Моделирование ветровой нагрузки на кровлю

Многие нормативные документы регламентируют процесс расчёта нагрузки от ветра на поверхности крыш различной формы. Предлагаются таблицы, устанавливающие связь между геометрическими параметрами крыши и коэффициентами для определения ветрового давления на различных участках поверхности крыши. Если значения параметров не представлены в таблицах, предписывается выполнять линейную интерполяцию. Далее полученные нагрузки следует сформировать в пространстве модели проектируемого здания и направить на соответствующие участки крыши. Эта кропотливая рутинная работа может быть автоматизирована с помощью специализированных инструментов LIRA-CAD, которые помогут сделать её быстро, точно и эффективно.

Для начала LIRA-CAD предоставляет специализированный инструмент, позволяющий моделировать крыши различной формы. На вкладке ленты «Создание» на панели «Поверхности» имеется кнопка-меню различных типов крыш (см. рис. 1).

Мы воспользовались представленными здесь командами и создали крыши четырёх типов, для которых реализованы алгоритмы расчёта нагрузки от ветра на основании популярных нормативных документов (см. рис. 2). Расчёт нагрузки от ветра реализован для крыш следующих типов:

• Плоская
• Односкатная
• Щипцовая (двускатная)
• Сводчатая

Геометрические параметры каждой крыши редактируются интерактивными графическими инструментами, посредством воздействия 3Д-локатора на контрольные точки, а также параметрически с помощью диалогового окна Свойства. При указывании элемента крыша в графическом виде он выделяется для редактирования, его изображение подсвечивается цветом выделения, его параметры демонстрируются в окне Свойства, активируется панель свойств инструмента Крыша.

На панели свойств инструмента Крыша представлены ключевые геометрические параметры крыши, раскрывающийся список типов формы и кнопка Ветровая нагрузка (см. рис. 3). Нажатие на эту кнопку инициирует диалог Ветровая нагрузка, зависящий от типа формы выделенной крыши.

Если указана скатная крыша (одно- или двускатная), вызывается диалог Ветровая нагрузка на скаты кровли. Геометрические параметры выделенной крыши переносятся в диалог и служат исходными данными для расчёта ветровой нагрузки.

Основной сценарий работы предполагает, что к моменту вызова данного диалога в модель проектируемого объекта уже внесены модели ветрового воздействия (одна или несколько) по определённым нормативным документам. В окне диалога имеется раскрывающийся список Ветер, в котором представлены модели имеющихся в проекте ветров. Нужно выбрать требуемый ветер из списка. В окне редактирования рядом показан дирекционный угол, заданный для выбранного ветра в его свойствах. Здесь значение угла приведено для справки в режиме только для чтения.

Дирекционный угол отсчитывается в градусах от оси ОХ против часовой стрелки. Актуальное расположение крыши относительно ветра показано в диалоге графически. Соответственно определён угол набегания воздушного потока на скат кровли Θ (тетта) в терминах нормативного документа. Для полученного угла Θ приведена схема разбивки кровли на участки, обозначенные буквами латинского алфавита от A до J. В зависимости от формы крыши и направления набегания воздушного потока могут присутствовать только те или иные буквы.

Выбор ветра из списка также определяет величину давления ветра P на характерной высоте. Обычно это высота конька. Для сводчатых крыш по некоторым нормативам это высота h+0.7f, где f – высота подъёма арки свода. В любом случае величина давления демонстрируется в окне редактирования P=. Здесь же можно эту величину при желании отредактировать в большую или меньшую сторону.

Далее следуют радио-кнопки выбора нормативного документа, по которому будет сформирована нагрузка от ветра на поверхность кровли. Изначально автоматически выбирается нормативный документ, соответствующий выбранной модели ветра. Однако, можно переключить программу на другой документ или на произвольный набор коэффициентов (кнопка «др.»).

