Ветровая нагрузка: правила расчета, рекомендации профессионалов

При проектировании зданий и сооружений расчет ветровой нагрузки приходится делать довольно-таки часто. Вычисляется этот показатель по особым формулам. Важно учитывать такую нагрузку, к примеру, при составлении чертежей стропильных систем крыш домов, выборе места расположения и конструкции рекламных щитов и т. д.

Нормативы СНиП

Собственно, само определение этому параметру дает СНиП 2.01. 07-85. Согласно данному документу, ветровая нагрузка должна рассматриваться как совокупность:

• давления, действующего на внешние поверхности конструкций сооружения или элемента;

• силы трения, направленной по касательной к поверхности конструкции, отнесенных к площади ее вертикальной либо горизонтальной проекции;

• нормального давления, приложенного к внутренней поверхности здания с проницаемыми ограждающими конструкциями либо открытыми проемами.

Как определяют

При вычислении ветровой нагрузки учитывают два основных параметра:

• среднюю составляющую;

• пульсационную.

Определяется нагрузка как сумма этих двух параметров.

Средняя составляющая: основная формула

Если ветровая нагрузка при проектировании не будет учтена, это в последующем крайне негативно скажется на эксплуатационных характеристиках здания или сооружения. Средняя ее составляющая вычисляется по такой формуле:

W = Wo * k.

Здесь W — расчетное значение ветровой нагрузки на высоте z над поверхностью земли, Wo — ее нормативное значение, k — коэффициент изменения давления по высоте. Все начальные данные из этой формулы определяются по таблицам.

Иногда при вычислениях используют также параметр c — аэродинамический коэффициент. Выглядит формула в этом случае следующим образом: W = Wo * kс.

Нормативное значение

Чтобы узнать, чему равен этот параметр, нужно воспользоваться таблицей районов по ветровой нагрузке РФ. Таковых существует всего восемь. Таблица ветровых нагрузок (зависимости значений Wo от того или иного района России) представлена ниже.

Для малоизученных местностей страны, а также для горных регионов этот параметр СНиП допускает определять по данным зарегистрированных официально метеостанций и на основе опыта эксплуатации уже имеющихся зданий и сооружений. В этом случае для определения нормативного значения ветровой нагрузки используется особая формула. Выглядит она следующим образом:

Wo=0.61 V²o.

Здесь V²o — скорость ветра в метрах в секунду на уровне 10 м, соответствующий интервалу осреднения за 10 минут и превышаемой раз в 5 лет.

Как определяется коэффициент k?

Для этого параметра также имеется специальная таблица. При его определении учитывается тип той местности, где предполагается строительство сооружения или здания. Всего таковых имеется три:

1. Тип «А» - открытые ровные участки: побережья морей, озер и рек, степи, пустыни, тундровые районы, лесостепи.

2. Тип «В» - местность, покрытая препятствиями высотой до 10 метров: городская зона, леса и пр.

3. Тип «С» - городские районы с застройкой высотой более 25 м.

Тип местности строительства также определяется с учетом требований СНиП. При проектировании это необходимо принимать во внимание. Любое здание считается расположенным в местности определенного типа в том случае, если последняя располагается с наветренной от него стороны на расстоянии в 30h. Здесь h — это проектная высота сооружения до 60 м. При большей высоте постройки тип местности считается определенным в том случае, если он сохраняется не менее чем на 2 км с наветренной стороны.

Как вычислить пульсационную нагрузку

По СНиП ветровая нагрузка, как уже упоминалось, должна определяться как сумма средней нормативной и пульсационной. Значение последнего параметра зависит собственно от вида самого сооружения и особенностей его конструкции. В этом плане различают:

• сооружения с собственной частотой колебаний, превышающих установленное предельное значение (дымовые трубы, башни, мачты, аппараты колонного типа);

• сооружения или элементы их конструкции, представляющие собой систему с одной степенью свободы (поперечные рамы производственных одноэтажных зданий, водонапорные башни и пр);

• симметричные в плане здания.

Формулы для разных типов сооружений

Для первого типа сооружений при определении пульсационной ветровой нагрузки используется формула:

W_p = WGV.

Здесь W — нормативная нагрузка, определяемая по формуле, представленной выше, G — коэффициент пульсации давления при высоте z, V — коэффициент корреляции пульсаций. Последние два параметра определяются по таблицам.

Для сооружений с собственной частотой колебаний, превышающих установленное предельное значение, при определении пульсационной ветровой нагрузки применяется такая формула:

W_p = WQG.

Здесь Q — коэффициент динамичности, определяемый по диаграмме (представлена ниже) в зависимости от параметра E, вычисляемого по формуле E=√RW/940f (R - коэффициент надежности по нагрузке, f — частота собственных колебаний) и логарифмического декремента колебаний. Последний параметр постоянен и принимается для:

• для зданий со стальным каркасом как 0.3;

• для мачт, футерных труб и пр. как 0.15.

Для симметричных в плане зданий пульсационная ветровая нагрузка вычисляется по формуле:

• W_p=mQNY.

Здесь Q — коэффициент динамичности, m — масса сооружения на высоте z, Y — горизонтальные колебания сооружения на уровне z по первой форме. N в этой формуле — особый коэффициент, определить который можно, предварительно разделив сооружение на r количество участков в границах которых ветровая нагрузка постоянна, и воспользовавшись специальными формулами.

Еще один способ

Выполнить расчет ветровой нагрузки можно, пользуясь и немного другой методикой. В этом случае сначала нужно определить давление ветра по формуле:

• (Psf) = .00256 * V^2.

Здесь V — скорость ветра (в милях/ч).

Затем следует вычислить коэффициент лобового сопротивления. Он будет равен:

• 1.2 — для длинных вертикальных конструкций;

• 0.8 — для коротких вертикальных;

• 2.0 — для длинных горизонтальных конструкций;

• 1.4 — для коротких (к примеру, фасад здания).

Далее нужно воспользоваться общей формулой ветровой нагрузки на здание или сооружение:

• F = A * P * Cd.

Здесь A — площадь области, P — давление ветра, Cd — коэффициент лобового сопротивления.

Можно также использовать и несколько более усложненную формулу:

• F = A * P * Cd * Kz * Gh.

При ее применении дополнительно учитываются коэффициенты экспозиции K_z b и чувствительности к порыву ветра G_h. Первый рассчитывается как z/33]^(2/7, второй — 65+60 / (h/33)^(1/7). В этих формулах z — высота от земли до середины сооружения, h — полная высота последнего.

Рекомендации специалистов

Для расчета ветровой нагрузки инженеры часто советуют пользоваться хорошо известными многим программами MS Excel и OOo Calc из пакета Open Office. Порядок действия при применении этого ПО, к примеру, может быть таким:

• Excel включается на листе "Энергия ветра";
• скорость ветра записывается в ячейку D3;
• время - в D5;
• площадь сечения потока воздуха - в D6;
• плотность воздуха или его удельный вес - в D7;
• КПД ветроустановки - в D8.

Существуют и другие способы использования этого ПО с иными исходными данными. В любом случае применять MS Excel и OOo Calc для расчета ветровой нагрузки на здания и сооружения, а также их отдельные конструкции достаточно удобно.