2.9. Ветровая нагрузка

 При обтекании здания или сооружения потоком ветра с наветренной стороны образуется зона повышенного давления («ветровой напор»); одновременно с подветренной стороны возникает зона пониженного давления («ветровой отсос»). Нагрузки, вызываемые давлением ветра на конструкции, называют ветровыми, они относятся к кратковременным климатическим нагрузкам.

Ветровые нагрузки в зоне повышенного (активного) и пониженного (пассивного) давлений считаются приложенными перпендикулярно к поверхности фасада здания. Интенсивность ветровых нагрузок зависит от формы здания или сооружения и от скорости ветра, которая в свою очередь зависит от климатического района, типа местности (открытая или застроенная) и высоты над поверхностью земли. С удалением от поверхности земли скорость ветра увеличивается.

Согласно СП 20.13330.2011 [4], в расчетах конструкций зданий и сооружений могут учитываться следующие ветровые воздействия:

- основной тип ветровой нагрузки;

- пиковые значения ветровой нагрузки, действующие на конструктивные элементы ограждения и элементы их крепления;

- резонансное вихревое возбуждение;

- аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования, дивергенции и флаттера.

Резонансное вихревое возбуждение и аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования учитываются только для зданий и сплошностенчатых сооружений при h/d > 10, где  h - высота, d - характерный поперечный размер.

Для большинства зданий и сооружений высотой до 40 метров нормативная ветровая нагрузка w определяется как совокупность:

- нормального давления w_e, приложенного к внешней поверхности сооружения или элемента,

- сил трения w_f, направленных по касательной к внешней поверхности и отнесенных к площади ее горизонтальной или вертикальной проекции,

- нормального давления w_i, приложенного к внутренним поверхностям сооружений с проницаемыми ограждениями, с открывающимися или постоянно открытыми проемами.

При расчете высотных зданий, гибких башен, труб и висячих мостов выбирают другой вариант ветровой нагрузки, учитывающий нагрузки как вдоль, так и поперек ветрового потока w_x и w_y, а также вызываемый ими крутящий момент w_z относительно оси z.

Нормативная ветровая нагрузка w равна сумме средней w_m и пульсационной w_p составляющих:

w = w_m + w_p. (13)

При определении внутреннего давления w_i  пульсационная составляющая w_p не учитывается.

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки w_m  в зависимости от эквивалентной высоты z_e над поверхностью земли следует определять по формуле:

w_m = w₀·k(z_e)·c, (14)

где  w₀ - нормативное значение ветрового давления; k(z_e) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z_e; c - аэродинамический коэффициент.

Нормативное значение ветрового давления w₀ принимается в зависимости от ветрового района по таблице 12.

Таблица 12

Ветровые районы (принимаются по прил. 5)	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

Эквивалентная высота z_e принимается для башенных сооружений, мачт, труб z_e= z.

Для зданий:

а) если h ≤ d, то принимают z_e = h;

б) если d < h ≤ 2d, то: для 0 < z < h – d принимают z_e = d,

для z ≥ h – d принимают z_e = h;

в) если h > 2d, то: для 0 < z ≤ d принимают z_e = d,

для d < z < h – d принимают z_e = z,

для z ≥ h – d принимают z_e = h;

здесь z - высота от поверхности земли; d – поперечный размер здания; h - высота здания.

Коэффициент  k(z_e) определяется по таблице 13 в зависимости от типов 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.

Таблица 13

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

При определении компонентов ветровой нагрузки w_e, w_f, w_i  используются соответствующие значения аэродинамических коэффициентов: внешнего давления c_e, трения c_f, внутреннего давления c_i . Аэродинамические коэффициенты определяются по приложению 3. Для активного давления ветра на поверхность коэффициенты имеют знак «+», для пассивного давления – знак «-».

Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки w_p на эквивалентной высоте z_e  при расчете многоэтажных зданий высотой до 40 м и одноэтажных производственных зданий высотой до 36 м, размещаемых в местностях типа А и В, при отношении высоты к пролету h/l < 1,5 определяется по формуле:

w_p = w_m·ζ(z_e)·v, (15)

где w_m – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки; ζ(z_e) - коэффициент пульсации давления ветра, принимаемый по таблице 14 для эквивалентной высоты z_e; v - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра.

