Ветер по-разному влияет на строительные конструкции. Если для одноэтажного котеджа его воздействие минимальное, то для небоскреба или "парусного" рекламного щита нагрузка может стать определяющей. В этой статье подробно описано как вычислить ветровую нагрузку на различные сооружения.
Расчет ветровой нагрузки онлайн калькулятор
Полный расчет ветровой нагрузки по СП 20.13330.2011 "Нагрузки и воздействия" приведен ниже.
Описание расчета:
- синие ячейки - предназначены для ввода данных.
- зеленые ячейки - рачетные, данные в них рассчитываются автоматически.
- оранжевые ячейки - результат расчета. В данном раcчете результатом является рачетная ветровая нагрузка с учетом пульсационной составляющей.
Пример расчета ветровой нагрузки в онлайн калькуряторе
Ввод данных:
- Ввести тип местности. Тип местности определяется по п. 11.1.6.
- Ввести коэфициент надежности по нагрузке. По умолчанию равен 1.4 (п.11.1.12).
- Ввести коэфициент надежности по ответственности.
- Ввести нормативное значение ветрового давления. Нормативное значение определяется по таблице 11.1 в зависимости от ветрового района. Ветровой район определяется по карте 3. Справа от ячейки можно выбрать размерность входных и выходных данных (т, кг, кН).
- Ввести размеры здания:
- b-длина здания вдоль основной рамы.
- а-ширина здания поперек основной рамы.
- h-высота здания.
Расчетные ячейки:
Ce - не является ячейкой ввода и поумолчанию заданы все варианты для расчета нагрузки на стены здания. Но изменив эти значения можно посчитать ветровую нагрузку для других конструкций. Расчет Ce для любых конструкций проводится по приложению Д
k(ze) стат. - расчет коэфициента учитывающего изменение ветрового давления для высоте. Онлайн калькулятор считает только при условии: h<d, где d - минимальный размер между а и b
wm - Cтатическое давление. Вычисляется по п. 11.1.3
ζ(ze) - коэффициент пульсации давления ветра Таблица 11.4
Через ρ и χ вычисляется ν по таблице 11.6
wp - динамическая составляющая вычисляется по ф.11.5 принимая во внимание примечание.
В графе суммарное давление вычисляется сумма статической и динамической составляющей. Размерность зависит от размерности выбранной при вводе. Ширина зоны А,Б,С для боковых поверхностей рассчитываются автоматечески исходя из заданных размеров.
Расчет ветровой нагрузки по СП 20.13330.2011 "Нагрузки и воздействия".
11.1.1 Нормативное значение ветровой нагрузки w следует задавать в одном из двух вариантов. В первом случае нагрузка w представляет собой совокупность:
а) нормального давления we, приложенного к внешней поверхности сооружения или элемента;
б) сил трения wf, направленных по касательной к внешней поверхности и отнесенных к площади ее горизонтальной (для шедовых или волнистых покрытий, покрытий с фонарями) или вертикальной проекции (для стен с лоджиями и подобных конструкций);
в) нормального давления wi, приложенного к внутренним поверхностям сооружений с проницаемыми ограждениями, с открывающимися или постоянно открытыми проемами.
Во втором случае нагрузка w рассматривается как совокупность:
а) проекций wx и wv, внешних сил в направлении осей х и у, обусловленных общим сопротивлением сооружения;
б) крутящего момента wz относительно оси z.
При разработке архитектурно-планировочных решений городских кварталов, а также при планировании возведения зданий внутри существующих городских кварталов рекомендуется провести оценку комфортности пешеходных зон в соответствии с требованиями норм или технических условий.
11.1.2 Нормативное значение ветровой нагрузки w следует определять как сумму средней wm и пульсационной wp составляющих
w = wm + wp (11.1)
При определении внутреннего давления wi пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается не учитывать.
11.1.3 Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки wm в зависимости от эквивалентной высоты ze над поверхностью земли следует определять по формуле
wm = w0k(ze)c (11.2)
где w0 - нормативное, значение ветрового давления (см. 11.1.4);
k(ze) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты ze (см. 11.1.5 и 11.1.6);
с - аэродинамический коэффициент (см. 11.1.7).
11.1.4 Нормативное значение ветрового давления w0 принимается в зависимости от ветрового района по таблице 11.1. Нормативное значение ветрового давления допускается определять в установленном порядке на основе данных метеостанций Росгидромета (см. 4.4). В этом случае w0, Па, следует определять по формуле
(11.3)
где - давление ветра, соответствующее скорости ветра, м/с, на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А (11.1.6), определяемой с 10-минутным интервалом осреднения и превышаемой в среднем один раз в 50 лет.
