Вітер як навантаження на споруди

Дія вітру на споруди проявляється у вигляді навантаження, величина якої залежить від швидкості вітру та його рвучкості. Сила та характер вітру, переважний напрям сильних вітрів визначаються кліматичними умовами та рельєфом місцевості.

Для з'ясування режиму вітру були використані дані про швидкості вітру приблизно в 1200 пунктах Радянського Союзу з повторюваністю один раз на 20, 15, 10, 5 років та 1 рік. Статистична обробка матеріалів спостережень станцій, що у багатьох районах, показала однаковий характер впливу різноманітних чинників, визначальних вітри різної швидкості [3 і 4].

Ці дослідження дозволили скласти карту районування території СРСР за інтенсивністю вітру. У процесі уточнення доцільно було розділити територію Радянського Союзу на 7 вітрових районів замість трьох, виділивши, крім того, в окремий район гірські місцевості. За нормативну швидкість вітру в кожному районі було прийнято найбільшу швидкість на висоті 10 м над поверхнею землі, можливу раз на 5 років.

Зростання швидкості вітру зі збільшенням проміжку часу спостережень неоднаковий щодо різних районів, проте є загальна тенденція до підвищення (рис. 1.4). По осі абсцис відкладено число років, а по осі ординат відкладено безрозмірну величину швидкості, тобто відношення швидкості вітру для кожного району до нормованої швидкості. Штрихами показана область розкиду значень швидкості різних районів. В основу побудови графіка прийнято такі абсолютні значення швидкості вітру, очікувані один раз на рік: 17, 20, 24, 28, 32, 35 і 40 м/сек відповідно для семи районів [4].

Місцеві умови рельєфу майданчика будівництва, що відрізняються від умов розташування найближчих метеорологічних станцій, вносять свої корективи у величину і характер нормованої для району швидкості вітру.

Поверхня землі дуже позначається на величині швидкості вітру. Наприклад, у Ленінградському порту зареєстровано швидкість вітру V₂₀=27 м/сек, але в станції Ленінград-місто — 19 м/сек, що пояснюється гладдю водяної поверхні. У межах міста швидкість вітру менша на 3—4 м/сек проти швидкістю у районі.

На берегах великих річок і невеликих височин швидкість вітру підвищується на 4—5 м/сек. Якщо долина річки звернена убік степів, швидкість вітру може досягати V₂₀=50 м/сек, що спостерігається, наприклад, у Передкавказзі. Посилення вітру на 10—12 м/сек проти долиною спостерігається у гирлах гірських річок, що виходять до моря.

Швидкості вітру в гірській місцевості залежать від розташування: наприклад, на відкритих вершинах Кавказьких гір вони найбільші - до 70 м/сек, у захищених вузьких долинах - 20-25 м/сек. З висотою швидкості вітру підвищуються, але у високогірній улоговині швидкість вітру може бути 20-25 м/сек, а той час як на відкритих пунктах, що оточують, 40-45 м/сек.

У степових районах швидкість вітру на пониженнях може бути в 1,1-1,3 рази менше, а на височинах - до 1,4 рази більше в порівнянні зі швидкістю на рівній місцевості.

З висотою швидкість вітру зростає тим швидше, що швидше загасають приземні збурення [5]. У містах, і тим більше з високими будовами, або в горах, наростання швидкості вітру відбувається повільніше, ніж над морем або рівниною. Для характеристики профіля вітру по вертикалі запропоновані різні формули.Найбільш поширена статечна залежність швидкості вітру з висотою

Тут:
V_ф - Швидкість вітру на висоті флюгера або вимірювального приладу;

z - висота над поверхнею землі;
z_ф - Висота флюгера або іншого приладу, найчастіше близько 10 м \
z₀ - Параметр шорсткості (умовна) поверхні або висота, на якій швидкість дорівнює нулю;
α - показник, що приймається рівним 0,08-0,4.

