Что такое ветровая нагрузка
Переток воздушных масс вдоль поверхности земли происходит с разной скоростью. Натыкаясь на какое-либо препятствие, кинетическая энергия ветра преобразуется в давление, создавая ветровую нагрузку. Это усилие может ощутить любой человек, двигающийся навстречу потоку. Создаваемая нагрузка зависит от нескольких факторов:
- скорость ветрового потока;
- плотность воздушной струи,— при повышенной влажности, удельный вес воздуха становится больше, соответственно, возрастает величина переносимой энергии;
- форма стационарного объекта.
В последнем случае на отдельные части строительного сооружения действуют силы, направленные в разные стороны, например:
- На вертикальную стену действует так называемое лобовое усилие, стремящееся сдвинуть объект с места. Противостоять этому усилию помогают несколько конструктивных решений:
- На крышу, кроме горизонтальных усилий (вдавливающих), действуют и вертикальные силы, образующиеся от разделения воздушного потока при ударе о стену. Вектор воздушного потока стремится поднять крышу, оторвать её от стен.
- Совокупность всех этих вихревых потоков создают ветровую нагрузку не только на крупные элементы здания, но распространяет свои влияния на все элементы строительного сооружения, — двери, окна, кровлю, водостоки, антенну, дымоход.
Мощность создаваемых усилий обычно пропорциональна квадрату расчётной величины скорости ветра.
Районы ветровой нагрузки
Первое, с чем нужно определиться – к какому району по давлению ветра относится рассматриваемая местность. Данную информацию можно найти на специальных картах в нормативных документах. Главный нормативный документ, регламентирующий ветровую нагрузку – СП 20.13330*
*Обратите внимание, что СП20.13330 есть 2011 и 2016 года, и карты в этих документах могут отличаются. На момент выхода статьи обязательным является СП 2011г. но в ближайшее время СП 2016г. официально станет действующим и расчет ветровой нагрузки нужно будет проводить по картам нового документа. Расчет ветровой нагрузки так же можно найти по СНиП 2.01.07-85*, но данный расчет не будет действительным т.к. нормы устарели.
Методика определения ветровых нагрузок на ограждающие конструкции (ГОСТ Р 56728-2015)
Расчет ветровой нагрузки при строительстве ангаров и других зданий осуществляется по методике Федерального Агенства по техническому регулированию и метрологии в соответствии ГОСТ Р 56728-2015.
Формула расчета основной средней ветровой нагрузки учитывает нормативное значение основной средней ветровой нагрузки, нормативное значение ветрового давления, коэффициент влияния высоты на давление ветра и аэродинамический коэффициент.
Нормативное значение ветрового давления определяется проще всего, для этого необходимо воспользоваться таблицей 1 (выше по тексту). Из таблицы берется значение соответствующее нашему ветровому району.
Коэффициент, учитывающий влияния высоты зависит от типа местности:
А – открытые местности (степи, лесостепи, побережье морей, озер, пустыни, тундра, сельские местности с высотой построек до 10 м);
В – городские территории, лесные массивы и другие территории с высотой построек более 10м;
С – городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25м.
Сам коэффициент определяется по таблице:
Аэродинамический коэффициент может быть как положительным, так и отрицательным, и зависит от формы ангара или здания и направления ветра.
Как ветровая нагрузка действует на кровлю
Представьте себе, что на постройку непрерывно с разной скоростью и силой дует ветер. Потоки воздуха создают давление, которое способно навредить покрытию кровли. При этом совершенно необязательно, чтобы ветер дул перпендикулярно или по касательной к поверхности крыши – даже если он направлен вдоль плоской кровли, он создает значительную отрывающую нагрузку.
Суммируя все ветреные дни и добавив катаклизмы, которые хоть и редко, но случаются, мы получаем постепенное непрерывное разрушение материала. Именно поэтому возникает необходимость рассчитывать ветровую нагрузку и количество креплений кровельного материала.
Ветровые потоки
Расчет ветровой нагрузки учитывает направление господствующих ветров. При фронтальном направлении ветра происходит столкновение с фасадной частью здания и крышей. У вертикальной поверхности поток создаёт вихревые разнонаправленные векторы, — происходит деление на нижнюю, боковую и вертикальную составляющие:
- нижнее направление – самое безопасное для здания, так как все усилия направлены в сторону фундамента, то есть одной из самой прочной и массивной части дома.
- боковые составляющие воздействуют на фасадные части здания, окна, двери.
- вертикальный поток направлен прямо на свес крыши и создаёт подъёмное усилие, стремящееся приподнять кровлю, сдвинуть её с места.
