Ветер – мощный природный фактор, способный повреждать конструкции и снижать их устойчивость. Особенно уязвимы высотные здания, мосты и мачты: ветровые воздействия для них важно точно прогнозировать. ООО «БТЭ» выполнит расчет ветровой нагрузки на этапе проектирования и проведет обследование конструкций после сильного ветра, чтобы обеспечить безопасность и надежность объекта.
Что такое ветровая нагрузка на здания и сооружения
Ветровая нагрузка на здания и сооружения – это сила, с которой поток воздуха воздействует на поверхности конструкций. Она зависит от:
скорости и направления ветра;
особенностей рельефа, окружающей застройки;
формы и размеров здания;
высоты сооружения над уровнем земли;
аэродинамических характеристик поверхностей.
Игнорирование ветрового воздействия на конструкцию может привести к повреждению фасадов, кровли и несущих элементов, а в неблагоприятных случаях – к аварийной ситуации.
Как ветер воздействует на здание
Воздушный поток воздействует на здание комплексно, создает различные типы нагрузок:
Ветровое давление на стену здания. Воздушный поток ударяется о вертикальную поверхность, создает давление, величина которого зависит от скорости ветра и аэродинамических характеристик фасада объекта.
Отсос на кровле и фасадах. Когда поток воздуха обтекает конструкцию, создаются зоны пониженного давления (отсоса). Эффект особенно выражен на выступающих элементах, углах фасадов и краях кровли. У скатных крыш отрицательное давление может повышать риск отрыва покрытия.
Горизонтальная ветровая нагрузка. Ветер создает горизонтальное усилие и опрокидывающий момент. Это особенно критично для высоких и узких объектов, мачт, опор и легких наружных конструкций.
Пульсационное и динамическое воздействие. Из‑за турбулентности воздушного потока ветровая нагрузка не постоянна. Возникают колебания, пульсации, способные вызывать вибрации, опасные для некоторых видов конструкций.
Помимо этого ветер может вызывать:
резонансные явления – совпадение частоты порывов с собственной частотой колебаний здания;
галопирование – самовозбуждающиеся колебания для конструкций с определенной формой сечения;
флаттер – вибрации, опасные для протяженных и гибких элементов (мостов, навесов, мачт).
Как рассчитывают ветровую нагрузку
Расчеты ведутся на основании нормативных документов – СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Проектировщики учитывают:
Ветровой район и тип местности. Территория РФ разделена на районы по нормативному ветровому давлению. Также различают типы местности: А – открытые пространства, В – городская застройка и местности с препятствиями выше 10 м, С – плотная застройка зданиями выше 25 м.
Ветровое давление и коэффициенты. Базовое нормативное ветровое давление определяют по району, карте районирования и таблице 11.1 СП 20.13330.2016. Тип местности учитывают отдельно – через коэффициент k(z). Также применяют аэродинамический коэффициент, коэффициент пульсации и коэффициент пространственной корреляции.
Нормативная и расчетная ветровая нагрузка. Нормативная нагрузка – базовое значение с учетом района, высоты, типа местности и формы объекта. Расчетную получают, умножив нормативную на коэффициент надежности. Для основной и пиковой ветровых нагрузок он составляет 1,4.
Таблица ветровых нагрузок по районам (нормативное ветровое давление w0, кПа)
Ветровой район
w0, кПа
Iа
0,17
I
0,23
II
0,30
III
0,38
IV
0,48
V
0,60
VI
0,73
VII
0,85
Формула расчета средней составляющей основной ветровой нагрузки:
wm = w0 × k(z) × c, где:
w0 – нормативное ветровое давление (кПа);
k(z) – коэффициент изменения давления по высоте с учетом типа местности;
c – аэродинамический коэффициент ветровой нагрузки;
для пульсационной составляющей дополнительно учитывают коэффициенты пульсации и пространственной корреляции;
расчетное значение получают с учетом коэффициента надежности.
