Коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте

размещено: 28 Января 2011

Вычисление коэффициента k, учитывающего изменение ветрового давления по высоте по п. 6.5, табл. 6 СНиП 2.01.07-85*. Программка сделана в Excel’2003, на её плечи свалена вся рутина, связанная с неоднократным расчётом по линейной интерполяции в процессе определения значения k. Достаточно ввести значение высотной отметки и выбрать тип местности. Кроме того, вычисляется эквивалентное(усреднённое) значение коэффициента по площиди эпюры ветровой нагрузки.

6.1. Ветровую нагрузку на сооружение следует рассматривать как совокупность:

а) нормального давления w_e, приложенного к внешней поверхности сооружения или элемента;

б) сил трения w_f, 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 w_i, приложенного к внутренним поверхностям зданий с проницаемыми ограждениями, с открывающимися или постоянно открытыми проемами;

либо как нормальное давление w_x, w_y, обусловленное общим сопротивлением сооружения в направлении осей х и y и условно приложенное к проекции сооружения на плоскость, перпендикулярную соответствующей оси.

При проектировании высоких сооружений, относительные размеры которых удовлетворяют условию h/d > 10, необходимо дополнительно производить поверочный расчет на вихревое возбуждение (ветровой резонанс); здесь h — высота сооружения, d — минимальный размер поперечного сечения, расположенного на уровне 2/3h.

6.2. Ветровую нагрузку следует определять как сумму средней и пульсационной составляющих.

При определении внутреннего давления w_i, а также 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 типов А и В(см. п. 6.5), пульсационную составляющую ветровой нагрузки допускается не учитывать.

6.3. Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки w_m на высоте z над поверхностью земли следует определять по формуле

(6)

где w₀ — нормативное значение ветрового давления (см. п. 6.4);

k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (см. п. 6.5);

с — аэродинамический коэффициент (см. п. 6.6).

6.4. Нормативное значение ветрового давления w₀ следует принимать в зависимости от ветрового района СССР по данным табл. 5.

Для горных и малоизученных районов, обозначенных на карте 3, нормативное значение ветрового давления w₀ допускается устанавливать на основе данных метеостанций Госкомгидромета, а также результатов обследования районов строительства с учетом опыта эксплуатации сооружений. При этом нормативное значение ветрового давления w₀, Па, следует определять по формуле

(7)

где v₀ — численно равно скорости ветра, м/с, на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А, соответствующей 10-минутному интервалу осреднения и превышаемой в среднем раз в 5 лет (если техническими условиями, утвержденными в установленном порядке, не регламентированы другие периоды повторяемости скоростей ветра).

6.5. Коэффициент k, учитывающий изменение ветрового давления по высоте z, определяется по табл. 6 в зависимости от типа местности. Принимаются следующие типы местности:

А — открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;

В — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;

С — городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Ветровые районы СССР (принимаются по карте 3обязательного приложения 5)

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 2 км — при большей высоте.

Коэффициент k для типов местности

Примечание. При определении ветровой нагрузки типы местности могут быть различными для разных расчетных направлений ветра.

6.6. При определении компонентов ветровой нагрузки w_e, w_f, w_i, w_x, w_y следует использовать соответствующие значения аэродинамических коэффициентов: внешнего давления с_e, трения с_f, внутреннего давления с_i и лобового сопротивления с_x или с_y, принимаемых по обязательному приложению 4, где стрелками показано направление ветра. Знак «плюс» у коэффициентов с_e или с_i соответствует направлению давления ветра на соответствующую поверхность, знак «минус» — от поверхности. Промежуточные значения нагрузок следует определять линейной интерполяцией.

При расчете креплений элементов ограждения к несущим конструкциям в углах здания и по внешнему контуру покрытия следует учитывать местное отрицательное давление ветра с аэродинамическим коэффициентом с_e = -2, распределенное вдоль поверхностей на ширине 1,5 м (черт. 1).

В случаях, не предусмотренных обязательным приложением 4 (иные формы сооружений, учет при надлежащем обосновании других направлений ветрового потока или составляющих общего сопротивления тела по другим направлениям и т. п.), аэродинамические коэффициенты допускается принимать по справочным и экспериментальным данным или на основе результатов продувок моделей конструкций в аэродинамических трубах.

Примечание. При определении ветровой нагрузки на поверхности внутренних стен и перегородок при отсутствии наружного ограждения (на стадии монтажа здания) следует использовать аэродинамические коэффициенты внешнего давления с_е или лобового сопротивления с_х.

