2.4 Ветровая нагрузка
Ветровая нагрузка является очень важным вопросом при создании внешних систем молниезащиты. Должно учитываться воздействие ветра и на сами здания, и на смонтированное на них оборудование, в том числе и элементы системы молниезащиты. При проектировании таких систем ветровая нагрузка должна учитываться обязательно.
На основе многолетнего опыта, многочисленных исследований и наблюдений были определены и стандартизированы нормы, модели и порядок расчетов, позволяющие определять надежные конструкции крепления молниеприемных мачт и молниеотводов. Основной Европейский стандарт в этом вопросе – ДСТУ EN 1991-1-4 «Общие воздействия; ветровые нагрузки». В ДСТУ EN 1993-1-3 приведена методика расчетов для молниеприемников с дополнительными элементами, такими как изолированные
штанги или тросовые оттяжки.
Наибольшую ветровую нагрузку принимают на себя вертикальные стержневые молниеприемники. Очень важно правильно выбрать не только необходимое конструктивное исполнение стержневого молниеприемника, ну а также определить необходимую опору молниеприемника для создания устойчивости. В первую очередь это относится к отдельностоящим молниеприемникам.
Базовая скорость ветра - это значение скорости ветра при 10-минутном усреднении на высоте 10 м в открытой местности с низкой растительностью вне зависимости от направления ветра (ДСТУ EN 1991-1-4). На основе базовой скорости ветра проводиться расчет пиковой скорости ветра и ветровой нагрузки на молниеприемник.
Пиковая скорость ветра зависит от высоты установки молниеприемника. Чем выше установлен молниеприемник, тем больше пиковая ветровая нагрузка на него.
При расчете пиковой скорости ветра, также необходимо учитывать тип местности, в которой устанавливается молниеприемник. В открытой местности (например на равнинах) скорость ветра выше, чем населенных пунктах. В стандарте ДСТУ EN 1991-1-4 определены 5 категорий местности 0–IV. Свойства категории местности 0 и I различаются не значительно, и такая разница не влияет на расчеты молниеприемников. Поэтому мы объединили категории 0 и I (табл. 2.4.2).
Для простоты расчетов, в Таблице 2.4.3 приведены значения пиковой скорости ветра в зависимости от ветровой зоны, категории местности, и высоты установки молниеприемника. В данном случае, высота установки молниеприемника - это суммарная высота здания/сооружения и длина самого молниеприемника. Исходя из этих значений можно определить ветровое давление на молниеприемник.
Рис. 2.4.1 - Карта ветровых зон России
Ветровая нагрузка влияет на устойчивость молниеприемников к опрокидыванию и устойчивость к деформации (изгибу) при сильных порывах ветра.
Механическая прочность
Механическая прочность - важный фактор, который необходимо учитывать при расчете ветровой нагрузки.
При определенных нагрузках стержень молниеприемника подвергается деформации (изгибу). От свойств материалов, из которых изготовлен молниеприемник, а также длины, зависит величина отклонения (перемещения) стержня от вертикальной оси. Такое отклонение необходимо учитывать при расчете методом защитного угла, так как изменятся положение стержня, и вследствие защищаемая зона. Также необходимо учитывать, что при деформации может уменьшиться разделительный интервал S, что может привести к нежелательным последствиям.
Если действующая на стержень молниеприемника ветровая нагрузка превышает предел упругости, молниеприемник остается постоянно изогнутым (рис.2.4.2), и иногда, в случае превышения предела прочности, может привести даже к излому (разрушению) стержня. Предел прочность молниеприемников определен стандартом ДСТУ EN 62561-2 (таблица 2.4.М).
На на величину изгиба (перемещения) молниеприемника влияют:
›› Свойства материала молниеприемника.
›› Конструкция молниеприемника - трубчатый или цельный.
›› Диаметр секций молниеприемника.
›› Наличие дополнительных точек крепления молниеприемника (например, оттяжки).
Таким образом, на большей высоте в зонах и местностях, с высокой пиковой скоростью ветра, рекомендуется использовать молниеприемник с большим диаметром стержня, изготовленных из стали, с одним или двумя ярусами оттяжек (в зависимости от высоты).
Обратите внимание, что стандартные конструктивные решения ряда производителей, включая Kovoflex, обычно рассчитаны на применение в зоне 1 (в зоне, где базовая скорость ветра до 25 м/с).
%20%D0%BC%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B8%D0%B5%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0.png)
Необходимо придерживаться рекомендаций ДСТУ EN 62305 и ДСТУ EN 62561-2, согласно которых, минимальный диаметр молниеприемников должен быть 15 мм (таблица 2.4.М).
Для стержневых молниеприемников, на которые ветровая нагрузка не значительна, можно использовать стержни диаметром 9.5 мм, при длине таких стержней не более 1 м. Поэтому рекомендуется использовать молниеприемники JPD, которые имеют составную часть 1 м х ø10 мм, только в зоне 1. В других зонах рекомендуется использовать молниеприемники JP вместо JPD.
Для дополнительной защиты от деформации рекомендуется молниеприемники типа JTK высотой от 6 м дополнительно фиксировать оттяжками, а JTKS - высотой от 2.5 м. Молниеприемники на опорной ножке высотой более 2.5 м необходимо дополнительно фиксировать изолированной штангой IZJ.
