в чем измеряется ветровая нагрузка

Расчет ветровой нагрузки

При расчете ветровой нагрузки необходимо учитывать многие ее составляющие, но для упрощения всего расчета будем считать ее основную составляющую – среднюю составляющую основной ветровой нагрузки Wm. Для наглядности в таблицу ниже сведены все составляющие ветровой нагрузки согласно СП 20.13330.2016:

Формула расчета основной средней ветровой нагрузки следующая:

Где Wm – нормативное значение основной средней ветровой нагрузки, кг/м2
Wo – нормативное значение ветрового давления, кг/м2
k – коэффициент, который учитывает влияние высоты на давление ветра
с – аэродинамический коэффициент

1. Его можно найти у нас в калькуляторе снеговой/ветровой нагрузок, выбрав необходимый город
2. В таблице ниже, зная свой ветровой район:

Теперь давайте разберемся с коэффициентом k.

Данный коэффициент зависит от эквивалентной высоты Ze. Обратите внимание, что это не просто высота до расчетной отметки, и искать ее необходимо следующими вариантами.

Для разных участков по высоте бывают разные эквивалентные высоты

После того, как вы нашли эквивалентную высоту Ze, зная тип вашей местности, находим коэффициент k:

Типы местности:
А – открытые местности (степи, лесостепи, побережье морей, озер, пустыни, тундра, сельские местности с высотой построек до 10 м)
В – городские территории, лесные массивы и другие территории с высотой построек более 10м
С – городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25м

Завершающим этапом определения средней составляющей ветровой нагрузки является нахождение аэродинамического коэффициента c.

Данный коэффициент может быть как положительным, так и отрицательным, и зависит от формы здания или сооружения и направления ветра. Давайте рассмотрим основные формы зданий и сооружений, с которыми приходится работать.

1. Прямоугольные здания с двускатными покрытиями
a. Ветер направлен сбоку

Если на участке стоит буква вместо цифры, то значение коэффициента необходимо определять интерполяцией в зависимости от уклона крыши.

2. Отдельно стоящие плоские сплошные конструкции (стены, заборы, рекламные щиты)

На рисунках показаны разные участки здания и сооружения и соответствующие аэродинамические коэффициенты с для них.

После того, как все три неизвестные найдены – легко найти нормативное значение основной средней ветровой нагрузки.

Напоминаем формулу Wm = Wo·k·c

Найдем коэффициент k методом интерполяции между 0,5 и 0,65. Получаем k = 0,56.

Далее находим аэродинамический коэффициент с. Здесь b=12м, d=6м, h1=4м, h=7м
е1 – это наименьшее из b или 2·h1. е1=2·4=8м (меньше чем b=12м)
e – это наименьшее из b или 2·h. е=12м (меньше чем 2·h =2·8=16 м)

Зная все размеры, получаем следующее распределение коэффициентов c:

И путем умножения Wo на k и на с мы получаем окончательное распределение ветровой нагрузки:

Для нахождения расчетной ветровой нагрузки необходимо каждое значение еще умножить на коэффициент надежности по ветровой нагрузке равный 1,4.

От автора:
Если данная статья была Вам полезна, то буду очень благодарен, если Вы поделитесь ей с друзьями и коллегами, и сохраните себе в закладки.
Также в ближайшее время будет реализован калькулятор по определению ветровой нагрузки.

Источник

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:

В последнем случае на отдельные части строительного сооружения действуют силы, направленные в разные стороны, например:

Расчёт усилий

Общая формула расчёта создаваемых усилий на вертикальную поверхность:

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:

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.

Воздушный поток, направленный на скат крыши, образует:

Расчёт воздушной нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется по формуле:

Таблица 3. Коэффициент k для типов местности:

Типы местности:

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:

Расчётное значение ветрового усилия составит:

Отрицательное значение показывает, что имеется усилие, стремящееся оторвать кровлю от всего здания.

При общих размерах кровли S = 30 м², общее усилие составит:

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.

Источник

В чем измеряется ветровая нагрузка

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Методика определения ветровых нагрузок на ограждающие конструкции

Buildings and constructions. Method for determining wind loads on the building envelope

Дата введения 2016-05-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (Научно-исследовательским институтом механики Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова (НИИ механики МГУ))

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Ноябрь 2019 г.

ВНЕСЕНО Изменение N 1, утвержденное и введенное в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22.12.2020 N 1355-ст c 01.06.2021

Изменение N 1 внесено изготовителем базы данных по тексту ИУС N 3, 2021

1 Область применения

Настоящий стандарт уточняет и дополняет требования СП 20.13330 по назначению внешних ветровых нагрузок, учитываемых при расчетах зданий и сооружений по предельным состояниям первой и второй групп, в соответствии с положениями ГОСТ 27751 и распространяется на ограждающие конструкции высотных зданий и сооружений.

