Что такое ветровое давление

Расчет ветровой нагрузки на здание

Ветровое загружение является одним из самых сложных для понимания, особенно если при расчетах конструкций на ветровую нагрузку учитывать пульсацию ветра. Расчет ветровой нагрузки с учетом пульсации ветра предполагает необходимость: вычислять частоты собственных колебаний здания или сооружения, учитывать пиковую ветровую нагрузку, резонансное вихревое возбуждение и т.д.

Как видим, тема довольна сложная и мы ее разберем в следующих статьях. Поэтому в данном случае немного упростим задачу и рассмотрим расчет ветровой нагрузки на стены прямоугольных в плане зданий с одно- или двускатной кровлей без учета пульсации ветра (в соответствии с СНиП «Нагрузки и воздействия).

Общие положения

Нормативное значение основной ветровой нагрузки w следует определять как сумму средней w _m и пульсационной w _ps составляющих:

w = w _m + w _ps

w _ps – пульсационная составляющая, применяется при расчетах с учетом пульсации ветра.

Обычно вычисляют только w _m – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки.

Нормативное значение ветровой нагрузки

w ₀ – нормативное значение ветрового давления (скоростного напора);
k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте. Зависит от эквивалентной высоты z_e, п оэтому коэффициент k в формулах часто записывают как k (z_e).
c – аэродинамический коэффициент.

Нормативное значение ветрового давления

Нормативное значение ветрового давления w ₀ принимается в зависимости от ветрового района:

Карта ветровых районов:

Карта ветровых районов

Коэффициент k, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z _e

Эквивалентная высота z _e отличается от z (высоты от земли до расчетной отметки) и рассчитывается в соответствии со следующей таблицей:

z — высота от поверхности земли;

d — размер здания в направлении, перпендикулярном расчетному направлению ветра (поперечный размер);

Если эквивалентная высота здания или сооружения z_e ≤ 300 м, то коэффициент k определяется в зависимости от типа местности по следующей таблице:

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.

Аэродинамический коэффициент с _e

Аэродинамический коэффициент внешнего давления c _e учитывает 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:

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 c _e соответствует направлению давления ветра на соответствующей поверхности (активное давление); знак «минус» — от поверхности (отсос ветра).

Расчетное значение ветровой нагрузки

γ _f = 1,4 – коэффициент надежности по ветровой нагрузке

Пример расчета ветровой нагрузки на здание высотой менее 5 метров

Собрать ветровую нагрузку на колонны рамы здания высотой 4м прямоугольной в плане формы. Район строительства – сельская местность вблизи г. Курск.

Город Курск находится во II ветровом районе с нормативным значением ветрового давления:

Тип местности А, значит изменение давления ветра по высоте в соответствии с таблицей 2 (у нас высота строения 4м

Аэродинамический коэффициент с:

— для стены с наветренной стороны с _e = 0,8;

Коэффициент надежности по ветровой нагрузке γ _f = 1,4

Расчетное значение ветровой нагрузки:

w _{p активное давление} = 30 ∙ 0,75 ∙ 0,8 ∙ 1,4 = 25,8 кг/м 2 ;

w _{p отсос} = 30 ∙ 0,75 ∙ 0,5 ∙ 1,4 = 15,8 кг/м 2 ;

Стена с наветренной стороны:

q _{1 кр} = 25,8 кг/м 2 ∙ 3 м = 75,6 кг/м — для крайней колонны;

q _{2 ср} = 25,8 кг/м 2 ∙ 6 м = 151,2 кг/м – для средней колонны;

Стена с подветренной стороны:

q _{1 кр} = 15,8 кг/м 2 ∙ 3 м = 47,4 кг/м — для крайней колонны;

q _{2 ср} = 25,8 кг/м 2 ∙ 6 м = 94,8 кг/м – для средней колонны;

Пример расчета ветровой нагрузки на здание высотой более 5 метров

Собрать ветровую нагрузку на колонны рамы здания высотой более 5м (см разрез на чертеже) прямоугольной в плане формы. Район строительства – такой же, как и в предыдущем примере — сельская местность вблизи г. Курск.

