Расчет на ветровую нагрузку столба
Расчет колонны на ветровую нагрузку
Необходимость расчета колонны на ветровую нагрузку проверяли согласно [2.С.102]
(2.1)
где H – полная высота колонны хемосорбции, м;
Dн – расчетный наружный диаметр аппарата, м.
Расчетный наружный диаметр аппарата Dн, м, определяли согласно формуле
Dн = D + 2∙S, (2.2)
где D – внутренний диаметр кожуха аппарата, м;
S – исполнительная толщина стенки кожуха аппарата, м.
Ветровую нагрузку на i-тый участок Pi, Н, определяли согласно [2.С.104]
Pi = Pci + Pдi, (2.3)
где Pci – статическая составляющая ветровой нагрузки, Н;
Pдi – динамическая составляющая ветровой нагрузки, Н.
Статическую составляющую ветровой нагрузки на i-м участке Pci, Н, определяли согласно [2.С.104]
Pci = qHi ∙ Fi, (2.4)
где qHi - нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки, Н/м2;
Fi – площадь проекции i-го участка на плоскость, перпендикулярно направлению ветра, м2.
Рисунок 2.1 – Расчетная схема ветровых нагрузок, действующих на аппарат
Нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки qHi, Н/м2, определяли согласно [2.С.104]
qHi = q0∙θi∙c, (2.5)
где q0 – скоростной напор ветра, Н/м2;
θi - коэффициент, учитывающий возрастание скоростного напора;
с – аэродинамический коэффициент.
Скоростной напор ветра q0, Н/м2, принимали согласно [2.С.105]
Коэффициент θi, учитывающий возрастание скоростного напора с увеличением высоты Xi, над поверхностью земли, определяли согласно [2.С.105]
(2.6)
где Xi - координаты центра тяжести i-й части колонны, м.
Аэродинамический коэффициент с принимали согласно [2.С.105]
Площадь проекции i-го участка аппарата на плоскость Fi, м2, перпендикулярную направлению ветра определяли согласно [2.С.104]
Fi = Нi ∙ Di, (2.7)
где Нi – высота i-го участка, м;
Di – диаметр i-го участка, м.
Динамическую составляющую ветровой нагрузки на i-участке Pдi, Н, определяли согласно [2.С.104]
Pдi = 0,75 ∙ Мi ∙ ξ ∙ ηi, (2.8)
где Мi – масса i-го участка аппарата, кг;
ξ – коэффициент динамичности;
ηi – приведенное ускорение центра масс i-го участка, м/с2.
Массу i-го участка аппарата Мi, кг, определяли
М = Мк + Мв, (2.9)
где Мк – масса корпуса аппарата, кг;
Мв – масса воды в колонне при испытаниях, кг.
Массу воды в аппарате при гидравлических испытаниях Мв определяли согласно
Мв = (Нц ∙ π ∙ D2/4 + 2∙Vд) ∙ Q, (2.10)
где Нц – высота цилиндрической части колонны, м;
D - внутренний диаметр колонны, м;
Vд - объем эллиптического днища, м3;
Q - плотность воды, кг/м3.
Масса i-го участка аппарата Мi, кг, определяли
(2.11)
где М – масса аппарата, кг;
Нi – высота i-го участка аппарата, м;
Н – высота аппарата, м.
Вес аппарата Q, H, определяли согласно [2.С.106]
Q = M ∙ g, (2.12)
где М – полная масса аппарата, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Параметр ε определяли согласно [2.С.104]
(2.13)
где Т – период собственных колебаний аппарата, с;
q0 – скоростной напор ветра, Н/м2,
Е – модуль продольной упругости материала корпуса аппарата, МПа.
Период собственных колебаний аппарата Т, с, определяли согласно [2.С.105]
(2.14)
где Н – высота аппарата, м;
Qmax – максимальный вес аппарата, Н;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Е – модуль продольной упругости материала корпуса аппарата, МПа;
I – экваториальный момент инерции площади поперечного сечения стенки корпуса аппрата, м4;
φ0 - угол поворота опорного сечения фундамента, (МН∙м)-1
Модуль продольной упругости материала корпуса аппарата Е, МПа, принимали согласно [3.С.285]
Экваториальный момент инерции I, м4, площади поперечного сечения стенки корпуса аппрата определяли согласно [2.С.105]
(2.15)
где Dн – наружный диаметр корпуса аппарата, м;
Dв – внутренний диаметр корпуса аппарата, м.
