ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

На многоэтажные здания действуют нагрузки, которые вызваны либо силами природы – например, ветровые, сейсмические, гололедные, снеговые; либо человеческой деятельностью. Наиболее существенной для строительных сооружений из временных нагрузок является ветровая нагрузка. Это связано с тем, что в настоящее время в высотном строительстве используются стальные и облегченные железобетонные конструкции, которые приводят к снижению веса здания и снятию ограничения на высоту сооружения. Но одновременно со снижением постоянных нагрузок и созданием больших гибких пространственных решений значительно снижается жесткость здания. Поэтому в данных условиях ветровые нагрузки приобретают особую значимость.

Почему возникают ветровые нагрузки?

Ветровые нагрузки возникают, так как здания и сооружения представляют собой препятствия для перемещения воздушных масс, их форма, как правило, не совершенная с точки зрения аэродинамики приводит к изменению направления ветрового потока и местным его завихрениям.

Рисунок 1. а, б, - изменение направления ветра; в – ветровая нагрузка на сооружение

Как распределяется ветровая нагрузка?

На фасад здания с наветренной стороны приходится до 80% ветровой нагрузки, а подветренная сторона испытывает 60% ветрового напора.

Рисунок 2. Схема распределения ветровой нагрузки по высоте здания

Крыша здания также подвержена ветровому воздействию. На крышу со скатами действуют три силы, которые могут сорвать и опрокинуть ее — две касательные с наветренной стороны и подъемная сила с подветренной стороны, которая образуется вследствие разности давлений воздуха. При этом нормальная сила (перпендикулярная склону крыши) пытается сломать или вдавить наветренный скат крыши. Крышу с пологими скатами ветер старается приподнять, с крутыми скатами – опрокинуть.

Рисунок 3. Воздействие ветровой нагрузки на крышу здания

При взаимодействии ветра со строительными конструкциями возникают нагрузки и воздействия двух типов: 1) непосредственно действующие на здания и сооружения в данном регионе строительства ветровые нагрузки, в том числе и ураганные (если таковые наблюдаются); 2) вызываемые ветровыми нагрузками колебания в конструкциях сооружений, например, колебания упругого характера, в том числе крутильные и изгибно-крутильные колебания.

Воздействия первого типа – это расчетная ветровая нагрузка, которая подразделяется на две составляющие - среднюю и пульсационную.

Колебания второго типа – это различные формы аэродинамической неустойчивости сооружений, и колебания, которые связаны с резонансом частот собственных колебаний сооружения и частоты срыва воздушных вихрей с её поверхностей. Такие колебания возможны в сооружениях с малой жёсткостью, при значительном преобладании высоты сооружения над его поперечными размерами. Поэтому на этапе проектирования невысоких зданий данные воздействия не учитываются.

Когда инженеры учитывают расчетную ветровую нагрузку?

Учёт воздействия средней и пульсирующей составляющих ветровой нагрузки (их рассчитанные значения) и  резонансное вихревое возбуждение производится:

– при расчёте нагрузки на фундаменты сооружения, а именно изгибающих или опрокидывающих моментов от горизонтально действующих сил;

– при расчёте конструкций сооружения на выносливость;

– при определении комфорта людей проживающих или работающих в данном здании;

– при проектировании дополнительных навесных конструкций и не несущих элементов здания, а именно узлов крепления.

Далее по имеющемся чертежу здания рассчитаем действующую на него ветровую нагрузку. Для этого воспользуемся нормативным документом СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» (СНиП 2.01.07-85).

Приведем пример расчета ветровой нагрузки на здание:

Для этого нужны размеры здания, которые берутся из проектной документации.

Рисунок 4. Фасад и план 1 этажа здания

Исходные данные для расчета по методике СНиП:

Тип местности – В; H=29,45 м; Z=30,45 м; d=26,4 м; Н ≤ 2d; Zₑ ≥ h-d (30,45>29,45-26,4); Zₑ=h=29,45 м.

Нормативное значение ветровой нагрузки – сумма средней и пульсационной:

                         (1)

где

 – средняя составляющая ветровой нагрузки,

 - пульсационная составляющая ветровой нагрузки.

                       (2)

где

 - нормативное значение ветрового давления;

– коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты Zₑ;

 – аэродинамический коэффициент.