Атака ветрового потока, направленная на скат крыши, образует три усилия, влияющие на расчет ветровой нагрузки, стремящиеся сдвинуть кровлю:
- касательное, скользящее вдоль кровли, огибающее конёк и, захватывая свободные молекулы воздуха, уходящее прочь, стремясь, при этом, опрокинуть крышу;
- перпендикулярное скату кровли, создавая давление, способное вдавить элементы кровли внутрь конструкции крыши;
- и, наконец, из-за разницы давлений воздушной массы (с наветренной стороны образуется зона высокого давления, а с подветренной стороны – низкого), в верхней, подветренной, стороне строения образуется подъемная тяга, как у крыла самолета, стремящаяся поднять крышу.
Силы, действующие на крышу
Проанализировав все усилия воздушных потоков, можно сделать вывод, что при высокой наклонной кровле ветер образует силы, стремящиеся опрокинуть крышу. Но чем больше угол наклона крыши, тем меньше действуют на нее касательные силы и больше – перпендикулярные скату.
Пологие скаты способствуют созданию больших подъёмных сил, старающихся приподнять конструкцию, отправив её в свободный полёт.
Для чего соблюдать снеговые и ветровые нагрузки
Крыша без наклона накапливает снег, он оседает, становится плотным и тяжелым. В результате — навесы складываются пополам, крыша разваливается. Порывы ветра могут силой снести плохо закрепленную конструкцию. Если не заглубить столбы – сила пучения вытолкнет их из земли.
Вот почему опытные строители прежде, чем закупить материалы и приступить к установке делают чертеж, исходя из таблиц и формул нагрузок.
Заранее подготовленные чертежи с учетом нагрузок – залог прочности и надежности конструктива. Продумывайте какие опоры, ферму, обрешетку будете использовать, выбирайте правильный материал и навес простоит десятки лет.
Какая нормативная документация регламентирует расчет нагрузок
До недавнего времени за расчет любых ограждающих, фасадных конструкций отвечал СНиП 2.01.07-85*. Он был написан без учета специфики работы навесных вентилируемых фасадов и светопрозрачных конструкций. Это создавало неудобства для проектировщиков и конструкторов, которые занимались данной проблематикой.
На смену морально устаревшему СНиП 2.01.07-85* пришёл свод правил нагрузок и воздействий СП 20.13330 2011. В нем прописаны этапы расчетов современных алюминиевых и стальных вентилируемых фасадных систем, светопрозрачных конструкций, планарного остекления. Расчет ветровой, снеговой и дождевой нагрузок необходимо проводить согласно СП 20.13330 2011.
Кроме свода правил нагрузок и воздействий расчет ветровой нагрузки определяется по ГОСТ 24756-81.
Для правильного и быстрого расчета ветровых и снеговых нагрузок применяются таблицы, в которых указаны нормативные показатели в зависимости от географической зоны:
Таблица определения снеговой нагрузки местности по районам на территории РФ
| Снеговой район | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII |
| Вес снегового покрытия Sg (кгс/м2) | 80 | 120 | 180 | 240 | 320 | 400 | 480 | 560 |
Карта зон снегового покрова территории РФ
Таблица определения ветровой нагрузки местности по районам на территории РФ
| Ветровой район | I | II | III | IV | V | VI | VII |
| Ветровая нагрузка Wo (кгс/м2) | 17 | 23 | 30 | 38 | 48 | 60 | 73 |
Карта зон ветрового давления по территории РФ
Нормативное значение ветрового давления
Нормативное значение ветрового давления w0 принимается в зависимости от ветрового района:
Табл.1
| Ветровые районы | Ia | I | II | III | IV | V | VI | VII |
| w0, кПа | 0,17 | 0,23 | 0,30 | 0,38 | 0,48 | 0,60 | 0,73 | 0,85 |
Карта ветровых районов:
Коэффициент k, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z e
Эквивалентная высота ze отличается от z (высоты от земли до расчетной отметки) и рассчитывается в соответствии со следующей таблицей:
| При h ≤ d | ze = h | |
| При d < h ≤ 2d | Для z ≥ h — d | ze = h |
| Для 0 < z < h — d | ze = d | |
| При h ≥ d | Для z ≥ h — d | ze = h |
| Для d < z < h — d | ze = z | |
| Для 0 < z ≤ d | ze = d |
z — высота от поверхности земли;
d — размер здания в направлении, перпендикулярном расчетному направлению ветра (поперечный размер);
h — высота здания.