Устойчивость к опрокидыванию
Отдельностоящие стержневые молниеприемники могут устанавливаться непосредственно на бетонные блоки (молниеприемник с опорной ножкой), так и с помощью специальных оснований мачт - треног и четыреног. Для таких молниеприемников важна устойчивость к опрокидыванию при сильных порывах ветра. Для устойчивости необходимо правильно определить количество бетонных оснований, а в случае использования треног и четыреног - длину ног.
На устойчивость к опрокидыванию отдельностоящего молниеприемника влияют:
1. Площадь поверхности молниеприемника, на которую воздействует ветровая нагрузка. Определяется диаметром и длиной всех секций молниеприемника.
2. Площадь поверхности установленных оттяжек, на которую воздействует ветровая нагрузка. Определяется диаметром и длиной проекции всех секций оттяжек.
3. Площадь поверхности установленных изолированных штанг, на которую воздействует ветровая нагрузка. Определяется диаметром и длиной всех штанг. Также необходимо учитывать площадь проекции проводника, который удерживается изолированными штангами.
4. Суммарный вес молниеприемника, оттяжек, изолированных штанг.
5. Суммарный вес основания молниеприемника (треноги, четыреноги) и бетонных основ.
6. Радиус основания молниеприемника (треноги, четыреноги) и бетонных основ.
Устойчивость определяется сравнением момента устойчивости Муст. и момента опрокидывания Мопр, где Муст определяется весом конструкции и радиусом основания, а Мопр - ветровой нагрузкой на конструкцию молниеприемника и высоту молниеприемника. Для того чтобы конструкция была устойчива, момент устойчивости Муст должен быть больше момента опрокидывания Мопр. Т.е. соотношение Муст к Мопр должно быть больше 1.
Исходя из этого, повысить устойчивость можно любым из следующих методов:
›› Понизить площадь молниеприемника, на которую воздействует ветровая нагрузка, т.е. использовать молниеприемники с меньшим диаметром. Например, можно использовать молниеприемники D16 вместо D40. Необходимо учитывать, что уменьшение диаметра снижает механическую прочность молниеприемника.
›› Увеличить вес конструкции, используя большее количество бетонных опор.
›› Увеличить радиус основания. Для молниеприемников на опорной ножке лучше использовать одну бетонную основу 20 кг (PB20), чем две основы по 10 кг (PB10), так как диаметр опоры у PB20 - 360 мм, а у PB10 - 260 мм. При использовании оснований в виде треног и четыреног, можно использовать такие основания с большей длиной ног. Например, вместо треноги JPOD306 с длиной ноги 600 мм можно установить треногу JPOD310 с длиной ноги 1000 мм. Для упрощения расчета на опрокидывание, мы подготовили простой метод.
Порядок расчетов будет следующий:
Шаг 1. Определение скорости ветра и ветрового давления по зоне ветровой нагрузки, в которой находится объект (табл. 2.4.1, рис.2.4.1). Если защищаемый объект находится на границе двух зон, выбирается ветровая зона с большей скоростью ветра.
Шаг 2. Определение категории местности (КМ), которая влияет на нагрузку и скоростное давление ветра (табл. 2.4.2). Фактором для расчета ветровых нагрузок являются специфические для конкретной местности нагрузки и скоростные давления.
Шаг 3. Определение максимальной скорости порыва ветра на месте установки молниеприемника. Для этого необходимо определить исходную высоту, которая соответствует высоте здания и длину молниеприемного стержня. Для доплонительного запаса прочности рекомендуется использовать для расчета 70% длины молниеприемника. По общей длине из таблицы 2.4.3 в зависимости от ветровой зоны и категории местности получаем максимальную расчетную скорость ветра.
Шаг 4. Определение необходимого количества бетонных блоков.
По таблице 2.4.4 определяем количество бетонных блоков для стержневых молниеприемников с опорной ножкой. Скорость, указанная в таблице должна быть не меньше, скорости порыва ветра, определенной в шаге 3.
Рассмотрим пример:
›› • Объект находится в ветровой зоне 2. Территория промышленного предприятия - категория местности III. Общая высота здания и молниеприемника - 30 м. По этим данным из таблицы 2.4.3 определяем, что максимальная скорость порыва ветра в месте расположения объекта составляет 147 км/ч;
›› • Применяется молниеприемный стержень высотой 3 м;
›› • По таблице 2.4.4 для стержня высотой 3 м определяем максимальную скорость порыва ветра, которая имеет большее значение, чем скорость 147 км/ч. В нашем случае мы можем применять два типа стержневых молниеприемников JP (146 км/ч) и JPD (156 км/ч);
›› • Требуется три бетонных блока по 20 кг.
Более высокая устойчивость молниеприемников на опорной ножке может быть достигнута, если применять одну или несколько дополнительных крепежных штанг (рис. 2.3.1.1).
Для определения количества бетонных оснований для молниеприемников JTK (установлены на треноги JPOD3/JPOD4) можно использовать таблицы в каталоге продукции (отдельный каталог).