В сборе нагрузок ветер нередко занимает одну строку: w0, k(ze), c = 0,8 на наветренный фасад, c = −0,5 на подветренный. Для небольшого здания простой формы это даёт разумную оценку. Для здания длиной 442 м с уступами в плане, плоским покрытием, открытой автостоянкой и медиаэкраном одна цифра на фасад — не расчёт. Приложение В СП 20 делит каждую поверхность на зоны, и разница между зонами одного фасада доходит до двух раз, на покрытии — почти до четырёх. Ниже — как я эти зоны назначал и что в итоге приложено к модели в ЛИРЕ 10.
Исходные данные
Объект — производственно-логистический комплекс в Москве: сборный железобетонный каркас, стальное покрытие, габариты в крайних осях 441,85 × 90,85 м. Высота здания h = 35,8 м — от планировочной отметки −0,900 до верха парапета +34,900. План сложный: скошенные торцы, уступ продольного фасада по осям 34/35 и выступающие административно-бытовые блоки. С торца к зданию примыкает открытая многоуровневая автостоянка. На одном из фасадов предусмотрен медиаэкран.
Нормативное значение средней составляющей — раздел 11 СП 20.13330.2016:
wm = w0 · k(ze) · c.
- w0 = 0,23 кПа — ветровой район I;
- тип местности B;
- ze = h = 35,8 м: здание длиннее, чем выше (h < d), поэтому по высоте оно рассматривается одним участком;
- k(ze) — по таблице 11.2 интерполяцией между 20 и 40 м. При c = 1 получается wm = 0,241 кПа;
- γf = 1,4 (п. 11.1.12).
Я рассмотрел четыре направления ветра: +X и −X вдоль здания, +Y и −Y поперёк. Для каждого — своё загружение и своя раскладка зон.
Размер e и уступы плана
Все зоны приложения В привязаны к одному размеру:
e = min(b; 2h),
где b — размер здания поперёк ветра. Здесь поперечный размер при любом направлении больше 71,6 м, поэтому e = 2h = 71,6 м для всех четырёх направлений. От этого числа и строятся границы:
- боковые стены: зона A — на длине e/5 = 14,3 м от наветренного угла, зона B — до расстояния e = 71,6 м, дальше зона C;
- плоское покрытие: зоны F — участки e/4 × e/10 = 17,9 × 7,2 м у наветренных углов; зона G — полоса шириной e/10 = 7,2 м вдоль наветренной кромки между зонами F; зона H — до расстояния e/2 = 35,8 м от кромки; дальше зона I.
Уступы плана в приложении В разобраны отдельно, в п. В.1.8 «Здания с уступами» (рисунок В.10). Когда ветер дует на уступ, боковая стена перед ним работает почти как наветренная: на длине, равной ширине уступа a, выделяется участок M с c = +0,8, за ним на длине 0,5a — участок L, где коэффициент линейно переходит к значению боковой стены. За уступом зоны снова отсчитываются по таблице В.2 — от наветренного угла уступа. На этом здании таких мест два типа: уступ северного фасада у осей 34/35 с a ≈ 24 м и выступы административно-бытовых блоков с a ≈ 9,5 м.
На покрытии уступ тоже даёт о себе знать: при ветре вдоль здания у осей 34/35 появляется вторая наветренная кромка со своими зонами F и H — это видно на схеме ветра вдоль здания.
Коэффициенты: одна поверхность — несколько значений
| Поверхность | Зона | c | wm, кПа | Основание |
|---|---|---|---|---|
| Наветренная стена | D | +0,8 | +0,193 | п. В.1.2, табл. В.2 |
| Подветренная стена | E | −0,5 | −0,120 | п. В.1.2, табл. В.2 |
| Боковые стены | A / B / C | −1,0 / −0,8 / −0,5 | −0,241 / −0,193 / −0,120 | п. В.1.2, табл. В.2 |
| Стены у уступов плана | M / L | +0,8 / переход | +0,193 / — | п. В.1.8, рис. В.10 |
| Плоское покрытие (уклон 0°) | F / G / H / I | −1,8 / −1,3 / −0,7 / −0,5 | −0,434 / −0,313 / −0,169 / −0,120 | п. В.1.2, табл. В.3а, В.3б |
Знак «+» — давление, «−» — отсос.
Три наблюдения, ради которых стоит разбивать на зоны.
На покрытии отсос у наветренного угла (зона F, −0,434 кПа) в 3,6 раза больше, чем в середине кровли (зона I, −0,120 кПа). Если задать покрытию одно «среднее» значение, крепления и элементы у кромок окажутся недогружены. Для лёгкого стального покрытия отсос у кромки — одна из определяющих нагрузок. Кстати, парапет по СП 20 отсос не снижает: в таблицах В.3а и В.3б такой поправки нет, и коэффициенты для плоской кровли берутся как есть. В Еврокоде поправка на парапет есть, но переносить её в расчёт по СП 20 без отдельного обоснования нельзя: п. 11.1.7 отсылает за коэффициентами к приложению В.