Угол поворота опорного сечения фундамента φ0, (МН∙м)-1, определяли согласно [2.С.106]
(2.16)
где Сф – коэффициент упругого неравномерного сжатия грунта, МН/м3;
Iф - экваториальный момент инерции площади подошвы фундамента, м4.
Коэффициент упругого неравномерного сжатия грунта Сϕ, МН/м3, принимали согласно [2.С.106]
Для цилиндрического аппарата внутренний D1 и наружный D2 диаметры опорного фундаментного кольца определяли согласно [2.С.106]
D1 = Dн(1-0,65∙k0), (2.17)
D2 = Dн(1+1,35∙k0), (2.18)
где Dн – наружный диаметр корпуса аппарата, м;
k0 – коэффициент.
Коэффициент k0 принимали согласно [2.С.108]
Экваториальный момент инерции площади подошвы фундамента Iф, м4, определяли согласно [2.С.106]
(2.19)
где D2 - наружный диаметр фундаментного кольца аппарата, м;
Коэффициент динамичности ξ принимали согласно [2.С.105]
Относительную координату центра тяжести участка αi определяли согласно [2.С.106]
αi = Хi/Н, (2.20)
где Хi – высота до середины i-го участка над поверхностью земли, м;
Н – высота аппарата, м.
Коэффициент Аi определяли согласно [2.С.106]
(2.21)
где αi - относительная координата центра тяжести участка.
Относительное перемещение центра масс i-го участка ki, м, определяли согласно [2.С.106]
(2.22)
где j – коэффициент;
Н – высота аппарата, м;
Е – модуль продольной упругости материала корпуса аппарата, МПа;
φ0 - угол поворота опорного сечения фундамента, (МН∙м)-1;
αi - относительная координата центра тяжести участка;
Аi – коэффициент;
I1 - экваториальный момент инерции площади поперечного сечения стенки верхней части корпуса аппарата, м4.
Коэффициент j для корпуса с постоянным моментом инерции по высоте принимали согласно [2.С.106]
Приведенное ускорение центра масс i-го участка ηi, м/с2, определяли согласно [2.С.107]
(2.23)
где ki - относительное перемещение центра масс i-го участка, м;
mi – коэффициент пульсации скоростного напора ветра;
Pci – статическая составляющая ветровой нагрузки, Н;
Мi – масса i-го участка аппарата, кг.
Коэффициент пульсации скоростного напора ветра mi определяли согласно [2.С.105]
Ветровой момент Мв, (МН∙м), действующий на аппарат относительно опорной поверхности определяли согласно [2.С.107]
(2.24)
где Р1,Р2,Р3,Р4 – ветровая нагрузка, действующая соответственно на 1-й, 2-й, 3-й и 4-й участки, МН;
Н1,Н2,Н3,Н4 – высота соответственно 1-го, 2-го, 3-го и 4-го участков, м.
Момент от действия ветровых и весовых сил М определяли согласно [2.С.102]
М = 0,6∙Мв+Мэ, (2.25)
где Мв - ветровой момент, Н∙м;
Мэ – момент от эксцентрично расположенной нагрузки, Н∙м.
Опорную площадь фундаментального кольца F, м2, определяли согласно [2.С.102]
(2.26)
где D2 – наружный диаметр опорного фундаментного кольца, м;
D1 – внутренний диаметр опорного фундаментного кольца, м.
Момент сопротивления изгибу опорной площади фундаментного кольца W, м3, определяли согласно [2.С.108]
(2.27)
где D2 – наружный диаметр опорного фундаментного кольца, м;
D1 – внутренний диаметр опорного фундаментного кольца, м.
Максимальное напряжение на опорной поверхности фундаментного кольца σmax, МПа, определяли согласно [2.С.107]
(2.28)
где Qmax – максимальный вес аппарата, МН;
F – опорная площадь фундаментного кольца, м2;
M – ветровой момент, МН∙м;
W – момент сопротивления изгибу опорной площади фундаментного кольца, м3.
