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_m = w₀ ⋅ k(z_e)  ⋅ c_e, 

где:

w₀– нормативное значение ветрового давления (скоростного напора);
k  – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте. Зависит от эквивалентной высоты z_e, поэтому коэффициент k в формулах часто записывают как k (z_e).
c – аэродинамический коэффициент.

Нормативное значение ветрового давления

Нормативное значение ветрового давления w₀ принимается в зависимости от ветрового района:

Табл.1

Ветровые районы	Ia	I	II	III	IV	V	VI	VII
w0, кПа	0,17	0,23	0,30	0,38	0,48	0,60	0,73	0,85

 

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:

При h ≤ d		ze = h
При d < h ≤ 2d	Для z ≥ h — d	ze = h
	Для 0 < z < h — d	ze = d
При h ≥ d	Для z ≥ h — d	ze = h
	Для d < z < h — d	ze = z
	Для 0 < z ≤ d	ze = d

z — высота от поверхности земли;

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

h — высота здания.

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

Табл.2

Высота ze, м	Коэффициент k для типов местности
	А	В	С
≤5	0,75	0,5	0,4
10	1,0	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

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 и на расстоянии 2км – при h > 60м.

Аэродинамический коэффициент с_e

Аэродинамический коэффициент внешнего давления c_eучитывает 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:

Табл.3

Боковые стены			Наветренная стена	Подветренная стена
Участки
А	В	С	D	E
-1,0	-0,8	-0,5	0,8	-0,5

 

 

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).

+ (плюс) — прижимает;

—  (минус) — отрывает.

Расчетное значение ветровой нагрузки

w_p = w_m⋅ γ_f = w₀ ⋅ k ⋅ c_e ⋅ γ_f

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:

w₀ = 30 кгс/м²

Тип местности А, значит изменение давления ветра по высоте в соответствии с таблицей 2 (у нас высота строения 4м < 5м):

k = 0,75

Аэродинамический коэффициент с:

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

— для стены с подветренной стороны с_e = -0,5

Коэффициент надежности по ветровой нагрузке γ_f = 1,4

Расчетное значение ветровой нагрузки:

w_p =  w₀ ⋅ k ⋅ c_e ⋅ γ_f

w_{p активное давление} = 30 ∙ 0,75 ∙ 0,8 ∙ 1,4 = 25,8 кг/м²;

w_{p отсос} = 30 ∙ 0,75 ∙ 0,5 ∙ 1,4 = 15,8 кг/м² ;

Собираем ветровую нагрузку на колонны, учитывая грузовые площади для крайних (3 м) и средних (6 м) колон:

Стена с наветренной стороны:

q_{1 кр} = 25,8 кг/м² ∙ 3 м = 75,6 кг/м — для крайней колонны;

q_{2 ср} = 25,8 кг/м² ∙ 6 м = 151,2 кг/м – для средней колонны;

Стена с подветренной стороны:

q_{1 кр} = 15,8 кг/м² ∙ 3 м = 47,4 кг/м — для крайней колонны;

q_{2 ср} = 25,8 кг/м² ∙ 6 м = 94,8 кг/м – для средней колонны;

 

Усложним задачу.

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.

 

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

 w₀= 30 кгс/м²

Аэродинамический коэффициент с:

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

— для стены с подветренной стороны с_e = -0,5

Так как коэффициент k  зависит от эквивалентной высоты z_e, следовательно имеет переменное значение по высоте здания, а ветровые нагрузки q₁ и q₂ — величины постоянные, то чтобы правильно рассчитать значение ветровой нагрузки w_p, нам необходимо найти эквивалентную нагрузку q_экв

Расчетное значение ветровой нагрузки:  w_p = q_экв ⋅ c_e ⋅ γ_f

 

 

 

 

Все моменты считаем относительно нулевой отметки.

 

 

 

Расчетное значение ветровой нагрузки:

w_p = q_экв ⋅ c ⋅ γ_f

w_{p активное давление} = 27,71 ∙ 0,8 ∙ 1,4 = 31,03 кг/м²

_{wp отсос} = 27,71 ∙ 0,5 ∙ 1,4 = 19,4 кг/м²

 

Ветровая нагрузка со стороны активного давления ветра:

q_{1 кр} = 31,03 кг/м² ∙ 3 м = 93,09 кг/м – для крайней колонны

q_{1 ср} = 31,03 кг/м² ∙ 6 м = 186,2 кг/м – для средней колонны

 

Ветровая нагрузка со стороны отсоса ветра:

q_{2 кр} = 19,4 кг/м² ∙ 3 м = 58,2 кг/м – для крайней колонны

q_{2 ср} = 19,4 кг/м² ∙ 6 м = 116,4 кг/м – для средней колонны

 

Считается, что ветровую нагрузку W₀ следует прикладывать к нижнему поясу фермы. 

Эквивалентная нагрузка q_экв  действует до низа фермы, а верхнюю часть ветровой нагрузки мы учитываем с помощью W₀ . (В этом случае не нужно путать значения w₀ — нормативное значение ветрового давления и W₀ – ветровую нагрузку в верхней части рамы.)

Находим W₀ – равнодействующую ветровой нагрузки в уровне нижнего пояса фермы, которая действует от низа фермы до наивысшей точки конструкции.

W₀ = 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):