что такое ветровая нагрузка

Ветровая нагрузка

При боковом давлении ветра воздушный поток сталкивается со стеной и крышей здания (рис. 8). У стены дома происходит завихрение потока, часть его уходит вниз к фундаменту, другая по касательной к стене ударяет в карнизный свес крыши. Ветровой поток, атакующий скат крыши, огибает по касательной конек кровли, захватывает спокойные молекулы воздуха с подветренной стороны и устремляется прочь. Таким образом, на крыше возникают сразу три силы, способные сорвать ее и опрокинуть — две касательные с наветренной стороны и подъемная сила, образующаяся от разности давлений воздуха, с подветренной стороны. Еще одна сила, возникающая от давления ветра, действует перпендикулярно склону (нормаль) и старается вдавить скат крыши внутрь и сломать его. В зависимости от крутизны скатов нормальные и касательные силы изменяют свое значение. Чем больше угол наклона ската кровли, тем большее значение принимают нормальные силы и меньшее касательные, и наоборот, на пологих крышах большее значения принимают касательные, увеличивая подъемную силу с подветренной и уменьшая нормальную с наветренной стороны.

рис. 8. Ветровые нагрузки, возникающие от давления воздушных масс

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки W_н в зависимости от высоты z над поверхностью земли следует определять по формуле:

Расчетное значение ветровой нагрузки W_р (для расчета по первому предельному состоянию) находится формулой:

где γ_f — коэффициент надежности γ_f = 1,4; W₀ — нормативное значение ветрового давления, определяется по картам приложения к СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» или по рис. 9 и таблице 2; k_z — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z, определяется по таблице 3; c — аэродинамический коэффициент (переводит вертикальную нагрузку в горизонтальную), учитывающий изменение направления давления нормальных сил в зависимости от того с какой стороны находится скат по отношению к ветру, с подветренной или наветренной стороны (рис 10).

Ко­эф­фи­ци­ент k_(z) для ти­пов мест­но­сти

Вы­со­та z, м	А	Б	В
не более 5	0,75	0,5	0,4
10	1,0	0,65	0,4
20	1,25	0,85	0,55
Ти­пы мест­но­сти: А – от­кры­тые по­бе­ре­жья мо­рей, озер и во­до­хра­ни­лищ, пу­сты­ни, сте­пи, ле­со­сте­пи, тунд­ра; Б – го­род­ские тер­ри­то­рии, лес­ные мас­си­вы и дру­гие мест­но­сти, рав­но­мер­но по­кры­тые пре­пят­стви­я­ми вы­со­той бо­лее 10 м; В – 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 60 м.

рис. 10. Значения аэродинамических коэффициентов ветровой нагрузки

Знак «плюс» у аэродинамических коэффициентов определяет направление давления ветра на соответствующую поверхность (активное давление), знак «минус» — от поверхности (отсос). Промежуточные значения нагрузок следует находить линейной интерполяцией. При затруднении в использовании таблиц 3 и 4 изображенных на рисунке 10, нужно выбирать наибольшие значения коэффициентов для соответствующих углов наклона скатов крыш.

Крутые крыши ветер старается опрокинуть, а пологие — сорвать и унести. Для того чтобы этого не произошло нижний конец стропильных ног крепят проволочной скруткой к ершу, забитому в стену (рис. 11). Ерш — это металлический штырь с насечкой против выдергивания, который изготавливают кузнечным способом. Поскольку достоверно неизвестно с какой стороны будет дуть сильный ветер, стропила прикручивают по всему периметру здания через одно, начиная с крайних, — в районах с умеренными ветрами и каждое — в районах с сильными ветрами. В некоторых случаях этот узел может быть упрощен: ерш не устанавливается, а проволока с выпущенными концами закладывается в кладку стен в период их возведения. Такое решение допустимо, если оба конца проволоки выпускается внутрь чердака и не портят внешний вид фасада здания. Обычно для крепления стропил используется стальная предварительно отожженная (мягкая) проволока диаметром от 4 до 8 мм.

рис. 11. Пример решения карнизного узла наслонных стропил скатной крыши

Общая устойчивость стропильной системы обеспечивается раскосами, подкосами и диагональными связями (рис. 12). Устройство обрешетки также способствует общей устойчивости стропильной системы.

рис. 12. Пример обеспечения пространственной жесткости стропильной системы

Источник

Необходимость выполнения ветровой нагрузки

При создании проектов по возведению сооружений и зданий расчет ветровой нагрузки приходится выполнять достаточно часто. Рассчитывается этот показатель по специальным формулам. Важно принимать во внимание такую нагрузку, например, при создании чертежей для возведения стропильных систем кровель домов, подборе конструкции и площади расположения рекламных щитов и проч.

Значение процедуры

Если пренебречь расчетами нагрузки движения воздуха, можно, как говорится, на корню загубить все дело и подвергнуть опасности жизни людей.

