Расчет ветровой нагрузки алюминиевых конструкций

На светопрозрачные ограждающие конструкции, системы вентилируемого фасада, а также участки планарного остекления действуют постоянные и временные нагрузки. К постоянным нагрузкам относится собственный вес подсистем, утеплителя и облицовки. Временные нагрузки – это ветер, снег, дождь.

Современные фасадные системы, это не просто красивая облицовка, а несущая стена с функциями тепловой и акустической защиты. Поэтому надо правильно рассчитать несущую способность каждой алюминиевой или стальной конструкции под действием постоянных и временных нагрузок.

В строительных нормах нет четкого разделения в методике расчета светопрозрачных фасадов, планарного остекления или навесных вентилируемых фасадов с классическими несущими конструкциями.

Это приводит к неразберихе, ошибкам, ненужным запасам по прочности. Как следствие увеличивается конечная цена за квадратный метр алюминиевой или стальной фасадной системы.

Какая нормативная документация регламентирует расчет нагрузок

До недавнего времени за расчет любых ограждающих, фасадных конструкций отвечал СНиП 2.01.07-85*. Он был написан без учета специфики работы навесных вентилируемых фасадов и светопрозрачных конструкций. Это создавало неудобства для проектировщиков и конструкторов, которые занимались данной проблематикой.

На смену морально устаревшему СНиП 2.01.07-85* пришёл свод правил нагрузок и воздействий СП 20.13330 2011. В нем прописаны этапы расчетов современных алюминиевых и стальных вентилируемых фасадных систем, светопрозрачных конструкций, планарного остекления. Расчет ветровой, снеговой и дождевой нагрузок необходимо проводить согласно СП 20.13330 2011.

Кроме свода правил нагрузок и воздействий расчет ветровой нагрузки определяется по ГОСТ 24756-81.

Для правильного и быстрого расчета ветровых и снеговых нагрузок применяются таблицы, в которых указаны нормативные показатели в зависимости от географической зоны:

Таблица определения снеговой нагрузки местности по районам на территории РФ

Карта зон снегового покрова территории РФ

Таблица определения ветровой нагрузки местности по районам на территории РФ

Карта зон ветрового давления по территории РФ

Алгоритм проектирования и расчета строительной конструкции

1. Расчет любой фасадной системы осуществляется по определённому алгоритму:
2. Рисуется схема строительной конструкции с указанием всех элементов и их особенностей. На основе конструктивной создаётся расчетная схема. На неё наносятся все нормативные и расчетные нагрузки, силы и моменты.
3. Отдельные нагрузки собираются в одну. Этот процесс называется сбор нагрузок и указание вектора их действия.
4. Расчёт статической конструкции по правилам и законам строительной механики. В результате расчётов выводятся усилия в элементах строительной конструкции.
5. По полученным результатам производится подбор сечения профиля, колонны, ригеля, балки, оконного каркаса.
6. Осуществляется проверка полученной конструкции по второму предельному состоянию. Проверяется жесткость системы с учётом прогибов, кренов, кручения.
7. Проводится проверка по первому предельному состоянию. Определяется прочность и надёжность системы, а также пространственная устойчивость и срок эксплуатации.
8. Проектирование узловых соединений. Подбор сечения и размера кронштейнов, болтов, заклёпок и других крепёжных элементов.

Элементы расчета снеговой и ветровой нагрузки

Расчет ветровой и снеговой нагрузки проводится в комплексе. Если рассчитать фасадную или любую другую строительную систему на действие ветра, но не учесть нагрузку от снега, то результат – это полное или частичное разрушение с потерей элементами системы несущей способности.

Снеговая нагрузка

Учёт снеговой нагрузки характерен для участков светопрозрачных фасадов расположенных под углом к горизонту, а также зенитных фонарей.

Алгоритм расчета и сбора нагрузок стандартный, но есть несколько отличительных особенностей. Например, при расчете снеговой нагрузки для светопрозрачных козырьков балконов и лоджий, а также многоуровневых стеклянных крыш учитывается снос снега. По нормативам толщина снеговой подушки одна, а по факту в результате переноса снежных масс она может быть другой.

Это может увеличить фактическую толщину снежной подушки в 1,5-2 раза, что является определяющим при расчёте.