Выбор определённого нормативного документа приводит к заполнению таблицы коэффициентами из этого документа. Таблицу можно копировать, можно экспортировать в файл формата CSV. При работе с произвольным набором можно вставить скопированную таблицу или импортировать коэффициенты из файла формата CSV. Таким образом, вы не ограничиваетесь только теми нормативами, которые представлены в диалоге – любой набор коэффициентов может быть загружен извне.

В случае односкатной крыши в таблице представлены коэффициенты для углов 5,15,30, 45 градусов. Поскольку крыша в примере наклонена под углом 12 градусов, значения коэффициентов для разных её участков получены путём линейной интерполяции. Они представлены в таблице отдельной строкой. Ещё одна отдельная строка ниже представляет значения ветрового давления на каждом участке, полученные с использованием интерполированных коэффициентов. Именно эти значения будут присвоены нагрузкам.

Создаваемые нагрузки будут помещены в некоторое загружение. Обычно предлагается то загружение, которое было назначено пользователем ранее при задании свойств ветра. При выборе ветра из списка ветров автоматически устанавливается его загружение для приёма нагрузок от ветра на крышу. Однако, можно выбрать любое другое загружение, используя раскрывающийся список Загружение в этом диалоге.

Нажмите кнопку Создать нагрузки, чтобы сформировался набор нагрузок в виде давления на участки поверхности кровли с заданными параметрами.

Созданные нагрузки тут же отображаются в графическом виде. Можно скорректировать значения параметров и снова нажать ту же кнопку, которая теперь носит название Обновить нагрузки - нагрузки обновятся по скорректированным параметрам.

Если всё Ок, то нажимаем кнопку ОК, и это фиксирует созданные нагрузки. Если что-то не так, нажимаем кнопку Отмена, диалог завершается, и только что созданные нагрузки удаляются из модели.

Если для редактирования была выбрана не одно-, а двускатная (щипцовая) крыша, то диалог Ветровая нагрузка на скаты кровли предстаёт в несколько ином виде (см. рис. 4).

В этом случае рассматривается другая схема разделения кровли на участки и соответственно предлагается другая таблица коэффициентов. Исходные данные так же, как и прежде, приходят из модели крыши и выбранной модели ветра. Могут быть отредактированы как геометрические параметры крыши, так и ветровое давление.

В случае двускатной крыши рассматривается два варианта угла набегания воздушного потока на скат кровли Θ (тетта): 0° и 90°. Для односкатной, которая не является осесимметричной, был ещё вариант угла 180°.

Если для редактирования выбрана плоская кровля, то наш диалог принимает вид, представленный на рис. 5.

Расчёт ветрового давления на плоскую кровлю не требует выбора угла набегания воздушного потока на скат кровли по причине отсутствия скатов как таковых.

Однако для односкатной кровли появляется ещё один интересный параметр, предусмотренный нормативными документами – Высота парапета (Hp), м. Суть параметра ясна из названия и иллюстрируется графически в окне диалога. От его значения зависит выбор строк из таблицы коэффициентов и результат линейной интерполяции, а значит и величина давления, производимого ветром на поверхность кровли.

Перераспределять нагрузку через элементы-посредники на балки – флажок присутствует во всех вариантах рассматриваемого диалога. Служит для того, чтобы включить одноимённую опцию во всех создаваемых с помощью этого инструмента нагрузках. Нередко крыша исключается из окончательной расчётной модели, а нужны нагрузки на стропильные системы или иные балочные системы, поддерживающие кровлю. Чтобы не нужно было потом выделять множество отдельных нагрузок и назначать им это свойство, можно сделать это сразу для всех вновь создаваемых, используя данный флажок.

Если для редактирования выбрана сводчатая кровля, то наш диалог принимает вид, представленный на рис. 6.

Здесь мы уже не увидим ничего нового. Только другая схема распределения участков и соответствующая таблица зависимости коэффициентов.

В результате работы алгоритма получим соответствующий набор нагрузок (см. рис. 7).