Если эквивалентная высотаздания или сооружения ze ≤ 300 м, то коэффициент kопределяется в зависимости от типа местности по следующей таблице:
Табл.2
| Высота ze, м | Коэффициент k для типов местности | ||
| А | В | С | |
| ≤5 | 0,75 | 0,5 | 0,4 |
| 10 | 1,0 | 0,65 | 0,4 |
| 20 | 1,25 | 0,85 | 0,55 |
| 40 | 1,5 | 1,1 | 0,8 |
| 60 | 1,7 | 1,3 | 1,0 |
| 80 | 1,85 | 1,45 | 1,15 |
| 100 | 2,0 | 1,6 | 1,25 |
| 150 | 2,25 | 1,9 | 1,55 |
| 200 | 2,45 | 2,1 | 1,8 |
| 250 | 2,65 | 2,3 | 2,0 |
| 300 | 2,75 | 2,5 | 2,2 |
В данной таблице типы местности:
А – открытые побережья морей, озер и водохранилищ, сельские местности, в том числе с постройками высотой менее 10 м, пустыни, степи, лесостепи, тундра;
В – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
С – городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м.
Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h – при высоте сооружения h < 60м и на расстоянии 2км – при h > 60м.
Аэродинамический коэффициент с e
Аэродинамический коэффициент внешнего давления ceучитывает изменение направления давления нормальных сил в зависимости от того, с какой стороны находится стена или скат крыши по отношению к ветру, с подветренной или с наветренной.
Знак плюс у аэродинамических коэффициентов определяет направление давления ветра на соответствующую поверхность (активное давление), знак «минус» — от поверхности (отсос).
В новом СП20.12330.11 в отличие от СНиП введено зонирование участков стен и крыши, наподобие Еврокоду.
Прямоугольные в плане здания с двускатными покрытиями
В соответствии с СП 20.13330.2016 (приложение В.1.2), аэродинамический коэффициент c для наветренных, подветренных и различных участков боковых стен прямоугольных в плане с двускатными покрытиями зданий определяется в соответствии со следующей таблицей:
Табл.
| Боковые стены | Наветренная
стена |
Подветренная
стена |
||
| Участки | ||||
| А | В | С | D | E |
| -1,0 | -0,8 | -0,5 | 0,8 | -0,5 |
Вертикальные стены прямоугольных в плане зданий
Величина е равняется меньшему из: b или 2h
Рассмотрим только боковой ветер, нормальный к большей (более длинной) стороне здания.
Знак «плюс» у коэффициентов ce соответствует направлению давления ветра на соответствующей поверхности (активное давление); знак «минус» — от поверхности (отсос ветра).
+ (плюс) — прижимает;
— (минус) — отрывает.
Расчёт усилий
Общая формула расчёта создаваемых усилий на вертикальную поверхность:
Wm = Wo * k * C.
- Wm – норматив средней величины ветрового усилия на высоте h над землёй;
- Wo – норматив ветрового давления, зависящий от ветрового района; определяется согласно СНиП 2.01.07-85: карта 3, приложение 5; данные приведены в таблице 1;
- k – коэффициент пульсаций, таблица 2;
- C – аэродинамический коэффициент, зависящий от геометрии строительного сооружения, например, для наветренных фасадов его значение составляет 0,8.
Таблица 1. Норматив ветрового давления Wo:
| Норматив ветрового давления | Ветровые районы | |||||||
| Ia | I | II | III | IV | V | VI | VII | |
| Wo, кПА | 0,17 | 0,23 | 0,30 | 0,38 | 0,48 | 0,60 | 0,73 | 0,85 |
| Wo, кгс/м² | 17 | 23 | 30 | 38 | 48 | 60 | 73 | 85 |
Таблица 2. Коэффициент пульсаций давления ветрового потока k:
| Высота h над уровнем земли, м | Коэффициент k для различных типов местности | ||
| A | B | C | |
| 5 | 0,85 | 1,22 | 1,78 |
| 10 | 0,76 | 1,06 | 1,78 |
| 20 | 0,69 | 0,92 | 1,50 |
| 40 | 0,62 | 0,80 | 1,26 |
| 60 | 0,58 | 0,74 | 1,14 |
| 80 | 0,56 | 0,70 | 1,06 |
| 100 | 0,54 | 0,67 | 1,00 |
| 150 | 0,51 | 0,62 | 0,90 |
| 200 | 0,49 | 0,58 | 0,84 |
| 250 | 0,47 | 0,56 | 0,80 |
| 300 | 0,46 | 0,54 | 0,76 |
| 350 | 0,46 | 0,52 | 0,73 |
| 480 | 0,46 | 0,50 | 0,68 |
Пример: Стена.
Для местности типа В с высотой над уровнем земли 10 метров:
- коэффициент k = 1,06;
- для района вида III норматив ветрового давления Wo = 38 кгс/м²;
- для плоского фасада аэродинамический коэффициент C = 0,8.
Создаваемое усилие на один квадратный метр составит:
Wm = 38 кгс/м² * 1,06 * 0,8 = 32,224 кгс/м²
При высоте стены в 15 метров и ширине 25 метров общая ветровая нагрузка равна:
15 м * 25 м * 32,224 кгс/м² = 12084 кг или 12,084 тонны.