Пример расчета для наветренной стены здания высотой 50 м в IV районе (тип местности В):
w0 = 0,48 кПа (по таблице 11.1 для IV района);
k(50) ≈ 1,2 (для типа местности В, интерполяцией между 40 и 60 м);
c = 0,8 (для рассматриваемой наветренной поверхности);
пульсационную составляющую определяют отдельно, если она требуется для конструкции.
Расчетная нагрузка по средней составляющей: wr = 0,4608 × 1,4 = 0,645 кПа.
В реальном проекте дополнительно проверяют пульсационную, пиковую и динамическую составляющие, а также локальные зоны давления и отсоса на фасадах, кровле и узлах крепления.
Основная, пиковая, пульсационная и динамическая ветровая нагрузка
Различают следующие виды ветровой нагрузки:
Основная и средняя составляющая. Основная ветровая нагрузка включает среднюю и пульсационную составляющие. Средняя часть учитывает относительно устойчивое ветровое воздействие и применяется при проверке несущих стен, колонн, каркаса и фундаментов.
Пиковая ветровая нагрузка. Воздействие сильных кратковременных порывов может значительно превышать средние значения. Такая нагрузка важна для ограждающих конструкций и узлов крепления: фасадных систем, остекления, кровельных покрытий, навесов и рекламных конструкций.
Пульсационная и динамическая нагрузка. Они связаны с колебаниями воздушного потока. Пульсации вызывают вибрации, а динамические эффекты особенно важны для гибких, высоких и легких конструкций: мачт, дымовых труб, опор и башен.
Статическая ветровая нагрузка. В практических расчетах воздействие может учитываться как условно-статическое, если динамическая реакция сооружения не является определяющей.
Ветровая нагрузка на разные элементы здания
Скоростной напор ветра распределяется по конструкциям неравномерно. По отдельности рассчитывают ветровую нагрузку:
На стену здания. Определяют давление на наветренной стороне и отсос на подветренной. При проектировании высоких зданий необходимо учитывать изменение нагрузки по высоте. Из-за завихрений угловые зоны испытывают повышенные нагрузки.
На кровлю и на крышу. Правильный расчет критичен для скатных и плоских кровель: ветер создает зоны давления и отсоса, а на краях и углах покрытия могут возникать повышенные усилия. Для скатных крыш проверяют риск отрыва покрытия, для плоских – зоны повышенного отсоса у парапетов и выступающих элементов.
На фасады. Навесные панели, остекленные фасады испытывают значительные нагрузки. Следует учесть парусность, жесткость креплений, шаг кронштейнов, тип облицовки, состояние анкеров и работу воздушного зазора.
На колонну. Высокие колонны испытывают изгибающий момент от горизонтального давления воздушного потока. Особое внимание при расчете уделяют местам крепления к фундаменту, стыкам секций сборных колонн, зонам изменения сечения. Аэродинамический коэффициент зависит от формы сечения колонны и характера поверхности.
Также особого внимания требует расчет ветровой нагрузки:
На опору. Опоры ЛЭП, мачты и другие вертикальные конструкции рассчитывают на изгиб и опрокидывание. Учитывают высоту опоры, форму поперечного сечения, наличие оттяжек, массу закрепленного оборудования.
На навесы, козырьки и рекламные конструкции. Из‑за большой площади и малой массы такие объекты чувствительны к ветровым нагрузкам. Для навесов критичен отсос снизу, козырьки испытывают крутящий момент из‑за консольного крепления, рекламные щиты рассчитывают как плоские пластины.
Устойчивость к ветровым нагрузкам и снижение риска повреждений
Чтобы повысить сопротивление ветровым нагрузкам, снизить риск разрушения конструкций здания или сооружения:
Проверяют крепления и узлы. Соединения на фасадах и кровле осматривают после сильного ветра, шквала или урагана, если появились повреждения, вибрации, шумы, деформации или нарушения креплений. Периодичность плановых проверок определяют с учетом состояния объекта и эксплуатационной документации.
