Особенности расчета металлических решетчатых башен на ветровую нагрузку

Есть ли какие-то программы расчета ветровых нагрузок алюминиевых конструкций, и стоит ли им доверять

Проектировщик старой закалки не доверяют современный технологиям, который значительно облегчают труд инженера-расчетчика. Для более «продвинутых» есть ряд компьютерных программ, которые позволяют точно и быстро определить ветровую нагрузку на здание:

• SCAD Office, программа ВЕСТ – продвинутый продукт для получения точного результата.
• Инженерный калькулятор Лира – платная программа, есть возможность попробовать функционал бесплатно в Демо-версии.

Современная методика расчета нагрузок на вентилируемый или светопрозрачный фасад даёт точный числовой результат. Расчеты всегда можно проверить с помощью многочисленных компьютерных программ, в память которых заранее вбиты все нормативные показатели и поправочные коэффициенты.

Описание экспериментальной установки

Постановка эксперимента в аэродинамической трубе связана, с необходимостью учитывать физические ограничения по скоростям потока и соотношению между миделевым сечением объекта и площадью сопла и по возможным скоростям потока в трубе.

В соответствии с требованиями площадь характерного сечения объекта не должна превышать 12% от площади сопла (600 400мм). Поэтому сечение каждой из трех модели выбрано диаметром с!=2см, высота Ь=40см. Скорость набегающего потока в аэродинамической трубе равна У=35м/сек (после хонейкомба). Число Рейнольдса (Re=V d/v) в эксперименте равно Re=4,648 104. При постановке эксперимента необходимо соблюдать условия моделирования, то есть обеспечение кинематического и геометрического подобия. В реальных условиях числа Рейнольдса находятся в диапазоне Re=(l,33-H8,3) 106.

Согласно имеющимся данным , при обтекании башенных сооружений и труб размеры области равномерного распределения скоростей вдоль потока составляют 30d, а поперек потока 20d. Эти данные подтверждены результатами расчетов, выполненных методом конечных разностей в главе 2. Аналогичные соотношения были соблюдены при эксперименте.

Для соблюдения подобия модели и реального объекта согласно монографии А.Н. Патрашева «Гидромеханика» М 1953 (стр. 470) необходимо обеспечить следующие критерии:

1) = .С Го-%.С1;2) = .С2=АР/Го2-С2;3) = ГоЭ.Сз. Здесь RM,RH- соответственно числа Рейнольдса модели и натурного объекта; ЕМ,ЕН- числа Эйлера; — критерий турбулентности. В связи с тем, что при эксперименте в аэродинамической трубе и в натурных условиях турбулентность не учитывается, третий критерий не учитывается. Как указывается в работе А.Н. Патрашева (стр. 470-471) при обтекании вполне погруженного в несжимаемую жидкость тела число Эйлера (В) является функцией от числа Рейнольдса (Re). Согласно А.Н. Патрашеву, физический смысл числа Эйлера состоит в том, что оно выражает коэффициент сопротивления трения тела (аэродинамический коэффициент Q): РК2 У /V) f

Таким образом, при постановке эксперимента достаточно ограничиться только сопоставлением чисел Рейнольдса в характерных точках потока. Сопоставление аэродинамических коэффициентов произведено после расчетов при реальных числах Рейнольдса в главе 4.

Перед проведением опытов в аэродинамической трубе было произведено планирование эксперимента. Цель планирования состояла в определении минимального количества опытов, позволяющих построить достоверную математическую модель изучаемого процесса наиболее экономичным способом. Как показывают результаты исследований в , , , , влияние близстоящих труб друг на друга на расстоянии L=3d и более не проявляется. Поэтому определение нагрузок от ветрового воздействия на такие трубы можно производить, как на отдельно стоящие. Для определения необходимого количества опытов был выполнен предварительный эксперимент. При проведении эксперимента выбрано четыре варианта L = d, 1.5d, 2d, и 3d. Предварительный эксперимент был проведен при симметричном расположении труб по отношению к ветровому потоку (рис. 3.7.1, опыт 1).

