Ветровая нагрузка на односткатные и двускатные крыши в Германии

Техническая статья из области расчета конструкций и использования программ Dlubal Software

  • База знаний

Техническая статья

Эта статья была переведена Google Translator

Посмотреть исходный текст

В Германии применение ветровых нагрузок регулируется нормой DIN EN 1991-1-4 и Национальным приложением DIN EN 1991-1-4/NA. Данная норма распространяется на высотные и инженерные сооружения высотой до 300 м.

Ветер, является естественной переменной величиной во времени на наружных конструкциях. Ветровая нагрузка классифицируется в качестве переменных свободных воздействий, благодаря чему нагрузку можно легко сочетать с другими воздействиями (например, вынужденная нагрузка или снег) в определенных расчетных ситуациях в соответствии с нормой сочетания DIN EN 1990. Изменения аэродинамического коэффициента, вызванные другими воздействиями (снег, движение транспорта или гололед) и вследствие модификаций конструкции, должны учитываться во время строительства. Однако, в случае ветровых нагрузок, окна и двери считаются закрытыми. Случайно открытые окна и двери должны рассматриваться как особая расчетная ситуация.

Динамическая ветровая нагрузка должна быть в упрощенном виде отображена в виде эквивалентного давления ветра или силы ветра, которые соответствуют максимальному действию турбулентного ветра. Ветер действует на внешние поверхности замкнутых конструкций, а также на внутренние поверхности проницаемых или открытых конструкций. Воздействие должно быть применено перпендикулярно рассматриваемым поверхностям. В случае больших поверхностей при циркулирующем ветре, необходимо дополнительно учесть фрикционную составляющую, параллельную площади поверхности.

Ветровая нагрузка в качестве нормативного значения определяется в норме ветровой нагрузки DIN EN 1991-1-4 с Национальным приложением Германии. Данное значение определяется базовой скоростью ветра с годовым значением превышения вероятности 2% и средним периодом повторяемости 50 лет.

Результирующая ветровая нагрузка в случае достаточно жестких зданий, не восприимчивых к колебаниям, можно описать как статическую эквивалентную силу, которая зависит от максимальной скорости. Напротив, для восприимчивых к колебаниям зданий пиковая скорость дополнительно модифицируется конструктивным фактором для определения статической эквивалентной нагрузки [1] , [2] .

Проще говоря, конструкции не рассматриваются в качестве восприимчивых к вибрациям, если деформация под действием ветровой нагрузки, вызванная резонансом с порывистым ветром, не увеличилась более чем на 10%. Данный критерий применим к типичным зданиям высотой до 25 м, которые не подвержены вибрациям. Во всех остальных случаях можно использовать следующий классификационный критерий [3] :

$\frac{{\mathrm x}_\mathrm S}{\mathrm h}\;\leq\;\frac{\mathrm\delta}{\displaystyle\left(\sqrt{\frac{{\mathrm h}_\mathrm{ref}}{\mathrm h}\;\cdot\;\frac{\mathrm h\;+\;\mathrm b}{\mathrm b}}\;+\;0,125\;\cdot\;\sqrt{\frac{\mathrm h}{{\mathrm h}_\mathrm{ref}}}\right)^2}$
где
xS = смещение головки в м из-за собственного веса в направлении ветра
h = высота здания в м; href = 25 м
b = ширина здания перпендикулярно направлению ветра в м
δ = логарифмический приращение затухания по норме DIN EN 1991-1-4, приложение F

Тип конструкцииЗатухание в строительстве δmin
Железобетонная конструкция0,1
Стальные конструкции0,05
Смешанная конструкция (сталь и бетон)0,08

Зависимое от высоты пиковое давление скорости

Ветровая нагрузка на здание, не подверженное колебаниям, зависит от пикового давления скорости qp . Данное значение равнозначно скорости ветра порыва ветра длительностью от двух до четырех секунд, с учетом условий окружающей местности. Для определения нагрузки в местоположении, Национальное приложение Германии содержит карту зоны ветра с соответствующими базовыми значениями основных скоростей ветра vb, 0 и основными значениями базовых давлений скорости ветра qb, 0, а также спецификации различных типы ландшафтов (категории I - IV) [1] , [2] , [3] .

При увеличении зоны ветра увеличивается и основное значение базовой скорости ветра.

Pисунок 01 - Зоны ветровой нагрузки в Германии

При увеличении категории местности он становится более грубым.