Пример расчета снеговой нагрузки на козырек лоджии

В первую очередь определяется нагрузка от снега, который равномерно распределен по расчетной поверхности.

Значение снеговой нагрузки на светопрозрачной крыши определяется по формулам:

? = ?0? = ?0 (1 + 1 ℎ (?1?1 + ?2?2 )) = 180 ∙ (1 + 1 8 (0.4 ∗ 16 + 0.4 ∗ 1.765)) = = 340 кгс/м. кв.,
где ?1 = 16 м, ?2 = 1,765 м, ?1 = ?2 = 0,4 (для ровных плоскостей с ? ≤ 20° );
ℎ — высота перепада, м от карниза верхнего покрытия до кровли нижнего. При значении более 8 м, принимаемая при определении ? равной 8 м.

В различной нормативной документации есть нестыковки по назначению коэффициентов надёжности по снеговой нагрузке. В СП 20.13330.2011 снеговые нагрузки указаны расчётными, а для изменения их на нормативные рекомендуется использовать коэффициент 0.7 (т.е. коэффициент ?? = 1.43).

В МДС 31-8.2002 можно встретить рекомендации по назначению повышенного значения коэффициента ?? = 1.6. В результате, аналогично с собственным весом заполнения, есть разночтения, которые необходимо исключить.

В данном вопросе можно согласиться с требованием современного и актуального СП, поскольку с 01.07.2003 г. вступило в силу изменение снеговых нагрузок. Оно было внесено в СНиП 2.01.07-85* под номером 2 и всё еще действует. МДС4 был выпущен раньше и данного изменения не затрагивал.

Ветровая нагрузка

Проблем при проведении расчета ветровой нагрузки на ограждающие конструкции стало значительной меньше с 2011 года. С этого года был введен в действие СП 20.13330.2011. Споры о правильности изменения в среде экспертов не утихают.

Для подробного и грамотного расчета вентилируемых фасадных систем в 2004 году были выпущены «Рекомендации по составу и содержанию документов и материалов, представляемых для технической оценки пригодности продукции», в которых прописаны более жесткие требования к расчету и учёту ветровых нагрузок. Но в результате, на текущий момент, действуют нормы, заведомо превышающие рекомендации.

Проблемы расчета и учета ветровых нагрузок начинаются с того, что до 2011 года, несмотря на упоминание в СНиП «Нагрузки и воздействия» о необходимости расчета и учёта пульсационной ?? составляющей ветровой нагрузки, многие проектировщики рассчитывали витражные конструкции на действие средней ?? составляющей.

С 2001 года, согласно актуализированной нормативной документации, введено в действие понятие максимальной нагрузки для ограждающих конструкций и узлов их сочленения.

Это значение можно понимать как средний показатель ветрового порыва. Учет ветрового давления сыграл на руку проектировщикам. Формы светопрозрачных и вентилируемых фасадов усложняются, высота зданий увеличивается. Ветровой расчет становится очень важной и ответственной частью в проекте строительного объекта.

В то же время, возникает ряд вопросов по корректному применению методики определения данной нагрузки и оценке полученных в конструкциях усилий и перемещений. На примере расчётов по методикам до и после 2011 года предлагается оценить влияние введения значения пиковой ветровой нагрузки.

Интересное видео о том, как ветром вырвало часть вентилируемого фасада в Астане в мае 2018. Вот к чему приводят ошибки при расчете ветровых нагрузок в статическом расчете:

Пример расчета ветровой нагрузки на здание

Алгоритм выполнения расчета не отличается для определения ветровой нагрузки на фасад здания, или расчет колонны на ветровую нагрузку, или расчет многослойного светопрозрачного стеклопакета на ветровую нагрузку. Формулы и порядок действия не меняются.

Задача состоит в определении сечения фасадной стойки. Она находится на втором этаже на высоте 10 м от уровня земли многоэтажного жилого здания высотой 50 м. Для заполнения проема применяется светопрозрачный стеклопакет.

Подбор стойки происходит по принципу получения фактического прогиба конструкции меньше, чем максимально допустимый.
?факт ≤ ?доп,  где ?факт – значение прогиба стойки от действия внешних сил, рассчитывается по формуле:

?факт=(5/384)×(qH4/EJ), где q – ветровая нагрузка, равномерно распределенная по всей площади стойки;

E — модуль упругости алюминия, принимаемый по таблице 3 обязательного приложения 1 СНиП 2.03.06-85 в зависимости от температуры эксплуатации (от -40 до +50 °С модуль упругости 5 2 E  7,110 кгс /см. );

?доп. – гипотетический разрешенный прогиб стойки.

