Нормативные и расчетные значения ветрового давления

Ветровая нагрузка на здания и сооружения определена в нормах СНиП 2.01.07-85* как сумма средней и пульсационной составляющих. При проектировании массивных и невысоких зданий и сооружений динамическим действием ветровой нагрузки пренебрегают. Более существенно ее влияние на высокие и гибкие сооружения.

В конструкциях башен, мачт и т. п. порывы ветра вызывают колебания, частота которых зависит от свойств (формы, размеров, условий закрепления) самих конструкций. При больших частотах собственных колебаний сооружения не приходится опасаться резонансных эффектов. При частоте собственных колебаний менее 4 Гц высоких сооружений, зданий высотой более 40 м и т. п. учет динамической составляющей ветровой нагрузки обязателен. Кроме того, для гибких высоких сооружений цилиндрической формы (мачты, башни, дымовые трубы и т. п.) выполняется расчет на резонанс, который может возникнуть при определенных скоростях ветра, когда происходит срыв вихрей в турбулентном потоке с частотой, совпадающей с собственной частотой поперечных колебаний сооружения.

Нормативное значение средней составляющей ветрового давления в ранее принятых обозначениях определяется по формуле

Fн = F k c                                                  (1.15),

а в обозначениях норм проектирования СНиП 2.01.07-85*

где  -  ветровое давление на единицу поверхности (скоростной напор);

                                                                 (2.15)

 -  плотность воздуха,

v0   -  скорость ветра,

k  -  коэффициент,  учитывающий  изменение давления  ветра по высоте и тип местности;

c   -  аэродинамический коэффициент  (коэффициент лобового сопротивления сооружения).

Плотность воздуха зависит от давления и температуры. Для обычного диапазона температур и при не очень большой высоте сооружения переменностью плотности воздуха можно пренебречь. Тогда формула (2.15) преобразуется к виду :

                                                            (3.15)

где скорость v0 измеряется в м/с, а напор  в Па.

Если скорость ветра на метеостанции измерялась флюгером Г. Вильда, дающим ошибку до 4 - 6 м/с, то ее умножают на поправку

,                                                             (4.15)

и формула (3.15) преобразуется к виду

                                                           (5.15)

При использовании для измерений малоинерционных анемометров коэффициент α принимается равным 1.

Стандартная высота измерения скорости ветра - 10 м. При расположении измерительного прибора на другой высоте, что присутствует на ряде метеостанций Краснодарского края, измеренная скорость корректируется в соответствии с выражением:

                                                 ,                                                                                 (6.15)

где Vh - средняя скорость ветра на высоте h, м/с,

V10 - средняя скорость ветра на высоте 10 м, м/с,

h - высота установки измерительного прибора, м,

a - коэффициент, зависящий от типа местности, принимаемый равным 0,16 - для местности типа А, 0,28 - для местности типа В и 0,40 - для местности типа С (типы местности принимаются в соответствии со СНиП 2.01.07-85* “Нагрузки и воздействия”).

Скорость ветра v0 в формуле (2.15) в предпоследней редакции норм СНиП II-6-74 "Нагрузки и воздействия" принималась при двухминутном интервале осреднения, поскольку за основу нормирования принимались данные метеонаблюдений при флюгерных измерениях. При переходе на анемометрические наблюдения интервал осреднения увеличился до 10 минут, что в общем случае должно снижать осредненную скорость ветра по сравнению с 2-минутным осреднением. При составлении действующих норм СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия” в середине 80-х годов прошлого века еще не было достаточной статистической базы результатов измерений по новой методике. Поэтому было принято волевое решение: считать, что скорость ветра, осредненная на 10-минутном интервале, составляет 0,92 от осредненной на 2-минутном интервале. В соответствии с формулой (5.15) ветровой напор  при этом должен снизиться на 15 % (0,922 = 0,85).

В табл. 1.15 приведены значения скоростного напора  по ранее действовавшему СНиП II-6-74 и по ныне действующим нормам СНиП 2.01.07-85*. Давление ветра  установлено для восьми районов, на которые разделена территория страны на основе статистического анализа климатических данных по скоростям ветра, являющимся случайной функцией времени. Распределение горизонтальных составляющих скорости ветра по румбам определяет розу ветров данной местности. В некоторых случаях при явно выраженном господствующем направлении ветров учет этого фактора может дать экономию при проектировании зданий и сооружений. Однако в нормах СНиП 2.01.07-85* направление ветра не учитывается, считается, что он может оказывать давление на сооружения равновероятно с любой стороны. Значения  в этой таблице по ныне действующим нормам составляют (с округлением) 0,85 от значений старого СНиПа.

Таблица 1.15  Скоростной напор ветра (нормативные значения)

Расчетное значение средней составляющей ветровой нагрузки определяется умножением нормативной на коэффициент надежности по нагрузке γf. Ранее в СНиП II-6-74 он принимался равным 1,2. В ныне действующих нормах было решено сохранить расчетные значения ветровой нагрузки такими же, как в старом СНиПе. Для этого коэффициент γf увеличили до 1,4, при этом расхождения со старыми значениями без учета округлений оказываются меньше 1 %:

0,85 × 1,4 = 1,19 ≈ 1,2.

В табл. 2.15 приведены расчетные значения средней составляющей ветрового давления wm на высоте 10 м от поверхности земли (ветрового напора). В верхней строке – старые нормативные значения, умноженные на 1,2, в нижней – значения по новому СНиПу, умноженные на 1,4. С учетом погрешностей округления расчетные значения по старым и новым нормам практически совпадают.

Таблица 2.15  Расчетные значения скоростного напора по старым и новым нормам (Па)

Расчетное ветровое давление в СНиП II-6-74 было установлено из условия превышения примерно один раз в 15 лет для 2-минутного интервала осреднения. При 10-минутном интервале то же численное значение уже соответствует периоду примерно 50 лет. Таким образом, создается видимость повышения надежности проектирования по ныне действующему СНиПу в сравнении с предшествующей редакцией норм (период однократного превышения увеличился более чем в 3 раза). В некоторых литературных источниках это прямо утверждается. На самом же деле произошла подмена расчетного параметра v0 вследствие изменения методики измерения средней составляющей – увеличения в 5 раз интервала осреднения скорости ветра.

Скорость ветра и соответственно ветровое давление зависят от высоты над землей. Для описания изменения скорости ветра по высоте используется так называемый профиль ветра. В нормах проектирования для его описания использован степенной закон.

                                                        (7.15)

где v0 - скорость ветра на стандартной высоте расположения измерительного прибора – флюгера или анемометра Zo=10 м (при высоте до 5 м скорость ветра принята постоянной);

Z  - уровень, на котором определяется скорость v(Z);

α - показатель степени, зависящий от шероховатости подстилающей поверхности, воздухообмена между слоями, скорости ветра.

В зависимости от шероховатости поверхности различают местности типов А, В и С. (СНиП 2.01.07-85*). К типу А относятся открытые местности с ровной поверхностью: побережья морей, озер, водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра. К типу В отнесены городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м. Тип С - городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Сооружения считаются расположенными в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны на расстоянии 30h при высоте сооружения h до 60 м и 2 км - при большей высоте. В табл. 4 приведены значения коэффициента k возрастания скоростного напора ветра по высоте для местностей разных типов, построенные по формуле (3.15). При определении ветровой нагрузки типы местностей могут быть различными для расчетных направлений ветра.

В Руководстве по расчету на ветер рассмотрен также вопрос о нормировании скоростных напоров на границе двух подстилающих поверхностей разных типов.

Таблица 3.15  Коэффициент k