Моделювання вітрового навантаження на покрівлю

Багато нормативних документів регламентують процес розрахунку навантаження від вітру на поверхні дахів різної форми. Пропонуються таблиці, що встановлюють зв'язок між геометричними параметрами даху та коефіцієнтами для визначення вітрового тиску на різних ділянках поверхні даху. Якщо значення параметрів не представлені в таблицях, передбачається виконувати лінійну інтерполяцію. Далі отримані навантаження слід сформувати у просторі моделі проектованої будівлі та направити на відповідні ділянки даху. Ця копітка рутинна робота може бути автоматизована за допомогою спеціалізованих інструментів LIRA-CAD, які допоможуть зробити її швидко, точно та ефективно.

Для початку LIRA-CAD надає спеціалізований інструмент, що дозволяє моделювати дахи різної форми. На вкладці стрічки «Створення» на панелі «Поверхні» є кнопка-меню різних типів дахів (див. рис. 1).

Ми скористалися представленими тут командами та створили дахи чотирьох типів, для яких реалізовано алгоритми розрахунку навантаження від вітру на підставі популярних нормативних документів (див. рис. 2). Розрахунок навантаження від вітру реалізований для дахів наступних типів:

• Плоска
• Односхила
• Щипцева (двосхила)
• Склепінчаста

Геометричні параметри кожного даху редагуються інтерактивними графічними інструментами за допомогою впливу 3Д-локатора на контрольні точки, а також параметрично за допомогою діалогового вікна Властивості. При вказуванні елементу дах у графічному вигляді він виділяється для редагування, його зображення підсвічується кольором виділення, його параметри демонструються у вікні Властивості, активується панель властивостей інструменту Дах.

На панелі властивостей інструмента Дах представлені ключові геометричні параметри даху, розкривний список типів форми і кнопка Вітрове навантаження (див. рис. 3). Натискання цієї кнопки ініціює діалог Вітрове навантаження, який залежить від типу форми виділеного даху.

Якщо вказано схилий дах (одно- або двосхилий), викликається діалог Вітрове навантаження на скати покрівлі. Геометричні параметри виділеного даху переносяться в діалог і служать вихідними даними для розрахунку вітрового навантаження.

Основний сценарій роботи передбачає, що на момент виклику даного діалогу в модель проектованого об'єкту вже внесено моделі вітрового впливу (одна чи кілька) за певними нормативними документами. У вікні діалогу є список Вітер, в якому представлені моделі вітрів. Потрібно вибрати потрібний вітер зі списку. У вікні редагування поруч показаний дирекційний кут, заданий для вибраного вітру у його властивостях. Тут значення кута наведено для довідки в режимі лише читання.

Дирекційний кут відраховується у градусах від осі ОХ проти годинникової стрілки. Актуальне розташування даху щодо вітру показано у діалозі графічно. Відповідно, визначено кут набігання повітряного потоку на схил покрівлі Θ (тета) у термінах нормативного документа. Для отриманого кута Θ наведено схему розбивки покрівлі на ділянки, позначені літерами латинського алфавіту від A до J. Залежно від форми даху та напряму набігання повітряного потоку можуть бути лише ті чи інші літери.

Вибір вітру зі списку також визначає величину тиску вітру P на характерній висоті. Зазвичай це висота гребеня. Для склепінчастих дахів за деякими нормативами це висота h+0.7f, де f – висота підйому арки склепіння. У будь-якому разі величина тиску демонструється у вікні редагування P=. Тут же можна цю величину за бажання відредагувати у більший чи менший бік.

Далі йдуть радіо-кнопки вибору нормативного документа, за яким буде сформовано навантаження від вітру на поверхню покрівлі. Спочатку автоматично вибирається нормативний документ, який відповідає обраній моделі вітру. Однак, можна переключити програму на інший документ або на довільний набір коефіцієнтів (кнопка "інш.").

Вибір певного нормативного документа призводить до заповнення таблиці коефіцієнтами з цього документа. Таблицю можна копіювати, можна експортувати у файл формату CSV. Під час роботи з довільним набором можна вставити скопійовану таблицю або імпортувати коефіцієнти з файлу CSV. Таким чином, ви не обмежуєтеся тільки тими нормативами, які представлені в діалозі – будь-який набір коефіцієнтів може бути завантажений ззовні.