Таблица 11.1
Ветровые районы (принимаются по карте 3 приложения Ж)
|
Iа
|
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
|
11.1.5 Эквивалентная высота ze определяется следующим образом.
1. Для башенных сооружений, мачт, труб и т.п. сооружений
ze = z.
2. Для зданий:
а) при h <= d -> ze = h;
б) при d < h <= 2d:
для z >= h - d ->ze = h;
для 0 < z < h - d-> ze = d;
в) при h > 2d:
для z >= h - d -> ze = h;
для d < z < h - d -> ze = z;
для 0 < z <= d -> ze = d.
Здесь z - высота от поверхности земли;
d - размер здания (без учета его стилобатной части) в направлении, перпендикулярном расчетному направлению ветра (поперечный размер);
h - высота здания.
11.1.6 Коэффициент k(ze) определяется по таблице 11.2 или по формуле (11.4), в которых принимаются следующие 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 до 60 м и на расстоянии 2 км - при h > 60 м.
Примечание - Типы местности могут быть различными для разных расчетных направлений ветра.
Таблица 11.2
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
|
350
|
2,75
|
2,75
|
2,35
|
>=480
|
2,75
|
2,75
|
2,75
|
k(ze) = k10(ze/10)2a. (11.4)
Значения параметров k10 и a для различных типов местностей приведены в таблице 11.3.
Таблица 11.3
Параметр
|
Тип местности
|
А
|
В
|
С
|
a
|
0,15
|
0,20
|
0,25
|
k10
|
1,0
|
0,65
|
0,4
|
z10
|
0,76
|
1,06
|
1,78
|
11.1.7 При определении компонентов ветровой нагрузки we, wf, wi, wx, wy и wz следует использовать соответствующие значения аэродинамических коэффициентов: внешнего давления се, трения сf, внутреннего давления сi и лобового сопротивления сx, поперечной силы су, крутящего момента сz, принимаемых по приложению Д.1, где стрелками показано направление ветра. Знак «плюс» у коэффициентов се или сt соответствует направлению давления ветра на соответствующую поверхность (активное давление), знак «минус» - от поверхности (отсос). Промежуточные значения нагрузок следует определять линейной интерполяцией.
При определении ветровой нагрузки на поверхности внутренних стен и перегородок при отсутствии наружного ограждения (на стадии монтажа) следует использовать аэродинамические коэффициенты внешнего давления се или лобового сопротивления сх.
Для сооружений повышенного уровня ответственности, а также во всех случаях, не предусмотренных Д.1 приложения Д (иные формы сооружений, учет при надлежащем обосновании других направлений ветрового потока или составляющих общего сопротивления тела по другим направлениям, необходимость учета влияния рядом стоящих зданий и сооружений и т.п. случаях), аэродинамические коэффициенты необходимо принимать на основе результатов продувок моделей сооружений в аэродинамических трубах или по рекомендациям, разработанным специализированными организациями.
Примечания
1 При назначении коэффициентов сх, сv и сm необходимо указать размеры сооружения, к которым они отнесены.
2 Значения аэродинамических коэффициентов, указанных в приложении Д.1, допускается уточнять на основе данных модельных аэродинамических испытаний сооружений.
11.1.8 Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки wp на эквивалентной высоте ze следует определять следующим образом:
а) для сооружений (и их конструктивных элементов), у которых первая частота собственных колебаний fl, Гц, больше предельного значения собственной частоты fl (см. 11.1.10), - по формуле
wp = wmz(ze)v, (11.5)
где wm - определяется в соответствии с 11.1.3;
z(ze) - коэффициент пульсации давления ветра, принимаемый по таблице 11.4 или формуле (11.6) для эквивалентной высоты ze (см. 11.1.5);
v - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра (см. 11.1.11);
Таблица 11.4
Высота ze, м
|
Коэффициент пульсаций давления ветра z для типов местности
|
А
|
В
|
С
|
<= 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
|
z(ze) = z10(ze/10)-a. (11.6)
Значения параметров z10 и a для различных типов местностей приведены в таблице 11.4;
б) для всех сооружений (и их конструктивных элементов), у которых f1 < fl < f2, - по формуле
wp = wmxz(ze)v, (11.7)
где f2 - вторая собственная частота;
- xde1f1;
(11.8)
Здесь w0 (Па) - нормативное значение давления ветра (11.1.4);
k(zэк) - коэффициент, учитывающий изменение давления ветра для высоты zэк (11.1.6);
- gf
Для конструктивных элементов zэк - высота z, на которой они расположены; для зданий и сооружений zэк = 0,7h, где h - высота сооружений;
Рисунок 11.1 - Коэффициенты динамичности
в) для сооружений, у которых вторая собственная частота меньше предельной, необходимо производить динамический расчет с учетом s первых форм собственных колебаний. Число s следует определять из условия
fs < fl < fs+l;
г) при расчете зданий допускается учитывать динамическую реакцию по трем низшим собственным формам колебаний (двум изгибных и одной крутильной или смешанным крутильно-изгибным).
