Ветровые нагрузки на конструкции

• Физические свойства ветровой нагрузки
• Характеристики потока ветра:
• Взаимодействие ветрового потока с объектами
• Виды ветровой нагрузки:
• Требования по расчету ветровых нагрузок
• Методы определения ветровых нагрузок:
• Определение ветровых нагрузок для разных конструкций
• Влияние ветра на устойчивость и безопасность конструкций
• Способы снижения ветровой нагрузки:

Ветровая нагрузка – это сила, возникающая в результате взаимодействия объектов с движущимся воздушным потоком. В нормативных документах этот эффект рассматривается как совокупность давлений, воспринимаемых внешними поверхностями конструкции. При проектировании сооружений ветровую нагрузку рассчитывают с использованием среднего значения постоянного и пульсационного воздействия. Общую силу воздушного потока определяют путем суммы этих параметров.

Величина ветровой нагрузки зависит от скорости воздушного потока, площади конструкции и угла воздействия силы на плоскость. В строительстве высотных и крупных объектов точное определение ветровых нагрузок имеет важное значение. Ошибки, допущенные при проектировании, могут привести к частичному или полному разрушению сооружения. В расчетах обязательно учитывают скорость, силу и направление ветра. Благодаря компьютерным технологиям проектировщики моделируют ветровые нагрузки с учетом множества параметров.

Физические свойства ветровой нагрузки

Ветер – это движение воздуха над поверхностью земли, вызванное изменением давления в разных областях атмосферы. В процессе движения поток сталкивается с множеством препятствий: овраги, холмы, леса, горы, моря, поля, искусственные сооружения. В результате постоянных столкновений характеристики ветра на разной высоте от поверхности существенно изменяются. Возникает сильная турбулентность воздушных масс.

Характеристики потока ветра:

1. Средняя скорость. Для определения параметра используют временной интервал осреднения. Важно исключить влияние турбулентных явлений.
2. Пульсационная скорость ветра. Характеристика описывает интенсивность движений воздушного потока, вызываемых турбулентными вихрями.
3. Масштаб турбулентности. Турбулентный воздушный поток состоит из множества вихрей разных размеров и характеристик. Важно определить общий размер потока.
4. Частота пульсации скорости. Энергия турбулентных вихрей зависит от частотной пульсации воздушных порывов.

Взаимодействие ветрового потока с объектами

Ветер вызывает пульсирующую нагрузку, действующую как на локальные участки сооружения, так и всю конструкцию в целом. При этом сила воздействия зависит не только от скорости воздушного потока, но и от формы, размера, пропускаемости материала и других факторов. В расчетах ветровой нагрузки проектировщики используют три типовых параметра: основные, пиковые, пульсационные воздействия.

Виды ветровой нагрузки:

1. Общая. Характеризует интегральное значение силы ветра, воздействующего на все элементы конструкции одновременно. Параметр используют в процессе проектирования фундаментов и других несущих элементов согласно нормативным документам.
2. Пиковая. Это статическая максимальная сила, воздействующая на локальный участок в момент резкого изменения скорости ветра. Значение используют при разработке проектов фасадов, кровель, крепежей, подвижных элементов.
3. Пульсационная. Параметр представляет собой общую ветровую нагрузку, воздействующую на все сооружение, рассчитанную без учета усредненных значений. Значение пульсационной силы ветра используют при строительстве высотных конструкций, когда нестационарная ветровая нагрузка способна привести к опасным колебаниям верхней части здания.

Требования по расчету ветровых нагрузок

Нормативные значения для выполнения расчета указаны в своде правил «Нагрузки и воздействия». Согласно нормативному документу, проектировщики при расчете ветровых нагрузок должны учитывать основные, пиковые, резонансные, аэродинамические воздействия на все конструктивные элементы здания.

Методы определения ветровых нагрузок:

1. ручной с использованием формул;
2. с помощью онлайн-калькуляторов;
3. автоматический расчет с применением профессиональных программ.

В процессе расчета важно правильно определить и использовать исходные данные: тип местности, коэффициенты надежности, нормативные значения в зависимости от района, габариты сооружения.

Для расчета силы воздействия ветра на конструкцию применяют формулу:

W = Wₙ × k × C.

Чтобы получить значение, потребуется нормативный параметр ветрового давления (Wₙ), аэродинамический (C) и высотный (k) коэффициент объекта. Данные берут из специальных таблиц в соответствующих документах.

При простом методе расчета применяют два параметра: скорость ветра и парусность конструкции. Сначала нужно определить площадь объекта. Чем больше полученное значение, тем выше парусность. Для расчета силы воздействия ветрового потока на 1 кв. метр конструкции используют формулу:

F = 0,61*V2/9,8, где V – это скорость ветра в м/с.

Формулу можно применять к любым плоским сооружениям, устанавливаемым в вертикальное положение, например, пролетам забора из профлиста.

Определение ветровых нагрузок для разных конструкций

При проектировании зданий разного назначения обязательно выполняют расчет ветровых нагрузок с учетом формы сооружения, максимальной высоты, габаритов конструкции. Для обеспечения устойчивости будущего объекта важно принимать во внимание рельеф площадки под возведение строения, а также особенности расположения и конфигурации соседних сооружений. Для обеспечения надежности, функциональности и энергоэффективности здания необходимо учесть множество специфических требований, предъявляемые к несущим каркасам, отделочным материалам, их способности выдерживать и равномерно распределять возникающие напряжения. Дополнительно проектировщики определяют особенности взаимодействия возводимого сооружения с грунтом.

Влияние ветра на устойчивость и безопасность конструкций

Ветровая нагрузка является серьезным негативным фактором, способным привести не только к локальным повреждениям, но и полному разрушению сооружения. Под действием воздушных потоков конструкции приходят в движение, раскачиваются, заставляя материал испытывать сильные растяжения и сжатия. В результате длительного воздействия даже относительно невысоких ветровых нагрузок происходит накопление усталости с последующей деформацией или изломом элементов. К тому же резкие порывы ветра способны в секунды сдвинуть, опрокинуть, вызвать прогибы, привести в критическое состояние практически любую конструкцию, если при расчете на парусность были допущены ошибки или строительство выполняли без предварительного проектирования.

Способы снижения ветровой нагрузки:

1. использование формы, повышающей аэродинамические характеристики строения;
2. применение «розы ветров» для определения положения здания относительно сторон света;
3. учет влияния близкорасположенных объектов;
4. использование специальных приспособлений.

Для защиты конструкций от ветровых нагрузок устанавливают аутригеры, амортизирующие маятниковые демпферы, используют внешние ограждающие элементы. Если после расчета ветровой нагрузки на опору прочность конструкции оказалась недостаточной, применяют различные способы усиления несущих элементов: использование более прочного материала, снижение парусности за счет уменьшения площади или увеличения проницаемости, дополнительное укрепление фундамента, монтаж подкосов, растяжек, установка арочных конструкций.