У разі односхилого даху в таблиці представлені коефіцієнти для кутів 5,15,30,45 градусів. Оскільки дах у прикладі нахилений під кутом 12 градусів, значення коефіцієнтів для різних її ділянок отримані шляхом лінійної інтерполяції. Вони представлені в таблиці окремим рядком. Ще один окремий рядок нижче представляє значення вітрового тиску на кожній ділянці, отримані з використанням інтерпольованих коефіцієнтів. Саме ці значення будуть присвоєні навантаженням.

Створювані навантаження будуть поміщені в деяке завантаження Зазвичай пропонується те завантаження, яке було призначено користувачем раніше при заданні властивостей вітру При виборі вітру зі списку вітрів автоматично встановлюється його завантаження для навантаження від вітру на дах. Однак, можна вибрати будь-яке інше завантаження, використовуючи список Завантаження в цьому діалозі.

Натисніть кнопку Створити навантаження, щоб сформувався набір навантажень у вигляді тиску на ділянки поверхні покрівлі із заданими параметрами.

Створені навантаження тут же відображаються у графічному вигляді. Можна скоригувати значення параметрів і знову натиснути ту ж кнопку, яка тепер має назву Оновити навантаження - навантаження оновляться за скоригованими параметрами.

Якщо все Ок, то натискаємо кнопку ОК, і це фіксує створені навантаження. Якщо щось не так, натискаємо кнопку Скасувати, діалог завершується, і щойно створені навантаження видаляються з моделі.

Якщо для редагування був обраний не одно-, а двосхилий (щипцевий) дах, то діалог Вітрове навантаження на скати покрівлі постає в дещо іншому вигляді (див. рис. 4).

У цьому випадку розглядається інша схема поділу покрівлі на ділянки та відповідно пропонується інша таблиця коефіцієнтів. Вихідні дані так само, як і раніше, приходять з моделі даху та вибраної моделі вітру. Можуть бути відредаговані геометричні параметри даху, так і вітровий тиск.

У випадку двосхилого даху розглядається два варіанти кута набігання повітряного потоку на схил покрівлі Θ (тета): 0° і 90°. Для односхилого, який не є осесиметричним, був ще варіант кута 180°.

Якщо для редагування вибрано плоску покрівлю, то наш діалог набуває вигляду, представленого на рис. 5.

Розрахунок вітрового тиску на плоску покрівлю не вимагає вибору кута набігання повітряного потоку на схил покрівлі через відсутність схилів як таких.

Однак для односхилої покрівлі з'являється ще один цікавий параметр, передбачений нормативними документами – Висота парапету (Hp), м. Суть параметру ясна з назви та ілюструється графічно у вікні діалогу. Від його значення залежить вибір рядків з таблиці коефіцієнтів та результат лінійної інтерполяції, а значить і величина тиску, що виробляється вітром на поверхню покрівлі.

Перерозподіляти навантаження через елементи-посередники на балки – прапорець присутній у всіх варіантах діалогу, що розглядається. Служить для того, щоб включити однойменну опцію у всіх навантаженнях, що створюються за допомогою цього інструменту. Нерідко дах виключається з остаточної розрахункової моделі, а потрібні навантаження на кроквяні системи або інші балкові системи, що підтримують покрівлю. Щоб не потрібно було потім виділяти безліч окремих навантажень і призначати їм цю властивість, можна зробити це відразу для всіх новостворюваних, використовуючи даний прапорець.

Якщо для редагування вибрано склепінчасту покрівлю, то наш діалог приймає вигляд, представлений на рис. 6.

Тут ми вже не побачимо нічого нового. Тільки інша схема розподілу ділянок та відповідна таблиця залежності коефіцієнтів.

В результаті роботи алгоритму отримаємо відповідний набір навантажень (див. рис. 7).

