Ветровая нагрузка на односткатные и двускатные крыши в Германии

Ветер - это, естественно, переменное воздействие во времени на конструкцию, расположенную на открытом воздухе. Для того чтобы совместить эту нагрузку с другими воздействиями (полезная нагрузка, снег и т.д.) в определенных расчетных ситуациях в соответствии со стандартом DIN EN 1990, ветровое воздействие классифицируется как переменное, свободное воздействие. Во время строительства необходимо учитывать изменения аэродинамических коэффициентов из-за других воздействий (снег, движение транспорта или лед), а также из-за изменений конструкции. Однако окна и двери предполагаются закрытыми в случае ветровых нагрузок. Неизбежно открывающиеся окна и двери нужно рассматривать как случайные расчетные ситуации.

Динамическую ветровую нагрузку необходимо отобразить в упрощенном виде как эквивалентное давление ветра или силу ветра максимальному действию турбулентного ветра. Ветер действует на внешние поверхности в случае закрытых конструкций и дополнительно на внутренние поверхности в случае проницаемых или открытых конструкций. Воздействие необходимо применять перпендикулярно рассматриваемым поверхностям. В случае больших поверхностей при циркулирующем ветре, необходимо дополнительно учитывать составляющую трения, параллельную площади поверхности.

В ветровом стандарте DIN EN 1991-1-4 с национальным приложением Германии ветровая нагрузка указана в качестве нормативной величины. Это значение определяется базовой скоростью ветра со значением вероятности превышения в год 2% и средним периодом повторяемости 50 лет.

Результирующая ветровая нагрузка в случае достаточно жестких зданий, не подверженных колебаниям, может быть описана как статическая эквивалентная сила, которая зависит от пиковой скорости. Напротив, для зданий, чувствительных к вибрациям, пиковая скорость дополнительно изменяется с помощью конструктивного коэффициента для определения статической эквивалентной нагрузки [1] , [2].

Проще говоря, конструкции не считаются восприимчивыми к колебаниям, если деформация под действием ветровой нагрузки, вызванной порывистым ветровым резонансом, не увеличивается более чем на 10%. Этот критерий применяется к типовым зданиям высотой до 25 м, которые не подвержены вибрациям. Во всех остальных случаях может быть использован следующий критерий классификации [3] :

где
x_S = - смещение напора в м от собственного веса, приложенного по направлению ветра
h = высота здания в м; h_ref = 25 м
b = ширина здания перпендикулярно направлению ветра в м
δ = логарифмический декремент затухания по DIN EN 1991-1-4, приложение F

Тип конструкции	Демпфирование здания δмин .
Железобетонная конструкция	0,1
Стальная конструкция	0,05
Смешанная конструкция (сталь и бетон)	0,08

Пиковое скоростное давление, зависящее от высоты

Ветровая нагрузка на здание, не подверженное колебаниям, зависит от максимальной скорости давления q_p. Это значение определяется скоростью порыва ветра длительностью от двух до четырех секунд с учетом условий окружающей местности. Для определения нагрузки в конкретном месте Национальное приложение Германии содержит карту ветровой зоны с соответствующими основными значениями основных скоростей ветра v_{b, 0}, основными значениями давления основных скоростей ветра q_{b, 0} и спецификацией различные типы местности (категории I - IV) [1] , [2] , [3].

С увеличением ветровой зоны увеличивается и базовое значение основной скорости ветра.

Категория местности увеличивается по мере увеличения ее неровности.

Топография	Описание работы
Категория местности I	Открытое море; озера с открытой территорией по ветру не менее 5 км; ровная, ровная, без препятствий
Категория местности II	Участок с живой изгородью, индивидуальными фермами, домами или деревьями (например, сельскохозяйственный участок)
Категория местности III	Пригороды, промышленные или коммерческие районы; леса
Категория местности IV	Городские территории, где не менее 15% площади занято зданиями, средняя высота которых превышает 15 м
Берег смешанного профиля	Переходная зона между I и II категорией местности
Смешанный профиль внутри страны	Переходная зона между категориями местности II и III

Пиковое скоростное давление v_{b, 0} может быть определено путем определения основного значения основной скорости ветра q_p и типа местности.