Окно.
На типовое окно с площадью 3 м² ветер будет давить с силой:
3 м² * 32,224 кгс/м² = 96,672 кг, — почти 100 кг.
Средняя составляющая ветровой нагрузки
Нормативная величина средней составляющей ветровой нагрузки:
wm = w0*k*c
где w0 — нормативное значение ветрового давления; k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте; с — аэродинамический коэффициент.
Аэродинамический коэффициент для решетчатых башен и пространственных ферм определяется по формуле:
Ct = Cx(1+η)k1
где Cx — аэродинамический коэффициент отдельностоящей плоской решетчатой конструкции:
Cx = ∑(Cxi*Ai)/Ak
Cxi — аэродинамический коэффициент i-го элемента конструкции; Ai — площадь проекции i-го элемента конструкции; Ak — площадь, ограниченная контуром конструкции.
η — коэффициент, учитывающий давление ветра на подветренную грань. Определяется по табл. В.8 СП 20.13330.2016 в зависимости от относительного расстояния между фермами и коэффициента заполнения ферм.
k1 — коэффициент, зависящий от контура поперечного сечения и направления ветра:
Рис. 1. Значение коэффициента k1 в зависимости от ориентации направления ветра по отношению к башне
При определении аэродинамического коэффициента решетчатой конструкции Ct принимается, что направление ветра всегда перпендикулярно грани башни:
Рис. 2. Направления ветра по отношению к башне при определении Ct
Таким образом, при определении Ct коэффициент Cx всегда определяется в предположение воздействия ветра на грань, а соответственно ACk — площадь контура грани вне зависимости от угла атаки ветровой нагрузки.
Переход к аэродинамическому коэффициенту Ct при действии ветра на диагональ осуществляется умножением Ct, вычисленного для грани, на коэффициент k1=1.2.
При определении средней составляющей ветровой нагрузки башня разбивается на конечное количество расчетных полей. Далее для каждого расчетного поля определяется площадь, ограниченная контуром Ak; определяется суммарная площадь проекции элементов башни Ai; определяются аэродинамические коэффициенты элементов башни Cxi; определяются коэффициенты Cx, φ, η, k1; определяется аэродинамический коэффициент для решетчатых башен Ct; вычисляется статическая составляющая ветровой нагрузки.
Вычисления удобно выполнять в табличном виде по следующему типу:
Рис. . Фрагмент таблицы определения статической составляющей ветровой нагрузки
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки
При определении пульсационной составляющей ветровой нагрузки нужно знать собственные формы и частоты колебаний башни.
Известно, что круговая частота колебаний может быть определена по формуле ω=√(k/m), где k и m – соответственно жесткость и масса. Жесткость зависит от момента инерции башни. Для квадратных в плане башен момент инерции при действии ветра на диагональ и на грань одинаковые:
- момент инерции поперечного сечения башни при площади пояса A и размере башни в плане а относительно оси, параллельной грани (зеленой):
Рис. 4. Схема поперечного сечения ствола башни
- момент инерции поперечного сечения башни относительно оси, проходящей через диагональ (синей):
Таким образом, при ветре на диагональ и на грань у квадратной башни одинаковые коэффициент динамичности и ординаты форм колебаний. Поэтому для определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки достаточно вычислить частотные характеристики в направлении осей инерции башни, параллельных грани.
В практике проектирования прежних лет пульсационная составляющая ветровой нагрузки определялась только от основной формы колебаний с круговой частотой:
где yk — перемещение точек оси башни при действии единичной силы, приложенной в уровне ее верха; Mk — приведенная к точке масса соответствующего участка башни; y1r — перемещение верха башни от единичной нагрузки.
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки в общем случае (динамический анализ) определяется по формуле:
где m — масса башни на уровне Z, отнесенная к площади поверхности, к которой приложена ветровая нагрузка; ξ — коэффициент динамичности (зависит от линейной частоты колебаний f=ω/2π); y — горизонтальное перемещение на уровне Z по форме собственных колебаний; ψ — коэффициент, определяется по формуле:
где Mk — масса k-го участка башни; yk — горизонтальное перемещение центра k-го участка (ордината формы колебаний); wpk — равнодействующая пульсационной составляющей ветровой нагрузки на k-й участок:
где ζ — коэффициент пульсаций давления ветра на уровне Z; ν — коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра.
Вычисления удобно выполнять в табличном виде по следующему типу:
Рис. 5. Фрагмент таблицы определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки
После определения средней (статической) и пульсационной составляющей ветровой нагрузки, определяется полная ветровая нагрузка w=wm+wp. К расчетной модели ветровая нагрузка обычно прикладывается в виде сосредоточенных сил Fi в уровне пересечения поясов с элементами решетки (Fi=w*Ak/n, где n — число узлов).