Деякими дослідниками (Давенпорт та ін.) Показник ступеня а у формулі (1.2) рекомендується приймати рівним 0,4 для обчислення профілю швидкості вітру над містом, забудованим будинками висотою до 100-200 м; у сільській місцевості, характерної невисокими спорудами, лісовими масивами, =0,28; над полями, у степу та над морем профіль швидкості визначається залежністю з показником 0,16. При таких значеннях швидкість вітру стає рівною швидкості градієнтного вітру на висоті відповідно 500, 400 і 300 м. Над горами це станеться на висоті 1000 м-коду.

У нормативних даних для розрахунку споруд на вітрове навантаження ряду країн прийнято значно менші показники, що визначають профіль середньої швидкості за формулою (1.2). Найчастіше оперують із показниками 0,08—0,16. За кордоном швидкість вітру визначають також за формулами, в яких немає у явному вигляді обліку шорсткості поверхні землі.

Логарифмічний закон добре узгоджується з результатами спостережень у нижньому приземному шарі, помилка буде тим більшою, чим вище точка, що розглядається над поверхнею землі. Умовно середній параметр шорсткості поверхні приймають рівним 0,2 м, поблизу узбережжя морів – 0,05 м, водяної поверхні – частки сантиметра.Для визначення профілю швидкості вітру при розрахунку споруд заввишки до 10 м можна скористатися логарифмічним законом (формула 1.3), параметр шорсткості поверхні в цьому випадку приймають 0,01 м.

[Профіль швидкості вітру сильно змінюється поблизу пагорбів, гірської гряди, долини або ін. На величину швидкості та її профіль впливає загальний нахил місцевості та крутість його з боку вітрів. Широка заплава річки, велике водосховище змінюють характер та силу вітрів. Перспективу будівництва гідроелектричних станцій чи забудови прилеглих мікрорайонів промисловими підприємствами та житловими комплексами враховують у величині розрахункового вітрового навантаження.

Вітер рідко буває рівним, зазвичай спостерігаються пориви, викликані гальмуванням частинок повітря поверхню землі, конвекційними струмами між різно нагрітими шарами, тертям між шарами, що рухаються з різною швидкістю. Це призводить до пульсації швидкості вітру. Інтенсивність поривів вітру згасає з висотою.

У місті, особливо з будинками великої висоти, турбулентність дуже велика, тому можливі потужні вихори, зони з місцевим посиленням швидкості, застійні зони.

Пориви вітру характеризуються коефіцієнтом поривчастості, що є ставленням найбільшої швидкості у пориві до середньої за певний проміжок часу (рис. 1.5). Коефіцієнт рвучкості зменшується зі збільшенням середньої швидкості вітру (рис. 1.6). Період пульсацій вітру - від декількох хвилин при великій величині середньої швидкості і до секунди - при малій. Численними спостереженнями у різних кліматичних районах встановлено нерегулярний характер поривів, що унеможливлює резонансу споруди.

Зі зростанням висоти над поверхнею землі коефіцієнт рвучкості зменшується; абсолютні значення пульсації можуть зростати чи зменшуватися.

Невпорядкований хаотичний характер пульсацій швидкості вітру в приземному шарі дозволяє вважати, що розподіл пульсацій швидкісного напору дотримується нормального закону розподілу Гауса. Тоді добавка до швидкісного натиску, що враховує рвучкість, може бути визначена із записів миттєвої швидкості вітру в характерних районах, якщо середні величини швидкості вітру під час спостережень були більшими [6].

Прийнявши за міру можливого найбільшого відхилення від середнього швидкісного напору 2—3 стандарти, що зазвичай приймаються, отримують коефіцієнт пульсації

де σ - стандарт кривої розподілу пульсацій швидкісного натиску вітру.

