Ветровая нагрузка на опору и мачту по ДБН В.1.2-2: W0, коэффициент высоты Ch, пример

Формула и составляющие

Предельное расчётное значение ветровой нагрузки по п. 9.4 ДБН В.1.2-2:2006: Wm = γfm · W0 · C. Коэффициент C складывается по п. 9.7: C = Caer · Ch · Calt · Crel · Cdir · Cd.

• γfm, коэффициент надёжности по предельному значению (табл. 9.1): 1,00 для периода повторяемости 50 лет, 0,87 для 25 лет, 1,14 для 100 лет; для массового строительства период принимают равным сроку эксплуатации;
• W0, характеристическое давление ветра на высоте 10 м, которое в среднем превышается раз в 50 лет: по карте (рис. 9.1) или по приложению Е для городов. Районы 1–5 на карте имеют 400, 450, 500, 550 и 600 Па; в приложении Е для Киева стоит 370 Па;
• Caer, аэродинамический коэффициент по форме сечения (приложение И);
• Ch, коэффициент высоты и типа местности;
• Calt, коэффициент высоты над уровнем моря: равен 1 до 500 м, а выше этой отметки берётся по формуле из действующей редакции нормы;
• Crel, коэффициент рельефа: 1, если опора не стоит на склоне или холме;
• Cdir, коэффициент направления: обычно 1;
• Cd, коэффициент динамичности, учитывающий пульсации ветра.

Общая схема расчёта опоры, где этот раздел служит первым шагом, показана в статье Расчёт мачты ветрогенератора. Значения W0 для областных центров собраны в статье Ветровые районы Украины.

Тип местности

Норма различает четыре типа местности, и тип определяют для каждого направления ветра отдельно:

• I: открытые поверхности морей и озёр, равнины без препятствий на расстоянии не менее 3 км;
• II: сельская местность с оградами, небольшими сооружениями, домами и деревьями;
• III: пригородные и промышленные зоны, крупные лесные массивы;
• IV: городская застройка, где не менее 15 % площади занято зданиями средней высотой более 15 м.

Сооружение считается расположенным на местности определённого типа, если такая местность есть в этом направлении на расстоянии 30Z для высоты Z менее 60 м и 2 км для большей высоты. На границе двух типов или при сомнении берут тип, дающий большее значение Ch.

Коэффициент высоты Ch: какую таблицу брать

В норме две таблицы. Таблица 9.01 относится к сооружениям, у которых наибольший период собственных колебаний не превышает 0,25 с, а таблица 9.02 — ко всем остальным. Для опоры ветрогенератора с тяжёлой головой период обычно больше, поэтому нужна таблица 9.02, а она даёт более высокие значения: для высоты 10 м и типа II коэффициент равен 1,50 против 0,90 в таблице 9.01.

Период T = 1/f1 берётся из расчёта собственных частот. Промежуточные значения Ch находят линейной интерполяцией.

Коэффициент Ch по таблице 9.02 ДБН В.1.2-2:2006, для сооружений с периодом собственных колебаний более 0,25 с.

Коэффициент динамичности Cd

Для сооружений с периодом колебаний до 0,25 с Cd = 1. Для остальных его берут по графикам 9.5–9.10, а для стальных труб и аппаратов колонного типа без футеровки — по рисунку 9.8, по левой кривой. Если Cd получается больше 1,2, норма требует специального динамического расчёта пульсационной составляющей (п. 9.13).

Есть и второе условие. Для высоких сооружений с отношением h/d более 7 (h — высота, d — минимальный размер сечения на уровне 2/3 высоты) нужна дополнительная проверка на вихревое возбуждение (п. 9.17). Для опоры высотой 20 м и диаметром 0,8 м на уровне 2/3 высоты h/d равно 25, так что такая проверка нужна.

Аэродинамический коэффициент

Caer для круглых и многогранных стоек берут из приложения И. Приложение нормирует не все количества граней, и когда нужного значения там нет, п. 9.8 разрешает принимать коэффициент по справочным и экспериментальным данным или по продувкам. Практически для стойки с большим количеством граней берут значение с запасом.

Пример: опора 24 м, 4-й район, тип местности II

Исходные данные примера: W0 = 550 Па, тип II, Calt = Crel = Cdir = 1, γfm = 1,00, период T1 = 0,555 с (значит, таблица 9.02). Ниже приведены Ch и давление W0 · Ch на нескольких отметках, включая ось ротора на 25,2 м.

Cd для этой опоры по рисунку 9.8 и специальному динамическому расчёту принят 1,20. Тогда давление на стойку на отметке 24 м: Wm = 1,00 · 550 · 1,92 · 1,0 · 1,20 ≈ 1 267 Па, где 1,0 — Cx. Силу на метр высоты получают умножением на диаметр стойки на этой отметке.

Пример условный; значения Ch найдены интерполяцией по таблице 9.02.

Гололёдно-ветровые нагрузки

Раздел 10 требует учитывать их для антенно-мачтовых устройств и подобных сооружений. Нагрузка складывается из веса гололёда и нормального давления ветра на покрытые гололёдом элементы; для каждой составляющей норма задаёт предельные расчётные значения.

Толщина стенки гололёда b зависит от гололёдного района (карта на рис. 10.1 или приложение Ж) и задана для провода диаметром 10 мм на высоте 10 м. Для другой высоты её умножают на коэффициент k: 0,8 на 5 м, 1,0 на 10 м, 1,2 на 20 м, 1,4 на 30 м. Для элементов диаметром до 70 мм добавляется коэффициент μ1 по диаметру, плотность льда — 0,9 г/см³. Например, в приложении Е для Киева b = 19 мм, а ветровое давление при гололёде WB = 160 Па.

В горных районах Карпат и Крыма, на вершинах и перевалах данные о гололёде берут из специальных наблюдений.

Что прислать для расчёта

• населённый пункт или координаты площадки;
• тип местности в каждом направлении ветра;
• высота площадки над уровнем моря и наличие склонов или холмов рядом;
• гололёдный район, если он известен;
• форма и размеры сечения стойки и высота сооружения, а для колебаний — собственная частота.

С этими данными ветровую нагрузку посчитает проектировщик. Если нужна опора или мачта, действует общий порядок: проектирование КМ и КМД и изготовление металлоконструкций.

Нормативы и действие

• ДБН В.1.2-2:2006 «Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования»: раздел 9 (ветровые нагрузки), раздел 10 (гололёдно-ветровые), приложения Е, Ж, И.
• ДБН В.1.2-14:2018: классы последствий сооружения, от которых зависит коэффициент ответственности.

Числа из карт и таблиц здесь справочные: для реального объекта берут значения из действующей редакции нормы вместе с изменениями, а действие документа проверяют заранее.