На боковой стене первые 14,3 м от угла нагружены отсосом −0,241 кПа, дальше −0,193 и −0,120 кПа. Для здания длиной 442 м зона A — узкая полоса у торца. Но именно там стоят крайние колонны и стойки фахверка.
У уступа боковая стена меняет знак нагрузки: вместо отсоса −0,8 или −0,5 на участке M действует давление +0,8. Для стоек фахверка у выступов административно-бытовых блоков это не поправка, а другая расчётная ситуация.
Особые случаи: стоянка и медиаэкран
Приложение В описывает здание как замкнутый объём. Две части комплекса под эту модель не подходят, и для них я подбирал пункты нормы отдельно.
Открытая автостоянка. Здесь ветер действует не на сплошную стену, а на набор элементов. Нагрузку я приложил к проекции элементов на плоскость, перпендикулярную ветру:
- экраны, кромки дек и стены — стоянку я рассматривал как здание с открытыми проёмами. На её элементы по наветренной стороне действует сумма коэффициентов наветренной и подветренной стен по таблице В.2: 0,8 + 0,5 = 1,3. Принял c = 1,4 в запас, wm = 0,266 кПа; коэффициент k — для высоты ограждений стоянки, ze = 18,9 м;
- колонны диаметром 900 мм — круговые цилиндры по п. В.1.12. При числе Рейнольдса около 1,2·10⁶ и шероховатом бетоне коэффициент получается около 0,9. Я принял c = 1,2, wm = 0,228 кПа, и приложил его к всем рядам без учёта затенения. Задние колонны частично закрыты передними, и оба решения идут в запас.
Фасад основного объёма в пределах высоты автостоянки, до отм. +18,000, закрыт её конструкциями. Ветром он не нагружается.
Экраны грузового балкона. Вдоль южного фасада на отм. +5,4…+8,8 идут экраны по наружной кромке грузового балкона. Они стоят почти в 19 м от стены и к фасаду формально не относятся. Но это ограждение, и ветер на него действует. Я нагрузил экраны по зонам южного фасада: при ветре +Y они наветренные (D), при −Y — подветренные (E). Торцевые экраны балкона при ветре вдоль здания получают D или E по своей ориентации. В сумме это около 13 т горизонтальной силы при +Y — столько же, сколько даёт медиаэкран.
Медиаэкран размером 35,0 × 16,5 м вынесен от фасада примерно на метр и поднят над землёй. По п. В.1.1 это отдельно стоящий рекламный щит: c = 2,5 · kλ, где kλ учитывает удлинение. При удлинении 35,0 / 16,5 ≈ 2,1 получается kλ ≈ 0,64 и c = 1,6. Эквивалентная высота — центр экрана, ze = 23,8 м, wm = 0,330 кПа. Норма требует прикладывать равнодействующую с горизонтальным эксцентриситетом ±0,25b, то есть ±8,75 м. Для колонн скошенного фасада, к которым крепится экран, это заметная неравномерность: одни колонны получают больше, другие меньше. Стена за экраном ветром не нагружается, иначе один и тот же поток был бы учтён дважды.
Белые места на развёртках
Схемы ветра на фасады я показываю развёртками: четыре вида здания, и на каждом поверхности раскрашены по зонам. На развёртках видно, что часть фасадов осталась без заливки. Это не пропуски нагрузки: каждое такое место оставлено белым намеренно, и на схеме подписано почему. Причин две.
Грань, почти параллельная ветру. Северная стена производственного отсека ПР-1 в осях 11–23 не параллельна продольной оси здания, а скошена на 7…10°. Её длина — 94 м, поэтому на торцевом виде Т–А она проецируется полосой шириной около 13 м. На этом виде стена заштрихована, а не залита цветом.
Её нагрузка показана на другом виде. Ветер ±X идёт к стене под углом 80…83° к нормали, то есть почти вдоль неё. Приложение В не даёт коэффициентов для промежуточных углов, и такую грань правильно считать боковой стеной по таблице В.2: зоны A, B, C при ветре вдоль здания, D или E — поперёк. Поэтому стена раскрашена на северном фасаде 55–1, вместе с остальной боковой стеной. Правило у меня простое: если модуль косинуса угла между нормалью к грани и направлением ветра меньше 0,3 (грань отклонена от потока меньше чем на 17°), грань боковая.
Залить такую стену на торцевом виде зоной D (+0,8) было бы ошибкой: она получила бы давление, как наветренная, и при этом осталась бы нагруженной как боковая на северном фасаде. Один и тот же участок оказался бы учтён дважды, причём с разными знаками. Штриховка на торцевом виде и строка в легенде «нагрузка показана на фасаде 55–1» снимают этот вопрос.
