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:

1. На вертикальную стену действует так называемое лобовое усилие, стремящееся сдвинуть объект с места. Противостоять этому усилию помогают несколько конструктивных решений:


2. 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.


3. 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 = 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:

Таблица 2. Коэффициент пульсаций давления ветрового потока k:

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.

1. Нижнее направление – самое безопасное для здания, так как все усилия направлены в сторону фундамента, то есть одной из самой прочной и массивной части дома.


2. Боковые составляющие воздействуют на фасадные части здания, окна, двери.


3. 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:

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:

Таблица 5. Значение коэффициента С для двускатной кровли при направлении потока во фронтон крыши:

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.