Материал фундамента принимали согласно [1.С.302],. применимость материала фундамента проверяли согласно [2.С.108]
σmax < [σ], (2.29)
где [σ] – допускаемое напряжение на сжатие, МПа.
Толщину фундаментного кольца δк, м, определяли согласно [2.С.108]
(2.30)
где φ – коэффициент, учитывающий увеличение жесткости конструкции кольца;
b – длина выступающей части кольца, м;
σmax – максимальное напряжение на опорной поверхности фундаментного кольца, МПа;
σ – напряжение в кольце, МПа.
Коэффициент, учитывающий увеличение жесткости конструкции кольца, φ приняли согласно [2.С.108]
Ширину выступающей части кольца b, м, определяли по формуле согласно [2.С.103] и [1.С.284]
b = 0,5(D2 – DH), (2.31)
где D2 – наружный диаметр опорного фундаментного кольца, м;
DH – наружный диаметр корпуса аппарата, м.
С целью расчета аппарата на устойчивость против опрокидывания определяли минимальное напряжение на опорную площадь поверхности фундаментного кольца σmin, МПа, согласно [2.С.109]
(2.32)
где Qmin – минимальный вес аппарата, МН;
F – опорная площадь фундаментного кольца, м2;
M – ветровой момент, МН∙м;
W – момент сопротивления изгибу опорной площади фундаментного кольца, м3.
Минимальный вес аппарата Qmin определяли согласно [2.С.106]
Qmin = Мk ∙ g, (2.33)
где Мк – масса корпуса аппарата, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Опрокидывающий момент от действия ветровых и весовых нагрузок М, Н∙м, определяли согласно [2.С.102]
М = Мв ∙ Dн / Dи + Мэ, (2.34)
где Dн – наружный диаметр корпуса аппарата, м;
Dи – наружный диаметр аппарата с изоляцией, м;
Мв - ветровой момент, Н∙м;
Мэ – момент от эксцентрично приложенных нагрузок, Н∙м.
Наружный диаметр аппарата с изоляцией Dи, м, принимали:
Dи = Dн.
где Dн – наружный диаметр корпуса аппарата, м;
Нагрузку на наиболее нагруженный болт Pб, Н, определяли согласно [2.С.110]
(2.35)
где σmin - минимальное напряжение на опорную площадь поверхности фундаментного кольца, Па;
F – опорная площадь фундаментного кольца, м2;
n – число фундаментных болтов, шт.
Число фундаментных болтов n, шт, приняли согласно [2.С.110]
Внутренний диаметр резьбы фундаментного болта d0, м, определяли согласно [2.С.110]
(2.36)
где Pб - нагрузку на наиболее нагруженный болт, Н;
[σ] – допускаемое напряжение на растяжение при температуре плюс 200С, Па;
С – прибавка на атмосферную коррозию, м.
Принимаем материал фундаментных болтов.
Допускаемое напряжение [σ], МПа, на растяжение при температуре 200С приняли согласно [3.С.93]
Напряжение в сплошном сварном шве σс, МПа, определяли согласно [2.С.113]
(2.37)
где Qmax – максимальный вес аппарата, МН;
fc – площадь опасного сечения сварного шва, м2;
М’ – изгибающий момент относительно сечения сварного шва от ветровых нагрузок, МН∙м;
Wc – момент сопротивления сварного шва изгибу, м3.
Площадь опасного сечения сварного шва fc, м2, определяли согласно [2.С.114]
(2.38)
где Dн – наружный диаметр корпуса аппарата, м;
s – толщина опорной обечайки, м.
Изгибающий момент относительно сечения сварного шва М’ принимали:
М’ = М,
где М – изгибающий момент от действия ветровых и весовых нагрузок.
Момент сопротивления сварного шва изгибу Wc, м3, определяли согласно [2.С.114]
Wc = 0,8 ∙ 0,7 ∙ s ∙ , (2.39)
где Dн – наружный диаметр корпуса аппарата, м;
s – толщина опорной обечайки, м.