Для каждого расстояния L было проделано по три опыта. Результаты измерений подвергались статистической обработке с применением программы «Excel». Было получено среднее квадратичное отклонение и среднеарифметическое значение для аэродинамического коэффициента лобового сопротивления, как для одной трубы, так и для всего пакета в целом (приложение 6). На основе полученных результатов, путем аппроксимации в виде квадратичной зависимости у = Ах2 +Вх + С составлено уравнение регрессии в пределах L= 1.5d -3d: Сх = -9.667 х1(Г3 xl2 +0.434×1 + 0.296 (3.6.1) где Сх — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; L -расстояние между центрами диаметров труб в см.

Установлено, что при подстановке величины d в уравнение регрессии (3.6.1), на участке L=d -1.5d (рис.3.6.1) имеется значительное расхождение с опытными данными. При сравнении экспериментальной величины и величины из уравнения регрессии расходимость составляет 30%. Это можно объяснить тем, что при расстоянии между центром диаметров труб L=d пакет труб представляет собой сплошную конструкцию. В остальных случаях между трубами имеется зазор для прохода воздушного потока. Поэтому принято решение кроме точек L=1.5d- 3d, дополнительно использовать точки с L=d-j- 1.5d, полученные в проведенном эксперименте (рис.3.6.1).

Расчет в Excel ветровой нагрузки по СП 20.13330.2011.

В главе №11 СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» /Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* от 20.05.2011/ для профессионалов-строителей расписана методика определения ветровой нагрузки. Кроме нормального (перпендикулярного к поверхностям) давления она учитывает силу трения воздуха о неровности поверхностей, пульсации воздушного потока, аэродинамические колебания (флаттер, дивергенцию, галопирование), предусматривает проверку на отсутствие вихревого резонанса. Мы не будем далеко забираться в эти дебри и ограничимся укрупненным расчетом. Если вам необходим полный профессиональный расчет по действующим нормативам, то открывайте СП 20.13330.2011 – и считайте, разобраться в алгоритме не сложно. Дело в том, что расчеты для разных объектов весьма индивидуальны! Могу порекомендовать адрес в Интернете, где расположены ссылки на три бесплатные неплохие программы определения ветровых нагрузок: http://fordewind.org/wiki/doku.php?id=опр_ветра.

Перед началом работы необходимо найти и скачать из Интернета СП 20.13330.2011, включая все приложения.

В примечаниях к ячейкам столбца C с исходными данными поместим некоторые важные данные и ссылки на пунктыСП 20.13330.2011!!!

В файле Excel на листе «Расчет по СП 20.13330.2011» начинаем составлять программу, которая позволит определять расчетную ветровую нагрузку по второму алгоритму.

Исходные данные:

1. Вписываем коэффициент надежности по нагрузке γ_f

в ячейку D3: =1,4

2. Определяем тип местности, воспользовавшись примечанием к ячейке C4. Например, наша местность относится к типу B. Выбираем соответствующую строку с записью B в поле с выпадающим списком, расположенном поверх

ячейки D4: =ИНДЕКС(I5:I7;I2) =B

3. Открываем Приложение Ж в СП 20.13330.2011 и по карте «Районирование территории Российской Федерации по давлению ветра» определяем для интересующей нас местности номер ветрового района (карта есть в файле для скачивания). Например, для Санкт-Петербурга и Омска – это II ветровой район. Выбираем соответствующую строку с записью II в поле с выпадающим списком, расположенном поверх

ячейки D5: =ИНДЕКС(G5:G12;G2) =II

О том, как работает функция ИНДЕКС совместно с полем со списком можно прочитатьздесь.

4. Задаем эквивалентную высоту объекта над землей z_eв м, пользуясь п.11.1.5 СП 20.13330.2011

в ячейке D6: =5

5. Аэродинамический коэффициент cвыбираем по приложению Д.1 СП 20.13330.2011, например, для плоской стенки и записываем

в ячейку D7: =1,3

c_max < 2,2  — с наветренной стороны

c_min > -3,4 — с подветренной стороны

Определение двух следующих коэффициентов, влияющих на значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки, является очень непростой задачей, требующей расчета частот собственных колебаний объекта! Расчет этот для разных сооружений ведется по различным и очень непростым алгоритмам!!! Я укажу далее лишь примерные возможные диапазоны значений этих коэффициентов. Желающие разобраться досконально с частотами колебаний должны обратиться к другим источникам.

6. Коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветраν определяем по п.11.1.11 СП 20.13330.2011 изаносим

в ячейку D8: =0,85

0,38 < ν < 0,95

7. Коэффициент динамичности ξопределяем по п.11.1.8 СП 20.13330.2011 и вписываем

в ячейку D9: =1,20

1,00 ≤ ξ < 2,90

Результаты расчетов:

8. Нормативное значение ветрового давления wв кг/м2 считываем

в ячейке D11: =ИНДЕКС(H5:H12;G2) =30

9. Ориентировочную скорость ветра v_в в м/с и км/ч определяем соответственно

в ячейке D12: =(D11*9,81*2/1,2929)^0,5 =21,3

v_в = (w*g*2/γ)^0,5

и в ячейке D13: =D12/1000*60*60 =76,8

v_в’=v_в/1000*60*60

10. Параметр k₁₀ считываем

в ячейке D14: =ИНДЕКС(K5:K7;I2) =0,65

11. Параметр α считываем

в ячейке D15: =ИНДЕКС(J5:J7;I2) =0,20

12. Параметр ζ₁₀ считываем

в ячейке D16: =ИНДЕКС(L5:L7;I2) =1,06

13. Коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте k (z_e) вычисляем

в ячейке D17: =D14*(D6/10)^(2*D15) =0,49

k (z_e) = k₁₀*(z_e/10)^(2*α)

14. Коэффициент пульсации ветра ζ(z_e) вычисляем

в ячейке D18: =D16*(D6/10)^(-D15) =1,22

ζ(z_e)= ζ₁₀*(z_e/10)^(-α)

15. Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки w_m в кг/м2 рассчитываем

в ячейке D19: =D11*D17*D7 =19,2

w_m= w* k (z_e)*c

16. Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки w_p вкг/м2 определяем

в ячейке D20: =D19*D9*D18*D8 =23,9

w_p= w_m*ξ*ζ(z_e)*ν

17. Нормативное значение ветровой нагрузки w вкг/м2 вычисляем

в ячейке D21: =D19+D20 =43,1

w = w_m+w_p

18. Расчетную ветровую нагрузку W вкг/м2 с учетом коэффициента надежности рассчитываем

в ячейке D22: =D21*D3 =60,3

W= w*γ_f

Решение газодинамической задачи на основе метода конечного элемента

Анализ полученных и обработанных экспериментальных данных показал следующее:

1) Аэродинамический коэффициент труб, стоящих в одном пакете, перестает быть зависимым, когда расстояния между центрами радиусов труб более трех диаметров. В этих условиях можно считать, что трубы можно рассматривать как отдельно стоящие.

2) Максимальный продольный аэродинамический коэффициент для пакета труб наблюдается в опыте, когда расстояние между центрами труб составляет три диаметра труб, при угле атаки ветрового потока ноль градусов (опыт 1, табл. 3.7.1г). Максимальный поперечный аэродинамический коэффициент для пакета труб получен в опыте, когда расстояние между центрами труб составляет три диаметра труб, но при угле атаки ветрового потока сто двадцать градусов (опыт 5, табл. 3.7.1).

3) Максимальный продольный аэродинамический коэффициент для одной трубы получен в опыте, когда расстояние между центром радиусов труб было равно трем диаметрам трубы (см. табл. 3.7.1г), при угле ветрового потока сто восемьдесят градусов. Максимальный поперечный аэродинамический коэффициент для одной трубы был получен в опыте, когда расстояние между центром радиусов труб был равен один диаметр и угол атаки ветрового потока — девяносто градусов (см. табл. 3.7.1а).

4) Чем меньше расстояние между центрами труб, тем меньше аэродинамические коэффициенты для пакета труб (при числе Рейнольдса Re=4.648 104).

В промышленной, энергетической и химической отрасли нередко возникают задачи связанные с проектированием сооружений из нескольких труб в одном пакете. Весьма актуальной является проблема проектирования отдельно стоящих пакетов труб и вытяжных башен, внутри обстройки которых располагается пакет, состоящий из трех труб.

