Ветровая нагрузка на молниеприёмники

В статье приведен алгоритм расчета нормативного ветрового давления. Однако различные производители по-разному указываю информацию о стойкости их мачт к ветровым воздействиям (указывают ветровую зону, скорость ветра…). Заключительная часть статьи посвящена тому, как использовать эту информацию, чтобы получить значение ветрового давления, на которое испытана мачта.

На современном рынке в избытке представлена молниезащитная продукция различных зарубежных производителей. Поставщики гордо заявляют, что предлагаемая ими продукция изготовлена по новейшим технологиям из качественного сырья и соответствует последним зарубежным стандартам качества и надежности. Разобраться, каким образом эти стандарты соотносятся с российскими, проектировщику порой не так-то просто.

Для начала разделим требования российских норм и стандартов в области молниезащиты на две категории:

1. Требования РД 34.21.122-87 «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» и СО 153-34.21.122-2003 «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций»

Эти документы предъявляют требования главным образом к материалу и площади сечения молниезащитной продукции, предназначенной для отвода тока молнии в землю - молниеприемников и токоотводов. Требования эти основаны в первую очередь на необходимости обеспечить стойкость этих элементов к молниевым токам. С ними всё достаточно ясно – сравнить площадь сечения и материал изделия со значениями, указанными в нормативных документах, не составляет труда (см. Табл.1 и Табл.2).

Таблица 1. Материал и минимальные сечения элементов внешней МЗС по РД 34.21.122-87

Таблица 2. Материал и минимальные сечения элементов внешней МЗС по СО 153-34.21.122-2003

2. Требования СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*»

В этом документе приведены требования стойкости различных конструкций к воздействиям окружающей среды, в частности к ветровым нагрузкам. Эти воздействия приобретают особую значимость, если проект предусматривает установку массивных молниеприемных мачт.

Так в соответствии с СП 20.13330.2011, на территории России выделено 8 ветровых районов (см. Рис.1).

Рисунок 1. Районирование территории Российской Федерации по давлению ветра по СП 20.13330.2011.

Однако не стоит думать, что достаточно знать, к какому ветровому району относится объект, чтобы определить, какую ветровую нагрузку должна выдерживать смонтированная на нем молниеприемная мачта.

Согласно СП 20.13330.2011 для молниеприемных мачт необходимо учитывать следующие воздействия ветра:

а) основной тип ветровой нагрузки (в дальнейшем – «ветровая нагрузка»);

б) резонансное вихревое возбуждение;

в) аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования, дивергенции и флаттера.

Учет резонансного вихревого возбуждения и аэродинамических неустойчивых колебаний осуществляется проверкой «наступят - не наступят», на величину нормируемой ветровой нагрузки они не влияют.

Ручной расчет ветровой нагрузки достаточно трудоемкий, чаще всего он производится посредством современных расчетных комплексов. В данной статье мы продемонстрируем общую логику расчета. Замечу так же, что при использовании расчетных комплексов, стоит учесть, что т.к. СП 20.13330.2011 имеет значительные отличия в методике расчета нагрузок по сравнению с его предшественником СНиП 2.01.07-85*, расчетные модели САПР, сформированные на основе СНиП, не актуальны.

В соответствии с п. 11.1.2 СП 20.13330.2011 нормативное значение ветровой нагрузки w следует определять как сумму средней w_m и пульсационной w_p составляющих.

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки w_m в зависимости от эквивалентной высоты z_e над поверхностью земли следует определять по формуле:

где w₀ — нормативное значение ветрового давления;

k(z_e) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z_e;

с — аэродинамический коэффициент. Для молниеприемных мачт аэродинамический коэффициент с равен аэродинамическому коэффициенту лобового сопротивления c_x, который варьируется от 0,12 до 1,2 и определяется в соответствии с разделом Д.1.12 приложения Д.1 СП 20.13330.2011.

Нормативное значение ветрового давления w₀ следует принимать в зависимости от ветрового района России по данным табл. 3.

Таблица 3. Значения w₀ для ветровых зон России по СП 20.13330.2011.

Нормативное значение ветрового давления w₀ допускается устанавливать на основе данных метеостанций Росгидромета. При этом нормативное значение ветрового давления w₀, Па, следует определять по формуле

где v₅₀²— давление ветра, соответствующее скорости ветра, м/с, на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А, определяемой с 10-минутным интервалом осреднения и превышаемой в среднем один раз в 50 лет.

Эквивалентная высота z_e для мачт определяется следующим образом:

Здесь z – высота от поверхности.

Коэффициент k(z_e) определяется по табл. 4 в зависимости от типа местности или по формуле:

Значения параметров k₁₀ и α для различных типов местностей приведены в таблице 5.