Дополнительными являются следующие положения:

1.1 Введено понятие «нормативный (эталонный) ветер», как схематизированная модель приземного пограничного слоя (ППС), и дана его математическая формулировка для использования при постановке задач аэрофизического и компьютерного моделирования ветровых нагрузок.

1.4 Установлена методика (правила) определения базового аэродинамического коэффициента на основе экспериментального (аэрофизического) и компьютерного (численного) моделирования.

1.5 Указан способ определения пиковых значений аэродинамического коэффициента.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие документы:

ГОСТ 4401 Атмосфера стандартная. Параметры

ГОСТ 27751 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету

СП 20.13330.2016 «СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия»

3 Термины, определения, обозначения и единицы измерения

3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 приземный пограничный слой, ППС: Прилегающий к поверхности земли слой атмосферного воздуха толщиной до 500 м.

3.1.2 типы (шероховатости) местности: Принятая в строительной отрасли Российской Федерации классификация (А, В, С) характерных уровней шероховатости земной поверхности, влияющей на распределение по высоте скорости ветра в ППС, определяют по классификатору, приведенному в СП 20.13330.

3.1.3 ветровые районы: Территории (la, I, II, III, IV, V, VI, VII) Российской Федерации, отличающиеся по величине нормативного значения ветрового давления, определяют по карте 3 приложения Ж, приведенного в СП 20.13330.

3.1.4 нормативное значение ветрового давления: Характерный скоростной напор нормативного ветра для каждого ветрового района, определяют по классификатору, приведенному в СП 20.13330.

3.1.2-3.1.4 (Измененная редакция, Изм. N 1).

3.1.5 нормативный (эталонный) ветер: Схематизированная модель ППС, задаваемая для определения нормативной ветровой нагрузки на проектируемые сооружения.

3.1.6 линейный масштаб нормативного ветра: Высота над уровнем земли, на которой скоростной напор нормативного ветра для данного типа местности равен нормативному значению ветрового давления для данного ветрового района.

3.1.7 высокое здание: Сооружение, высота которого превышает линейный масштаб нормативного ветра.

3.1.8 коэффициент высоты: Отношение геометрической высоты проектируемого здания к линейному масштабу нормативного ветра.

3.1.9 нормативная ветровая нагрузка: Результирующее распределение избыточного давления на ограждающих конструкциях проектируемого сооружения в условиях обтекания нормативным ветром с учетом интерференции от аэродинамически значимых соседних объектов.

3.1.10 аэродинамическая интерференция: Эффект взаимного влияния соседних сооружений и их элементов на обтекание и распределение ветровых нагрузок на ограждающих конструкциях объекта.

3.1.11 аэродинамически значимый объект: Здание, сооружение или иной объект, высота которого превышает уровень высоты шероховатости для данного типа местности.

3.1.12 нормативное значение средней ветровой нагрузки: Стационарная составляющая нормативной ветровой нагрузки.

3.1.13 аэродинамический коэффициент: Безразмерная величина, устанавливающая пропорциональность между скоростным напором настилающего ветра и результирующим избыточным давлением на ограждающих конструкциях сооружения.

3.1.14 настилающий ветер: Перемещение воздушных масс в ППС, не возмущенном рассматриваемым сооружением.

3.1.15 экспериментальное (аэрофизическое) моделирование: Реализация в аэродинамической трубе обтекания макета проектируемого сооружения и объектов окружающей застройки неравномерным воздушным потоком, имитирующим нормативный ветер.

3.1.16 -фактор: Отношение скоростных напоров неравномерного потока воздуха на уровне высоты макета здания и на уровне половины этой высоты при аэрофизическом моделировании.

3.1.17 автомодельность по числу Рейнольдса: Для безразмерных аэродинамических коэффициентов свойство независимости от критерия «число Рейнольдса», начиная с некоторого достаточно большого значения этого критерия.

3.1.19 компьютерное (численное) моделирование: Численное воспроизведение методами CFD-технологий обтекания проектируемого сооружения и аэродинамически значимых элементов окружающей застройки нормативным ветром.

3.1.20 виртуальная аэродинамическая труба: Реализация в рамках CFD-технологий условий аэрофизического эксперимента в аэродинамической трубе с учетом масштаба моделирования объекта и нормативного ветра.