Будет вполне уместно рассмотреть параметр:

Отступ от крыши – расстояние от крыши до нагрузки, измеряемое вдоль вектора нормали к поверхности кровли. Параметр сделан исключительно для обеспечения визуального комфорта при моделировании.

Поскольку нагрузки могут быть как положительными (ветровой напор), так и отрицательными (отсос), то тело схематического обозначения нагрузки может выходить из плоскости как в одну, так и в другую сторону. Напомним, что стрелочки указывают направление поиска поверхности, к которой будет приложена нагрузка, а расположение тела обозначения относительно плоскости иллюстрирует знак. Регулируя должным образом значение отступа можно исключить пересечение обозначений нагрузок с моделями других элементов (той же крыши) и получить возможность указывать элементы непосредственно мышью, не прибегая к разного рода фильтрам.

Варианты «напор-отсос»

В некоторых нормативных документах для отдельных ситуаций обдува крыш с определённой геометрией предписывается рассматривать более одного варианта распределения ветрового давления на участки кровли.

Для этого в диалоговом окне «Ветровая нагрузка на кровлю» предусмотрены кнопки переключения таблиц коэффициентов: Cpe10, Cpe10-, Cpe1, Cpe1-. Нажатие каждой из этих кнопок приводит к заполнению таблицы соответствующими значениями коэффициентов, что можно проконтролировать визуально.

Для последующего анализа НДС конструкции в этом случае потребуется предварительно создать дополнительные загружения, в которые поместить нагрузки, сгенерированные по каждому набору коэффициентов отдельно. Эти загружения должны быть взаимоисключающими. Тогда можно будет проанализировать ситуации с ветровым напором и ветровым отсосом на специфических участках кровли, соответственно.

Для выбора загружения, в которое будут помещены нагрузки, служит раскрывающийся список Загружение:. Если нужного загружения ещё нет, можно вызвать редактор загружений для его создания непосредственно из нашего диалога (см. рис. 8).

В диалоге Редактор загружений создаём новое загружение, задаём его свойства и затем выбираем его в раскрывающемся списке Загружение:. Теперь по кнопке Создать нагрузки будут созданы нагрузки в соответствии с текущей выбранной таблицей коэффициентов и помещены в выбранное загружение. Таким образом можно сформировать несколько вариантов распределения давления на поверхность кровли от набегающего ветрового потока. Каждый вариант будет представлен в своём загружении.

Альтернативный сценарий

Наряду с классическим сценарием, описанным выше, существует альтернативный сценарий использования инструмента Ветровая нагрузка на кровлю.

Классический подход: прежде, чем заниматься моделированием нагрузки от ветра на кровлю, нужно создать не только кровлю, но и ветер. Один или несколько. Для каждого ветра выбрать нормативный документ и задать параметры в соответствии с выбранным нормативным документом. Тогда у нас будет непустой список ветров, мы выберем нужный и сформируем набор нагрузок на участки кровли от выбранного ветра.

Альтернативный сценарий: не создаём ветер, создаём только модель крыши и сразу переходим к моделированию ветровой нагрузки на кровлю с помощью описанного здесь инструмента.

В этом случае в раскрывающемся списке Ветер будет только строка «нет модели ветра». Эту строку, если требуется «ручной» режим, можно выбирать и при наличии в модели ветров. Теперь окно редактирования дирекционного угла будет доступно для ввода значений (см. рис. 9). Следует вручную задать угол в градусах между осью ОХ и направлением ветра. Отсчитываем положительное направление против часовой стрелки.

Давление Р на характерной высоте также нужно задать вручную.

Также вручную следует выбрать загружение, в которое должны быть помещены создаваемые нагрузки.

В таблице коэффициентов строка давления Р подсвечена красным. Это сигнал, что значение давления на характерной высоте задано вручную, а не получено в результате расчёта по нормативному документу на основе предварительно сформированной параметрической модели ветра с заданием всех необходимых характеристик.

В остальном всё сработает так же. Только нажмите кнопку Создать нагрузки.