ТопографияОписание
Категория рельефа местности IОткрытое море, озера с открытой площадью не менее 5 км по направлению ветра; гладкая, ровная, без препятствий
Категория рельефа местности IIМесто с оградами, отдельными фермами, домами или деревьями, например сельскохозяйственные угодья
Категория местности IIIПригороды, промышленные или торговые зоны; леса
Категория рельефа IVВ городских районах, где здания составляют не менее 15% площади, их средняя высота превышает 15 м
Побережье смешанного профиляПереходная область между категориями местности I и II
Внутренний смешанный профильПереходная область между категориями местности II и III

Пиковое давление скорости vb, 0 можно определить, определив базовое значение базовой скорости ветра qp и тип местности.

пиковое скоростное давление
qp в кН/м² [3]
Подход 1
Таблица NA-B.1
Подход 2
NA.B.3.3
Подход 3
NA.B.3.2
Влияние уровня моря
NNmod
Ниже 800 м над уровнем моря1,0
Между 800 м и 1100 м над уровнем моря0,2 + Hs/1000
Над 1 100 м над уровнем моряТребуемые специальные соображения
Ветровая зона12341234
Основная главная скорость ветра
vb, 0 в м/с
22.525.027,530.0----
Коэффициент направленности
cdir
1,0----
Коэффициент сезона
cсезона
1,0----
базовая скорость ветра
qb в кН/м²
0,320,390,470,56----
Категория местностиВысота конструкцииqp в кН/м²
qp (z) в кН/м²
Категория рельефа местности IДо 2 м1,90 ⋅ qb ⋅ NNmod-----
От 2 до 300 м2,60 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,19 ⋅ NNmod
Категория рельефа местности IIДо 4 м1,70 ⋅ qb ⋅ NNmod-----
От 4 до 300 м2,10 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,24 ⋅ NNmod
Категория местности IIIДо 8 м1,50 ⋅ qb ⋅ NNmod-----
От 8 до 300 м1,60 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,31 ⋅ NNmod
Категория рельефа IVДо 16 м1,30 ⋅ qb ⋅ NNmod-----
От 16 до 300 м1,10 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,40 ⋅ NNmod
Острова в Северном море IДо 2 м-1.10 ⋅ NNmod----
От 2 до 300 м1,50 ⋅ (z/10) 0,19 ⋅ NNmod
Прибрежные зоны и острова Балтийского моря I - IIДо 4 м-1,80 ⋅ qb ⋅ NNmod----
От 4 до 50 м2,30 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,27 ⋅ NNmod
От 50 до 300 м2,60 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,19 ⋅ NNmod
Внутренние районы II - IIIДо 7 м-1,50 ⋅ qb ⋅ NNmod----
От 7 до 50 м1,70 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,37 ⋅ NNmod
От 50 до 300 м2,10 ⋅ qb ⋅ (z/10) 0,24 ⋅ NNmod
КонтинентДо 10 м--0,50 ⋅ NNmod0,65 ⋅ NNmod0,80 ⋅ NNmod0,95 ⋅ NNmod
От 10 м до 18 м0,65 ⋅ NNmod0,80 ⋅ NNmod0,95 ⋅ NNmod1,15mod NNmod
18 м до 25 м0,75 ⋅ NNmod0,90mod NNmod1.10 ⋅ NNmod1,30 ⋅ NNmod
Балтийское мореДо 10 м---0,85 ⋅ NNmod1,05mod NNmod-
От 10 м до 18 м-1,00 ⋅ NNmod1,20mod NNmod-
18 м до 25 м-1.10 ⋅ NNmod1,30 ⋅ NNmod-
Острова Северное и Балтийское море и Балтийское мореДо 10 м-----1,25 ⋅ NNмод
От 10 м до 18 м---1.40 ⋅ NNmod
18 м до 25 м---1,55 ⋅ NNmod
Острова в Северном мореДо 10 м-----1.40 ⋅ NNmod
От 10 м до 18 м---Согласно подходу 2
18 м до 25 м---Согласно подходу 2

Определение местного базового давления скорости ветра с помощью онлайн-службы Dlubal

Онлайн-служба Dlubal, объединяющая стандартные спецификации и цифровые технологии, сочетает в себе различные снеговые, ветровые и сейсмические нагрузки . Данная служба совмещает соответствующую карту зон, в зависимости от выбранного типа нагрузки (снеговая, ветровая, сейсмическая) и нормы для определенной страны, с картами Google. Применив поиск, вы можете поместить маркер в запланированное место строительства, указав адрес, географические координаты или местные условия. Приложение с помощью точной высоты над уровнем моря и данных о требуемой зоне, определяет нормативную нагрузку или ускорение в данном местоположении. Если новое место строительства не удалось определить по конкретному адресу, можно увеличить изображение и сместить фокус в требуемое место. При перемещении маркера расчет корректируется по новой высотной отметке и отображаются правильные значения нагрузок.

