Как рассчитать ветровую нагрузку: Расчет ветровой нагрузки металлических конструкций, решетчатой башни (мачты). Пульсационная составляющая ветровой нагрузки

Содержание

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:

На вертикальную стену действует так называемое лобовое усилие, стремящееся сдвинуть объект с места. Противостоять этому усилию помогают несколько конструктивных решений:
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.
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 давления	Ветровые районы
Норматив ветрового давления	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
Высота h над уровнем земли, м	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:

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.

Нижнее направление – самое безопасное для здания, так как все усилия направлены в сторону фундамента, то есть одной из самой прочной и массивной части дома.
Боковые составляющие воздействуют на фасадные части здания, окна, двери.
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, метр	Тип местности
Высота над уровнем земли, метр	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:

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 ά	F	G	H	I	J
15°	-0,9	-0,8	-0,3	-0,4	-1,0
15°	0,2	0,2	0,2	-0,4	-1,0
30°	-0,5	-0,5	-0,2	-0,4	-0,5
30°	0,7	0,7	0,4	-0,4	-0,5
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:

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)

Определение ветровых нагрузок на конструкции навесов по норме EN 1991-1-4

При расчете навесов, например, кровли топливозаправочной станции, необходимо определить также нагрузки, соответствующие требованиям раздела 7. 3 нормы EN 1991-1-4. В следующей статье так будет показан пример расчета V-образной кровли с небольшим наклоном.

Определение коэффициентов

При определении нагрузки всегда необходимо применить коэффициент силы c f и общий коэффициент давления c_p,net согласно таблицам 7.6 и 7.8. В случае заполнения конструкции, например складскими материалами, находящимися под или непосредственно рядом с навесом, необходимо определить с помощью интерполяции в таблицах также степень заполнения и ее значение в интервале от ϕ = 0 (открытый навес) до ϕ = 1 (заполненный навес).

Для определения результирующего общего коэффициента давления выполняется также, как и у закрытых зданий, классификация поверхностей. Однако это применимо только для расчета покрытия кровли и его крепежных элементов.

Классификация поверхностей для определения общего коэффициента давления
Положение нагрузки от результирующей силы ветра
Пример
Ветровая нагрузка, давление ветра
Ветровая нагрузка, подсос ветра
Конструкция навеса желоба

Положение и форма результирующей силы ветра

Для расчета несущей конструкции необходимо на расстоянии d/4 от наветренного края приложить результирующую силу ветра. d – размер поверхности кровли в направлении ветра На рисунке 7.17 затем показано шесть возможных положений нагрузки в зависимости от знака коэффициента силы.

Положение нагрузки от результирующей силы ветра
Классификация поверхностей для определения общего коэффициента давления
Пример
Ветровая нагрузка, давление ветра
Ветровая нагрузка, подсос ветра
Конструкция навеса желоба

Поскольку ветровая нагрузка является поверхностной, а не узловой, и действует на покрытие кровли, а ее центр тяжести располагается в 1/4 длины кровли, требуется подобрать такой случай нагружения, который будет все это учитывать. Однако это внецентренное расположение нагрузки обусловливает более сложный расчет устойчивости у возможных центральных опор. Потому, одним из возможных решений является расположение поверхностной нагрузки в форме квадратичной параболы, так как ее центр тяжести будет находиться в 1/4 длины кровли.

Пример V-образной кровли

Длина = 15 м
Ширина = 12 м
Высота разжелобка = 6 м
Наклон кровли = -5 °
Ветровая нагрузка = 0,5 кН/м²
Открытый навес → ϕ = 0
c_f = +0,3 максимум всех ϕ
c_f = -0,5 минимум, ϕ = 0

Пример
Классификация поверхностей для определения общего коэффициента давления

Положение нагрузки от результирующей силы ветра
Ветровая нагрузка, давление ветра
Ветровая нагрузка, подсос ветра
Конструкция навеса желоба

Результирующая сила ветра

Программы RFEM и RSTAB содержат в себе генераторы нагрузок для закрытых зданий, прямоугольных в плане. К тому же, в них можно задать нагружение, которое действуюет, только на стены или на кровлю, а также на все здание.

Однако с помощью генераторов нельзя автоматически рассчитать несущие конструкции навесов. Тем не менее, после расчета коэффициентов можно генератор нагрузки применить к отдельным уровням навеса.

Давление ветра

Fw,max = cf · qp(ze) · Aref = 0,3 · 0,5 · 15 · 12cos 5° = 27,10 kN

Подсос ветра

Fw,min = cf · qp(ze) · Aref = -0,5 · 0,5 · 15 · 12cos 5° = -45,17 kN

Согласно пункту 7.5., силы трения в нашем примере не учитываются.

