代标准如ISO 22111-2007：结构设计基础 - 通用要求（ISO 22111 2007）的基础上，可以区分以下类别：
0对生命没有危害的结构，例如 免费的太阳能公园
1对生命和其他性质具有低度危害的结构，例如 没有固定人员占用的农业建筑物或没有公共通道的商业温室
2对生命构成普通程度危害的结构，例如 办公楼，商业大厦，住宅楼，工厂
3整体包含人群中的人的建筑物，例如 高层建筑，体育场和音乐会
大厅
4具有特殊灾后功能的建筑物或建筑物，例如 医院，学校，桥梁和输电线路
5在极端风暴事件期间为人们提供庇护的建筑物，例如飓风或龙卷风庇护所
在以下设计工作寿命中设计风载荷的结构安全超越概率的目标值规定如下（表2.1）。 对于可维护性限制状态，相应的目标值参考1年的寿命。
设计工作寿命对最终极限状态设计风速年超越概率的影响在表2.2中列出
表2.1最终极限状态（参考周期：设计工作寿命）和适用极限状态（参考周期：1年）的设计风荷载超出概率的暂定目标值
|
结构类别 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
最终极限状态超出概率 |
0.4 |
0.2 |
0.1 |
0.05 |
0.025 |
0.005 |
|
适用极限状态超出概率 |
0.2 |
0.1 |
0.05 |
0.02 |
0.01 |
0.002 |
表2.2设计工作寿命对最终极限状态下设计风荷载超越概率的影响
|
时间（年） |
结构类别 |
|||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
1 |
1/2.5 |
1/5 |
1/10 |
1/20 |
1/40 |
1/200 |
|
2 |
1/4.5 |
1/10 |
1/20 |
1/40 |
1/80 |
1/400 |
|
5 |
1/10 |
1/25 |
1/50 |
1/100 |
1/200 |
1/1,000 |
|
10 |
1/20 |
1/45 |
1/95 |
1/200 |
1/395 |
1/1,995 |
|
20 |
1/40 |
1/90 |
1/190 |
1/390 |
1/790 |
1/3,990 |
|
50 |
1/100 |
1/225 |
1/475 |
1/975 |
1/1,975 |
1/9,975 |
|
80 |
1/160 |
1/360 |
1/760 |
1/1,560 |
1/3,160 |
1/15,960 |
|
100 |
1/200 |
1/450 |
1/950 |
1/1,950 |
1/3,950 |
1/19,950 |
设计工作寿命从1年到100年。对于50年的设计工作寿命，每年超越概率的目标值范围从0级的1/100到5级的约1 / 10000。
为了评估现有建筑物的抗风能力，可能有必要将结构类别列表扩展到具有特定文化和历史价值的建筑物。这些建筑物必须为后代保存下来，即预期的未来工作寿命远远超过100年。这个结构类别的年度目标超出概率的第一个暂定值是1 / 20,000。
对于两个设计值（即设计风速和空气动力系数的设计值）的说明，当只有一个要求需要满足设计风载荷的特定目标超越概率时是可满足的。因此，对于一个特定的问题，有无数的解决方案。更为一般的方法，即有效的所有类型结构，都指定了风速的共同设计值和空气动力系数的单独要求设计值。然后，设计风载的超越概率的指定目标值也可以用作设计风速的目标值。
2.2数据基础
2.2.1国家气象局提供的基本信息
气象观测构成了极端风气候统计分析的数据基础。虽然国际气象组织已于1873年成立，但今天仍在不同的国家采集了不同的风况信息。事实上，抽样信息并不总能满足风力发电工程师的需求。在德国，每天24小时平均风速与相应的风向一起给出。另外，每天列出最大的阵风风速和发生时间。但是，阵风的风向不可用。在印度，风速取样为10分钟平均值。每小时只给出一个值，这是整小时之前最后10分钟的平均值。风向仅在每三小时进行一次。然而，每天最大的阵风风速与其方向一致。
德国气象局（Deutscher Wetterdienst DWD）提供的风速数据为0.1 m / s的步幅。尽管今天的现代超声波传感器能够为这种高分辨率提供高质量的数据，但使用杯式风速计计数例如可完整旋转三个脉冲的可能无法解决上述步幅。每个脉冲对应于特定的长度，对于不同的仪器是不同的。典型的长度是0.12m，即每秒一个脉冲意味着0.12m / s，每秒两个脉冲0.24m / s和每秒三个脉冲0.36m / s。如果这些结果以0.1 m / s的步宽重新采样，0.36的结果将以0.4 m / s的等级采样。风速水平为0.9,1.5,2.1 m / s等时会出现相同的采样误差。这种失真可以在0.1米/秒的风速频率图中看出。较旧的数据受上述抽样误差的影响，而较新的数据被正确抽样。在整体计数中，相邻类别0.4,1.0,1.6m / s等是过度表示的。如果等级宽度增加到0.6 m / s，则取样误差将消失，因为0.6是基本长度0.12的整数倍。当风速以不同的尺寸进行采样时获得类似的效果，例如，首先以节点为单位，后以km / h为单位。由于节点和km / h没有整数公倍数，因此抽样误差不能被消除，但只有在等级宽度增加时才会消失。
2.2.2质量控制和更正
气象观测统计分析的质量取决于输入数据的质量。数据集的两个基本要求是完整性和一致性，即在观察期间不应再有缺失数据的空白，并且测量站周围的条件应保持不变。假设在连续气象年份的风暴是独立的，允许使用由非连续气象年份组成的数据，即全部气象年份的差距是可以接受的。因此，气象年被定义为一个十二个月的周期，它提供了数据的有意义的比较。在此基础上，气象年可能与历年不同。在风资料的情况下，相应的气象年份可以称为风力年（Kasperski，2007）。对于德国来说，风力年必须包括一个完整的冬季风暴季节和一个完整的夏季雷暴季节。 5月1日适当的开始了德国风力年。
图2.1受干扰数据集的典型示例。 （a）汉堡- Fuhlsbuuml;ttel; （b）萨尔布吕肯/恩斯海姆
通常可以在图2.1所示的两个德国电台
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