Онлайн-служба находится на веб-сайте Dlubal в разделе Применение → Сетевые средства

Определив следующие параметры...

1. тип нагрузки = ветер
2. Норматив = EN 1991-1-4
3. Национальное приложение = Германия | DIN EN 1991-1-4
4. address = Целльвег 2, Тифенбах

... для выбранного местоположения получены следующие результаты:

5. зона ветра
6. если применимо: дополнительная информация
7. фундаментальная базовая скорость ветра vb, 0
8. базовая скорость ветра давление qb

Pисунок 02 - Онлайн-сервис Dlubal

При выборе местоположения выше 1 100 м, онлайн-служба отображаетс в точке 6 «Не задана ветровая нагрузка выше 1 100 м | NCI A.2 (3) ». Нагрузки не могут быть определены в соответствии с существующим правилом, поэтому для данного места требуются особые меры.

давление ветра на поверхности

Воздействие действующего давления ветра, действующего на поверхность, является продуктом определяющего пикового давления скорости, умноженным на аэродинамический коэффициент [1] , [2] .

Для наружных поверхностей:
we = qp (ze ) ⋅ cpe
где
дре) = давление пиковой скорости
ze = исходная высота внешнего давления
cpe = аэродинамический коэффициент для внешнего давления

Для внутренних поверхностей:
wi = qp (zi ) ⋅ cpi
где
дря) = пиковое давление скорости
zi = исходная высота для внутреннего давления
cpi = аэродинамический коэффициент для внутреннего давления

Полученная нагрузка от внешнего и внутреннего давления является нагрузкой нетто-давления на поверхность. Давление на поверхности считается положительным, а давление (отсос) от поверхности отрицательным.

Полезное давление:
wnet = we + wi

Pисунок 03 - Давление на поверхности

Выбранные аэродинамические коэффициенты

Давления и нагрузки всасывания применяются на поверхности конструкции, которая находится в потоке ветра. Величина воздействия на внешние поверхности зависит от области приложения их нагрузки. Область приложения нагрузки - это поверхность, которая поглощает равномерную ветровую нагрузку и концентрично передает ее конструктивной системе ниже. Для данного типа расчета норма содержит аэродинамические коэффициенты внешнего давления, которые зависят от поверхности приложения нагрузки [1] , [2] .

Область приложения нагрузки A [3]Аэродинамическая
Коэффициент внешнего давления cpe
Описание
<1 м²cpe, 1Расчет небольших конструктивных элементов и их креплений (например, элементов обшивки или кровли)
От 1 м² до 10 м²cpe, 1 - (cpe, 1 - cpe, 10 ) ⋅ log10 (A)
> 10 м²cpe, 10Проектирование всей конструкции

Вертикальные стены зданий с прямоугольной планировкой

Скорость ветра, естественно, нелинейно увеличивается с высотой над уровнем моря. Полученное результирующее распределение пикового скоростного давления можно применить в упрощенном и масштабированном виде к высоте наветренной поверхности здания (наветренная площадь D), в зависимости от отношения высоты здания h к ширине здания b [1] , [2] .

Pисунок 04 - Распределение максимального скоростного давления по высоте

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

ЗонаIBCdE
ч/дcpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 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
Более высокие силы всасывания могут возникать в области всасывания у отдельных 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 сил по норме DIN EN 1991-1-4 плюс Национальное приложение Германии главы 7.6 - 7.8 и 7.9.2.

Pисунок 05 - Расположение поверхностей вертикальных стен

Односкатная

Подобно размерам здания, форма кровли оказывает также аэродинамическое воздействие на внешние поверхности кровли. Кровлю с наклоном более 5 °, с характерным высоким и низким карнизом, называют односкатной. Вследствие аэродинамики, в зависимости от угла наклона кровли действуют ветровые нагрузки на поверхности приложения нагрузки [1] , [2] .

ЗонаF Pисунок 06 - Расположение поверхностей односкатной крыши hi
Направление потока θ = 0 ° 2)
Угол наклона α 1)cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 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 °
fвысокиеFнизкая
cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 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) При направлении потока θ = 0 ° и углах наклона α = + 5 ° до + 45 ° давление меняется очень быстро между положительными и отрицательными значениями. Таким образом, для данной площади задается как положительный, так и отрицательный коэффициент внешнего давления. Для таких кровель оба случая (давление и всасывание) должны рассматриваться отдельно, учитывая во-первых только положительные значения (давление), а во-вторых только отрицательные значения (всасывание).