Характер процессов течения жидкости можно определить экспериментально и теоретически. Наиболее надежную информацию можно получить путем непосредственных измерений. В таких случаях с помощью экспериментального исследования на полномасштабной установке определяется поведение объекта в натурных условиях. В большинстве случаев такие полномасштабные опыты чрезмерно дороги и часто невозможны. Альтернативой является проведение экспериментов на маломасштабных моделях. Однако на маломасштабной модели не всегда можно воспроизвести все свойства полномасштабного объекта. Во многих случаях измерения затруднены, и измерительное оборудование может давать погрешности. Для нас интересующего физического процесса движения газа математическая модель состоит, главным образом, из системы дифференциальных уравнений (уравнения Навье-Стокса). На основании классических работ по гидромеханике можно прийти к выводу, что в аналитическом виде можно получить решения только небольшой части задач, имеющих практический интерес. Кроме того, эти решения часто содержат бесконечные ряды, специальные функции, трансцендентные уравнения для собственных значений и т.д. Их числовая оценка может представлять весьма трудную задачу. В настоящее время широко используемым инструментом для решения задач такого рода является применение численных методов . Выбор численного метода во многом определяется характером течения и требуемой точностью.

Точное решение аналитических и численных уравнений, описывающих гидродинамику труб, обтекаемых потоком жидкости или газа, связано с большими трудностями и не всегда возможно. Вполне вероятно, что чем больше принимается показателей, влияющих на характер потока газовой среды, тем менее точное решение получится при решении задачи. Поэтому выбраны критерии, которых необходимо придерживаться — это число Рейнольдса, расстояние между центрами диаметров труб, угол атаки потока, действующего на пакет труб и физические характеристики газовой среды (воздуха) , , .

Преимущества численного решения: 1) низкая стоимость; 2)скорость проведения вычислений; 3) полнота измерений (численное решение задачи дает подробную и полную информацию, с его помощью можно найти значения всех имеющихся переменных во всей области решения); 4) возможность математического моделирования реальных условий; 5) возможность моделирования идеальных условий (Ньютоновская жидкость).

Выполнение теоретико-экспериментального исследования с применением современных комплексов позволяет обеспечить достоверность решения на основе сопоставления экспериментальных данных, полученных в аэродинамической трубе, и решений аналогичных задач в потоке газа, соответствующего ветровой нагрузке.

Целесообразно использовать имеющиеся современные методики для проведения численного эксперимента. В последнее время широко используется метод конечных элементов (МКЭ) .

Пример расчета башни на полную ветровую нагрузку определенную «ручным» способом

Рассмотрим башню с параллельными поясами высотой 30м. Размер в плане а=3х3м.

Рис. 6. Расчетная модель башни

Нагрузки на башню:

• собственный вес;
• вес оборудования 1тс в уровне верха башни (0.25тс в узел);
• ветер полный на грань;
• ветер полный на диагональ.

Ветровая нагрузка прикладывается как узловая в уровне верха расчетного поля. Величина полной ветровой нагрузки складывается из статической и пульсационной составляющих. Рассматривается 6 расчетных полей по высоте.

Табл. 1

Табл. 2

Рис. 7. Схема приложения нагрузок на ствол башни при действии ветра на грань

Рис. 8. Схема приложения нагрузок на ствол башни при действии ветра на диагональ

Ветровая нагрузка на диагональ прикладывается в виде составляющих Х и Y: W(x,y)=W*cos45⁰.

Усилия в элементах башни при действии ветровой нагрузки на грань.

Рис. 9. Усилия от полной ветровой нагрузки при действии ветра на грань

Проверка. Общий момент в основании башни Мг=∑Wiг*Zi=68.35тс*м. Нагрузка на фундамент F=(Мг/а)/2=(68.35/3)/2=11.39тс

Рис. 10. Нагрузки на фрагмент для опорных узлов башни при действии ветра на грань

Как видно результаты программного и «ручного» определения нагрузок на фундаменты сходятся.

Усилия в элементах башни при действии ветровой нагрузки на диагональ.

Рис. 11. Усилия от полной ветровой нагрузки при действии ветра на диагональ

Проверка. Общий момент в основании башни Мд=∑Wiд*Zi=82тс*м. Нагрузка на фундамент F=(Мд/а*√2)=(82/3*1.414)=19.33тс

Нагрузки на фрагмент в основании башни:

Рис. 12. Нагрузки на фрагмент для опорных узлов башни при действии ветра на диагональ

Энергия ветра.