Напряжение на сварном шве при работе на срез проверяли согласно [2.С.114]
σс ≤ 0,8 ∙ φ ∙ [σ], (2.40)
где φ - коэффициент прочности сварного шва;
[σ] – допускаемое напряжение растяжения для основного металла, МПа. [1.С.11]
Коэффициент прочности сварного шва φ приняли согласно [2.С.114]
σ0 = Qmax / F0 + M/ W0, (2.41)
где Qmax – максимальный вес аппарата, МН;
М – изгибающий момент от действия ветровых и весовых нагрузок, Н∙м;
F0 – площадь сечения стенки опорной части, м2;
W0 – момент сопротивления изгибу сечения опорной части, м3.
Площадь сечения стенки опорной части F0 определяли согласно [2.С.114]
F0 = (π∙D – 1,1∙d)∙S, (2.42)
где D – внутренний диаметр опорной части, м;
d – диаметр выреза в опорной обечайке, м;
S - толщина опорной обечайки, м.
Момент сопротивления изгибу сечения опорной части W0 определяли согласно [2.С.114]
W0 = π/4∙D2∙S(π∙D-1,1∙d)/(π∙D), (2.43)
где D – внутренний диаметр опорной части, м;
d – диаметр выреза в опорной обечайке, м;
S - толщина опорной обечайки, м.
Максимальное напряжение сжатия σ0 согласно [2.С.114]
σ0 ≤ 0,8σт, (2.44)
где σт – предел текучести при температуре плюс 200С.
Обеспечение устойчивости цилиндрической формы стенки проверяли согласно [2.С.115]
(2.45)
где Q – осевая сжимающая сила, Н;
Qдоп - допускаемая осевая сжимающая сила, Н;
M – изгибающий момент, Н∙м;
Mдоп – допускаемый изгибающий момент, Н∙м.
Осевую сжимающую силу Q, Н, принимали согласно [2.С.115]
Q = Qmax,
где Qmax – максимальный вес аппарата.
Допускаемую осевую сжимающую силу Qдоп, Н, определяли согласно [2.С.115]
Qдоп = π∙D(s-C)∙φc∙[σ], (2.46)
где D – внутренний диаметр обечайки, м;
S - толщина опорной обечайки, м;
С – прибавка на коррозию, м;
φc – коэффициент уменьшения допускаемого напряжения;
[σ] - нормативное допускаемого напряжение, Па.
Коэффициент уменьшения допускаемого напряжения φc определяли согласно [2.С.115]
D/[2(S-C)] < 0,18∙Е/σт, (2.47)
где D – внутренний диаметр обечайки, м;
S - толщина опорной обечайки, м;
С – прибавка на коррозию, м;
Е – модуль упругости материала обечайки, МПа;
σт – предел текучести материала обечайки, МПа.
Коэффициент уменьшения допускаемого напряжения φc определяли согласно [2.С.115]
(2.48)
где σт – предел текучести при температуре плюс 200С, МПа;
Е – модуль продольной упругости, МПа;
D – внутренний диаметр обечайки, м;
S - толщина опорной части, м;
С – прибавка на коррозию, м.
Применимость формулы для определения допускаемого изгибающего момента Мдоп, Н∙м, проверяли согласно [2.С.115]
D/[2(S-C)] < 0,23∙Е/σт, (2.49)
где D – внутренний диаметр обечайки, м;
S - толщина опорной части обечайки, м;
С – прибавка на коррозию, м;
Е – модуль упругости материала обечайки, МПа;
σт – предел текучести материала обечайки, МПа.
Коэффициент φи определяли согласно [2.С.115]
(2.50)
где σт – предел текучести при температуре плюс 200С, МПа;
Е – модуль продольной упругости, МПа;
D – внутренний диаметр обечайки, м;
S - толщина опорной части, м;
С – прибавка на коррозию, м.
Допускаемый изгибающий момент Мдоп, Н∙м, определяли согласно [2.С.115]
Мдоп = 0,785∙φи∙[σ]∙D2(s-C), (2.51)
где D – внутренний диаметр обечайки, м;
S - толщина опорной части, м;
С – прибавка на коррозию, м;
φи – коэффициент;
[σ] - нормативное допускаемое напряжение, Па.