Вважаючи закони розподілу пульсації вітру та його середньої швидкості по висоті однаковими, наприклад зі статечним показником у першому наближенні, рівним 0,08-0,12, знаходять коефіцієнт m для різних висот. Статистична обробка спостережень показала, що мінливість швидкісного тиску становить 0,12—0,16 середнього значення. Це дозволило для висоти 20 м прийняти коефіцієнт m=0,25÷0,35; для висот понад 20 м над поверхнею землі його визначають за формулою

де z - Висота розглянутої точки;
n = 8÷12.

Докладнішу інформацію про врахування динаміки вітру можна знайти у роботах М. Ф. Барштейна [6].

Ухвалений у Радянському Союзі розгляд режиму швидкості вітру як випадкового процесу знаходить дедалі більшого поширення у різних країнах.

Загальні відомості про вітер

Рух мас повітря щодо земної поверхні відбувається під впливом різниці атмосферного тиску, що визначається баричним градієнтом, силою тертя, що відхиляє силою обертання землі та відцентровою силою) Сила тертя помітно позначається в нижніх сотнях метрів. Баричний градієнт (бар - одиниця тиску, прийнята в метеорології), що є різницею тиску зазвичай на один градус меридіана, виражається в мілібарах (1000 мбар = 750 мм рт. ст.). Внаслідок турбулентності повітряного потоку 1 швидкість і напрям у тій чи іншій мірі коливаються. Величину швидкості як середню величину визначають за допомогою станційних приладів (флюгера, анемометра та ін), а у вільній атмосфері на великих висотах - за допомогою радіозондів, шаропілотних спостережень та аеростат. Швидкість вітру вимірюється м/сек, іноді оцінюється вузлами чи балами міжнародної шкали. Вузол - 1 морська миля на годину (близько 0,5 м/сек).

Напрям вітру вказують по 8 або 16 румбах горизонту або по азимутальних кутах, вважаючи за 0 напрямок на північ; кути відраховують за годинниковою стрілкою.

Особливе значення для загальної циркуляції атмосфери мають області низького і високого атмосферного тисків, які називаються циклонами і антициклонами. Вони часто спостерігаються у середніх широтах та викликають сильні повітряні течії.

Тертя частинок повітря на поверхню землі відхиляє напрямок вітру від прямолінійного так, що зліва по руху залишається нижчий тиск атмосфери 2 . Зі зростанням висоти над поверхнею землі вплив сили тертя зменшується, що призводить до підвищення швидкості вітру.На великій висоті, де вплив тертя об поверхню землі зникає, а рух, що встановився і рівномірний, вітер дме по ізобарі! У метеорології його називають градієнтним. Ізобари 3 циклонів і антициклонів не прямі, а замкнуті лінії виду еліпсів та кіл; з них відбувається рух повітряних мас, унаслідок чого виникає ще відцентрова сила.

Для вихору, що обертається проти годинникової стрілки, якщо центрі його знижений тиск, т.к. е. циклон, радіус дії якого досягає 3000 км, характерні велика рвучкість та сильні опади.

Найбільш руйнівні за своєю силою тропічні циклони, що іноді рухаються зі швидкістю понад 50 м/сек. У зоні Карибського моря такі урагани завдають колосальних руйнувань і забирають сотні, а іноді й тисячі людських життів. У Східній Азії їх називають тайфунами. Вони обрушуються на наш Далекий Схід, найбільше страждають від них Курильські острови.

Вихори над морем називають смерчами, над суходолом — тромбами. За візуальними спостереженнями швидкість вітру сягає 100 м/сек. Провісником смерчу є тривала спекотна погода та вологість повітря. Внаслідок низького тиску/повітря всередині вихору і величезної швидкості обертання смерч всмоктує воду і предмети, що зустрічаються на його шляху. Влітку 1904 р. над Москвою пронісся тромб, який майже повністю знищив Анненгофський гай, зруйнував масу будівель у Лефортові, на околицях Москви та прилеглих селах. Швидкість вітру сягала 60 м/сек.