Если с давлением снега на стены зданий обычно сложностей не возникает — нагрузку эту видно, её можно взвесить и даже потрогать — то с ветровой всё гораздо сложнее. Ее не видно, предугадать ее интуитивно очень сложно. Да, конечно, ветер какое-то воздействие на несущие конструкции оказывает, и в некоторых случаях оно бывает даже разрушительное: скручивает рекламные баннеры, заваливает заборы и каркасы стен, срывает крыши. Но как же возможно предугадать и учесть эту силу? Поддаётся ли в принципе она расчётам?

Поддаётся! Однако дело это муторное, и непрофессионалы ветровую нагрузку подсчитывать крайне не любят. Тому существует понятное объяснение: значение расчетов — дело очень ответственное и трудное, гораздо сложнее расчётов снеговой нагрузки. Если в специально посвященному этому СП снеговой нагрузке уделено всего лишь две с половиной страницы, то исчисление ветровой втрое больше! Плюс к нему приписано обязательное приложение, размещаются на 19 страницах с указанием аэродинамических коэффициентов.

Если гражданам России еще повезло с этим, то для жителей Беларуси всё ещё сложнее — документ TKP_ЕN_1991−1−4−2О09 «Ветровые воздействия», регламентирующий нормативы и расчеты, имеет объем в 120 страниц!

С Еврокодом (ЕN_1991−1−4−2О09) в масштабах постройки частного сооружения по ветровым воздействиям немногим захочется разбираться дома за чашкой чая. Профессионально интересующимся рекомендуется скачать и изучать его основательно, имея в окружении специалиста-консультанта. Иначе из-за неверного подхода и понимания последствия расчетов могут быть плачевными.

Нормативы СНиП

Фактически само определение данному параметру дает СНиП № 2.01. 07−85. Согласно этому документу, нагрузка ветровых масс обязана рассматриваться как совокупность следующих входных данных:

Как рассчитать нагрузку

При ее вычислении необходимо учитывать два ключевых параметра − пульсационную и среднюю составляющую. Нагрузка определяется как сумма двух этих параметров.

Рассмотрим основную формулу расчета средней составляющей. Если при проектировании ветровой напор учтен не будет, то впоследствии это крайне негативно отразится на эксплуатационных свойствах сооружения или здания.

Средняя составляющая рассчитывается по следующей формуле: W = Wо * k.

Каждое начальное значение из указанной формулы определяется согласно уже имеющимся таблицам. В некоторых случаях при вычислениях употребляют также параметр C — это обозначение аэродинамического коэффициента. Формула в этом случае будет выглядеть таким образом: W = Wo * kс.

Нахождение нормативного значения

Чтобы определить, какое конкретное значение имеет этот параметр, потребуется прибегнуть к таблице районов по ветровой нагрузке Российской Федерации. Таковых имеется всего восемь, и они легко находятся в свободном доступе в интернете.

Для малоизученных местностей государства, а также для горных регионов этот параметр СНиП позволяет определять по информации официально зарегистрированных метеорологических станций и на основе опыта использования уже имеющихся сооружений и зданий. В таком случае для установления нормативного значения ветровой нагрузки употребляется специальная формула. Выглядит она таким образом: Wo=0.61 * V2o. Здесь V2o — скорость ветра в измерении метр в секунду на уровне 10 метров, который соответствует интервалу усреднения за 10 мин. и превышающей 1 раз за 5 лет.

Краткие рекомендации специалистов

Для подсчета показателей возможностей ветровой нагрузки инженеры зачастую советуют использовать хорошо известные большинству компьютерных пользователей программами ОOo Calc и MS Excel из пакета Open Office. Порядок расчетов при применении этого обеспечения может быть следующим:

Далее программа сама произведет расчеты согласно введенным в них формулам.

Существуют и другие способы применения этого ПО с другими исходными данными. Но как бы то ни было, применять OOo Calc и МS Excel для подсчета ветровой нагрузки на сооружения и здания, а также их раздельные конструкции, довольно удобно.

Источник

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:

Атака ветрового потока, направленная на скат крыши, образует три усилия, влияющие на расчет ветровой нагрузки, стремящиеся сдвинуть кровлю:

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:

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:

Таблица значений коэффициента С для двускатной кровли при векторе потока в скат крыши:

15°-0,9-0,8-0,3-0,4-1,00,20,20,230°-0,5-0,5-0,2-0,4-0,50,70,70,445°0,70,70,6-0,2-0,360°0,70,70,7-0,2-0,375°0,80,80,8-0,2-0,3

Таблица значений коэффициента С для двускатной кровли при направлении потока во фронтон крыши:

0°-1,8-1,7-0,7-0,515°-1,3-1,3-0,6-0,530°-1,1-1,4-0,8-0,545°-1,1-1,4-0,9-0,560°-1,1-1,2-0,8-0,575°-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:

В последнем случае на отдельные части строительного сооружения действуют силы, направленные в разные стороны, например:

Расчёт усилий

Общая формула расчёта создаваемых усилий на вертикальную поверхность:

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:

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.

Воздушный поток, направленный на скат крыши, образует:

Расчёт воздушной нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется по формуле:

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:

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:

Расчётное значение ветрового усилия составит:

Отрицательное значение показывает, что имеется усилие, стремящееся оторвать кровлю от всего здания.

При общих размерах кровли S = 30 м², общее усилие составит:

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