С точки зрения полезного использования ветровой энергии в энергетике на сегодняшний день оптимальными являются скорости ветра 8…18 м/с. При меньших скоростях ветроэнергетические установки малоэффективны, при больших возникает опасность разрушения конструкций установки.

Так как воздух имеет массу, и эта масса движется с некоторой скоростью относительно поверхности земли, то трудно даже представить, какой колоссальной кинетической энергией обладает окружающее нас воздушное пространство!!!

Чтобы составить представление о величине этой энергии, давайте вырежем из пространства его часть в виде цилиндра, мысленно расположив  некий обруч плоскостью перпендикулярно направлению вектора скорости ветра. Площадь сечения  обруча – S=1 м2 (диаметр d=1,13 м).

Если на вашем компьютере не установлена программа MS Excel, можно воспользоваться свободно распространяемой программой OOo Calc из пакета Open Office.

Правила форматирования ячеек листа Excel, применяемые в статьях этого блога, можно посмотреть на странице «О блоге».

Включаем Excel и на листе «Энергия ветра» и составляем простую расчетную программу, которая позволит быстро рассчитывать мощность ветроустановок при различных исходных условиях.

Исходные данные:

1. Скорость ветра v_в в м/с записываем

в ячейку D3: =10,0

2. Время t в с заносим

в ячейку D5: =1

3. Площадь сечения потока воздуха S в м2 вписываем

в ячейку D6: =1,000

4. Плотность воздуха или удельный вес воздуха при нормальных условиях (атмосферном давлении 101325 Па = 760 мм рт. ст. и температуре +273,15° К = 0° C) γ в кг/м3 вписываем

в ячейку D7: =1,293

5. Коэффициент полезного действия — КПД ветроустановки (реально достигаемые значения не превышают 0,3…0,4) записываем

в ячейку D8: =0,35

Результаты расчетов:

6. При скорости ветра v за время t через сечение обруча пройдет объем воздуха в виде цилиндра V, который вычисляем в м3

в ячейке D10: =D3*D4*D5 =10,000

V=S*v_в*t

7. Массу воздухаm в кг, прошедшую через сечение кольца за время t определяем

в ячейке D11: =D6*D9 =12,930

m=γ*V

8. Кинетическую энергию T в Дж, которой обладает движущийся цилиндр воздуха рассчитываем

в ячейке D12: =D10*D3^2/2 =647

T=m*v_в2/2

9. Мощность N в КВт, которую мы смогли бы отобрать из этой струи воздуха при заданном КПД, вычисляем

в ячейке D13: =D11/D4*D7/1000 =0,226

N=(T/t)*КПД=(S*γ*v_в3/2)*КПД

При реальных КПД ветроэнергетических установок около 0,3…0,4, при скорости ветра v_в=10 м/с и диаметре лопастей ветряка d=1,13 м (площадь круга S=1 м2) можно получить мощность  порядка N=200…250 Вт. Этой мощности хватит чтобы за час вспахать полсотки земли! Представляете сколько вокруг нас энергии, которую мы никак не научимся эффективно отбирать и преобразовывать?! Сегодняшние ветроэнергетические установки мало-мальски начинают работать при скорости ветра v_в>4 м/с, выходя на рабочий режим при скорости  v_в=9…13 м/с. Однако уже при скорости ветраv_в>17 м/с приходится больше заботиться о безопасности окружающих людей, животных, сооружений и сохранности установки, нежели о производстве энергии…

Итак, возможности использования ветра слегка затронули, переходим к проблемам, которые он создает.

Стропильная система и обрешетка крыши в разрезе нагрузок

В данном пункте рассмотрена очередная составляющая постоянных нагрузок — вес стропильной системы и обрешетки. И прежде чем приступать к раскрытию вопроса, следует выделить основные элементы стропильной системы крыши:

1) Стропильная нога — важная часть стропильной системы на которой крепится обрешетка. Сечение стропильной ноги зависит того из чего она изготовлена, веса обрешетки и кровельного материала, а так же возможных снеговых и ветровых нагрузок.

2) Коньковый прогон — это формирующий верхнюю часть крыши брус, на который упираются стропильные ноги.