Учитывают парусность конструкций. Чтобы снизить риск повреждений, проверяют выступающие элементы, наружное оборудование, вывески, козырьки, фасадные кассеты и кровельные покрытия. Для новых элементов оценивают площадь проекции, форму, расположение и крепления.
Проводят расчеты перед монтажом наружных элементов. Навесные конструкции (рекламные щиты, кондиционеры, антенны, козырьки) проверяют на ветровую устойчивость с учетом типа крепления, основания, площади проекции и расположения относительно преобладающих ветров.
Обследуют конструкции после повреждений. После ураганов проводят диагностику для выявления видимых и скрытых дефектов: осмотр, инструментальные измерения деформаций, проверку креплений, анализ трещин и состояния несущих элементов.
Усиливают конструкции при недостаточной устойчивости. С этой целью устанавливают связи и элементы жесткости, усиливают узлы крепления, фундаменты, колонны или опоры, заменяют поврежденные элементы.
Когда требуется расчет ветровой нагрузки
Ветровую нагрузку обязательно рассчитывают:
При проектировании здания или сооружения. Результаты влияют на выбор аэродинамической формы, расчет несущих элементов.
При реконструкции фасада или кровли. Изменения могут повлиять на аэродинамику, увеличить парусность конструкций.
При установке оборудования на кровле (компонентов вентиляционных систем, антенн и т.д.). Учитывается высота установки, площадь проекции, масса оборудования, способ крепления и возможные динамические воздействия.
При монтаже вывесок и рекламных конструкций. Причина – высокая парусность. Расчет включает проверку несущей способности стены, оценку крутящих моментов, подбор анкерных креплений.
При обследовании опор, мачт и наружных конструкций. Для оценки остаточной прочности анализируют коррозионные повреждения, деформации от предыдущих нагрузок, состояние фундаментов.
После повреждений от сильного ветра. Цель – выявить причины повреждений и предотвратить повторение. Специалисты фиксируют дефекты, оценивают ветровое воздействие и разрабатывают меры ремонта или усиления.
Когда нужно обследование после ветрового воздействия
Сорвало часть кровли. Требуется проверить стропильную систему, плиты покрытия или прогоны, состояние креплений оставшихся элементов и возможные повреждения конструкций верхних этажей.
Повреждены крепления. Это особенно критично для навесных фасадов, остекления, рекламных конструкций.
Отклонилась опора. Необходимо измерить величину отклонения и сравнить с допустимыми значениями. При превышении показателя требуется ограничение эксплуатации и разработка мер усиления.
Появились трещины. Специалисты анализируют их направление, раскрытие и расположение, а затем уточняют причину повреждений по результатам обследования и расчетов.
Расшатался навес. Проверяют жесткость каркаса, прочность креплений, отсутствие усталостных трещин.
Возникли вибрации или шумы. Причиной может быть резонанс, ослабление соединений, начальный этап усталостного разрушения.
Что получает заказчик по итогам обследования
По завершении обследования компания «БТЭ» предоставляет заказчику:
Отчет с описанием выявленных дефектов, с фото и схемами повреждений, координатами проблемных зон.
Расчетные значения ветровой нагрузки для рассматриваемых элементов и оценку способности конструкций воспринимать эти воздействия с учетом фактического состояния.
Оценку устойчивости к ветровым нагрузкам – сравнение фактических параметров, дефектов и расчетных данных с нормативными требованиями.
Рекомендации по ремонту или усилению – перечень необходимых работ, материалы, технологии и приоритетность выполнения.
Расчеты для дальнейших проектных решений – например, параметры для усиления каркаса.
Заключение о возможности дальнейшей эксплуатации – с указанием условий безопасной эксплуатации, ограничений по нагрузкам и рекомендаций по последующим проверкам.
Заключение
Перечень услуг компании «БТЭ» включает расчет ветровой нагрузки при проектировании и реконструкции зданий и сооружений, а также при установке оборудования, вывесок и наружных конструкций. Наши специалисты проведут обследование, выполнят поверочные расчеты и подготовят техническое заключение с рекомендациями по безопасной эксплуатации объекта.
