Расчет ветровой нагрузки и парусность забора
Установим забор быстро и легко! — Об этом в один голос говорят организации, занимающиеся установкой и продажей ограждений. Однако все они в основном дают гарантию от 1 до 3 лет, несмотря на значительную стоимость строительства забора.
Но что, если по истечении гарантийного срока забор развалится? Забор должен быть долговечным, практичным и простоять не менее двадцати, а то и пятидесяти лет.
Прежде чем приступить к установке забора, полезно знать, что влияет на долговечность конструкции забора.
Устойчивость ограждения к ветровым нагрузкам и силам трения о землю является основным фактором, определяющим его долговечность.
В этой статье мы уделим особое внимание расчету ветровой нагрузки, выясним, что такое парус ограждения и что влияет на неправильный расчет ветровой нагрузки.
Ветровая нагрузка на забор
Ветровая нагрузка — это переменное воздействие ветра. Ветер воздействует на все здания и сооружения, включая ограждающие конструкции. Действие ветра зависит от его скорости, порыва и направления.
Парусность забора
Парусность ограждения обычно рассматривается как площадь крыла, которая приходится на один столб ограждения. Другими словами, ветровая нагрузка — это более широкое понятие, в то время как площадь паруса — это та же нагрузка, только конкретная, на единицу.
Чем больше площадь крыла ограждения, тем больше будет давление ветра на эту площадь.
Парусность сплошного забора из профнастила увеличивается за счет высоты листа. Таким образом, ветровая нагрузка на забор высотой три метра будет в полтора раза больше, чем на забор высотой два метра. Однако если вместо трапециевидных листов ограждения использовать вентилируемые, то ветровая нагрузка на ограждение снижается в несколько раз.
Перед выбором столбов для забора — рассчитайте парусную/ветровую нагрузку в вашей местности, учитывая общие размеры забора!
Расчет ветровой нагрузки на забор
Ветер воздействует на все здания по-разному. Давление ветра изменяется в зависимости от скорости, направления, плотности воздуха, влажности и т.д. Чрезмерная сила порывистого ветра может сразу заблокировать ограждение или постепенно ослабить его до критической точки.
Следует понимать, что максимальная ветровая нагрузка действует на столбы в месте возможного изгиба, т.е. там, где столб закреплен в земле. Это означает, что максимальный изгибающий момент возникает в точке, где столб выходит из земли.
Если опора изготовлена из неподходящего материала по толщине металла или диаметру (поперечному сечению), то она будет изгибаться и деформироваться под большой парусностью. Статья: "Выбор правильных столбиков для забора".
Для возведения ветроустойчивого забора необходимо взять более толстые и крупные столбы и закопать их как можно глубже.
Чтобы узнать, какими должны быть эти параметры (толщина металла, диаметр, сечение, заглубление), необходимо рассчитать ветровую нагрузку.
При расчете учитываются следующие факторы
SolidWorks — Расчёт ветровой нагрузки (#FlowSimulation & Simulation )
- высота ограждения;
- расстояние между пролетами;
- область ветров;
- тип местности;
- давление ветра.
Помимо этих основных пунктов, существует множество других факторов, которые в совокупности образуют сложную инженерную формулу.
Но поскольку забор — это не небоскреб, требующий тщательных проектных решений, расчеты можно упростить.
Расчет ветровых нагрузок – упрощенная формула
Для упрощенного расчета давайте подсчитаем, какое давление ветра оказывается на 1 квадратный метр поверхности ограждения. Тогда мы будем знать, какой профиль трубы лучше всего выдерживает заданное усилие.
F = 0,61*V 2 /9,8
F — сила в килограммах;
0,61 — 1/2 плотности воздуха (при нормальных условиях);
V — скорость ветра в м/с.
Поэтому мы умножаем поправочный коэффициент плотности воздуха на квадрат средней скорости ветра и делим все это на ускорение свободного падения.