Pисунок 06 - Расположение поверхностей односкатной крыши

Двускатная

Двухскатная кровля называется форма кровли, состоящая из двух поверхностей кровли, наклоненных в противоположных направлениях, которые пересекаются на верхнем горизонтальном краю в коньке кровли. Данная геометрия имеет свои собственные аэродинамические эффекты в областях приложения нагрузки [1] , [2] .

ЗонаF Pисунок 06 - Расположение поверхностей односкатной крыши hiJ
Направление потока θ = 0 ° 2)
Угол наклона α 1)cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 1cpe, 10cpe, 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) При направлении потока θ = 0 ° и углах наклона α = -5 ° до + 45 ° давление меняется очень быстро между положительными и отрицательными значениями. Поэтому, и положительное, и отрицательное значение указано. Для таких крыш должно учитываться четыре случая, в которых наименьшее или наибольшее значение для областей F, G и H сочетается с наименьшим или наибольшим значением для областей I и J. Не допускается смешивание положительных и отрицательных значений на поверхности кровли.
2) Для уклонов кровли между указанными значениями допускается линейная интерполяция при условии, что знак коэффициентов давления не изменится. Для уклона между α = + 5 ° и -5 ° должны быть применены значения для плоских кровель по норме DIN EN 1991-1-4 плюс глава 7.2.3. Нулевое значение задается для интерполяции.

Pисунок 07 - Расположение поверхностей двускатной крыши

Автор

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Разработка продуктов и служба поддержки

Г-н Нимейер отвечает за разработку RFEM, RSTAB и дополнительных модулей для натяжных мембранных конструкций. Кроме того, он обеспечивает также контроль качества наших программ и поддержку пользователей.

Ключевые слова

ветровой односкатный двускатный порыв ветра скорость наветренный подветренный

Литература

[1]   Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions; German version EN 1991-1-4:2005 + A1:2010 + AC:2010
[2]   National Annex - Nationally determined parameters - Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions; EN 1991-1-4/NA:2010-12
[3]   Albert, A. (2018). Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen (23rd ed.). Cologne: Bundesanzeiger.

Ссылки

Добавить комментарий...

Добавить комментарий...

  • Просмотры 9050x
  • Обновления 19. апреля 2021

Контакты

Связаться с Dlubal

У вас есть какие-либо вопросы по нашим программам или вам просто нужен совет?
Тогда свяжитесь с нами через бесплатную поддержку по электронной почте, в чате или на форуме или ознакомьтесь с различными решениями и полезными предложениями на страницах часто задаваемых вопросов.

+49 9673 9203 0

info@dlubal.com

}
RFEM
RFEM 5.xx

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций методом конечных элементов (МКЭ) плоских и пространственных конструктивных систем, состоящих из плит, стен, оболочек, стержней (балок), тел и контактных элементов

Цена первой лицензии
3 540,00 USD
RSTAB
RSTAB 8.xx

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций рам, балок и ферм, выполняющее линейные и неьинейные расчеты внутренних сил, деформаций и опорных реакций

Цена первой лицензии
2 550,00 USD
RX-TIMBER 2
RX-TIMBER Glued-Laminated Beam 2.xx

Автономная программа

Расчет деревянных однопролетных и большепролетных дощатоклеёных балок по Еврокоду 5 или DIN 1052

Цена первой лицензии
1 120,00 USD
RX-TIMBER 2
RX-TIMBER Roof 2.xx

Автономная программа

Расчет деревянных конструкций плоских, односкатных и двухскатных кровель по Еврокоду  5

Цена первой лицензии
360,00 USD
RX-TIMBER 2
RX-TIMBER Continuous Beam 2.xx

Автономная программа

Расчет деревянных простых, неразрезных и Герберовых балок с консолями и без них по Еврокоду 5 или DIN 1052

Цена первой лицензии
360,00 USD
RX-TIMBER 2
RX-TIMBER Purlin 2.xx

Автономная программа

Расчет деревянных связанных прогонов и непрерывных балок по Еврокоду 5 или DIN 1052

Цена первой лицензии
360,00 USD
RX-TIMBER 2
RX-TIMBER Frame 2.xx

Автономная программа

Расчет деревянных трехшарнирных рам с зубчатыми соединениями по Еврокоду 5 или DIN 1052

Цена первой лицензии
360,00 USD
RX-TIMBER 2
RX-TIMBER Column 2.xx

Автономная программа

Расчет деревянных прямоугольных и круглых колонн по Еврокоду 5 или DIN 1052

Цена первой лицензии
360,00 USD
RX-TIMBER 2
RX-TIMBER Brace 2.xx

Автономная программа

Расчет деревянных конструкций связей жесткости фермы по Еврокоду 5 или DIN 1052

Цена первой лицензии
360,00 USD