Расчетная схема для расчёта ветровой нагрузки на здание высотой более 5м

Город Курск находится во II ветровом районе, а значит нормативное значение ветрового давления будет равно:

w ₀ = 30 кгс/м 2

Аэродинамический коэффициент с:

— для стены с наветренной стороны с _e = 0,8;

Расчетное значение ветровой нагрузки: w _p = q _экв ⋅ c _e ⋅ γ _f

Все моменты считаем относительно нулевой отметки.

Расчетное значение ветровой нагрузки:

w _{p активное давление} = 27,71 ∙ 0,8 ∙ 1,4 = 31,03 кг/м 2

_{w p отсос} = 27,71 ∙ 0,5 ∙ 1,4 = 19,4 кг/м 2

Ветровая нагрузка со стороны активного давления ветра:

q _{1 кр} = 31,03 кг/м 2 ∙ 3 м = 93,09 кг/м – для крайней колонны

q_{1 ср} = 31,03 кг/м 2 ∙ 6 м = 186,2 кг/м – для средней колонны

Ветровая нагрузка со стороны отсоса ветра:

q _{2 кр} = 19,4 кг/м 2 ∙ 3 м = 58,2 кг/м – для крайней колонны

q _{2 ср} = 19,4 кг/м 2 ∙ 6 м = 116,4 кг/м – для средней колонны

Считается, что ветровую нагрузку W ₀ следует прикладывать к нижнему поясу фермы.

Находим W ₀ – равнодействующую ветровой нагрузки в уровне нижнего пояса фермы, которая действует от низа фермы до наивысшей точки конструкции.

W ₀ = W + W ′ — активное давление + отсос

B = 6 м — пролет здания;

H _покр = H _фермы + H _фонаря + H _{плиты покрытия + пирог крыши} = 3 м;

Находим коэффициент k на высоте 16 м (13 м + 3 м):

Источник

Расчет ветровой нагрузки и парусность забора

Установим забор легко и быстро! – Так в один голос заявляют организации, которые занимаются монтажом и продажей заборов. Однако все они в основном дают гарантию от 1 до 3-х лет, несмотря на значительную стоимость заборных конструкций.

А что делать, если по окончании гарантийного срока забор завалится? Забор должен быть прочным, практичным и стоять минимум лет двадцать, а то и пятьдесят.

Прежде чем заказывать установку забора, необходимо знать, что именно влияет на прочность заборной конструкции.

Устойчивость забора к ветровым нагрузкам, к силам пучения грунта в основном определяет прочность забора.

В данной статье уделим особое внимание расчету ветровой нагрузки, выясним что такое парусность забора и на что влияют неверные расчеты ветровой нагрузки.

Ветровая нагрузка на забор

Ветровая нагрузка – это переменное влияние ветра. Ветер воздействует на все здания и сооружения, в том числе и на заборные конструкции. Влияние ветра зависит от скорости, порывов и направления ветра.

Парусность забора

Чем площадь полотна забора больше, тем, соответственно давление ветра на эту площадь будет сильнее.

Парусность сплошного забора из профнастила увеличивается за счет высоты листа. Так, ветровая нагрузка на забор трехметровой высоты будет в полтора раза больше, чем нагрузка на забор высотой два метра. Но если вместо профлиста использовать штакетник, тогда забор становится продуваемым, следовательно, парусность забора уменьшается в разы.

Прежде чем выбрать опорные столбы – рассчитайте парусность/ветровую нагрузку в своем регионе с учетом габаритных размеров заборного полотна!

Расчет ветровой нагрузки на забор

Ветер влияет на все постройки, причем по-разному. Давление ветра меняется в зависимости от скорости, направления, плотности воздуха, влажности и т.д. Чрезмерная сила порывистого ветра может вмиг завалить забор, а может постепенно расшатывать до критической точки.

Стоит понимать, что максимальная ветровая нагрузка давит на столбы в том месте, где появляется возможность его согнуть, а именно – там, где столб зафиксирован в земле. То есть, максимальный изгибающий момент находится в точке выхода опоры из земли.

Если опоры будут сделаны из неподходящего материала по толщине металла или по диаметру (сечению), тогда из-за высокой парусности они погнутся и деформируются. Выбрать подходящие опоры вам поможет статья: «Как выбрать правильные столбы для забора»

В целях установки устойчивого к ветровым нагрузкам забора, надо взять опоры потолще да побольше и закопать их как можно глубже.

Чтобы выяснить, какими должны быть эти параметры (толщина металла, диаметр, сечение, заглубление) надо рассчитать ветровую нагрузку.