Для расчета нагрузки на квадратный метр нашего забора нам необходимо знать среднюю скорость ветра в нашем регионе.
Выясним, какова будет нагрузка на ограждение во время урагана, когда скорость ветра достигает 30 м/с:
0,61*30 2 /9,8 = 56 кгс.
Так, при ураганном ветре нагрузка на 1 кв. м нашего забора по формуле составит 56 кг.
Что дает нам этот расчет?
Далее, зная площадь забора и расстояние между пролетами, рассчитываем, какая нагрузка будет приходиться на одну опору.
Предположим, что высота нашего забора составляет 2 метра, а пролет — 2,5 метра.
Таким образом, площадь одного участка составит:
S = 2 * 2,5 = 5 м2
5 м2*56 кгс = 280 кг
Так, в случае урагана парус одного листа (действующая сила ветра) достигнет 280 кг.
Затем найдите изгибающий момент, действующий на опору, используя формулу:
M = F*L*k,
Где:
k — коэффициент безопасности = 1,5;
L — точка приложения нагрузки. Если мы предположим, что он расположен в центре профиля, мы добавим к стоимости: 0,3 м добавляем расстояние от земли до нижнего края плиты. То есть: 1 м + 0,3 м = 1,3 м.
F — сила в кгс,
Изгибающий момент M в нашем случае составляет:
M = 280*1,3*1,5 = 546 кгс-м
Зная изгибающий момент в сечении, мы можем определить нормальные напряжения в конкретной точке сечения и исследовать его напряженно-деформированное состояние. Определение изгибающих моментов является неотъемлемой частью любого расчета на прочность для элементов, работающих на изгиб.
Расчет сечения и диаметра опор для заборов из профнастила
Итак, мы получили данные о ветровой нагрузке для урагана, и теперь нам нужно выбрать опору, которая выдержит эту нагрузку.
Для этого необходимо определить максимальный изгибающий момент для опорной трубы (столба ограждения). Опять же, используйте формулу расчета:
M = σW/1000,
σ — предел текучести материала, в кгс/мм2 (20 кгс/мм2 для стали);
W — момент сопротивления сечения (мм3).
Момент сопротивления рассчитывается по формулам. В Интернете также есть общедоступные калькуляторы расчетов.
Предположим, у нас есть труба диаметром 80 мм, толщина металла составляет 4 мм — в этом случае изгибающий момент сопротивления составит 17,286 мм3, рассчитайте M по формуле выше:
М= 20*17286/1000=346 кгс-м.
Итак, мы узнали, что максимальный изгибающий момент нашей трубы составляет 346 кгс, а это значит, что труба не выдержит нагрузки при ураганном ветре и столб деформируется.
Ниже приведены примеры с уже рассчитанными максимальными изгибающими моментами с использованием наиболее часто используемых опор. Среди них табличные значения показывают, что круглый столб диаметром 108 мм и квадратные столбы 80*80 и 100*100 с толщиной металла 4 мм могут выдержать ураганный ветер. Меньшие диаметры и сечения будут гнуться.
Следует понимать, что приведенные выше нагрузки предполагают, что ветер дует прямо перпендикулярно поверхности. На практике такая ситуация встречается довольно редко. Чаще ветер дует под углом, идет по касательной, и поскольку он "скользит" вдоль плоскости ограждения, нагрузка меньше.
Если параметры выбранных вами стоек отличаются от приведенных в таблице, то, используя приведенные выше формулы, не составит труда самостоятельно рассчитать максимальный изгибающий момент.
Внимание. Показатели скорости ветра, взятые в качестве примера, слишком высоки, поскольку ураганные ветры в России бывают крайне редко. При проведении собственных расчетов учитывайте критерии площади и типа местности, а также не забудьте рассчитать площадь забора исходя из персональных параметров ограждающих конструкций. Профессионалы используют для расчетов среднюю силу ветра.
Также при выборе столбов для забора не забывайте о глубине промерзания грунта и правилах установки. Подробнее читайте здесь.
