Расчет ветровой нагрузки
Основные повреждения, которые получают здания при порывистых ветрах, приходятся, в основном, на крышу. По телевизору, в интернете мы можем увидеть достаточно много наглядных примеров того, как не только отдельные элементы крыши, но и вся крыша, полностью, срывается под порывами ураганного ветра. Почему же происходят подобные случаи? Давайте рассмотрим механику подобных явлений и попробуем сделать расчет ветровой нагрузки.
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.
Расчет ветровой нагрузки
Как видим, если не подойти серьезно к учету ветровой нагрузки на крышу, то может произойти беда. Как и кто может это сделать?
Расчёт ветровой нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется специалистами-проектировщиками 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;
- C – аэродинамический коэффициент, учитывающий направление «набегания» воздушного потока на скат крыши.
Таблица коэффициента k для типов местности:
| Высота над уровнем земли, метр | |||
| ≤ 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 значений коэффициента С для двускатной кровли при векторе потока в скат крыши:
| Угол наклона ά | |||||
| 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 значений коэффициента С для двускатной кровли при направлении потока во фронтон крыши:
| Угол наклона ά | ||||
| 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.
Зависимость давления, создаваемого потоком воздуха от высоты здания
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.
Уважаемые посетители!
Мы с удовольствием ответим на возникшие вопросы. Для этого Вы можете:
позвонить по номеру: +7 (495) 669 31 74
или отправить сообщение по адресу: info@bta.ru
и получить подробную консультацию.
Источник
Расчет ветровой нагрузки по формуле
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.
Расчёт усилий
Общая формула расчёта создаваемых усилий на вертикальную поверхность:
- 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.
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.
Расчёт воздушной нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется по формуле:
- 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.
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.
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.
Источник