3.2 Обозначения и единицы измерения

Обозначения и единицы измерения количественных параметров и функций, применяемых при определении основного коэффициента внешних ветровых нагрузок, использованные в настоящем стандарте, приведены в таблице 1.

Источник

Ветровая нагрузка

В то время как силы природы способны оказать благотворную помощь человеку, они также имеют разрушительную способность. Например, ветровая нагрузка может оказать негативное воздействие, вплоть до угрозы жизни окружающих живых существ и построенным сооружениям. Так, для людей комфортная ветровая нагрузка до 5 метров в секунду. Если речь идет о сильном ветре, то обычно его скорость достигает до 12 метров в секунду. При шторме, ветер набирает скорость до 20 метров в секунду. А если надвигается ураган, то стоит ожидать скорость больше 30 метров в секунду. Но что можно сказать о конструкциях и сооружениях. Насколько важно учитывать ветровые нагрузки при возведении тех или иных сооружений? Рассмотрим эти и другие вопросы, связанные с ветровой нагрузкой и воздействием этой силы природы в нашей жизни.

Энергия ветра

Энергия ветра – это производная энергия Солнца. То есть энергия ветра образуется благодаря неравномерному нагреванию поверхности Земли. Тысячелетиями, человечество использует энергию ветра в разных целях, например, для передвижения кораблей, для переработки зерна в муку, для движения воды (водяные мельницы), для накопления электричества и прочее.

Так, если смотреть на этот вопрос с точки зрения энергетики, то ветровая энергия полезна в том случае, если скорость ветра находится в пределах от 8 до 18 метров в секунду. Если скорость ветра меньше 8 метров в секунду, то энергетические установки неэффективны. А если скорость превышает 18 метров в секунду, то это чревато механическим разрушениям.

Однако нас больше интересует не вопрос образования электроэнергии при воздействии ветровой нагрузки, а как правильно рассчитать нагрузку и воздействие ветра на строения. Это поможет вам при строительстве дома, придать строению необходимые физические и технические характеристики, чтобы они справлялись с ветром.

Ветровая нагрузка – что это

Так, под ветровой нагрузкой подразумевается образовавшееся давление на наветренные стороны здания и сооружений, например, на мачты, дома, опорных линий и прочее. Определяется ветровая нагрузка за определенный период времени максимальной скоростью ветра в конкретной местности.

Нагрузка ветровая может отличаться, например, она зависит от формы сооружения, которое обдувается. Также на это влияет плотность воздуха, назначение и движение.

Ветровая нагрузка – как образуется

Так, по мере своего передвижения, воздушный поток двигается. На своем пути он сталкивается с различными преградами, в частности, кровля, стены и другие конструкции дома. Как только воздушный поток сталкивается с подобными сооружениями, он раздваивается. Например, когда воздушная масса сталкивается со стеной, то часть нагрузки идет на низ здания, а вторая часть на карнизный свес кровли.

Когда воздушный поток сталкивается со скатом кровли, то происходит огибание ветра по касательной конек крыши. После этого поток подхватывает спокойные молекулы воздуха с подветренной стороны и уносит в сторону от здания. Таким образом, кровля сталкивается с нагрузкой четырех сил, которые способны сорвать ее или перевернуть:

Можно ли игнорировать ветровую нагрузку

Что, если вы будете строить здание и при этом не учитывать тип вашей местности на ветровую нагрузку? Здесь важно понимать одну важную истину – нагрузка ветра негативно воздействует на любой тип кровли. При этом абсолютно не важно, имеет кровля плоскую форму или какую-либо другую. Так, с увеличением угла ската крыши, увеличивается показатель нормальных сил, в то время как касательные уменьшаются. То есть, если все это подытожить, то крутой склон ската ветер может опрокинуть, а пологий уклон ската – унести и сорвать.

Из всего этого очевидно, при строительстве зданий, сооружении кровли и других конструкций крайне важно учитывать тип местности. Сегодня это как никогда просто. Например, существует специальная карта ветровых районов страны. Воспользовавшись ей, можно получить общее представление по этому вопросу.

Можно ли избежать плачевных последствий ветровой нагрузки

Итак, чтобы избежать негативного разрушительного воздействия ветровой нагрузки на кровлю, следует придерживаться нескольких правил.

Итак, мы рассмотрели простые способы того, как избежать негативного воздействия от ветровой нагрузки.