Далее выполняется определение усилий в элементах башни.
Ветровая нагрузка на металлическую башню должна быть приложена в 2х вариантах — на грань (для определения усилий в решетке) и на диагональ (для определения усилий в поясах).
Усилия в элементах поясов и нагрузки на фундамент квадратной башни при действии ветровой нагрузки определяются от момента Мд и силы Qд – момент и поперечная сила в рассматриваемом горизонтальном сечении башни при действия ветровой нагрузки на диагональ. При этом усилия в поясах, лежащих на диагонали (поперечной/перпендикулярной ветру), равны нулю, а усилия в поясах по направлению ветровой нагрузки равны между собой по абсолютной величине, но разные по знаку
Усилия в элементах решетки определяются при действии ветровой нагрузки от Мг и Qг — момент и поперечная сила в рассматриваемом горизонтальном сечении башни при действия ветровой нагрузки на грань.
Расчёт ветровой нагрузки на крышу
Основные повреждения на здании при сильных порывах ветра связаны с кровелькой конструкцией. По телевизору и в интернете приведено достаточно много наглядных примеров, как не только отдельные элементы кровли, но полностью вся крыша срывается под воздействием ветровой нагрузки.
При фронтальном направлении ветра происходит столкновение с фасадной частью здания и крышей. У вертикальной поверхности поток создаёт вихревые разнонаправленные векторы, — происходит деление на нижнюю, боковую и вертикальную составляющие.
- Нижнее направление – самое безопасное для здания, так как все усилия направлены в сторону фундамента, то есть одной из самой прочной и массивной части дома.
- Боковые составляющие воздействуют на фасадные части здания, окна, двери.
- Вертикальный поток направлен прямо на свес крыши и создаёт подъёмное усилие, стремящееся приподнять кровлю, сдвинуть её с места.
Воздушный поток, направленный на скат крыши, образует:
- касательное движение, скользящее вдоль кровли, огибающее конёк и уходящее прочь, — эта сила стремится сдвинуть крышу с места;
- перпендикулярное усилие, — нормаль, направленное внутрь кровли, создающее давление, могущее вдавить элементы крыши внутрь конструкции;
- с подветренной стороны ската крыши создаётся обратная сила, способствующая созданию подъёмной силы, — как у крыла самолёта.
Сложив вместе все направления воздушных потоков, можно увидеть, что при высокой наклонной кровле образуются усилия, стремящиеся опрокинуть крышу. Пологий скат способствует созданию больших подъёмных сил, которые стараются приподнять конструкцию и отправить её в свободный полёт.
Расчёт воздушной нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется по формуле:
Wр = 0,7 * W * k * C.
- W – нормативная величина усилия, создаваемого напором воздуха; определяется по картам в приложении к СП 20.133330.2011;
- k – коэффициент, показывающий зависимость давления от высоты над срезом верхнего уровня земли (таблица 3);
- C – аэродинамический коэффициент, учитывающий направление набегания воздушного потока на скат крыши (таблица 4 и 5).
Таблица 3. Коэффициент k для типов местности:
| Высота над уровнем земли, метр | Тип местности | ||
| A | B | C | |
| ≤ 5 | 0,75 | 0,5 | 0,4 |
| 10 | 1,25 | 0,65 | 0,4 |
| 20 | 1,25 | 0,85 | 0,55 |
| 40 | 1,5 | 1,1 | 0,8 |
| 60 | 1,7 | 1,3 | 1,0 |
| 80 | 1,85 | 1,45 | 1,15 |
| 100 | 2,0 | 1,6 | 1,25 |
| 150 | 2,25 | 1,9 | 1,55 |
| 200 | 2,45 | 2,1 | 1,8 |
| 250 | 2,65 | 2,3 | 2,0 |
| 300 | 2,75 | 2,5 | 2,2 |
| 350 | 2,75 | 2,75 | 2,35 |
| ≥ 480 | 2,75 | 2,75 | 2,75 |
Типы местности:
- A – открытые пространства на побережьях морей, озёр, водохранилищ, пустыня, степь, лесостепь, тундра;
- B – населённые пункты, лес, местность с равномерно распределёнными искусственными строениями с высотой больше 10 метров;
- C – территория города с плотным расположением строительных сооружений высотой более 25 метров.