Рух повітря в атмосфері турбулентний. З турбулентністю атмосфери пов'язана рвучкість вітру. При значних короткочасних відхиленнях від середніх величин швидкості говорять про шквалистість вітру.Поривчастість вітру в дослідженнях характеризують за допомогою середніх квадратів пульсації складових швидкості вітру та стандартних відхилень.

Висхідні та низхідні струми повітря можуть викликати вихор з горизонтальною віссю - шквал: вітер як би стрибком підвищується від слабкого до ураганного, досягаючи 30 м/с і навіть більше. У Москві шквал у травні 1937 р. завдав величезних руйнувань, хоча тривав лише 3—4 хв. Сильні шквали спостерігаються при сухій спекотній погоді, що тривала протягом багатьох днів.

У деяких географічних районах спостерігаються вітри, спричинені особливостями місцевості. Таким місцевим вітрам надають свої назви: гірський і долинний, «бору» та «фен». «Фени» - сильні рвучкі вітри з високою температурою повітря спостерігаються в гірських системах, вони добре виражені на північних і південних схилах Кавказу, в Середній Азії (під Ташкентом).

Найбільш характерна «Новоросійська бора», яка добре вивчена. Швидкість вітру у ній сягає 50 м/сек, а поривах — і більше. Взимку дія «бори» посилюється — у бухті та поблизу берега все покривається льодом завтовшки кілька метрів.

"Бакинський норд", так називають сильний сухий вітер, швидкість якого досягає іноді 50 м/сек, він триває кілька днів, що характерно майже всім вітрам "бору".

Для з'ясування дії вітру необхідно знати його параметри: напрям, швидкість, рвучкість, тривалість, частоту появи вітру різної швидкості, а в деяких випадках супутні загальні метеорологічні умови, наприклад температуру, вологість, атмосферні опади.

Швидкість вітру вперше, очевидно, почав вимірювати 1500 р. Леонардо-да-Вінчі. Засновник метеорології як науки М.М. Ст. Ломоносов зазначив необхідність вивчення вітру.Перші прилади для виміру швидкості вітру були зроблені в XVIII ст. Для вимірювання швидкості вітру в Росії в II половині XIX ст. чого служить градуйована штифтами шкала, можна вимірювати швидкість до 20 м/сек, якщо дошка вагою 200 г (легка), і до 40 м/сек - при дошці вагою 800 г (важка). Флюгер встановлюють на висоті 10-12 м. ручний чашковий анемометр (рис. 1.2), крильчатий анемометр та ін. і там велике поширення набувають різні анемометри, приймачем у яких служить більш чутливий повітряний гвинт.

Останнім часом для переоснащення метеорологічних станцій більш досконалими вітровимірювальними приладами стали застосовувати анеморумбометри М-63 та анеморумбографи М-64, у яких датчиком служить повітряний гвинт.

• а) миттєву (осреднену з допомогою інерції приладу за 2—4 сек) швидкість;
• б) максимальну швидкість вітру до 60 м/с;
• в) середню швидкість вітру, автоматично опосередковану за десятихвилинний інтервал, не більше 40 м/сек;
• г) напрям вітру в межах 0-360 ° з похибкою ± 10 °, що спостерігачем за час 35-40 сек.

• а) докладний (повний) запис миттєвої швидкості вітру, на яку накладено запис середньої швидкості вітру;
• б) безперервний запис значень миттєвої швидкості вітру, що перевищує середні значення;
• в) безперервна реєстрація максимальних значень миттєвої швидкості вітру за кожну десятихвилинку.

Прилади М-63 і М-64 побудовані на принципі перетворення параметрів вітру, що вимірюються, в електричні величини. Дистанційність приладів до 300 метрів.

Електричний контактний анеморумбограф М-12, в якому датчиком служить вертушка з трьома півкулями чашкового типу, реєструє середню швидкість та напрям вітру. Для установки на щоглах застосовуються анемометри посиленої конструкції М-92, подібні до приладу М-12.