Как рассчитать ветровую нагрузку

Итак, как мы уже рассмотрели, что сила ветра способна оказывать разрушительное воздействие. В качестве давления выступает скорость ветра в момент его столкновения со зданием. Вот сила данного давления и является этой ветровой нагрузки. Расчеты выполняются для той цели, чтобы строить и проектировать безопасные строения и конструкции. При этом важно учитывать следующие факторы при проектировании, ведь скорость ветра может значительно изменяться исходя из его высоты от земли:

Из-за того, что ветер от части не предсказуем, крайне сложно произвести точные расчеты ветровой нагрузки.

Итак, рассмотрим принцип того, как выполняются подобные расчеты. За основу возьмем формулу давления силы, чтобы определить значение ветровой нагрузки:

В этом случае V подразумевает скорость ветра, измеряющаяся в милях в час. Проще способ как сделать расчет, использовать уже готовую информацию в таблицах и пособиях по ветровой нагрузке именно вашего региона.

Также следует произвести вычисление коэффициента лобового сопротивления. Что это такое? Под лобовым сопротивлением подразумевается давление, с которым сталкивается дом/строение. Определяет давление – сопротивление. Коэффициент сопротивления определяется формой строения и другими конструктивными особенностями здания. Так, необходимы учитывать такие коэффициенты по сопротивлению при определении нагрузки ветра:

Итак, теперь берем формулу, по которой и произведем расчет ветровой нагрузки:

Существует формула более современного образца:

Здесь добавлены некоторые показатели, а именно:

Кроме всего прочего, при расчете еще стоит учитывать и тип местности. Существует 3 типа местности:

Как определить, в какой местности проживаете вы? Можно смело считать, что ваша местность относится к одному из перечисленных типов, если с наветренной стороны сохраняется на протяженности 2 километров сооружения на определенной высоте, например, стабильно от 30 до 60 метров от земли.

Делаем расчет ветровой нагрузки на крышу

Учитывая, что чаще всего подвергается разрушению кровля, то рассмотрим важные нюансы того, как сделать правильный расчет ветровой нагрузки при строительстве кровли. Мы можем найти немало примеров того, что было, когда это не делалось. Кровля просто поднималась силой ветра и срывалась.

Итак, если направление ветра фронтальное, то осуществляется столкновение воздушной массы с фасадом здания и кровлей. На вертикальной поверхности поток воздушных масс образует завихрении, которые обладают разноплановыми векторами. То есть нагрузка происходит на вертикальную, боковую и нижнюю часть здания.

Каждая эта часть здания имеет определенные слабые и сильные места, рассмотрим их:

Рассмотрим подробнее характер воздействия вертикального направления, а именно, на скат и кровлю. Воздушный поток образует следующие воздействия и усилия:

Если же скат имеет пологую форму, то при воздействии серьезных воздушных масс конструкция с большой вероятностью приподнимется. Сила ветра попросту унесет ее в свободный полет. Итак, чтобы этого не допустить, для расчета будем использовать такую формулу:

Все эти значения имеют следующее объяснение:

C – это аэродинамический коэффициент. Здесь подразумевается воздействие потока ветра на скат кровли.

k – это зависимость высоты от земли к давлению.

W – это нормативная величина усилия. Эти усилия создаются напором воздушных масс. В этом случае крайне важно отталкиваться от показаний в СНИП и установленных норм в вашей местности.

Итак, видно из всего этого, что определить ветровую нагрузку, в частности, на кровлю строения вполне реально и самостоятельно. Для этого следует знать ваш ветровой район, нормы и преобладающее направление ветра в вашей местности. Имея всю эту информацию, вы сможете учитывать крайне важные факторы при строительстве частного дома.

Заключение

Итак, эта статья дала обширный ответ на вопрос о том, что такое ветровая нагрузка. Мы увидели, что она бывает самой разной. также мы узнали, что произойдет, если не произвести расчет ветровой нагрузки. Учитывая все это, не поленитесь, а приложите усилия для проведения таких расчетов. В таком случае ваше здание точно прослужит вам длительный период времени без повреждений по причине ветровой нагрузки.

При расчетах обязательно используйте карту ветровых нагрузок в вашем регионе. Также отталкивайтесь от показателей в СНИПах. Все это в комплексе поможет вам получить точную информацию. Плюс ко всему, используйте всю предоставленную информацию в этой статье. Здесь находиться немало формул и примеров для вычислений. Мы надеемся, что все это поможет вам. Плюс ко всему, предлагаем вам просмотр подготовленного видеоматериала о том, как происходит вычисление ветровой нагрузки и что под этим подразумевается. Если вы знаете другие важные аспекты по этому вопросу, то пишите комментарии и поднимайте эти вопросы на форуме. Ваш опыт будет неоценим и полезным для новичков в этом вопросе.

Источник