Дата добавления: 2016-05-31; просмотров: 1674; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Похожие статьи:
Расчет ветровой нагрузки - пример расчета нагрузки на конструкции
Переток воздушных масс вдоль поверхности земли происходит с разной скоростью. Натыкаясь на какое-либо препятствие, кинетическая энергия ветра преобразуется в давление, создавая ветровую нагрузку. Это усилие может ощутить любой человек, двигающийся навстречу потоку. Создаваемая нагрузка зависит от нескольких факторов:
- скорость ветрового потока;
- плотность воздушной струи,— при повышенной влажности, удельный вес воздуха становится больше, соответственно, возрастает величина переносимой энергии;
- форма стационарного объекта.
В последнем случае на отдельные части строительного сооружения действуют силы, направленные в разные стороны, например:
- На вертикальную стену действует так называемое лобовое усилие, стремящееся сдвинуть объект с места. Противостоять этому усилию помогают несколько конструктивных решений:
- На крышу, кроме горизонтальных усилий (вдавливающих), действуют и вертикальные силы, образующиеся от разделения воздушного потока при ударе о стену. Вектор воздушного потока стремится поднять крышу, оторвать её от стен.
- Совокупность всех этих вихревых потоков создают ветровую нагрузку не только на крупные элементы здания, но распространяет свои влияния на все элементы строительного сооружения, — двери, окна, кровлю, водостоки, антенну, дымоход.
Расчёт усилий
Общая формула расчёта создаваемых усилий на вертикальную поверхность:
- Wm – норматив средней величины ветрового усилия на высоте h над землёй;
- Wo – норматив ветрового давления, зависящий от ветрового района; определяется согласно СНиП 2.01.07-85: карта 3, приложение 5; данные приведены в таблице 1;
- k – коэффициент пульсаций, таблица 2;
- C – аэродинамический коэффициент, зависящий от геометрии строительного сооружения, например, для наветренных фасадов его значение составляет 0,8.
Таблица 1. Норматив ветрового давления Wo:
| Норматив ветрового давления | Ветровые районы | |||||||
| Ia | I | II | III | IV | V | VI | VII | |
| Wo, кПА | 0,17 | 0,23 | 0,30 | 0,38 | 0,48 | 0,60 | 0,73 | 0,85 |
| Wo, кгс/м² | 17 | 23 | 30 | 38 | 48 | 60 | 73 | 85 |
Таблица 2. Коэффициент пульсаций давления ветрового потока k:
| Высота h над уровнем земли, м | Коэффициент k для различных типов местности | ||
| A | B | C | |
| 5 | 0,85 | 1,22 | 1,78 |
| 10 | 0,76 | 1,06 | 1,78 |
| 20 | 0,69 | 0,92 | 1,50 |
| 40 | 0,62 | 0,80 | 1,26 |
| 60 | 0,58 | 0,74 | 1,14 |
| 80 | 0,56 | 0,70 | 1,06 |
| 100 | 0,54 | 0,67 | 1,00 |
| 150 | 0,51 | 0,62 | 0,90 |
| 200 | 0,49 | 0,58 | 0,84 |
| 250 | 0,47 | 0,56 | 0,80 |
| 300 | 0,46 | 0,54 | 0,76 |
| 350 | 0,46 | 0,52 | 0,73 |
| 480 | 0,46 | 0,50 | 0,68 |
Пример: Стена.
Для местности типа В с высотой над уровнем земли 10 метров:
- коэффициент k = 1,06;
- для района вида III норматив ветрового давления Wo = 38 кгс/м²;
- для плоского фасада аэродинамический коэффициент C = 0,8.
Создаваемое усилие на один квадратный метр составит:
Wm = 38 кгс/м² * 1,06 * 0,8 = 32,224 кгс/м²
При высоте стены в 15 метров и ширине 25 метров общая ветровая нагрузка равна:
15 м * 25 м * 32,224 кгс/м² = 12084 кг или 12,084 тонны.
Окно.
На типовое окно с площадью 3 м² ветер будет давить с силой:
3 м² * 32,224 кгс/м² = 96,672 кг, — почти 100 кг.
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.
- Нижнее направление – самое безопасное для здания, так как все усилия направлены в сторону фундамента, то есть одной из самой прочной и массивной части дома.
- Боковые составляющие воздействуют на фасадные части здания, окна, двери.
- 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. Пологий скат способствует созданию больших подъёмных сил, которые стараются приподнять конструкцию и отправить её в свободный полёт.