Места, где ограждения нет. Деформационный шов в осях 34/35 и сквозной проезд в осях 11–12 белые по другой причине: стены там нет, прикладывать нагрузку не к чему. Они подписаны прямо на схеме, а в легенде есть отдельная строка «без заливки — ограждения нет, нагрузка не прикладывается». Без подписи любой читатель, будь то эксперт или сам автор через полгода, увидит в белой полосе забытый участок.
Обратный случай — ограждение, которое стоит в стороне от стен, как экраны грузового балкона или ограждение основания рампы. Формально они не относятся ни к одному фасаду, но это ограждение, и ветер на них действует. На развёртках они нагружены по зонам ближайшего фасада.
Что приложено к модели
Зоны и значения для четырёх направлений показаны на схемах покрытия выше и на развёртках фасадов ниже. Приложение нагрузки к конструкциям зависит от того, что её воспринимает:
- наружные железобетонные стены — распределённая нагрузка по площади;
- колонны и стойки фахверка — сосредоточенные силы в уровнях перекрытий и в середине высоты этажей, по грузовым площадям ограждения. Сэндвич-панели и витражи сами в модель не входят, их нагрузка должна дойти до стоек;
- покрытие — по несущим элементам, так же как нагрузка от кровли: на верхние пояса ферм и балки.
Для контроля полезно посмотреть суммы средней составляющей по схеме нагрузки (нормативные). Горизонтальная сила при ветре вдоль здания — около 142 т, из них медиаэкран 13,5 т, колонны стоянки 16,2 т. Поперёк здания — 438 т при ветре +Y и 468 т при −Y; разница — от скошенных торцов. Суммарный отсос покрытия — 270 и 276 т при ветре вдоль здания, 351 и 345 т поперёк.
При ветре вдоль здания отсос покрытия почти вдвое больше горизонтальной силы. Это хорошая проверка на здравый смысл: если в модели покрытие не нагружено отсосом вовсе, суммы покажут это сразу.
Такую разбивку в ЛИРЕ 10 можно задать точно и воспроизводимо штатными средствами. В руководстве пользователя ЛИРЫ 10 описаны формат входного файла расчётного процессора (приложение А), импорт-экспорт данных о расчётной модели (приложение Б) и программный интерфейс LIRA API (приложение В). Детализация схемы нагрузки ограничена не программой, а тем, сколько работы расчётчик готов в неё вложить.
Пульсация — отдельно
Всё сказанное относится к средней составляющей. Пульсационную составляющую ЛИРА 10 считает в модуле динамического расчёта по п. 11.1.8–11.1.11 СП 20. Здание протяжённое и разрезано деформационными швами, поэтому расчёт на пульсацию выполняется для каждого температурного блока отдельно. Средняя составляющая по зонам служит статической частью загружения «ветровое с учётом пульсации». Как собирать массы, сколько форм учитывать и как проверять результат, я разбирал в статье B6 о пульсации ветра.
На что смотреть в своей модели
- Размер e. Сначала посчитайте e = min(b; 2h) для каждого направления. Без него зоны не построить.
- Покрытие — не одно число. Отсос у кромок и углов в разы больше, чем в середине. И без поправок на парапет: в СП 20 их нет.
- Уступы и выступы. У каждого уступа — участки M и L по п. В.1.8, где отсос сменяется давлением, и новая наветренная кромка на покрытии.
- Непрямоугольные части. Открытые стоянки, экраны, колонны — не стены. Для каждой части нужен свой пункт приложения В, а у щитов — ещё и эксцентриситет.
- Белые места. Каждое незалитое место на схеме ветра должно иметь причину — шов, проём, грань, нагруженная на другом виде, — и эта причина должна быть подписана на самой схеме. Ограждения, стоящие в стороне от стен (экраны, ограждения рамп и балконов), тоже нагружаются.
- Грани под углом. Стена, почти параллельная ветру, — боковая, а не наветренная. Нагрузите её на одном виде и покажите на другом, где её искать.
- Путь нагрузки. Ветер на ограждение должен дойти до стоек фахверка и колонн, а не остаться на элементах, которых нет в модели. Сверьте суммы сил с ручной оценкой.
Итог
Приложение В СП 20 даёт не коэффициент, а карту: зоны A–E на стенах, F, G, H, I на покрытии, участки M и L у уступов, привязанные к размеру e. На реальном здании эту карту приходится накладывать на уступы, стоянку и экран, и для каждого случая нужно найти свой пункт нормы, а не подходящее значение из другого документа. Одна цифра на фасад формально тоже «по СП 20». Но за её простоту платят крайние колонны, стойки у уступов и кромки покрытия, и отвечает за это расчётчик, а не программа.