Вітрове навантаження на опору й щоглу за ДБН В.1.2-2: W0, коефіцієнт висоти Ch, приклад

Формула й складові

Граничне розрахункове значення вітрового навантаження за п. 9.4 ДБН В.1.2-2:2006: Wm = γfm · W0 · C. Коефіцієнт C складається за п. 9.7: C = Caer · Ch · Calt · Crel · Cdir · Cd.

• γfm, коефіцієнт надійності за граничним значенням (табл. 9.1): 1,00 для періоду повторюваності 50 років, 0,87 для 25 років, 1,14 для 100 років; для масового будівництва період беруть рівним строку експлуатації;
• W0, характеристичний тиск вітру на висоті 10 м, який у середньому перевищується раз на 50 років: за картою (рис. 9.1) або за додатком Е для міст. Райони 1–5 на карті мають 400, 450, 500, 550 і 600 Па; у додатку Е для Києва стоїть 370 Па;
• Caer, аеродинамічний коефіцієнт за формою перерізу (додаток І);
• Ch, коефіцієнт висоти й типу місцевості;
• Calt, коефіцієнт висоти над рівнем моря: дорівнює 1 до 500 м, а вище цієї відмітки береться за формулою з чинної редакції норми;
• Crel, коефіцієнт рельєфу: 1, якщо опора не стоїть на схилі чи пагорбі;
• Cdir, коефіцієнт напрямку: зазвичай 1;
• Cd, коефіцієнт динамічності, що враховує пульсації вітру.

Загальну схему розрахунку опори, де цей розділ є першим кроком, показано в статті Розрахунок щогли вітрогенератора. Значення W0 для обласних центрів зібрано в статті Вітрові райони України.

Тип місцевості

Норма розрізняє чотири типи місцевості, і тип визначають для кожного напрямку вітру окремо:

• I: відкриті поверхні морів і озер, рівнини без перешкод на відстані не менше 3 км;
• II: сільська місцевість із огорожами, невеликими спорудами, будинками й деревами;
• III: приміські й промислові зони, великі лісові масиви;
• IV: міська забудова, де не менше 15 % площі зайнято будівлями середньою висотою понад 15 м.

Споруда вважається розташованою в місцевості певного типу, якщо така місцевість є в цьому напрямку на відстані 30Z для висоти Z менше 60 м і 2 км для більшої висоти. На межі двох типів або за сумніву беруть тип, що дає більше значення Ch.

Коефіцієнт висоти Ch: яку таблицю брати

Норма має дві таблиці. Таблиця 9.01 стосується споруд, у яких найбільший період власних коливань не перевищує 0,25 с, а таблиця 9.02 — усіх інших. Для опори з важкою головою, наприклад вітрогенератора, період зазвичай більший, тож потрібна таблиця 9.02, а вона дає вищі значення: для висоти 10 м і типу II коефіцієнт дорівнює 1,50 проти 0,90 у таблиці 9.01.

Період T = 1/f1 береться з розрахунку власних частот. Проміжні значення Ch знаходять лінійною інтерполяцією.

Коефіцієнт Ch за таблицею 9.02 ДБН В.1.2-2:2006, для споруд з періодом власних коливань понад 0,25 с.

Коефіцієнт динамічності Cd

Для споруд із періодом коливань до 0,25 с Cd = 1. Для інших його беруть за графіками 9.5–9.10, а для сталевих труб і апаратів колонного типу без футеровки — за рисунком 9.8, по лівій кривій. Якщо Cd виходить більше 1,2, норма вимагає спеціального динамічного розрахунку пульсаційної складової (п. 9.13).

Є й друга умова. Для високих споруд із відношенням h/d понад 7 (h — висота, d — мінімальний розмір перерізу на рівні 2/3 висоти) потрібна додаткова перевірка на вихрове збудження (п. 9.17). Для опори висотою 20 м і діаметром 0,8 м на рівні 2/3 висоти h/d дорівнює 25, тож така перевірка потрібна.

Аеродинамічний коефіцієнт

Caer для кругових і багатогранних стійок бере з додатка І. Додаток нормує не всі кількості граней, і коли потрібного значення там немає, п. 9.8 дозволяє брати коефіцієнт за довідковими й експериментальними даними або за продувками. Практично для стійки з більшою кількістю граней беруть значення із запасом.

Приклад розрахунку тиску

Умовні дані: W0 = 500 Па (3-й район), тип місцевості II, висота Z = 20 м, період коливань понад 0,25 с (тож таблиця 9.02), γfm = 1,00, Calt = Crel = Cdir = 1, Caer = 1,0, Cd = 1,0. Коефіцієнт Ch для Z = 20 м і типу II дорівнює 1,85.

Тоді Wm = 1,00 · 500 · 1,85 · 1,0 · 1,0 = 925 Па. Для висоти 10 м (Ch = 1,50) тиск становив би 750 Па, тож зі зростанням висоти навантаження збільшується. Силу на метр висоти отримують множенням тиску на діаметр стійки на цьому рівні.

Ожеледно-вітрові навантаження

Розділ 10 вимагає враховувати їх для антенно-щоглових пристроїв і подібних споруд. Навантаження складається з ваги ожеледі й нормального тиску вітру на покриті ожеледдю елементи; для кожної складової норма задає граничні розрахункові значення.

Товщина стінки ожеледі b залежить від ожеледного району (карта на рис. 10.1 або додаток Ж) і задана для дроту діаметром 10 мм на висоті 10 м. Для іншої висоти її множать на коефіцієнт k: 0,8 на 5 м, 1,0 на 10 м, 1,2 на 20 м, 1,4 на 30 м. Для елементів діаметром до 70 мм додається коефіцієнт μ1 за діаметром, густина льоду — 0,9 г/см³. Наприклад, у додатку Е для Києва b = 19 мм, а вітровий тиск при ожеледі WB = 160 Па.

У гірських районах Карпат і Криму, на вершинах і перевалах дані про ожеледь беруть зі спеціальних спостережень.

Що надіслати для розрахунку

• населений пункт або координати майданчика;
• тип місцевості в кожному напрямку вітру;
• висота майданчика над рівнем моря й наявність схилів чи пагорбів поруч;
• ожеледний район, якщо він відомий;
• форма й розміри перерізу стійки та висота споруди, а для коливань — власна частота.

З цими даними вітрове навантаження порахує проєктувальник. Якщо потрібна опора або щогла, діє загальний порядок: проєктування КМ і КМД і виготовлення металоконструкцій.

Нормативи й чинність

• ДБН В.1.2-2:2006 «Навантаження і впливи. Норми проектування»: розділ 9 (вітрові навантаження), розділ 10 (ожеледно-вітрові), додатки Е, Ж, І.
• ДБН В.1.2-14:2018: класи наслідків споруди, від яких залежить коефіцієнт відповідальності.

Числа з карт і таблиць тут довідкові: для реального об’єкта беруть значення з чинної редакції норми разом зі змінами, а чинність документа перевіряють наперед.