В среде проектировщиков принято считать, что максимальный прогиб алюминиевой конструкции не может быть больше:

• для одинарного остекления: ?доп. = ? 200
• для остекления стеклопакетами: ?доп. = ? 300

Для определения расчетного сечения стойки надо выразить её момент инерции. Расчет проводится с учетом заполнителя из стеклопакетов:

J≥ (375/96) × (qH3/E)

Определение q — вариант сбора нагрузки до 2011 года

Для определения нормативной нагрузки, которая равномерно давит на стойку, есть формула:

? = ?? ∙ ?,

где ? – грузовая ширина приложения ветровой нагрузки, (для текущего примера ? = 1м); ?? – нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки, рассчитываемого по формуле:

?? = ?0 ∙ ? ∙ ?(?),

где ?0 – нормативное значение ветрового давления, определяемое по таблице 5 СНиП 2.01.07- 85, в зависимости от принадлежности объекта к ветровому району, (для Санкт-Петербурга ?0 = 30 кгс/м.кв.);

с – аэродинамический коэффициент, определяется по таблице Приложения 4 СниП 2.01.07-85. Для вертикальных фасадов (наклон не более 15°) -с = 0,8;

?(?) – показатель, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, согласно таблице 6 СниП 2.01.07-85, в зависимости от типа местности и высоты расположения над поверхностью земли. Для типа местности В и высоты расположения витража 10 метров — ? = 0,65;

?? = 30 ∙ 0.8 ∙ 0.65 = 15,6 кгс/м. кв.

? = 15,6 ∙ 1 = 15,6 кгс/м. п.

Определение q — вариант сбора нагрузки после 2011 года

? = w+(-)×?,

где ?+(−) – нормативный показатель максимального положительного и отрицательного действия ветровой нагрузки,

рассчитывается по формуле:

w+ (-) =w0k (ze) [1+ (ze)] сp+ (-) v + (-)

где ze – эквивалентная высота (согласно п. 11.1.512, эквивалентная высота, приравниваемая к высоте здания. В нашем случае — это 50 метров (вместо 10 метров по методике 2011 года);

k(ze),  (ze – показатели, учитывающие, соответственно, изменение давления и пульсаций давления ветра на высоте ze (согласно п. 11.1.6 и 11.1.8, k(50)  1,24 ,  (50)  0,77 );

v + (-) – показатели корреляции ветровой нагрузки, соответствующие положительному давлению (+) и отсосу (–); значения этих коэффициентов приведены в таблице 11.84 в зависимости от площади ограждения А, с которой собирается ветровая нагрузка (для нашего примера грузовая площадь равна 3 квадратным метрам и методом интерполяции получено значение  ()  0, 97);
сp+(-)– максимальные значения аэродинамических коэффициентов положительного давления (+) или отсоса (–), определяемые по

Приложение Д.1.1711

Витраж будет располагаться в угловой зоне, поэтому:

сp+(-)=2,2.

Конечная формула приобретает вид:

w+ (-) = 30×1, 24× [10, 77] ×2, 2×0, 97 140, 5 кгс/м.кв.

? = 140,5 ∙ 1 = 140,5 кгс/м.п.

Есть ли какие-то программы расчета ветровых нагрузок алюминиевых конструкций, и стоит ли им доверять

Проектировщик старой закалки не доверяют современный технологиям, который значительно облегчают труд инженера-расчетчика. Для более «продвинутых» есть ряд компьютерных программ, которые позволяют точно и быстро определить ветровую нагрузку на здание:

• SCAD Office, программа ВЕСТ – продвинутый продукт для получения точного результата.
• Инженерный калькулятор Лира – платная программа, есть возможность попробовать функционал бесплатно в Демо-версии.

Современная методика расчета нагрузок на вентилируемый или светопрозрачный фасад даёт точный числовой результат. Расчеты всегда можно проверить с помощью многочисленных компьютерных программ, в память которых заранее вбиты все нормативные показатели и поправочные коэффициенты.