Буде цілком доречно розглянути параметр:

Відступ від даху – відстань від даху до навантаження, що вимірюється вздовж вектора нормалі до поверхні покрівлі. Параметр зроблений виключно для забезпечення візуального комфорту при моделюванні.

Оскільки навантаження можуть бути як додатними (вітровий напір), так і від'ємними (відсмоктування), то тіло схематичного позначення навантаження може виходити з площини як в одну, так і в іншу сторону. Нагадаємо, що стрілочки вказують напрямок пошуку поверхні, до якої буде прикладене навантаження, а розташування тіла позначення щодо площини ілюструє знак Регулюючи належним чином значення відступу можна виключити перетин позначень навантажень з моделями інших елементів (того ж даху) і отримати можливість вказувати елементи безпосередньо мишею, не вдаючись до різного роду фільтрів.

Варіанти «напір-відсмоктування»

У деяких нормативних документах для окремих ситуацій обдування дахів з певною геометрією передбачається розглядати більше одного варіанту розподілу вітрового тиску на ділянки покрівлі.

Для цього у діалоговому вікні «Вітрове навантаження на покрівлю» передбачені кнопки перемикання таблиць коефіцієнтів: Cpe10, Cpe10-, Cpe1, Cpe1-. Натискання кожної з цих кнопок призводить до заповнення таблиці відповідними значеннями коефіцієнтів, які можна проконтролювати візуально.

Для подальшого аналізу НДС конструкції в цьому випадку потрібно попередньо створити додаткові завантаження, в які помістити навантаження, згенеровані по кожному набору коефіцієнтів окремо. Ці завантаження мають бути взаємовиключними. Тоді можна буде проаналізувати ситуації з вітровим натиском та вітровим відсмоктуванням на специфічних ділянках покрівлі, відповідно.

Для вибору завантаження, в яке будуть поміщені навантаження, служить розкривний список Завантаження:. Якщо потрібного завантаження ще немає, можна викликати редактор завантажень для його створення безпосередньо з нашого діалогу (див. рис. 8).

У діалозі Редактор завантажень створюємо нове завантаження, задаємо його властивості і потім вибираємо його в списку Завантаження:. Тепер за кнопкою Створити навантаження будуть створені навантаження відповідно до поточної обраної таблиці коефіцієнтів і поміщені у вибране завантаження. Таким чином можна сформувати кілька варіантів розподілу тиску на поверхню покрівлі від вітрового потоку, що набігає. Кожен варіант буде представлений у своєму завантаженні.

Альтернативний сценарій

Поряд із класичним сценарієм, описаним вище, існує альтернативний сценарій використання інструменту Вітрове навантаження на покрівлю.

Класичний підхід: перш ніж займатися моделюванням навантаження від вітру на покрівлю, потрібно створити не тільки покрівлю, а й вітер. Один чи кілька. Для кожного вітру вибрати нормативний документ та задати параметри відповідно до вибраного нормативного документу. Тоді у нас буде непустий список вітрів, ми виберемо потрібний і сформуємо набір навантажень на ділянки покрівлі від вибраного вітру.

Альтернативний сценарій: не створюємо вітер, створюємо лише модель даху і одразу переходимо до моделювання вітрового навантаження на покрівлю за допомогою описаного тут інструменту.

У цьому випадку в списку Вітер буде лише рядок «немає моделі вітру». Цей рядок, якщо потрібно «ручний» режим, можна вибирати і за наявності моделі вітрів. Тепер вікно редагування дирекційного кута буде доступним для введення значень (див. рис. 8). Слід вручну задати кут у градусах між віссю ОХ та напрямом вітру. Відраховуємо додатний напрямок проти годинникової стрілки.

Тиск Р на характерній висоті також потрібно задати вручну.

Також вручну слід вибрати завантаження, в яке повинні бути розміщені створювані навантаження.

У таблиці коефіцієнтів рядок тиску Р підсвічений червоним. Це сигнал, що значення тиску на характерній висоті задано вручну, а не отримано в результаті розрахунку за нормативним документом на основі попередньо сформованої параметричної моделі вітру із завданням усіх необхідних характеристик.

У решті все спрацює так само. Тільки натисніть кнопку Створити навантаження.