При вычислениях учитываются следующие факторы:

Помимо этих основных моментов, для расчета берется еще множество показателей, которые сливаются в единую сложную инженерную формулу.

Но так как забор — это не небоскреб, требующий основательных проектных решений, то вычисления можно упростить.

Расчет ветровых нагрузок – упрощенная формула

Для упрощенного расчета вычислим с какой силой происходит давление ветра на 1 квадратный метр площади забора. После этого мы поймем какой стоит выбирать профиль трубы, чтобы эту нагрузку выдержать.

F = 0,61*V 2 /9,8

Итак, поправочный коэффициент плотности воздуха умножаем на среднюю скорость ветра, возведенную в квадрат и все это делим на ускорение свободного падения.

Для того, чтобы вычислить нагрузку на квадратный метр нашего забора нам надо знать среднюю скорость ветра в нашем регионе.
Узнаем, какая нагрузка будет на забор при урагане, когда скорость ветра достигает 30 м/с:

0,61*30 2 /9,8 = 56 кгс

Таким образом, при ураганном ветре, нагрузка на 1 кв.м нашего забора согласно расчетам по формуле будет составлять 56 кг.

Что нам дает это вычисление?

Далее, зная площадь забора и расстояние между пролетами мы вычисляем какова будет нагрузка на одну опору.

Предположим, что наш забор высотой 2 м, а длина пролета 2,5 м.

Значит площадь одной секции будет:

S = 2 * 2,5 = 5 м2

5 кв/м*56 кгс = 280 кг

Таким образом, при урагане парусность одного заборного листа (действующая сила ветра) достигает 280 кг.

Далее необходимо найти изгибающий момент, действующий на опору, по формуле:

М = F*L*k,

Изгибающий момент М в нашем случае получается:

М = 280*1,3*1,5 = 546 кгс·м

Зная изгибающий момент в сечении, можно определить нормальное напряжение в его конкретной точке и исследовать ее напряженно-деформированное состояние. Определение изгибающих моментов является неотъемлемой частью любого прочностного расчета деталей, работающих на изгиб.

Расчет сечения и диаметра опор для заборов из профнастила

Итак, мы получили данные о ветровой нагрузке при урагане и теперь должны выбрать опору, которая выдержала бы данную нагрузку.

Для этого надо определить максимальный изгибающий момент для опорной трубы (заборного столба). И здесь вновь нужно использовать формулу для выполнения расчетов:

М = σW/1000,

Момент сопротивления рассчитывается при помощи формул. Также в интернете в свободном доступе есть калькуляторы расчётов.
Предположим, у нас труба диаметром 80 мм, и толщина металла – 4 мм – в этом случае момент сопротивления изгибу будет 17 286 мм3, вычислим М по вышеприведенной формуле:

М= 20*17286/1000=346 кгс·м

Таким образом, мы выяснили, что максимальный изгибающий момент нашей трубы составляет 346 кг, а значит данная труба не выдержит нагрузку при ураганном ветре и столб деформируется.

Ниже приведены примеры с уже вычисленными максимальными изгибающими моментами при использовании наиболее часто встречающихся опор. Среди них, как видно из табличных значений, ураганный ветер выдержит круглый столб диаметром 108 мм, а также квадратные столбы 80*80 и 100*100 при толщине металла 4 мм. Столбы меньших диаметров и сечений погнутся.

Стоит понимать, что указанные нагрузки предполагают, что ветер дует прямо перпендикулярно поверхности. На практике, эта ситуация возникает достаточно редко. Чаще ветер дует под определенным углом, проходит по касательной, и при «скольжении» по плоскости забора нагрузка снижается.

Если параметры выбранных вами столбов отличаются от тех, что приведены в таблице, используя вышеприведенные формулы, не сложно будет вычислить самостоятельно максимальный изгибающий момент.

Примечание. Взятые для примера цифры скорости ветра слишком велики, ведь ураганные ветры на территории России бывают крайне редко. Когда будете выполнять собственные расчеты, учитывайте критерии района и типа местности, а также не забывайте рассчитывать площадь забора исходя из своих личных параметров заборных конструкций. Профессионалы для расчета используют среднюю силу ветра.

Также, при выборе опорных столбов не стоит забывать о глубине промерзания грунта и правилах установки. Подробности здесь.

Источник