3) Стойка — это опирающиеся на лежни столбики, которые удерживают коньковый прогон.

4) Подкос — диагональный конструкционный элемент, предназначенный для соединения стропил и передачи от них напряжений сжатия.

5) Лежень — горизонтально расположенное бревно (брус), подложенное под основные элементы стропильной системы.

6) Мауэрлат — элемент из бруса (бревна), уложенный сверху в тех частях наружной стены, где происходит опирание стропил.

7) Обрешетка — решетчатая конструкция поверх стропил, усиливающая пространственную структуру крыши и являющаяся основанием для крепления кровельного материала.

Раскрывая вопрос нагрузок от кровли в разрезе стропильной системы особое внимание стоит уделить подбору сечения, шага стропил и обрешетки. С задачей определения оптимальных параметров стропильных ног справится простая в использовании программа «Стропила 1.0.1.»

Поэтому далее более детально будет рассмотрена тема обрешетки крыши.

Чтобы определить требуемый вид и шаг обрешетки, необходимо заранее определиться с видом кровельного покрытия:

• Обрешетку для металлочерепицы монтируют из брусков 40 (50) × 50 мм или 60 × 60 мм, которые укладываются на определенном расстоянии друг от друга. Обычно шаг обрешетки составляет 35 — 40 см (зависит от длины волны).
• Для битумной черепицы или рулонного кровельного материала делается сплошной настил из досок, влагостойкой фанеры или влагостойкой ориентированно-стружечной плиты (ОСП, OSB).
• Под кровли из крупноразмерного асбесто-цементного шифера шаг обрешетки подбирается так, чтобы под каждым листом оказалось как минимум три решетины (обычно шаг обрешетки составляет 60 см).
• Под волнистые битумные листы (ондулин) шаг обрешетки выбирается в зависимости от уклона: 45 см для уклонов от 1 : 6 до 1 : 4, 60 см для уклонов более 1 : 4, сплошная обрешетка для уклонов менее 1 : 6.
• Под кровли из малоразмерных штучных элементов (керамическая черепица) шаг обрешетки принимается таким, чтобы каждая черепица ложилась на две решетины.

Рекомендуемая толщина сплошного настила обрешетки: 

Шаг стропил, мм	Толщина фанеры, мм	Толщина OSB, мм	Толщина досок, мм
600	12	12	20
900	18	18	23
1200	21	21	30
1500	27	27	37

Вес деревянной конструкции стропильной системы рассчитывается исходя из выбранного материала и его объема. Для элементов из хвойных пород дерева объемный вес 1 м³ принимается равным 500 — 550 кг ⁄ м³. Объемный вес фанеры или OSB (ОСП) ≈ 600 — 650 кг ⁄ м³.

Снеговая нагрузка на кровлю

Снеговая нагрузка на кровлю определяется произведением расчетного значения веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, принимаемого в соответствии с картой районирования по весу снегового покрова и коэффициента (μ) перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.

Районирование территории Российской Федерации по весу снегового покрова:

Значения снеговой нагрузки в зависимости от региона:

Регион	Снеговая нагрузка
1	80 — 56 кг ⁄ м²
2	120 — 84 кг ⁄ м²
3	180 — 126 кг ⁄ м²
4	240 — 168 кг ⁄ м²
5	320 — 224 кг ⁄ м²
6	400 — 280 кг ⁄ м²
7	480 — 336 кг ⁄ м²
8	560 — 392 кг ⁄ м²

Коэффициент μ зависит от угла наклона ската кровли:

• μ = 1 при углах наклона ската кровли менее 25° (1 : 2,5).
• μ = 0,7 при углах наклона ската кровли от 25° (1 : 2,5) до 40° (1 : 1,3).
• μ = 0,66 для скатов крыши с углом наклона 40° (1 : 1,3).
• μ = 0,5 для скатов с углом наклона 45° (1 : 1).
• μ = 0,33 для скатов с уклоном 50° (1 : 0,85).
• μ = 0 при углах скатов равных или больше 60° (1 : 0,55).

Слой снега, превышающий среднюю нормативную толщину, скапливается в ендовах и местах с близко расположенными слуховыми окнами. Во всех этих местах для дополнительной прочности устанавливаются спаренные стропильные ноги и сплошная обрешетка. Также здесь делаются подкровельные подложки из оцинкованной стали вне зависимости основного кровельного покрытия.