Таблица 4. Значение коэффициента С для двускатной кровли при векторе потока в скат крыши:
| Угол наклона ά | F | G | H | I | J |
| 15° | -0,9 | -0,8 | -0,3 | -0,4 | -1,0 |
| 0,2 | 0,2 | 0,2 | |||
| 30° | -0,5 | -0,5 | -0,2 | -0,4 | -0,5 |
| 0,7 | 0,7 | 0,4 | |||
| 45° | 0,7 | 0,7 | 0,6 | -0,2 | -0,3 |
| 60° | 0,7 | 0,7 | 0,7 | -0,2 | -0,3 |
| 75° | 0,8 | 0,8 | 0,8 | -0,2 | -0,3 |
Таблица 5.Значение коэффициента С для двускатной кровли при направлении потока во фронтон крыши:
| Угол наклона ά | F | H | G | I |
| 0° | -1,8 | -1,7 | -0,7 | -0,5 |
| 15° | -1,3 | -1,3 | -0,6 | -0,5 |
| 30° | -1,1 | -1,4 | -0,8 | -0,5 |
| 45° | -1,1 | -1,4 | -0,9 | -0,5 |
| 60° | -1,1 | -1,2 | -0,8 | -0,5 |
| 75° | -1,1 | -1,2 | -0,8 | -0,5 |
Положительная величина аэродинамического коэффициента означает, что ветер давит на поверхность. Отрицательные показатели – поток создаёт разрежение у поверхности кровли, иными словами – «отсос» воздушной подушки.
Шаг 1. Определите номер вашего ветрового района на карте
Шаг 2. По номеру района в таблице определить нормативное значение ветровой нагрузки
| Ветровой район | Wo (кгс/м2) |
| Iа | 0,17 (17) |
| I | 0,23 (23) |
| II | 0,30 (30) |
| III | 0,38 (38) |
| IV | 0,48 (48) |
| V | 0,60 (60) |
| VI | 0,73 (73) |
| VII | 0,85 (85) |
Шаг 3. Произвести расчет ветровой нагрузки по формуле.
Расчётное значение средней составляющей ветровой нагрузки на высоте z над поверхностью земли определяется по формуле:
W=Wo*k*c
Wo — нормативное значение ветровой нагрузки, принимаемое по таблице ветрового района РФ.
с — аэродинамический коэффициент
k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, определяется по таблице, в зависимости от типа местности:
- А — открытые побережья морей, озер и водохранилищ. пустыни, степи, лесостепи, тундра;
- В — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
- С — городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.
При определении ветровой нагрузки типы местности могут быть различными для разных расчётных направлений ветра.
- 5 м.- 0,75 А / 0.5 B .
- 10 м.- 1 А / 0.65 B°.
- 20 м.- 1,25 А / 0.85 B
Пример расчёта
Дано:
- здание находится на берегу большого внутреннего водоёма, местность относится к типу A;
- кровля расположена на высоте 10 метров, то есть коэффициент равен 1,25;
- преобладающие ветра направлены во фронтон крыши, отсюда аэродинамический показатель для крыши с наклоном ά = 30 равен C = -1,4;
- норматив для района Поволжья W = 53 кгс/м².
Расчётное значение ветрового усилия составит:
Wр = 0,7 * 53 кгс/м² * 1,25 * (-1,4) = -64,925 кгс/м².
Отрицательное значение показывает, что имеется усилие, стремящееся оторвать кровлю от всего здания.
При общих размерах кровли S = 30 м², общее усилие составит:
P = 30 м² * (-64,925 кгс/м²) = -1947,75 кгс, то есть почти две тонны.
Определение q – вариант сбора нагрузки до 2011 года
Для определения нормативной нагрузки, которая равномерно давит на стойку, есть формула:
? = ?? ∙ ?,
где ? – грузовая ширина приложения ветровой нагрузки, (для текущего примера ? = 1м); ?? – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки, рассчитываемого по формуле:
?? = ?0 ∙ ? ∙ ?(?),
где ?0 – нормативное значение ветрового давления, определяемое по таблице 5 СНиП 2.01.07- 85, в зависимости от принадлежности объекта к ветровому району, (для Санкт-Петербурга ?0 = 30 кгс/м.кв.);
с – аэродинамический коэффициент, определяется по таблице Приложения 4 СниП 2.01.07-85. Для вертикальных фасадов (наклон не более 15°) -с = 0,8;
?(?) – показатель, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, согласно таблице 6 СниП 2.01.07-85, в зависимости от типа местности и высоты расположения над поверхностью земли. Для типа местности В и высоты расположения витража 10 метров – ? = 0,65;
?? = 30 ∙ 0.8 ∙ 0.65 = 15,6 кгс/м. кв.
? = 15,6 ∙ 1 = 15,6 кгс/м. п.