Примечание - При расчете многоэтажных зданий высотой до 40 м и одноэтажных производственных зданий высотой до 36 м при отношении высоты к пролету менее 1,5, размещаемых в местностях типа А и В (см. 11.1.6), пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается определять по формуле (11.5).
11.1.9 Усилия и перемещения при учете динамической реакции по s собственным формам определяются по формуле
(11.9)
где X - суммарные усилия или перемещения;
Xs - усилия или перемещения по s-й форме колебаний.
11.1.10 Предельное значение частоты собственных колебаний fl, Гц, следует определять по таблице 11.5.
Таблица 11.5
Ветровые районы (принимаются по карте 3 приложения Ж)
|
fl, Гц
|
- d = 0,3
- d = 0,15
|
|
Iа
|
0,85
|
2,6
|
I
|
0,95
|
2,9
|
II
|
1,1
|
3,4
|
III
|
1,2
|
3,8
|
IV
|
1,4
|
4,3
|
V
|
1,6
|
5,0
|
VI
|
1,7
|
5,6
|
VII
|
1,9
|
5,9
|
Рисунок 11.2 - Основная система координат при определении коэффициента корреляции v
Значение логарифмического декремента колебаний d следует принимать:
а) для железобетонных и каменных сооружений, а также для зданий со стальным каркасом при наличии ограждающих конструкций d = 0,3;
б) для стальных сооружений футерованных дымовых труб, аппаратов колонного типа, в том числе на железобетонных постаментах d = 0,15.
11.1.11 Коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления v следует определять для расчетной поверхности сооружения или отдельной конструкции, для которой учитывается корреляция пульсаций.
Расчетная поверхность включает в себя те части наветренных и подветренных поверхностей, боковых стен, кровли и подобных конструкций, с которых давление ветра передается на рассчитываемый элемент сооружения.
Если расчетная поверхность близка к прямоугольнику, ориентированному так, что его стороны параллельны основным осям (рисунок 11.2), то коэффициент v следует определять по таблице 11.6 в зависимости от параметров r и c, принимаемых по таблице 11.7.
Таблица 11.6
r, м
|
Коэффициент v при c, м, равном
|
5
|
10
|
20
|
40
|
80
|
160
|
350
|
0,1
|
0,95
|
0,92
|
0,88
|
0,83
|
0,76
|
0,67
|
0,56
|
5
|
0,89
|
0,87
|
0,84
|
0,80
|
0,73
|
0,65
|
0,54
|
10
|
0,85
|
0,84
|
0,81
|
0,77
|
0,71
|
0,64
|
0,53
|
20
|
0,80
|
0,78
|
0,76
|
0,73
|
0,68
|
0,61
|
0,51
|
40
|
0,72
|
0,72
|
0,70
|
0,67
|
0,63
|
0,57
|
0,48
|
80
|
0,63
|
0,63
|
0,61
|
0,59
|
0,56
|
0,51
|
0,44
|
160
|
0,53
|
0.53
|
0,52
|
0,50
|
0,47
|
0,44
|
0,38
|
При расчете сооружения в целом размеры расчетной поверхности следует определять с учетом указаний Д.1 приложения Д, при этом для решетчатых сооружений в качестве расчетной поверхности необходимо принимать размеры расчетной поверхности по его внешнему контуру.
Таблица 11.7
Основная координатная плоскость, параллельно которой расположена расчетная поверхность
|
r
|
c
|
zoy
|
b
|
h
|
zox
|
0,4а
|
h
|
хоу
|
b
|
а
|
11.1.12 Коэффициент надежности по ветровой нагрузке следует принимать равным 1,4. |