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 wm и пульсационной wps составляющих:

w = wm + wps

wps – пульсационная составляющая, применяется при расчетах с учетом пульсации ветра.

Обычно вычисляют только wm – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки.

Нормативное значение ветровой нагрузки

wm = w0 ⋅ k(ze)  ⋅ ce

где:

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

Карта ветровых районов

Карта ветровых районов

 

Коэффициент k, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze

Эквивалентная высота ze 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 ze ≤ 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 сe

Аэродинамический коэффициент внешнего давления ceучитывает 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

 

План и боковые стены здания для определения ветровой нагрузки

Вертикальные стены прямоугольных в плане зданий

 

Величина е равняется меньшему из: b или 2h

Рассмотрим только боковой ветер, нормальный к большей (более длинной) стороне здания.

Skhema 2

Знак «плюс» у коэффициентов ce соответствует направлению давления ветра на соответствующей поверхности (активное давление); знак «минус» — от поверхности (отсос ветра).

+ (плюс) — прижимает;

—  (минус) — отрывает.

Расчетное значение ветровой нагрузки

wp = wm⋅ γf = w0 ⋅ k ⋅ ce ⋅ γf

γf = 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.

Skhema 3Skhema 3.1

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 сe = 0,8;

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

Коэффициент надежности по ветровой нагрузке γf = 1,4

Расчетное значение ветровой нагрузки:

wp =  w0 ⋅ k ⋅ ce ⋅ γf

wp активное давление = 30 ∙ 0,75 ∙ 0,8 ∙ 1,4 = 25,8 кг/м2;

wp 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:

q1 кр = 25,8 кг/м2 ∙ 3 м = 75,6 кг/м — для крайней колонны;

q2 ср = 25,8 кг/м2 ∙ 6 м = 151,2 кг/м – для средней колонны;

Стена с подветренной стороны:

q1 кр = 15,8 кг/м2 ∙ 3 м = 47,4 кг/м — для крайней колонны;

q2 ср = 25,8 кг/м2 ∙ 6 м = 94,8 кг/м – для средней колонны;

Skhema 4

 

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.

Расчёт ветровой нагрузки на здание высотой более 5м

Расчетная схема для расчёта ветровой нагрузки на здание высотой более 5м

 

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 сe = 0,8;

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

Так как коэффициент зависит от эквивалентной высоты ze, следовательно имеет переменное значение по высоте здания, а ветровые нагрузки q1 и q2величины постоянные, то чтобы правильно рассчитать значение ветровой нагрузки wp, нам необходимо найти эквивалентную нагрузку qэкв

Расчетное значение ветровой нагрузки:  wp = qэкв ⋅ ce ⋅ γf

 

Formula 1

Skhema 7

Formula 2.1

 

 

 

Все моменты считаем относительно нулевой отметки.

Skhema 9Formula 3.1

 

Skhema 8

Formula 4

 

Formula 5

 

Расчетное значение ветровой нагрузки:

wp = qэкв ⋅ c ⋅ γf

wp 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:

q1 кр = 31,03 кг/м2 ∙ 3 м = 93,09 кг/м – для крайней колонны

q1 ср = 31,03 кг/м2 ∙ 6 м = 186,2 кг/м – для средней колонны

 

Ветровая нагрузка со стороны отсоса ветра:

q2 кр = 19,4 кг/м2 ∙ 3 м = 58,2 кг/м – для крайней колонны

q2 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 qэкв  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

Formula 6

B = 6 м — пролет здания;

Hпокр = Hфермы + Hфонаря + Hплиты покрытия + пирог крыши = 3 м;

Находим коэффициент k на высоте 16 м (13 м + 3 м):

Formula 7Formula 8