Пиковое скоростное давление qp в кН/м² [3]		Подход 1 Таблица NA-B.1			Метод 2 NA.B.3.3		Подход 3 NA.B.3.2
Влияние уровня моря NNмод	Менее 800 м над уровнем моря	1,0
	На высоте от 800 м до 1100 м над уровнем моря	0,2 + Hс/1000
	Более 1100 м над уровнем моря	Требуются особые соображения
Ветровая зона		1	2	3		4	1	2	3	4
основная базовая скорость ветра vb,0 в м/с		22.5	25.0	27.5		30.0	-	-	-	-
Коэффициент направленности cdir		1,0					-	-	-	-
коэффициент сезонности cseason		1,0					-	-	-	-
базовый скоростной напор qb в кН/м²		0,32	0,39	0,47		0,56	-	-	-	-
Категория местности	Высота конструкции	qp в кН/м²
		qp (z) в кН/м²
Категория местности I	До 2 м	1,90 ⋅ qb ⋅ NNмод -					-	-	-	-
	От 2 м до 300 м	2,60 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,19 ⋅ NNпо модулю
Категория местности II	До 4 м	1,70 ⋅ qb ⋅ NN помодулю -					-	-	-	-
	От 4 м до 300 м	2,10 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,24 ⋅ NNпо модулю
Категория местности III	До 8 м	1,50 ⋅ qb ⋅ NNмод -					-	-	-	-
	От 8 м до 300 м	1,60 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,31 ⋅ NNпо модулю
Категория местности IV	До 16 м	1,30 ⋅ qb ⋅ NNмод -					-	-	-	-
	От 16 м до 300 м	1,10 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,40 ⋅ NNпо модулю
Острова Северного моря I	До 2 м	1,10 ⋅ NNмод					-	-	-	-
	От 2 м до 300 м	1,50 ⋅ (z/10)0,19 ⋅ NNпо модулю
Прибрежные зоны и острова Балтийского моря I - II	До 4 м	1.80 ⋅ qb ⋅ NNмод.					-	-	-	-
	От 4 м до 50 м	2,30 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,27 ⋅ NNпо модулю
	От 50 м до 300 м	2,60 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,19 ⋅ NNпо модулю
Внутренние районы II - III	До 7 м	1,50 ⋅ qb ⋅ NNмод.					-	-	-	-
	От 7 м до 50 м	1,70 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,37 ⋅ NNпо модулю
	От 50 м до 300 м	2,10 ⋅ qb ⋅ (z/10)0,24 ⋅ NNпо модулю
Континент	До 10 м	-			-		0.50 ⋅ NNмод.	0,65 ⋅ NNмод	0,80 ⋅ NNмод	0,95 ⋅ NNмод
	От 10 м до 18 м						0,65 ⋅ NNмод	0,80 ⋅ NNмод	0,95 ⋅ NNмод	1.15 ⋅ NNмод
	От 18 м до 25 м						0,75 ⋅ NNмод	0,90 ⋅ NNмод	1,10 ⋅ NNмод	1.30 ⋅ NNмод
Балтийское море	До 10 м	-			-		-	0,85 ⋅ NNмод	1.05 ⋅ NNмод	-
	От 10 м до 18 м						-	1.00 ⋅ NNмод	1.20 ⋅ NNмод	-
	От 18 м до 25 м						-	1,10 ⋅ NNмод	1.30 ⋅ NNмод	-
Северное и Балтийское моря и острова Балтийского моря	До 10 м	-			-		-	-	-	1,25 ⋅ NNмод
	От 10 м до 18 м						-	-	-	1.40 ⋅ NNмод
	От 18 м до 25 м						-	-	-	1,55 ⋅ NNмод
Острова в Северном море	До 10 м	-			-		-	-	-	1.40 ⋅ NNмод
	От 10 м до 18 м						-	-	-	По подходу 2
	От 18 м до 25 м						-	-	-	По подходу 2

Определение местного давления базовой скорости ветра с помощью онлайн-сервиса Dlubal

Онлайн-сервис Dlubal «Зоны снеговой нагрузки, ветровые зоны и сейсмические зоны» сочетает в себе стандартные характеристики с цифровыми технологиями. Сервис помещает карту соответствующей зоны на карту Google Maps, в зависимости от выбранного типа нагрузки (снег, ветер, землетрясение) и национальных стандартов. Введите местоположение, географические координаты или местные условия в функцию поиска, чтобы получить соответствующие данные. Затем инструмент определяет характерную нагрузку или ускорение в этом месте посредством точной высоты над уровнем моря и введенных данных зоны. Если невозможно определить местоположение с помощью определенного адреса, вы можете увеличить карту и выбрать правильное местоположение. После выбора требуемого местоположения на карте, расчет приспособится новой высоте и отобразит обновленные нагрузки.

Сетевые средства доступны на сайте Dlubal в секции Применения → Сетевые средства.

Определив следующие параметры...

1-й тип нагрузки = ветер
2. стандарт = EN 1991-1-4
3. Приложение = Германия | DIN EN 1991-1-4
4. Адрес = Zellweg 2, Tiefenbach

... будут для выбранного местоположения получены следующие результаты:

5. ветровая зона
6 Дополнительная информация (при необходимости)
7. основная основная скорость ветра v_{b, 0}
8. давление основной скорости ветра q_b

Если вы выберете позицию выше 1100 м, онлайн-сервис отобразится в точке 6 «Ветровая нагрузка на высоте более 1100 м отсутствует. | NCI A.2 (3) ». Никакая нагрузка не может быть определена в соответствии с существующим правилом, и для этого места требуются особые соображения.