Для вимірювання швидкості вітру в поривах необхідні малоінертні прилади, засновані на миттєвій фіксації відхилення приймача вітру, наприклад, у вигляді півкуль, крильчатки, кулі, що закріплюються на вимірювальному штифті. Трубкою Піто чи її модифікацією можна вимірювати повний тиск, тобто. е. статичний плюс динамічний. Комбінованими трубками можна вимірювати окремо повний тиск та статичне. Тоді швидкість вітру можна знайти з виразу

де член зліва є динамічним тиском потоку зі швидкістю V і щільністю повітря.

На цьому принципі засновано прилад "ураганомер Гольцмана" (рис. 1.3).

Анемометр з тензометром М-27, що дозволяє вимірювати миттєве значення швидкості вітру, що складається з датчика у вигляді жорстко закріпленого на вимірювальній осі колеса з багатьох чашок - півкуль, підсилювача та записуючого комплексу, дозволяє вести тривалі спостереження за поведінкою вітру. Поширені безінертні пневматичні чи ємнісні датчики тиску, за допомогою яких можна фіксувати миттєве значення швидкості вітру.

Напрям вітру визначають візуально за шкалами в горизонтальній площині. Для цього коло розбивають на 16 рублів. Позначення румбів відповідає частинам світу: північ, південь, схід, захід.Наприклад, вітер, що дме під кутом 45° на північ, називають північно-східним або норд-остом, південно-західний вітер має азимут 225°. Напрямок - румб північно-північний схід відповідає азимуту 22 ° 30 'і т.д. буд. Відлік провадиться за годинниковою стрілкою; нуль азимуту посідає північ. Напрями вітру записуються приладами, які називають румбографами. Вони часто поєднуються з анемометрами, наприклад, в анеморумбографі М-64.

Для властивості вітру за напрямами будують «троянду вітрів», т.е. е. графік, де повторюваність напряму відкладають у масштабі за румбами. Найчастіше обмежуються вісьмома головними румбами, т.е. е. з градацією через 45 ° (З, СВ, В, Пд, Пд, Пд, ПдЗ, 3, ПнЗ).

Для візуальної оцінки швидкості вітру застосовують міжнародну шкалу сили вітру, яка використовує шкалу Бофорта. Вона прийнята у науковій літературі та морській справі. Починаючи з 1946 р. за цією шкалою сила вітру оцінюється від 1 до 17 балів. Швидкість урагану, що характеризується 12 балами, дорівнює 34,8 м/сек.

Регулярні спостереження вітром ведуться на метеорологічних станціях Головного управління гідрометеорологічної служби СРСР. Дослідження структури вітру проводяться територіальними обсерваторіями та Головною геофізичною обсерваторією ім. А. І. Воєйкова.

Спостереження на метеорологічних станціях ведуться чотири рази на добу: 1; 7; 13 та 19 год. Тепер перейшли до восьми термінів. Цього дотримуються у багатьох країнах, хоча часті випадки дворазових спостережень.

Прилади вимірювання швидкості вітру на метеорологічних станціях і послах встановлюють зазвичай висоті 8—12 м від землі. За кордоном надходять також, тому за вихідну висоту приймають 10 м, або 30 футів.

Для вимірювання швидкості вітру на різних висотах до 600 м від землі використовують також радіощогли, а останнім часом і телевізійні вежі в Ленінграді, Києві та ін. На Московській телевізійній вежі висотою 533 м встановлені різноманітні метеорологічні прилади, у тому числі прилади для реєстрації вітру.

При використанні даних про швидкість вітру необхідно знати, до якого часу опосередкування належать результати спостережень, оскільки величина середньої швидкості вітру залежить від часу опосередкування. Наприклад:

Миттєве значення швидкості вітру в поривах більше. Цікаві дані про тип приладу, що дозволяють оцінювати різні спостереження.

При вимірах швидкості вітру флюгером Вільда, що осредняється відповідно до інструкції протягом 2 хв, точність відліку залежить від суб'єктивних оцінок спостерігача; помилка у флюгера з тяжкою дошкою може бути до 6 м/сек. В результаті багаторічних спостережень та правильної оцінки їх за допомогою математичної статистики отримують уявлення про дійсну величину швидкості вітру в цьому місці.

У «Довіднику з клімату СРСР» (частина III, «Вітер») наведено дані про повторюваність напрямків середньої швидкості вітру, повторюваність різних швидкостей вітру, повторюваність різних швидкостей вітру за напрямами, швидкість вітру різної ймовірності (для розрахунку вітрового навантаження).

Для будівельника посібником щодо розрахункової вітрової навантаження є Будівельні і правила [1; 2]. У розділі СНиП «Будівельна кліматологія та геофізика» наведено дані про швидкість вітру в різних пунктах, можливу один раз на рік та за 5, 10, 15 та 20 років.

При розрахунку споруд із заданою деформативністю цінні відомості про повторюваність вітрів різної сили.

Примітки

1. Стан рідини, що характеризується турбулентним рухом, тобто невпорядкованим, хаотичним рухом частинок за складними траєкторіями.

2. У південній півкулі низький тиск буде праворуч.

3. Лінія на карті з'єднує пункти з однаковою величиною тиску.

Яку швидкість вітру витримує каркасний будинок

Каркасні будинки користуються все більшою популярністю серед людей, які вирішили звести свій затишний будинок. Однак, перед тим як ухвалити рішення про вибір такого типу будівництва, важливо дізнатися, наскільки каркасний будинок стійкий до природних факторів, зокрема сильних вітрів.

Швидкість вітру, яку може витримати каркасний будинок, залежить від кількох факторів. По-перше, важливим є вибір якісних матеріалів для будівництва. Міцний та надійний каркас, виконаний із високоякісної деревини або металу, значно підвищує стійкість будинку до вітрових навантажень.

Крім того, проектування будинку також відіграє важливу роль у його стійкості до вітру. Правильно спроектований каркас, з урахуванням усіх навантажень, не тільки збільшує міцність конструкції, а й дозволяє знизити рівень дії вітру додому. Продумана форма даху та використання спеціальних вузлів та з'єднань також забезпечують додаткову стійкість до вітру.

Середня швидкість вітру, яку здатний витримати каркасний будинок, становить близько 120-150 км/год. Однак, сучасні технології дозволяють будувати каркасні будинки, здатні витримувати і вищі швидкості вітру.Деякі каркасні конструкції можуть витримувати швидкість вітру до 200 км/год та більше, що робить їх ідеальним вибором для регіонів із екстремальними погодними умовами.

Максимальна швидкість вітру та каркасний будинок

Дерев'яний каркас забезпечує достатню міцність і гнучкість конструкції, що дозволяє будинку справлятися з вітром краще, ніж цегляний або бетонний будинок.

Максимальна швидкість вітру, яку може витримувати каркасний будинок, залежить від кількох факторів, таких як якість матеріалів, правильність конструкції та професіоналізм будівельників.

Загалом каркасні будинки здатні витримувати швидкість вітру від 120 до 180 км/год. Однак, існують винятки, і конкретні показники можуть змінюватись в залежності від конкретного проекту будинку.

Важливо відзначити, що дотримання правил та рекомендацій щодо будівництва каркасного будинку дозволяє підвищити його стійкість до вітрових навантажень. Наприклад, використання якісних кріпильних елементів, зміцнення кутів каркасу, а також підтримання правильної геометрії конструкції.

Таким чином, каркасний будинок є надійною та міцною спорудою, здатною витримувати значні швидкості вітру. Однак, перед початком будівництва необхідно проконсультуватися з фахівцями, щоб врахувати всі фактори та створити будинок, який буде максимально стійким до вітрових сил.