Как рассчитать ветровую нагрузку: Как рассчитать ветровую нагрузку на опору освещения

Как рассчитать ветровую нагрузку на опору освещения

Ветром называют поток воздушных масс, движущихся около поверхности земли из мест с высоким давлением в места с низким. В современных расчетах используются максимальная скорость ветра и его скорость при минимальной температуре и гололеде, что касается силовых опор с воздушной прокладкой кабеля. Ранее ветровые нагрузки определяли по СНиП 2.01.07-85*. Сегодня документ заменен новой редакцией – СП 20.13330.2016, где можно найти все данные и значения для выполнения расчета.

Расчет ветровой нагрузки w ведется по СП 20.13330.2016. Согласно п. 5.5, это разновидность кратковременных горизонтальных нагрузок. Подробное описание и особенности расчета приведены в главе 11 указанного документа под названием «Воздействия ветра». Под ветровой нагрузкой подразумевают разные виды воздействия ветра:

  • основную ветровую нагрузку;
  • пиковые значения ветровой нагрузки на конструктивные элементы и ограждения;
  • резонансное вихревое возбуждение;
  • аэродинамические неустойчивые колебания.

Последние два типа нагрузки свойственны сооружениям, имеющим прямолинейную центральную ось и неизменное или плавно изменяющееся поперечное сечение.

При расчете ветровой нагрузки применяют коэффициент надежности, равный 1,4. Он учитывает возможность отклонения нагрузки от нормативных значений. Согласно 11.1.2 СП 20.13330.2016, нормативная основная ветровая нагрузка определяется как сумма:

w = wm + wg,

где wm – средняя ветровая нагрузка, wg – пульсационная ветровая нагрузка, определяемая по 11.1.8 СП 20.13330.2016. Простыми словами, это статическая и динамическая составляющие ветровой нагрузки.

Пульсация должна учитываться, поскольку скорость ветра не может быть постоянной, а это вызывает дополнительную динамическую нагрузку на опоры. Ветер дует порывами в виде непродолжительных толчков длительностью 0,5-2 с. Причем он часто меняет скорость и направление. Поэтому при расчетах учитывают не только среднюю скорость ветра, но и колебания, при которых в отдельные моменты скорость может превышать среднюю.

Формула для вычисления средней ветровой нагрузки:

wm = w0 · k(ze) · c.

В представленной формуле:

  • Значение w0 – нормативная ветровая нагрузка (давление). Определяется в зависимости от ветрового района (от I до VII). Принимается по карте 2 ветровых нагрузок в Приложении Е СП 20.13330.2016.
  • Коэффициент k(ze) – коэффициент изменения ветрового давления по высоте. Согласно 11.1.5, эквивалентная высота башенных сооружений (мачт и опор) определяется как ze = z. По п. 11.1.6 коэффициент k(ze) для ze ≤ 300 м определяется по таблице 11.2 СП 20.13330.2016. В таблице приведены типы местности: A – открытое побережье и сельские местности, пустыни, лесостепи, B – лесные массивы, территория города с препятствиями высотой от 10 м, C – городская местность с плотной застройкой и зданиями высотой от 25 м.
  • Коэффициент c – аэродинамический коэффициент ветровой нагрузки. Принимается по Приложению B.1, где стрелки указывают на направление ветра. Для цилиндрических неплоских опор коэффициент обычно принимается равным 0,7.

Получившуюся после сложения средней и пульсационной нагрузку используют при последующих расчетах опор на сочетание нагрузок: от собственного веса, массы оборудования и проводов. Еще этот расчет может быть необходим при определении гололедных нагрузок. Это касается силовых опор, которые дополнительно служат для воздушной прокладки проводов, которые в зимнее время подвергаются оледенению.

Расчет ветровой нагрузки – пример расчета нагрузки на конструкции

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.

  • Расчёт усилий ↓
  • Расчёт ветровой нагрузки на крышу ↓
  • Пример расчёта ↓
  • Альтернативная энергетика ↓

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.

Мощность создаваемых усилий обычно пропорциональна квадрату расчётной величины скорости ветра.

Расчёт усилий

Общая формула расчёта создаваемых усилий на вертикальную поверхность:

Таблица 1. Норматив ветрового давления Wo:

Норматив ветрового давленияВетровые районы
IaIIIIIIIVVVIVII
Wo, кПА0,170,230,300,380,480,600,730,85
Wo, кгс/м²1723303848607385

Таблица 2. Коэффициент пульсаций давления ветрового потока k:

Высота h над уровнем земли, мКоэффициент k для различных типов местности
ABC
50,851,221,78
100,761,061,78
200,690,921,50
400,620,801,26
600,580,741,14
800,560,701,06
1000,540,671,00
1500,510,620,90
2000,490,580,84
2500,470,560,80
3000,460,540,76
3500,460,520,73
4800,460,500,68

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.