Скопление снега, образующееся с подветренной стороны, постепенно сползает и давит на свес крыши. Поэтому свес кровельного материала без обрешетки не должен превышать размеры, рекомендуемые изготовителями. Например для шиферной кровли свес материала, выходящего за границы стропильной системы, не должен превышать 10 см.

Альтернативная энергетика

Ветровая нагрузка может принести и пользу, например, преобразуя силу ветра в ветрогенераторах. Так, на скорости ветра V = 10 м/сек, при диаметре круга в 1 метр, ветряк обладает лопастями d = 1,13 м и выдаёт порядка 200–250 Вт полезной мощности. Электроплуг, потребляя такое количество энергии, сможет вспахать за один час порядка полсотки (50м²) земли на приусадебном участке.

Если применить большие размеры ветрогенератора, – до 3 метров, и средней скорости воздушного потока 5 м/сек, можно получить 1–1,5 кВт мощности, что полностью обеспечит небольшой загородный дом бесплатным электричеством. При внедрении так называемого «зелёного» тарифа, срок окупаемости оборудования сократится до 3–7 лет и, в дальнейшем, может приносить чистую прибыль.

Справка. «Зелёный» тариф – это выкуп государством излишнего электричества у населения, полученного при использовании альтернативных (возобновляемых) источников энергии.

Какая нормативная документация регламентирует расчет нагрузок

До недавнего времени за расчет любых ограждающих, фасадных конструкций отвечал СНиП 2.01.07-85*. Он был написан без учета специфики работы навесных вентилируемых фасадов и светопрозрачных конструкций. Это создавало неудобства для проектировщиков и конструкторов, которые занимались данной проблематикой.

На смену морально устаревшему СНиП 2.01.07-85* пришёл свод правил нагрузок и воздействий СП 20.13330 2011. В нем прописаны этапы расчетов современных алюминиевых и стальных вентилируемых фасадных систем, светопрозрачных конструкций, планарного остекления. Расчет ветровой, снеговой и дождевой нагрузок необходимо проводить согласно СП 20.13330 2011.

Кроме свода правил нагрузок и воздействий расчет ветровой нагрузки определяется по ГОСТ 24756-81.

Для правильного и быстрого расчета ветровых и снеговых нагрузок применяются таблицы, в которых указаны нормативные показатели в зависимости от географической зоны:

Таблица определения снеговой нагрузки местности по районам на территории РФ

Снеговой район	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
Вес снегового покрытия Sg (кгс/м2)	80	120	180	240	320	400	480	560

Карта зон снегового покрова территории РФ

Таблица определения ветровой нагрузки местности по районам на территории РФ

Ветровой район	I	II	III	IV	V	VI	VII
Ветровая нагрузка Wo (кгс/м2)	17	23	30	38	48	60	73

Карта зон ветрового давления по территории РФ

Расчёт ветровой нагрузки на крышу

Основные повреждения на здании при сильных порывах ветра связаны с кровелькой конструкцией. По телевизору и в интернете приведено достаточно много наглядных примеров, как не только отдельные элементы кровли, но полностью вся крыша срывается под воздействием ветровой нагрузки.

При фронтальном направлении ветра происходит столкновение с фасадной частью здания и крышей. У вертикальной поверхности поток создаёт вихревые разнонаправленные векторы, — происходит деление на нижнюю, боковую и вертикальную составляющие.

1. Нижнее направление – самое безопасное для здания, так как все усилия направлены в сторону фундамента, то есть одной из самой прочной и массивной части дома.
2. Боковые составляющие воздействуют на фасадные части здания, окна, двери.
3. Вертикальный поток направлен прямо на свес крыши и создаёт подъёмное усилие, стремящееся приподнять кровлю, сдвинуть её с места.

Воздушный поток, направленный на скат крыши, образует:

• касательное движение, скользящее вдоль кровли, огибающее конёк и уходящее прочь, — эта сила стремится сдвинуть крышу с места;
• перпендикулярное усилие, — нормаль, направленное внутрь кровли, создающее давление, могущее вдавить элементы крыши внутрь конструкции;
• с подветренной стороны ската крыши создаётся обратная сила, способствующая созданию подъёмной силы, — как у крыла самолёта.