Таблица 14

Высота ze, м	Коэффициент пульсаций давления ветра  ζ(ze) 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

Коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления v определяется для расчетной поверхности сооружения или отдельной конструкции.

Расчетная поверхность включает в себя те части наветренных и подветренных поверхностей, боковых стен, кровли и т.п., с которых давление ветра передается на рассчитываемый элемент сооружения.

Если расчетная поверхность близка к прямоугольнику (см. рис. 3), то коэффициент v определяется по таблице 15 в зависимости от параметров ρ и χ, принимаемых по таблице 16.

Рисунок 3 - Основная система координат при определении коэффициента корреляции v.

Таблица 15

ρ, м	Коэффициент v при χ, 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
Таблица 16
Основная координатная плоскость, параллельно которой расположена расчетная поверхность						ρ		χ
zoy						b		h
zox						0,4a		h
xoy						b		a

Коэффициент надежности по ветровой нагрузке равен 1,4.

П р и м е р 12. Определить расчетную ветровую нагрузку на стены одноэтажного однопролетного промышленного здания прямоугольной формы в плане, расположенное на территории г. Саратова. Размеры здания в плане: длина (в направлении, перпендикулярном расчетному направлению ветра) b = 120 м, поперечный размер d = 24 м, высота h = 14,4 м. Шаг колонн a = 6 м.

Р е ш е н и е.

1) Выбираем расчетную схему. В каркасе одноэтажного однопролетного здания с упругой конструктивной схемой соединение ригелей с колоннами принимается шарнирным, заделка колонн в фундаментах - жесткой. Нормальное давление ветра w_e с наветренной и подветренной сторон передается стеновыми панелями на колонны в виде распределенной нагрузки p = w_e·a, где a – шаг колонн.

2) По карте районирования (прил. 4) Саратов относится к третьему ветровому району. Скоростной напор ветра определяем по таблице 12: w₀ = 0,38 кПа.

3) Эквивалентная высота z_e при высоте здания h = 14,4 м и поперечном размере d = 24 м определяется по условию h ≤ d:

z_e = h = 14,4 м.

4) Городская территория, равномерно покрытая препятствиями высотой более 10 м, относится к местности типа В.

По таблице 13 определяем коэффициенты k(z_e), учитывающие изменение ветрового давления для высоты z_e = 14,4 м:

k(14,4)=0,74.

4) По приложению 3 определяем аэродинамические коэффициенты:

с наветренной стороны: с_е = 0,8 (активное давление);

с подветренной стороны : с_е = - 0,5 (пассивное давление).

5) Вычисляем среднюю составляющую ветровой нагрузки по формуле (14):

с наветренной стороны (активное давление):

w_m = w₀·k(z_e)·c = 0,38·0,74·0,8 = 0,225 кПа;

с подветренной стороны (пассивное давление):

w_m = 0,38·0,74·0,5 = 0,141 кПа;

6) В зависимости от эквивалентной высоты по таблице 14 определяем коэффициент пульсации давления ветра ζ(z_e): ζ (14,4)=0,998.

7) Выбираем основную координатную плоскость zoy, по таблице 16: ρ = b = 120 м; χ = h = 14,4 м. По таблице 15 определяем коэффициент пространственной корреляции пульсаций v = 0,57.

8) Вычисляем пульсационную составляющую ветровой нагрузки по формуле (15):

с наветренной стороны (активное давление):

w_p = w_m·ζ(z_e)·v = 0,225·0,998·0,57 = 0,128 кПа;

с подветренной стороны (пассивное давление):

w_р = 0,141·0,998·0,57 = 0,080 кПа.

9) Нормативное значение ветровой нагрузки на стены здания определяем по формуле (13):

wⁿ = w_m + w_p = (0.225 + 0,141) + (0,128 + 0,080) = 0,573 кПа;

10) Расчетное значение ветровой нагрузки:

w = wⁿ·γ_f = 0,573·1,4 = 0,802 кПа.

11) Расчетная равномерно распределенная ветровая нагрузка, передаваемая стеновыми панелями на колонны каркаса:

p = w_e·a = w·a = 0,802·6 = 4,812 кН/м.