Определение q – вариант сбора нагрузки после 2011 года
? = w+(-)×?,
где ?+(−) – нормативный показатель максимального положительного и отрицательного действия ветровой нагрузки,
рассчитывается по формуле:
w+ (-) =w0k (ze) [1+ (ze)] сp+ (-) v + (-)
где ze – эквивалентная высота (согласно п. 11.1.512, эквивалентная высота, приравниваемая к высоте здания. В нашем случае – это 50 метров (вместо 10 метров по методике 2011 года);
k(ze), (ze – показатели, учитывающие, соответственно, изменение давления и пульсаций давления ветра на высоте ze (согласно п. 11.1.6 и 11.1.8, k(50) 1,24 , (50) 0,77 );
v + (-) – показатели корреляции ветровой нагрузки, соответствующие положительному давлению (+) и отсосу (–); значения этих коэффициентов приведены в таблице 11.84 в зависимости от площади ограждения А, с которой собирается ветровая нагрузка (для нашего примера грузовая площадь равна 3 квадратным метрам и методом интерполяции получено значение () 0, 97);
сp+(-)– максимальные значения аэродинамических коэффициентов положительного давления (+) или отсоса (–), определяемые по
Приложение Д.1.1711
Витраж будет располагаться в угловой зоне, поэтому:
сp+(-)=2,2.
Конечная формула приобретает вид:
w+ (-) = 30×1, 24× [10, 77] ×2, 2×0, 97 140, 5 кгс/м.кв.
? = 140,5 ∙ 1 = 140,5 кгс/м.п.
Энергия ветра.
С точки зрения полезного использования ветровой энергии в энергетике на сегодняшний день оптимальными являются скорости ветра 8…18 м/с. При меньших скоростях ветроэнергетические установки малоэффективны, при больших возникает опасность разрушения конструкций установки.
Так как воздух имеет массу, и эта масса движется с некоторой скоростью относительно поверхности земли, то трудно даже представить, какой колоссальной кинетической энергией обладает окружающее нас воздушное пространство!!!
Чтобы составить представление о величине этой энергии, давайте вырежем из пространства его часть в виде цилиндра, мысленно расположив некий обруч плоскостью перпендикулярно направлению вектора скорости ветра. Площадь сечения обруча – S=1 м2 (диаметр d=1,13 м).
Исходные данные:
1. Скорость ветра vв в м/с записываем
в ячейку D3: =10,0
2. Время t в с заносим
в ячейку D5: =1
3. Площадь сечения потока воздуха S в м2 вписываем
в ячейку D6: =1,000
4. Плотность воздуха или удельный вес воздуха при нормальных условиях (атмосферном давлении 101325 Па = 760 мм рт. ст. и температуре +273,15° К = 0° C) γ в кг/м3 вписываем
в ячейку D7: =1,293
5. Коэффициент полезного действия — КПД ветроустановки (реально достигаемые значения не превышают 0,3…0,4) записываем
в ячейку D8: =0,35
Результаты расчетов:
6. При скорости ветра v за время t через сечение обруча пройдет объем воздуха в виде цилиндра V, который вычисляем в м3
в ячейке D10: =D3*D4*D5=10,000
V=S*vв*t
7. Массу воздухаm в кг, прошедшую через сечение кольца за время t определяем
в ячейке D11: =D6*D9=12,930
m=γ*V
8. Кинетическую энергию T в Дж, которой обладает движущийся цилиндр воздуха рассчитываем
в ячейке D12: =D10*D3^2/2=647
T=m*vв2/2
9. Мощность N в КВт, которую мы смогли бы отобрать из этой струи воздуха при заданном КПД, вычисляем
в ячейке D13: =D11/D4*D7/1000=0,226
N=(T/t)*КПД=(S*γ*vв3/2)*КПД
При реальных КПД ветроэнергетических установок около 0,3…0,4, при скорости ветра vв=10 м/с и диаметре лопастей ветряка d=1,13 м (площадь круга S=1 м2) можно получить мощность порядка N=200…250 Вт. Этой мощности хватит чтобы за час вспахать полсотки земли! Представляете сколько вокруг нас энергии, которую мы никак не научимся эффективно отбирать и преобразовывать?! Сегодняшние ветроэнергетические установки мало-мальски начинают работать при скорости ветра vв>4 м/с, выходя на рабочий режим при скорости vв=9…13 м/с. Однако уже при скорости ветраvв>17 м/с приходится больше заботиться о безопасности окружающих людей, животных, сооружений и сохранности установки, нежели о производстве энергии…
Итак, возможности использования ветра слегка затронули, переходим к проблемам, которые он создает.
Существует и более простой способ расчета ветровой нагрузки
Если вы хотите быстро получить точный результат и не связываться со сложными формулами, таблицами и картами, воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором для кровли из материалов ТЕХНОНИКОЛЬ.
Калькулятор помогает рассчитать не только ветровую нагрузку для плоских крыш, но и количество необходимого крепежа на каждом участке, а также требуемую ширину рулонов гидроизоляции.
Расчеты основаны на действующих российских нормах СП 20.13330.2016 и СП 17.13330.2017.