давление ветра на поверхности

Действующее давление ветра на поверхность - это произведение давления максимальной скорости, умноженное на аэродинамический коэффициент [1] , [2].

Для внешних поверхностей:
w_e = q_p (z_e ) ⋅ c_pe
где
q_p (z_e ) = пиковая скорость давления
z_e = контрольная высота для внешнего давления
c_pe = аэродинамический коэффициент для внешнего давления

Для внутренних поверхностей:
w_i = q_p (z_i ) ⋅ c_pi
где
q_p (z_i ) = пиковая скорость давления
z_i = контрольная высота для внутреннего давления
c_pi = аэродинамический коэффициент для внутреннего давления

Результирующая нагрузка от внешнего и внутреннего давления - это нагрузка от чистого давления на поверхность. Давление на поверхности считается положительным, а давление (всасывание) на удалении от поверхности - отрицательным.

Чистое давление:
w_net = w_e + w_i

Выбранные аэродинамические коэффициенты

К поверхности конструкции, находящейся в ветровом потоке, прилагаются нагрузки давления и всасывания. Величина воздействия на внешние поверхности зависит от их области приложения нагрузки. Зона приложения нагрузки - это поверхность, которая активно поглощает двумерную ветровую нагрузку и концентрированно передает ее на нижележащую конструкцию. Для этого типа расчета стандарт содержит коэффициенты аэродинамического внешнего давления, которые зависят от поверхности приложения нагрузки [1] , [2].

Область приложения нагрузки A [3]	Аэродинамический Коэффициент внешнего давления cpe	Описание работы
<1 м²	cpe,1	Расчет малых конструктивных элементов и их креплений (например, элементы облицовки или кровли)
От 1 м² до 10 м²	cpe, 1 - (cpe, 1 - cpe, 10 ) ⋅ log10 (A)
> 10 м²	cpe, 10	Дизайн всей конструкции

вертикальные стены зданий прямоугольной формы

Скорость ветра, естественно, нелинейно возрастает с высотой от земли. Результирующее распределение давления при пиковой скорости может быть применено в упрощенном и масштабируемом виде по высоте для наветренной поверхности здания (наветренная область D), в зависимости от отношения высоты здания h к ширине здания b [1] , [2].

Всасывающие нагрузки на стены остальных подветренных поверхностей здания, параллельных ветру (области A, B, C и E), зависят от аэродинамики здания. Конечные аэродинамические коэффициенты для внешних поверхностей могут быть определены и применены в масштабе в зависимости от отношения высоты здания h к высоте здания d.

Зона	одного		B		C		d		E
ч/д	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1
≥5	-1,4	-1,7	-0,8	-1,1	-0,5	-0,7	+0,8	+1,0	-0,5	-0,7
1	-1,2	-1,4	-0,8	-1,1	-0,5		+0,8	+1,0	-0,5
≤0,25	-1,2	-1,4	-0,8	-1,1	-0,5		+0,8	+1,0	-0,3	-0,5
Большие силы всасывания могут возникать в зоне всасывания отдельно стоящих зданий, расположенных на открытых площадках. Допускается линейная интерполяция промежуточных значений. Для зданий с h/d> 5, общая ветровая нагрузка должна быть определена с помощью значений силы в соответствии с DIN EN 1991-1-4 плюс Национальное приложение Германии, главы 7.6 - 7.8 и 7.9.2.

Односкатная кровля

Подобно размерам здания, форма кровли также оказывает аэродинамическое воздействие на внешние поверхности кровли. Кровля с уклоном более 5 ° с характерным высоким и низким карнизами называется односкатной кровлей. Из-за аэродинамики на поверхности приложения нагрузки действуют ветровые нагрузки в зависимости от уклона кровли [1] , [2].