Сложив вместе все направления воздушных потоков, можно увидеть, что при высокой наклонной кровле образуются усилия, стремящиеся опрокинуть крышу.

Расчёт воздушной нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется по формуле:

Wр = 0,7 * W * k * C.

• W – нормативная величина усилия, создаваемого напором воздуха; определяется по картам в приложении к СП 20.133330.2011;
• k – коэффициент, показывающий зависимость давления от высоты над срезом верхнего уровня земли (таблица 3);
• C – аэродинамический коэффициент, учитывающий направление набегания воздушного потока на скат крыши (таблица 4 и 5).

Таблица 3. Коэффициент k для типов местности:

Высота над уровнем земли, метр	Тип местности
A	B	C
≤ 5	0,75	0,5	0,4
10	1,25	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

Типы местности:

• A – открытые пространства на побережьях морей, озёр, водохранилищ, пустыня, степь, лесостепь, тундра;
• B – населённые пункты, лес, местность с равномерно распределёнными искусственными строениями с высотой больше 10 метров;
• C – территория города с плотным расположением строительных сооружений высотой более 25 метров.

Таблица 4. Значение коэффициента С для двускатной кровли при векторе потока в скат крыши:

Угол наклона ά	F	G	H	I	J
15°	-0,9	-0,8	-0,3	-0,4	-1,0
0,2	0,2	0,2
30°	-0,5	-0,5	-0,2	-0,4	-0,5
0,7	0,7	0,4
45°	0,7	0,7	0,6	-0,2	-0,3
60°	0,7	0,7	0,7	-0,2	-0,3
75°	0,8	0,8	0,8	-0,2	-0,3

Таблица 5. Значение коэффициента С для двускатной кровли при направлении потока во фронтон крыши:

Угол наклона ά	F	H	G	I
0°	-1,8	-1,7	-0,7	-0,5
15°	-1,3	-1,3	-0,6	-0,5
30°	-1,1	-1,4	-0,8	-0,5
45°	-1,1	-1,4	-0,9	-0,5
60°	-1,1	-1,2	-0,8	-0,5
75°	-1,1	-1,2	-0,8	-0,5

Положительная величина аэродинамического коэффициента означает, что ветер давит на поверхность. Отрицательные показатели – поток создаёт разрежение у поверхности кровли, иными словами – «отсос» воздушной подушки.

Пример расчёта

Дано:

• здание находится на берегу большого внутреннего водоёма, местность относится к типу A;
• кровля расположена на высоте 10 метров, то есть коэффициент равен 1,25;
• преобладающие ветра направлены во фронтон крыши, отсюда аэродинамический показатель для крыши с наклоном ά = 30 равен C = -1,4;
• норматив для района Поволжья W = 53 кгс/м².

Расчётное значение ветрового усилия составит:

Wр = 0,7 * 53 кгс/м² * 1,25 * (-1,4) = -64,925 кгс/м².

Отрицательное значение показывает, что имеется усилие, стремящееся оторвать кровлю от всего здания.

При общих размерах кровли S = 30 м², общее усилие составит:

P = 30 м² * (-64,925 кгс/м²) = -1947,75 кгс, то есть почти две тонны.

Нагрузки на крышу

В зависимости от продолжительности действий нагрузки на крышу подразделяются на два вида:

• Постоянные.
• Временные.

К постоянным нагрузкам относится собственный вес крыши, который складывается из:

• Веса стропильной системы и обрешетки.
• Кровельного материала.
• Веса теплоизоляционного слоя (если кровля утеплена).
• Веса отделочных материалов внутренней стороны кровли (на мансардных этажах).

Временные нагрузки на крышу подразделяются на:

• Длительные — снеговые нагрузки и температурные климатические воздействия с пониженными нормативными значениями.
• Кратковременные — снеговые нагрузки и температурные климатические воздействия с полным нормативным значением, ветровые нагрузки, гололедные нагрузки, нагрузки от людей и ремонтных материалов (возникают во время монтажа, ремонта и обслуживания крыши)
• Особые — сейсмическое воздействие на стропильную систему.

Перейдем к детальному анализу каждого типа нагрузки.