В калькулятор встроена карта России с районированием по давлению ветра, так что вам не нужно самостоятельно искать на картах и в таблицах нужные значения. Достаточно выбрать место и кликнуть или указать точное название населенного пункта.
Вы выбираете тип местности – открытую, равномерно покрытую препятствиями или высотную городскую застройку. По этим двум параметрам калькулятор выдает первое значение – пиковую ветровую нагрузку согласно СП 20.133330.2016 п.11.
Далее переходим к основанию кровли и выбираем – тяжелый бетон, ОСП и металлическое основание профлист (0,7 мм или 0,75–2,5 мм). При выборе профлиста калькулятор предложит еще пять вариантов в зависимости от шага между гофрами. Вы также можете указать свой вариант.
На третьем этапе нужно указать толщину утеплителя, который вы будете использовать, и способ его укрепления. Также возможен вариант без утеплителя.
На этапе гидроизоляции нужно указать способ ее фиксации. В калькуляторе предусмотрено два варианта крепления: механический и балластный. Если у вас балластный, также нужно указать его тип – армированная стяжка или гранитный щебень. Далее выбирайте тип мембраны: битумная или полимерная. Кстати, у каждого материала можно посмотреть характеристики и всю необходимую информацию, нажав на кнопку с вопросом.
Пятый этап включает работу с геометрией объекта, где нужно вводить параметры участка кровли. Калькулятор рассчитывает значение только для плоских крыш прямоугольной формы, поскольку методика расчета использует пиковые значения аэродинамических коэффициентов ветровой нагрузки. Вам нужно указать высоту здания и его габариты. Высоту принимаем по самой высокой точке здания – парапетной зоне.
После вы получаете промежуточный расчет, где видите основные результаты, например, ширину рулона и шаг крепежа, и проверяете введенные значения, которые можно подкорректировать, если ошиблись.
После этого получаете готовый отчет, где рассчитано:
- деление кровли на участки (центральная, парапетная, угловая) и ветровое давление на каждый из них;
- какую ширину рулонов гидро- и теплоизоляции использовать;
- сколько потребуется крепежа на один квадратный метр и его шаг.
Альтернативная энергетика
Ветровая нагрузка может принести и пользу, например, преобразуя силу ветра в ветрогенераторах. Так, на скорости ветра V = 10 м/сек, при диаметре круга в 1 метр, ветряк обладает лопастями d = 1,13 м и выдаёт порядка 200–250 Вт полезной мощности. Электроплуг, потребляя такое количество энергии, сможет вспахать за один час порядка полсотки (50м²) земли на приусадебном участке.
Если применить большие размеры ветрогенератора, – до 3 метров, и средней скорости воздушного потока 5 м/сек, можно получить 1–1,5 кВт мощности, что полностью обеспечит небольшой загородный дом бесплатным электричеством. При внедрении так называемого «зелёного» тарифа, срок окупаемости оборудования сократится до 3–7 лет и, в дальнейшем, может приносить чистую прибыль.
Справка. «Зелёный» тариф – это выкуп государством излишнего электричества у населения, полученного при использовании альтернативных (возобновляемых) источников энергии.
Как бороться с ветровыми «проказами»?
Во избежание разрушений строители нижние концы стропил надежно прикрепляют к вмонтированным в стену кронштейнам. Если неизвестно, с какой стороны будет направление господствующих ветров, то стропила закрепляют подобным образом по всему периметру здания. Общую устойчивость каркаса крыши обеспечивают ее элементы — подкосы, раскосы и связки, сечение которых рассчитано, исходя из тех природных условий, в которых ведется строительство или ремонт здания.
[spoiler title=»Источники»]
- https://homehill.ru/krovlya/stropil/raschet-vetrovoj-nagruzki.html
- https://3d-bim.ru/raschet-vetrovoj-nagruzki/
- https://angarinfo.ru/publ/vetrovye_nagruzki_i_vetrovye_rajony_po_gorodam_rossii/1-1-0-44
- https://www.tn.ru/journal/kak-pravilno-rasschitat-vetrovuyu-nagruzku-i-zakrepit-krovlyu-chtoby-ee-tochno-ne-sorvalo/
- http://mirdizajna.ru/vetrovaya-nagruzka-na-krovlyu/
- https://geostart.ru/post/813
- https://BazaFasada.ru/fasad-zdanij/raschet-vetrovoj-nagruzki-alyuminievyh-konstruktsij.html
- https://con-stroy.ru/raschet-vetrovoj-nagruzki-na-zdanie/
- https://rflira.ru/kb/117/722/
- https://www.pro-angar.ru/info/snegovye-i-vetrovye-rajony-rossii.html
- http://al-vo.ru/o-zhizni/vetrovaya-nagruzka.html
- http://bta.ru/vetrovaya-nagruzka-na-kryshu/
[/spoiler]