  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:

Таблица 3. Коэффициент k для типов местности:

Высота над уровнем земли, метрТип местности
ABC
≤ 50,750,50,4
101,250,650,4
201,250,850,55
401,51,10,8
601,71,31,0
801,851,451,15
1002,01,61,25
1502,251,91,55
2002,452,11,8
2502,652,32,0
3002,752,52,2
3502,752,752,35
≥ 4802,752,752,75

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 άFGHIJ
15°-0,9-0,8-0,3-0,4-1,0
0,20,20,2
30°-0,5-0,5-0,2-0,4-0,5
0,70,70,4
45°0,70,70,6-0,2-0,3
60°0,70,70,7-0,2-0,3
75°0,80,80,8-0,2-0,3

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

Угол наклона άFHGI
-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.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Ветровая нагрузка в зависимости от скорости ветра

Когда движущийся воздух – ветер – останавливается поверхностью – динамическая энергия ветра преобразуется в давление. Давление, действующее на поверхностные преобразования в силу

F W = P D A

= 1/2 ρ V 2 A (1)

, где

F F. w = сила ветра (Н)

A = площадь поверхности (м 2 )

P D = динамическое давление (PA)

ρ = плотность воздуха (кг/м 3 )

В = скорость ветра (м/с)

Примечание. На практике сила ветра, действующая на объект, создает более сложные силы за счет сопротивления и других эффектов.

Калькулятор ветровой нагрузки

плотность воздуха (кг/м 3 )

скорость ветра (м/с)

площадь (м 2 )

Wind Speed ​​
(m/s)
Wind Load 1)
(Pa)
1 0. 6
2 2.4
3 5.4
4 9.6
5 15
6 22
7 29
8 38
9 49
10 60
11 73
12 86
13 101
14 118
15 135
16 154
17 173
18 194
19 217
20 240
21 265
22 290
23 317
24 346
25 375
26 406
27 437
28 470
29 505
30 540
31 577
32 614
33 653
34 694
35 735
36 778
37 821
38 866
39 913
40 960
41 1009
42 1058
43 1109
44 1162
45 1215
46 1270
47 1325
48 1382
49 1441
50 1500

1) density of air 1. 2 kg/m 3   

  • 1 m/ s = 3.6 km/h = 196.85 ft/min = 2.237 mph
  • 1 Pa = 1 N/m 2 = 1.4504×10 -4 psi (lb/in 2 )

Пример — ураганная ветровая нагрузка, действующая на поверхность стены

Ураган со скоростью ветра 35 м/с воздействует на стену 10 м 2 . Динамическую силу можно рассчитать как

F w = 1/2 ρ v 2 A  

    = 1/2 (1,2 кг/м 3 ) (2 м/с) (10 м 2 )

    = 7350 Н

    = 7,35 кН

Или – из приведенной выше таблицы ветровая нагрузка равна 90 на метр квадратный9735 Н/м 2 . The total load on the wall can be calculated as

(735 N/m 2 ) ( 10 m 2 ) = 7350 N

A hurricane acting on a 10 m 2 стена создает силу, равную весу прибл. 750 кг .

Как рассчитать ветровую нагрузку на конструкцию

••• изображение ветра Ханны Крайс с сайта Fotolia.com

Обновлено 07 августа 2017 г.

By Allen Douglas

Вещи, которые вам понадобятся
  • Данные о ветре для определения местоположения конструкции
  • Размеры конструкции

Ветровая нагрузка на конструкцию зависит от нескольких факторов, включая скорость ветра, окружающую местность, размер, форму и динамику реакцию конструкции. Традиционная теория предполагает, что давление горизонтальной ветровой нагрузки действует нормально на поверхность конструкции. Расчеты для ветра во всех направлениях рассчитываются, чтобы найти наиболее критическое состояние нагрузки. Учет всасывания из-за сил перепада давления, вызванных ветром, также обычно оценивается в случае боковых стенок и подветренных стенок. Как правило, строительные нормы и правила допускают либо расчетные ветровые нагрузки, либо ветровые нагрузки, определенные путем тестирования моделей в условиях местности, эквивалентных условиям строительной площадки.

    Определите базовую скорость ветра для расположения конструкции. Если данные для объекта отсутствуют, используйте следующие приблизительные значения базовой скорости ветра в США:

    Прибрежные и горные районы 110 миль в час Северная и центральная часть США 90 миль в час Другие районы США 80 миль в час

    Выберите категорию рельеф для строения. Выберите категорию «А» для городских центров с другими строениями поблизости на расстоянии более 70 футов. Выберите «B» для лесных или городских районов со строениями ниже 70 футов. Выберите «C» для плоских участков с препятствиями высотой менее 30 футов. Выберите «D» для плоских участков без препятствий. 92 = коэффициент воздействия x основная скорость ветра c основная скорость ветра.

    Умножьте давление ветра на 1,15 для важных сооружений, таких как школы, больницы, здания с высокой посещаемостью, здания с жизненно важными коммуникациями, а также высокие или тонкие конструкции.

    Умножьте давление ветра на 1,05 для зданий, подверженных ураганам вдоль побережья Мексиканского залива или Атлантического океана.

    Умножьте расчетное давление ветра на площадь поверхности в квадратных футах конструкции, подверженной ветру в каждом конкретном направлении. Используйте наибольшую площадь поверхности, подверженную воздействию ветра, для максимальной ветровой нагрузки.

    • Базовая скорость ветра для данной местности — это самая высокая скорость ветра, зарегистрированная на высоте 10 метров (32,8 фута) над открытой ровной местностью за 50-летний интервал.

    Предупреждения
    • – Приведенные выше этапы расчета обеспечивают простую аппроксимацию ветровой нагрузки на конструкцию. Наличие подробных данных о конкретном участке и модели конструкции позволит получить гораздо более точные результаты ветровой нагрузки. В частности, стены конструкции должны быть проверены на соответствие коду ASCE-7 на положительное и отрицательное давление, создаваемое ветром.

      – Проконсультируйтесь с квалифицированным инженером-строителем или архитектором, чтобы уточнить фактические расчеты ветровой нагрузки на конструкцию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *