Ветровое давление на сооружение
ВЕТРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ НА СООРУЖЕНИЕ
Учет ветровой нагрузки при проектировании опалубочной техники
Статья посвящена вопросу учета ветровой нагрузки при проектировании опалубочной техники. При производстве работ на большой высоте ветер вызывает значительные усилия, сравнимые с полезной нагрузкой на элементы опалубки и даже превышающие такую нагрузку. В статье изложен порядок расчета действующей ветровой нагрузки, а также ее максимальные значения, которые следует использовать в расчетах.
Вопрос учета ветрового давления на конструкции и технологическое оборудование на стадии возведения сооружения в белорусских нормах практически не освещен. В частности, вызывает затруднения проблема учета ветрового давления на опалубку при проектировании опалубочных систем и средств подмащивания. Расчеты показывают, что ветровая нагрузка может играть критическую роль. Этот вопрос возникает в двух ситуациях: при расчете конструкций стеновой опалубки и при проектировании наружных навесных подмостей, применяемых в сочетании со стеновой опалубкой для возведения наружных монолитных стен (рис. 1).
Основное руководство дает методика, предложенная в СНиП II-01-07-85* «Нагрузки и воздействия» /1/. Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки w на высоте z над поверхностью земли следует определять по формуле:
w=w0•k•c, (1)
где: w0 – нормативное значение ветрового давления; k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления; с – аэродинамический коэффициент. Нормативное значение ветрового давления w0определяется по формуле:
w0=0,61•v20, (2)
где v0численно равно скорости ветра, м/с, на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А, соответствующей 10-минутному интервалу осреднения и превышаемой в среднем один раз в 5 лет. Пульсационную составляющую учитывать не следует, поскольку ее воздействие на временные конструкции опалубки не будет вызывать в подкосах или анкерном узле крепления подмостей к стене статических нагрузок, а появление динамических усилий в пределах 20% от статических в анкерном узле, как показано в /5/, не вызывает снижения несущей способности анкера в бетоне.
При проектировании сооружений коэффициент безопасности по ветровой нагрузке принимаем yf = 1,3. Но в источнике /2/ рекомендуется различать ветровую нагрузку на средства подмащивания для рабочего состояния и нерабочего. При этом рекомендуется принимать следующие коэффициенты безопасности для ветровой нагрузки:
— для ветра рабочего состояния yf = 1,3;
— для ветра нерабочего состояния yf = 1,1.
В рассматриваемом случае с опалубкой такое разделение видится нерезонным, поскольку основная нагрузка ветра приходится не на сами подмости, а на щиты опалубки, которые не представляется возможным демонтировать за короткий промежуток времени при появлении сильного ветра. Поэтому любая нагрузка будет соответствовать рабочему состоянию и будет передаваться на подкосы щитов или крепление подмостей. Далее эти же рекомендации /2/ предписывают принимать значения w0 равными 0,4 кПа (0,6 кПа при большой парусности) для рабочего состояния и 0,23 кПа — для нерабочего. Эти значения соответствуют скоростям ветра 25,6 м/с (31 м/с при большой парусности) и 19,4 м/с соответственно.
Коэффициент k, учитывающий изменение ветрового давления по высоте z, определяется в зависимости от типа местности. Принято разделение на следующие типы местности:
— А – открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;
— В – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
— С – городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.
Для городских территорий Беларуси, где наиболее вероятно применение опалубки и навесных подмостей, больше всего подходит тип местности В, но вероятно также строительство в других районах, а также на больших высотах до 100 м, где нет никаких препятствий ветровому потоку (тип местности А).
Аэродинамический коэффициент вводится раздельный – на напор и отсос. Для данной схемы установки опалубки (рис. 1) эти коэффициенты равны соответственно 0,8 и 0,6.
Следует заметить, что, исходя из необходимости рассмотрения наиболее неблагоприятного сочетания нагрузок, в расчет нужно принимать схему, при которой установлена опалубочная панель, раскрепленная подкосами только с одной стороны. При действии ветра панель опалубки второй грани стены может отсутствовать, и вся нагрузка будет приходиться на одну лишь панель. Поэтому под ветровой нагрузкой w на опалубочные щиты надо понимать совместное действие двух составляющих – напора и отсоса. При расчете это учитывается подстановкой в (1) аэродинамического коэффициента c = 1,4.
Для сравнения: этот коэффициент в нормах DIN /4/ c = 1,3. По формулам (1) и (2) рассчитается нормативное давление ветра w на различных высотах z над поверхностью земли. Результаты расчета сведены в таблицы 1 и 2. В Беларуси скорость ветра, при которой еще допускается производить работы на высоте в открытых местах, не должна превышать 15 м/с /3/. При сильном ветре работы на высоте прекращаются, и работники выводятся с рабочего места. Причем такое ограничение действует для любой высоты над уровнем земли. Это нужно учитывать при выборе расчетных сочетаний нагрузок и при наличии подмостей, навешиваемых на опалубку.
Таблица 1. Нормативное значение ветровой нагрузки w в зависимости от скорости ветра и высоты для типа местности АСкорость
ветра v0*, м/с Скоростной
напор w0, Па Ветровая нагрузка w, Па, при высоте z, м (местность типа А)
5 10 20 40 60 80 100
15 137 144 192 240 288 327 355 384
20 244 256 342 427 512 581 632 683
25 381 400 534 667 801 907 987 1068
30 549 576 769 961 1153 1307 1422 1537
35 747 785 1046 1308 1569 1778 1935 2092
36 791 830 1107 1383 1660 1882 2048 2214
v0* — скорость ветра на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А
Таблица 2. Нормативное значение ветровой нагрузки w в зависимости от скорости ветра и высоты дня типа местности ВСкорость
ветра v0*, м/с Скоростной
напор w0, Па Ветровая нагрузка w, Па, при высоте z, м (местность типа B)
5 10 20 40 60 80 100
15 137 96 125 163 211 250 279 307
20 244 171 222 290 376 444 495 547
25 381 267 347 454 587 694 774 854
30 549 384 500 653 845 999 1114 1230
35 747 523 680 889 1151 1360 1517 1674
36 791 553 719 941 1217 1439 1605 1771
v0* — скорость ветра на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А
Максимальную расчетную скорость ветра согласно DIN 4420 /4/ рекомендуется принимать как 31 м/с на уровне поверхности земли, то есть при Z = 0 м, при проектировании подмостей и опалубок. Эти рекомендации согласуются с рекомендациями /2/, если подмости вместе с опалубкой считать подмостями с большой парусностью. А так как значения скорости ветра для учета давления при проектировании опалубок отечественными документами не нормируются, то в расчетах принимаем максимальную скорость ветра для учета давления на опалубку 31 м/с = 112 км/ч на уровне земли. Измерение скорости производится по белорусским нормам /1/ на высоте 10-12 м над землей, по DIN /4/ – на нулевом уровне.
Чтобы привести в соответствие эти различия, определяется скорость ветра на высоте 10 м над землей, соответствующая скорости 31 м/с на нулевом уровне для типа местности А (рис. 2). Итак, при проектировании опалубок и подмостей будем учитывать ветровое давление, соответствующее предельно допустимой скорости ветра 36 м/с, измеряемой на высоте 10 м над уровнем земли для типа местности А. Точные значения давления для различных высот приведены на графике (рис. 3). В целях упрощения рекомендуется использовать значения таблицы 3.
Таблица 3. Максимальная нормативная ветровая нагрузкаВысота над уровнем
земли z, м Ветровая нагрузка w, кПа, для типов местности
A B
0 – 20 м 1,4 0,95
20 – 60 м 1,9 1,45
60 – 100 м 2,2 1,8
Литература
1. СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». – Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.
2. Бейтуганов М.Г., Заборонок Р.А. Безопасность строительно-монтажных работ на высоте. – М.: Стройиздат, 1991. – 256 с.
3. Сборник нормативных документов по вопросам охраны труда. Выпуск №1/Сост. С.А. Михаловский, Г.Е. Седюкевич/Правила охраны труда при работе на высоте, Минск: ОДО «ЛОРАНЖ-2», 2002. – 142 с.
4. DIN 4420 Arbeits- und Schutzgeruste. Teil 1: Allgemeine Regulungen, Sicherheitstechnische Anforderungen, Prufungen. – 1990.
5. Jennifer Hallowell Gross, Richard E. Klingner, Herman L. Graves, III. Dynamic behavior of single and double near-edge anchors loaded in shear//ACI Structural Journal. – 2001. – Vol. 98. – №5 September-October. – P. 665-676.
Дмитрий МАРКОВСКИЙ, инженер (УП «Институт БелНИИС»),
Сергей ЛЕОНОВИЧ, доктор технических наук, профессор (Белорусский национальный технический университет)