Наибольшие ординаты параболической нагрузки

Во внимание принимается только положение нагрузок 2 и 5, так как благодаря симметрии нет необходимости учитывать положение нагрузок 3 и 6.

Ординаты нагрузки

q(Pressure) = 27,1123 = 6,775 кН/м = 0.45 кН/м²q(Suction) = -45.17123 = -11,293 кН/м = -0,75 кН/м²

На основе данных ординат нагрузок потом можно с помощью квадратичного уравнения вычислить, например в программе Excel, переменные значения нагрузки в положении x, а затем экспортировать их в программу RFEM или RSTAB.

Ветровая нагрузка, давление ветра
Классификация поверхностей для определения общего коэффициента давления
Положение нагрузки от результирующей силы ветра
Пример
Ветровая нагрузка, подсос ветра
Конструкция навеса желоба

Ветровая нагрузка, подсос ветра
Классификация поверхностей для определения общего коэффициента давления
Положение нагрузки от результирующей силы ветра
Пример
Ветровая нагрузка, давление ветра
Конструкция навеса желоба

[1]	EN 1991-1-4: Eurocode 1: Actions on structures – Part 1-4: General actions – Wind actions

Как рассчитать ветровую нагрузку на плоскую крышу [2023]

Последнее обновление: 2 мая 2023 г.

В этой статье мы собираемся рассчитать ветровую нагрузку на плоскую крышу в соответствии с EN 1991-1-4:2005. Как мы уже делали для расчета ветровой нагрузки на стены/фасады, мы объясним это на примере офисного здания из сборного железобетона, которое вы можете увидеть на следующем рисунке. На следующем рисунке показаны только структурные элементы.

Пример | Офисное здание из сборного железобетона

Расчет ветровой нагрузки разбит на несколько статей из-за того, что ветровая нагрузка зависит от гораздо большего числа параметров, которые необходимо рассчитать, чем, например, снеговая нагрузка.

Эта статья основана на пиковом скоростном давлении, которое мы рассчитали в предыдущей статье, и мы также собираемся повторить несколько вещей, которые мы уже объясняли при расчете ветровой нагрузки на фасады/стены.

Для расчета ветровой нагрузки или ветрового давления на внешние поверхности плоской кровли выполним следующие действия:

Рассчитать давление скорости ветра $q_{p}$
Определение внешней геометрии здания
Рассчитать ширину областей ветра
Найти коэффициенты внешнего давления

Расчет ветрового давления/нагрузки

Геометрия и параметры давления скорости ветра

Это краткое изложение значений, которые мы рассчитали для получения давления скорости ветра.

9 0037 92}$

Основное значение основной скорости ветра 93} $
Базовая высота Terrain кат. II	$z_{0.II}$	$0,05 м$
Длина шероховатости (категория местности III)	$z_{0}$	$0,3 м$
Фактор местности	$ k_{r}$	$0,215$
Интенсивность турбулентности	$I_{v}$	$0,247$
Коэффициент шероховатости	$c_{r}$	$0,871$

Ветровое давление на поверхности

Еврокод (EN 1991-1-4:2005) в целом различает ветровое давление на внешние и внутренние поверхности. В этой статье основное внимание уделяется давлению ветра на внешние поверхности.

Давление ветра на внешние поверхности $w_{e}$

Формула (EN 1991-1-4:2005 (5.1)) для расчета давления ветра на внешние поверхности:

$w_{e} = q_{p } * c_{pe}$

Где

92$

Мы уже объяснили это немного подробнее здесь. Если вы хотите получить более подробное объяснение, перейдите к статье или прочитайте EN 1991-1-4:2005 7.2.

EN 1991-1-4 В таблице 7.2 приведены рекомендации для $c_{pe.10}$ и $c_{pe.1}$.

❗Это означает, что вам необходимо перепроверить данные вашего национального приложения, потому что там эти значения могут быть определены по-разному❗

В Таблице 7.2 приведены значения для 4 различных областей F, G, H и I нашего здания.

Эти области зависят от того, откуда дует ветер, и их можно увидеть в таблице 7.2 стандарта EN 1991-1-4:2005. Для нашего офисного здания мы можем определить площади как

Ветер спереди

Ширина здания	$b$	49,75 млн $ $
Длина здание	$d$	20,2 млн долларов $
Высота здания	$h$	$17,1 млн м $

Из этих размеров мы можем определить $e$, которое определяет ширину и глубину областей F, G и H в соответствии с EN 1991-1-4:2005. размеры зон в соответствии с EN 1991-1-4:2005 Рисунок 7.6

900 31 e/4 = 8,6 м 92}$

Теперь коэффициент внешнего давления зависит еще и от типа крыши. Включены следующие типы крыш:

Острые карнизы
С парапетами
Криволинейные карнизы и
Мансардный карниз

Для крыши типа парапета с высотой парапета $h_{p}$

$h_{p} = 50см$

вычисляем

$h_{p}/h = 0,5м/17,1м = 0,03$

, чтобы затем посмотреть коэффициенты внешнего давления для наших областей.