Черт. 1. Участки с повышенным отрицательным давлением ветра

6.7. Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки w_pна высоте z следует определять:

а) для сооружений (и их конструктивных элементов), у которых первая частота собственных колебаний f₁, Гц, больше предельного значения собственной частоты f_l, (см. п. 6.8), — по формуле

(8)

где w_m — определяется в соответствии с п. 6.3;

z — коэффициент пульсации давления ветра на уровне z, принимаемый по табл. 7;

v — коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра (см. п. 6.9);

Коэффициент пульсаций давления ветра z для типов местности

При боковом давлении ветра воздушный поток сталкивается со стеной и крышей здания (рис. 8). У стены дома происходит завихрение потока, часть его уходит вниз к фундаменту, другая по касательной к стене ударяет в карнизный свес крыши. Ветровой поток, атакующий скат крыши, огибает по касательной конек кровли, захватывает спокойные молекулы воздуха с подветренной стороны и устремляется прочь. Таким образом, на крыше возникают сразу три силы, способные сорвать ее и опрокинуть — две касательные с наветренной стороны и подъемная сила, образующаяся от разности давлений воздуха, с подветренной стороны. Еще одна сила, возникающая от давления ветра, действует перпендикулярно склону (нормаль) и старается вдавить скат крыши внутрь и сломать его. В зависимости от крутизны скатов нормальные и касательные силы изменяют свое значение. Чем больше угол наклона ската кровли, тем большее значение принимают нормальные силы и меньшее касательные, и наоборот, на пологих крышах большее значения принимают касательные, увеличивая подъемную силу с подветренной и уменьшая нормальную с наветренной стороны.

рис. 8. Ветровые нагрузки, возникающие от давления воздушных масс

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки W_н в зависимости от высоты z над поверхностью земли следует определять по формуле:

Расчетное значение ветровой нагрузки W_р (для расчета по первому предельному состоянию) находится формулой:

где γ_f — коэффициент надежности γ_f = 1,4; W₀ — нормативное значение ветрового давления, определяется по картам приложения к СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» или по рис. 9 и таблице 2; k_z — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z, определяется по таблице 3; c — аэродинамический коэффициент (переводит вертикальную нагрузку в горизонтальную), учитывающий изменение направления давления нормальных сил в зависимости от того с какой стороны находится скат по отношению к ветру, с подветренной или наветренной стороны (рис 10).

Ветровые районы	Ia	I	II	III	IV	V	VI	VII
Нор­ма­тив­ное дав­ле­ние ве­тра на 1 м² ве­рти­ка­аль­ной по­верх­но­сти
W0 , кПа (кг/м²)	0,17 (17)	0,23 (23)	0,30 (31)	0,38 (39)	0,48 (49)	0,60 (61)	0,73 (74)	0,85 (87)
Рас­чет­ное дав­ле­ние ве­тра на 1 м² ве­рти­ка­аль­ной по­верх­но­сти
1,4×W0 , кПа (кг/м²)	0,24 (24)	0,32 (33)	0,42 (43)	0,53 (54)	0,67 (68)	0,84 (86)	1,02 (104)	1,19 (121)

Ко­эф­фи­ци­ент k_(z) для ти­пов мест­но­сти

Вы­со­та z, м	А	Б	В
не более 5	0,75	0,5	0,4
10	1,0	0,65	0,4
20	1,25	0,85	0,55
Ти­пы мест­но­сти: А – от­кры­тые по­бе­ре­жья мо­рей, озер и во­до­хра­ни­лищ, пу­сты­ни, сте­пи, ле­со­сте­пи, тунд­ра; Б – го­род­ские тер­ри­то­рии, лес­ные мас­си­вы и дру­гие мест­но­сти, рав­но­мер­но по­кры­тые пре­пят­стви­я­ми вы­со­той бо­лее 10 м; В – 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 60 м.

рис. 10. Значения аэродинамических коэффициентов ветровой нагрузки

Знак «плюс» у аэродинамических коэффициентов определяет направление давления ветра на соответствующую поверхность (активное давление), знак «минус» — от поверхности (отсос). Промежуточные значения нагрузок следует находить линейной интерполяцией. При затруднении в использовании таблиц 3 и 4 изображенных на рисунке 10, нужно выбирать наибольшие значения коэффициентов для соответствующих углов наклона скатов крыш.

Крутые крыши ветер старается опрокинуть, а пологие — сорвать и унести. Для того чтобы этого не произошло нижний конец стропильных ног крепят проволочной скруткой к ершу, забитому в стену (рис. 11). Ерш — это металлический штырь с насечкой против выдергивания, который изготавливают кузнечным способом. Поскольку достоверно неизвестно с какой стороны будет дуть сильный ветер, стропила прикручивают по всему периметру здания через одно, начиная с крайних, — в районах с умеренными ветрами и каждое — в районах с сильными ветрами. В некоторых случаях этот узел может быть упрощен: ерш не устанавливается, а проволока с выпущенными концами закладывается в кладку стен в период их возведения. Такое решение допустимо, если оба конца проволоки выпускается внутрь чердака и не портят внешний вид фасада здания. Обычно для крепления стропил используется стальная предварительно отожженная (мягкая) проволока диаметром от 4 до 8 мм.

рис. 11. Пример решения карнизного узла наслонных стропил скатной крыши

Общая устойчивость стропильной системы обеспечивается раскосами, подкосами и диагональными связями (рис. 12). Устройство обрешетки также способствует общей устойчивости стропильной системы.

рис. 12. Пример обеспечения пространственной жесткости стропильной системы