Коэффициенты взяты из таблиц СП с учетом исходных данных.

;  ; ;;

Па.

                   (3)

где,

– коэффициент пульсации давления ветра;

– коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра.

Вывод: ветровая нагрузка на выбранное сооружение составляет

. Ее необходимо учитывать при расчёте на выносливость, при расчёте нагрузки на фундамент сооружения (изгибающий, опрокидывающий момент).

Стоит отметить, что в СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» динамическая нагрузка от ветрового воздействия представлена увеличивающими коэффициентами и это очень упрощает учёт реального взаимодействие сооружения с ветровым потоком. А новая редакция СП 20.13330.2011 в методику расчета ветровых нагрузок не внесла существенных изменений.

Но при этом СНиП не учитывает расположение рассчитываемого здания или сооружения относительно плотности застройки местности и возможную интерференцию воздушных потоков из-за зданий вблизи рассчитываемого объекта. В данных обстоятельствах возможно изменение скорости ветра, как в меньшую, так и большую сторону. Также аэродинамический коэффициент не учитывает изменение скорости ветрового потока, его турбулентности по высоте здания и возможное влияние жесткости несущих конструкций самого сооружения. Форма крыш и наличие козырьков и парапетов тоже требует учета, так как это тоже влияет на аэродинамику. Карта районирования территории России по давлению ветра требует дополнительных уточнений. Кроме того, СНиП разработан для расчета зданий малой и средней высоты при разряженной плотности застройки.

Факторы, влияющие, на параметры движения воздушных масс устанавливаются чаще всего экспериментальным путем, то есть замерами на уже существующих объектах. Полученные в результате измерений данные обрабатываются и на полученной статистической базе разрабатываются современные программные продукты позволяющие моделировать работу высотных сооружений под действием ветровой нагрузки.

Поэтому специалисты все чаще используют аналогичные методики, программы при поддержке современной вычислительной техники, которая позволяет им проводить расчеты ветровых воздействий на фасадные конструкции высотных зданий и комплексов. Такие расчеты достаточно точные, при введении качественных входных данных, а в перспективе роль математического моделирования будет только возрастать.

а) б)

Рисунок 5. а) Математическая модель возможной деформации;

б) Сравнение рассчитанного давления ветра по СНиП и численного моделирования с использованием программы «Epsilon-cad»

Метод оценки ветровой нагрузки по СП20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85) является приближенным, поэтому численное моделирование (в том числе и с помощью ПК) становится для специалистов предпочтительным. Однако в данный метод подсчета существенную погрешность вносит сама «природа»: отсутствие общей базы данных метеорологов о ветровых потоках по высотным и временным диапазонам значений. Поэтому существующие методы оценки ветровой нагрузки по СП20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85) требуют серьезных доработок и исследований, и является еще одним вызовом для исследователей, ученых.

Список литературы:

1. Временные рекомендации по назначению нагрузок и воздействий, действующих на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве [Электронный ресурс]. URL: http://aquagroup.ru/normdocs/13848#i115100 (дата обращения: 20.03.2017).
2. Железобетонные и каменные конструкции [Электронный ресурс]: Лекция 3. Предельные состояния конструкций. Нагрузки и воздействия. / Уфим. гос. техн. ун-т. URL: http://www.studfiles.ru/preview/2194564/ (дата обращения: 20.03.2017).
3. Металлические конструкции. Том 2. Конструкции зданий [Электронный ресурс] // Книги для всех. URL: http://lib4all.ru/base/B3254/B3254Part58-229.php# (дата обращения: 20.03.2017).
4. Многоэтажные бескаркасные здания из крупных панелей [Электронный ресурс]: метод. указ. к проведению практ. занятий по курсу «Архитектура гражданских и промышленных зданий» для студентов по специальности 290300 / Сарат. гос. техн. ун-т; Балаклав. ин-т техники, технологии и упр. - Саратов, 2009. URL: http://textarchive.ru/c-1089126.html (дата обращения: 20.03.2017).
5. Нагрузки и воздействия: СП20.13330.2011 – М., 2011, - 96 с.
6. Скатные крыши [Электронный ресурс]: ветровые нагрузки URL: https://ostroykevse.com/Krisha/04.html (дата обращения: 20.03.2017).