Расчёт воздушной нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется по формуле:
- 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.
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.
Как рассчитать металлические столбы для забора
Заборные столбы должны выдерживать нагрузки, воздействующие на все ограждение, поэтому к их прочности предъявляются довольно жесткие требования.
Выбор материалов для столбов «на глаз» может привести к разрушению забора и значительным финансовым потерям.
Материалы для заборных столбов
Материалами для столбов могут служить кирпич, древесина, железобетон, асбоцементные и деревянные трубы.
- Кирпичные опоры имеют достаточную прочность, долговечность, привлекательный внешний вид, но требуют сооружения фундаментов значительных размеров, применения качественного кирпича, а их кладка занимает много времени. Все это удорожает строительство и не всегда оправдано.
- Железобетонные столбы устанавливаются быстро, не подвержены коррозии, но имеют значительный вес и для их монтажа часто требуется подъемно-транспортная техника.
- Древесина в некоторых районах является самым доступным материалом, легко обрабатывается, прекрасно смотрится в сочетании с деревянным забором и окружающей природой, но подвержена гниению. Для увеличения срока службы деревянные столбы необходимо пропитывать специальными составами.
- Асбоцементные трубы всем хороши, но плохо переносят механические удары. Вызывает затруднение крепление прожилин к столбам. Пробивать отверстия в опорах не рекомендуется из-за уменьшения несущей способности, а хомуты могут испортить внешний вид забора.
- Металлические трубы имеют относительно небольшой вес и достаточную прочность. Монтаж столбов и прожилин из металла методом сварки довольно прост и не занимает много времени. Большой выбор металлопроката позволяет подобрать материалы для любых условий, а легкость обработки — изготовить конструкции необходимых размеров на месте монтажа. Металл подвержен коррозии и нуждается в защитных покрытиях.
Нагрузки, воздействующие на столбы
На столбы воздействуют нагрузки от собственного веса, веса забора и напора ветров. Опоры легко выдерживают осевые нагрузки, направленные сверху вниз, и плохо — боковые (на изгиб). Поскольку усилия от веса забора являются осевыми, ими можно пренебречь. Обратите внимание, что это утверждение не относится к столбам, на которые консольно навешены ворота или калитка.
Ветровые нагрузки являются боковыми, пытаются согнуть опоры и вывернуть их из земли, а величина усилий бывает довольно значительной. Она зависит от скорости ветра и массы воздуха. В одном кубометре содержится 1,22 кг воздуха. Эта величина зависит от давления, влажности и сильно возрастает при ливнях и снежных бурях. Изменения массы учитываются в формулах введением коэффициента запаса прочности.
Сила, воздействующая на один квадратный метр поверхности забора рассчитывается по формуле:
F=0,61V2/9,8,
где F — сила ветра в кгс, V — скорость воздуха в м/сек, 0,61 — половина удельного веса воздуха, 9,8 — коэффициент для перевода ньютонов в килограммы силы. Подставив в формулу значения скорости можем определить, что при скорости ветра 5 м/сек на квадратный метр забора воздействует сила величиной 1,56 кгс, при 15 м/сек — 14,01 кгс, при 25 м/сек — 38,9 кгс.
Следует знать, что при скорости ветра свыше 25 м/сек объявляется штормовое предупреждение, а ветер со скоростью 30 м/сек считается ураганным.
Рекомендация: Для надежной работы столбов важна не только их прочность, но и надежность крепления к почве. При малом заглублении фундаментов ураганным ветром может вывернуть самые прочные опоры. Поэтому специалисты рекомендуют заглублять опоры в почву на глубину, большую половины высоты пролета.
- Выбору распашных ворот для дачи посвящена данная публикация.
- Последовательность работ при монтаже водосточной системы приведена здесь.
- В чем преимущества стекломагниевого листа и какова область его применения, читайте в нашей статье.
Выбор опоры аппарата. Расчет опоры на ветровую нагрузку
Для колонных аппаратов используют юбочные опоры. Опоры принимаются на рассчитанную нагрузку.
Найдем силу, действующую на опоры аппарата:
P = mg, где g – ускорение свободного падения.