Принимаются 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.

Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h — при высоте сооружения h до 60 м и 2 км — при большей высоте.

Таблица 4. Коэффициент k для типов местности

Примечание. При определении ветровой нагрузки типы местности могут быть различными для разных расчетных направлений ветра.

Таблица 5. Значения ζ₁₀ и α для различных типов местностей.

Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки w_p для мачт можно посчитать по упрощенной формуле п.11.1.8 а)

где w_m- нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки;

ζ(z_e) – коэффициент пульсации давления ветра, принимаемый для эквивалентной высоты z_e по таблице 6 или по формуле:

Значения ζ₁₀ и α для различных типов местностей приведены в таблице 5.

v – коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра, определяемый в соответствии с п.11.1.11 СП 20.13330.2011. Для молниеприемных мачт v варьируется от 0,83 до 0,95.

Таблица 6.Коэффициент пульсаций давления ветра ζ для типов местности

Таким образом, для того, чтобы точно рассчитать какое нормативное значение ветровой нагрузки в соответствии с СП 20.13330.2011 должна выдерживать мачта, установленная на конкретном объекте, нужно знать:

1. К какому ветровому району относится объект.

2. Конфигурацию мачты.

3. Суммарную высоту конструкции, в случае если мачта монтируется на объект.

4. В какой именно местности находится объект (тип А, B, C).

Итак, что же чаще всего предлагают нам зарубежные и отечественные производители молниеприемных мачт?

«Добрый» производитель в техническом описании мачты приводит значение ветровой нагрузки, на которую она испытана. Все, что нам нужно - сравнить его с нормативным, который мы рассчитали по вышеописанному образцу.

«Не самый добрый» зарубежный производитель может указать информацию, что мачта рассчитана на ту или иную ветровую зону. В этом случае нужно понимать, что имеется в виду ветровая зона в стране производителя. И в первую очередь нужно выяснить, какое нормативное ветровое давление под этим понимается.

Пример: производитель DEHN в техническом описании к молниеприемным мачтам указывает информацию, что они рассчитаны на II в зону ветровой нагрузки по DIN 4131 (Германия).

Стандарт DIN 4131 выделяет 4 ветровые зоны (см. таблицу 7).

Таблица 7. Зоны ветровой нагрузки в соответствии с DIN 4131.

Значение ветрового давления из таблицы 7 нужно сравнить с рассчитанным нормативным для объекта.

Некоторые производители могут указать, что конструкция их мачты рассчитана на определенную скорость ветра. Для связи скорости ветра с его давлением применяем формулу:

Пример: Молниеприемные мачты Galmar рассчитаны на скорость ветра 20 м/с. Пересчитываем:

Если говорить о мачтах отечественного производства, в описании к которым указана ветровая зона в соответствии с СП 20.13330.2011, нужно учесть, что производитель не обладает информацией по последним 2 пунктам (суммарная высота конструкции и тип местности), поскольку они являются характеристикой объекта, на который будет монтироваться мачта. Заранее учесть их в расчете он не может. В этом случае нужно провести проверочный расчет и сравнить полученное в результате этого расчета значение w со значением w₀ из таблицы 3 (на которое судя по всему ориентировались производители мачты).

Некоторые российские производители могут так же указать информацию, что их молниезащитная продукция испытана на N-ю ветровую зону в соответствии с ПУЭ (7-е издание). Чтобы окончательно внести ясность в вопрос нормирования ветровой нагрузки на территории РФ, поясню, что в ПУЭ приведены нормы для опор высоковольтных линий (см. пп.2.5.38-2.5.42). Нормативное ветровое давление для ВЛ w₀, соответствующее 10-минутному интервалу осреднения скорости ветра (v₀), на высоте 10м над поверхностью земли принимается по таблице 8 в соответствии с картой (рис.2).

Рисунок 2. Районирование территории Российской Федерации по давлению ветра по ПУЭ (7-е издание).

Таблица 8. Значения w₀ для ветровых зон России по ПУЭ (7-е издание).

Значение ветрового давления из таблицы 8 нужно сравнить с рассчитанным нормативным для объекта.

В заключение добавлю, что несмотря на кажущуюся трудоемкость, проводить проверку на стойкость ко всем воздействиям, которые будет испытывать конструкция молниеприемной мачты, обязанность любого добросовестного проектировщика. Как оказалось, разобраться в этом вопросе не так уж сложно. Я надеюсь, материал этой статьи поможет оптимизировать время и силы, потраченные на проектирование качественной, эффективной и надежной системы внешней молниезащиты.