Коэффициенты внешнего давления для прямоугольных зданий можно взять из таблицы 7.2 стандарта EN 1991-1-4:2005.

Площадь	Ширина	Глубина
F	e/10 = 3,44 м
G	b-e/2 = 32,55 м	e/10 = 3,44 м
H	b = 49,75 м

92$) на нашем здании.

Поверхностные нагрузки | 3D

Теперь то же самое нужно сделать и для случая, когда ветер дует сбоку.

Ветер сбоку

В сценарии, когда ветер дует сбоку, мы должны снова определить ширину области. Мы должны переопределить параметры геометрии.

Область	$c_{pe.10}$	$c_{pe. 1}$
Область F	-1,6	-2,2
Зона G	-1,1	-1,8
Область H	-0,7	-1,2
Область I	-/+ 0,2 90 032	-/+ 0,2

9003 1 $49,75 млн $

Ширина здания	$b$	20,2 млн $
Длина здания	$d$
Высота здания	$h$	$17,1 млн m $

Из этих размеров мы можем определить $e$, который определяет ширину и глубину зон F, G и H в соответствии с EN 1991-1-4:2005 Рисунок 7.6

$e = min(b, 2h)$

$e = min(49,75м, 2*17,1м=34,4м) = 34,4м$

Из e получаем размеры площадей согласно EN 1991-1 -4:2005 Рисунок 7. 6

Площадь	Ширина	Глубина
F	e/4 = 5,05 м	e/10 = 2,02 м
G	b-e/2 = 10,1 м	e/10 = 2,02 м
В	b = 20,2 м	e/2 – e/10 = 8,08 м
I	b = 20,2 м	d-e/2 = 39,65 м

Как известно, a картинка расскажет больше, чем тысяча слов — так что давайте визуализируйте все эти числа 😁

Области ветра | Ветер сбоку

Для типа крыши парапета с отношением высоты парапета $h_{p}/h = 0,03$ коэффициенты внешнего давления для прямоугольных зданий можно найти в EN 19.91-1-4:2005 Таблица 7.2. 2 -1,6 -2,2 Зона G -1,1 -1,8 Зона H -0,7 -1,2 Зона I -/+ 0,2 -/+ 0,2

Основываясь на наших коэффициентах, теперь мы можем рассчитать давление ветра на внешние поверхности. 92}$

Теперь мы можем визуализировать эти ветровые нагрузки.

Ветровые нагрузки | Ветер сбоку

Теперь, когда характеристическая ветровая и снеговая нагрузки рассчитаны, мы можем приступить к расчету несущих элементов, таких как настилы крыш, балки и колонны – ура 🎉😁

Так что я надеюсь увидеть вас в одном из более интересные статьи, где мы разрабатываем элементы.

Ветровые нагрузки на скатную крышу {Руководство по конструкции}

Последнее обновление: 4 июня 2023 г.

Как и в предыдущих статьях, мы рассчитываем ветровую нагрузку в соответствии с EN 1991-1-4:2005. На этот раз: ветровая нагрузка скатных крыш , для большинства семейных домов.

В этой статье мы рассчитаем ветровые нагрузки на примере простой стропильной крыши. ❗А вот статическая система не влияет на ветровую нагрузку, только на уклон (угол стропил).

На следующем рисунке показаны только конструктивные элементы крыши.

Первый этаж, который также подвержен ветру, упрощен с помощью серого прямоугольника.

Дом со стропильной крышей

Эта статья основывается на пиковом скоростном давлении, которое мы рассчитали в предыдущей статье для сборного офисного здания.

Мы не будем повторять вычисления в этой статье, а определим для них значение $q_p$ . Этапы расчета ветровой нагрузки на стены такие же, как и для сборного железобетонного здания.

Просто имейте в виду, что значения различаются из-за разных параметров, таких как местоположение и геометрия.

Для расчета ветровой нагрузки или ветрового давления на внешние поверхности скатной кровли выполним следующие действия:

Рассчитать давление скорости ветра $q_{p}$
Определение внешней геометрии здания
Рассчитать ширину областей ветра
Найти коэффициенты внешнего давления
Расчет ветрового давления/нагрузки