Зона	b				Einteilung der Dachflächen beim Pultdach		h		i
Направление потока θ = 0° 2)
Угол наклона α1)	cpe, 10		cpe,1		cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1
5 °	-1,7		-2,5		-1,2	-2,0	-0,6	-1,2	-	-
	+0,0				+0,0		+0,0
15°	-0,9		-2,0		-0,8	-1,5	-0,3		-	-
	+0,2				+0,2		+0,2
30°	-0,5		-1,5		-0,5	-1,5	-0,2		-	-
	+0,7				+0,7		+0,4
45 °	-0,0				-0,0		-0,0		-	-
	+0,7				+0,7		+0,6
60 °	+0,7				+0,7		+0,7		-	-
75 °	+0,8				+0,8		+0,8		-	-
Направление потока θ = 180 °
5 °	-2,3		-2,5		-1,3	-2,0	-0,8	-1,2	-	-
15°	-2,5		-2,8		-1,3	-2,0	-0,9	-1,2	-	-
30°	-1,1		-2,3		-0,8	-1,5	-0,8		-	-
45 °	-0,6		-1,3		-0,5		-0,7		-	-
60 °	-0,5		-1,0		-0,5		-0,5		-	-
75 °	-0,5		-1,0		-0,5		-0,5		-	-
Направление потока θ = 90 °
	fвысокие		Поток
	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1
5 °	-2,1	-2,6	-2,1	-2,4	-1,8	-2,0	-0,6	-1,2	-0,5
15°	-2,4	-2,9	-1,6	-2,4	-1,9	-2,5	-0,8	-1,2	-0,7	-1,2
30°	-2,1	-2,9	-1,3	-2,0	-1,5	-2,0	-1,0	-1,3	-0,8	-1,2
45 °	-1,5	-2,4	-1,3	-2,0	-1,4	-2,0	-1,0	-1,3	-0,9	-1,2
60 °	-1,2	-2,0	-1,2	-2,0	-1,2	-2,0	-1,0	-1,3	-0,7	-1,2
75 °	-1,2	-2,0	-1,2	-2,0	-1,2	-2,0	-1,0	-1,3	-0,5
1) Допускается линейная интерполяция промежуточных значений при условии, что знак не изменится. Для интерполяции задано значение 0,0. 2) Для направления потока θ = 0 ° и углов наклона α = + 5 ° до + 45 ° давление изменяется очень быстро между положительными и отрицательными значениями. Поэтому для этой области задан как положительный, так и отрицательный коэффициент внешнего давления. Для таких кровель оба случая (давление и всасывание) необходимо рассматривать отдельно, рассматривая, во-первых, только положительные значения (давление), а во-вторых, только отрицательные значения (всасывание).

Двускатная кровля

Форма кровли, состоящая из двух противоположно наклонных поверхностей, которые пересекаются на верхнем горизонтальном крае в коньке кровли, называется двускатной кровлей. Эта геометрия имеет свои собственные аэродинамические эффекты в областях приложения нагрузки [1] , [2].

Зона	b		Einteilung der Dachflächen beim Pultdach		h		i		J
Направление потока θ = 0° 2)
Угол наклона α1)	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1	cpe, 10	cpe,1
5 °	-1,7	-2,5	-1,2	-2,0	-0,6	-1,2	-0,6		+0,2
	+0,0		+0,0		+0,0				-0,6
15°	-0,9	-2,0	-0,8	-1,5	-0,3		-0,4		-1,0	-1,5
	+0,2		+0,2		+0,2		+0,0		+0,0	+0,0
30°	-0,5	-1,5	-0,5	-1,5	-0,2		-0,4		-0,5
	+0,7		+0,7		+0,4		+0,0		+0,0
45 °	-0,0		-0,0		-0,0		-0,2		-0,3
	+0,7		+0,7		+0,6		+0,0		+0,0
60 °	+0,7		+0,7		+0,7		-0,2		-0,3
75 °	+0,8		+0,8		+0,8		-0,2		-0,3
Направление потока θ = 90 °
5 °	-1,6	-2,2	-1,3	-2,0	-0,7	-1,2	-0,6		-	-
15°	-1,3	-2,0	-1,3	-2,0	-0,6	-1,2	-0,5		-	-
30°	-1,1	-1,5	-1,4	-2,0	-0,8	-1,2	-0,5		-	-
45 °	-1,1	-1,5	-1,4	-2,0	-0,9	-1,2	-0,5		-	-
60 °	-1,1	-1,5	-1,2	-2,0	-0,8	-1,0	-0,5		-	-
75 °	-1,1	-1,5	-1,2	-2,0	-0,8	-1,0	-0,5		-	-
1) Для направления потока θ = 0 ° и углов наклона α = от -5 ° до + 45 ° давление изменяется очень быстро между положительными и отрицательными значениями. Таким образом, указывается как положительное, так и отрицательное значение. Для таких крыш необходимо рассмотреть четыре случая, когда наименьшее или наибольшее значение для областей F, G и H сочетается с наименьшим или наибольшим значением для областей I и J. Положительные и отрицательные значения нельзя смешивать на поверхности кровли. 2) Для уклонов кровли между указанными значениями допускается линейная интерполяция при условии, что знак коэффициентов давления не меняется. При уклоне от α = + 5 ° до -5 ° необходимо использовать значения для плоских кровель в соответствии с DIN EN 1991-1-4 плюс глава 7.2.3. Для интерполяции задано нулевое значение.