Рассчитаем массу аппарата, результат сведем в табл. 3.9:
Расчет массы колонны
Таблица 3.9
| Элемент | Масса, кг |
| Крышка | 1 760 |
| Обечайка | 74 000 |
| Днище | 1 760 |
| Насадка | ≈30 000 |
| Другие элементы (5% от общей массы колонны) | ≈10 750 |
| Суммарная масса пустого аппарата | ≈118 270 |
| Рабочая среда | ≈10 000 |
| Общая масса аппарата при гидроиспытании: | ≈130 000 |
P = m·g = 130000·9,81 = 1,28 МН.
Выберем опору-юбку типа 3 ОСТ 26-467-78, рассчитанную на нагрузку в 1,6 МН (рис. 8):
Рис. 3.5 - Цилиндрическая опора-юбка
Опора – юбка имеет следующие геометрические размеры:
Размеры опоры – юбки
Таблица 3.10
| Qmax, МН | D, мм | D1, мм | D2, мм | DБ, мм | s1, мм | s2, мм | s3, мм | d2, мм | dБ, | zБ, шт |
| 1,6 | 3 600 | 3 960 | 3 400 | 3 820 | М36 |
Расчёту на ветровую нагрузку подлежат все колонные аппараты, устанавливаемые на открытой площадке, если их высота H > 10м. Колонна имеет высоту 29,7 м, и поэтому подлежит расчёту. Определение расчётных усилий для аппаратов колонного типа от ветровой нагрузки проводят по ГОСТ Р 51273-99.
Расчётная схема аппарата принимается в виде консольного упругого защемленного стержня (рис. 3.6).
Рис. 3.6 - Расчётная схема колонного аппарата
Разобьём аппарат на 3 равных по высоте участка, высотой h2=h3=h4 ≈ 10м. Сила тяжести каждого участка сосредоточена в середине участка.
Определим период собственных колебаний:
Период основного тона собственных колебаний аппарата переменного сечения:
J – момент инерции верхнего поперечного сечения корпуса аппарата относительно центральной оси, м4;
JF – минимальный момент инерции площади подошвы фундамента, м4;
- коэффициент неравномерности сжатия грунта, CF = 100 МН/м3 (грунты средней плотности)
Относительное перемещение центра тяжести:
Момент инерции для верхнего сечения аппарата:
Момент инерции для нижнего сечения аппарата:
Момент инерции для нижнего сечения аппарата:
Момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси:
тогда:
Определим изгибающий момент от ветровой нагрузки:
Расчетный изгибающий момент в сечении на высоте определяется по формуле:
где n – число участков аппарата над расчетным сечением;
m – число площадок над расчетным сечением аппарата;
Moj – изгибающий момент от действия ветра на j-ю площадку, расположенную на высоте x0, Н·м.
Ветровую нагрузку на i-ом участке определяем по формуле:
где Qi ст - средняя составляющая ветровой нагрузки;
Qi дин - пульсационная составляющая ветровой нагрузки.
где qi ст - нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на середине i-го участка:
где q0 - нормативное значение ветрового давления [ГОСТ, таблица 1], для IV ветрового района q0 = 480 Па
К = 0,7 аэродинамический коэффициент для цилиндрической обечайки
θi -коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте аппарата.
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки:
где ν = 0,7 - коэффициент пульсации ветра
Коэффициент ξ - определяется по формуле:
Приведенное относительное ускорение центра тяжести i-го участка:
Результаты расчета для участков сведем в табл. 3.11:
Результаты расчета
Таблица 3.11
| № | D, м | H,м | m, кг | qi ст, Па | αi, м | qi дин, Па | Qi, Па |
| 3,6 | 44 000 | 0,002 | 1 792 | 2 127 | |||
| 3,6 | 44 000 | 0,002 | 1 792 | 2 127 | |||
| 3,6 | 44 000 | 0,002 | 1 792 | 2 127 |
Определим изгибающий момент от действия ветровой нагрузки на одну площадку на высоте xi от основания:
где ∑Fi – сумма проекций всех элементов площадки, расположенных вне зоны аэродинамической тени на вертикальную плоскость в м2;
xi – расстояние от низа i-ой площадки до основания аппарата в м;
Mп = 10638 Н·м
Расчетный изгибающий момент в сечении на высоте определяется по формуле:
[Н/м]
