Расчет ветровой нагрузки и парусность забора

Установим забор легко и быстро! – Так в один голос заявляют организации, которые занимаются монтажом и продажей заборов. Однако все они в основном дают гарантию от 1 до 3-х лет, несмотря на значительную стоимость заборных конструкций.

А что делать, если по окончании гарантийного срока забор завалится? Забор должен быть прочным, практичным и стоять минимум лет двадцать, а то и пятьдесят.

Прежде чем заказывать установку забора, необходимо знать, что именно влияет на прочность заборной конструкции.

Устойчивость забора к ветровым нагрузкам, к силам пучения грунта в основном определяет прочность забора.

В данной статье уделим особое внимание расчету ветровой нагрузки, выясним что такое парусность забора и на что влияют неверные расчеты ветровой нагрузки.

Ветровая нагрузка на забор

Ветровая нагрузка – это переменное влияние ветра. Ветер воздействует на все здания и сооружения, в том числе и на заборные конструкции. Влияние ветра зависит от скорости, порывов и направления ветра.

Парусность забора

Парусность забора, как принято считать - это площадь полотна, нагрузка которого приходится на один заборный столб. Другими словами ветровая нагрузка  более широкое понятие, а парусность - это та же нагрузка, только конкретная, на единицу измерения.

Чем площадь полотна забора больше, тем, соответственно давление ветра на эту площадь будет сильнее.

Парусность сплошного забора из профнастила увеличивается за счет высоты листа. Так, ветровая нагрузка на забор трехметровой высоты будет в полтора раза больше, чем нагрузка на забор высотой два метра. Но если вместо профлиста использовать штакетник, тогда забор становится продуваемым, следовательно, парусность забора уменьшается в разы.

Прежде чем выбрать опорные столбы – рассчитайте парусность/ветровую нагрузку в своем регионе с учетом габаритных размеров заборного полотна!

Расчет ветровой нагрузки на забор

Ветер влияет на все постройки, причем по-разному. Давление ветра меняется в зависимости от скорости, направления, плотности воздуха, влажности и т.д. Чрезмерная сила порывистого ветра может вмиг завалить забор, а может постепенно расшатывать до критической точки.

Стоит понимать, что максимальная ветровая нагрузка давит на столбы в том месте, где появляется возможность его согнуть, а именно – там, где столб зафиксирован в земле. То есть, максимальный изгибающий момент находится в точке выхода опоры из земли.

Если опоры будут сделаны из неподходящего материала по толщине металла или по диаметру (сечению), тогда из-за высокой парусности они погнутся и деформируются. Выбрать подходящие опоры вам поможет статья: "Как выбрать правильные столбы для забора"

В целях установки устойчивого к ветровым нагрузкам забора, надо взять опоры потолще да побольше и закопать их как можно глубже.

Чтобы выяснить, какими должны быть эти параметры (толщина металла, диаметр, сечение, заглубление) надо рассчитать ветровую нагрузку.

При вычислениях учитываются следующие факторы:

• высота забора;
• расстояние между пролетами;
• ветровой район;
• тип местности;
• ветровое давление.

Помимо этих основных моментов, для расчета берется еще множество показателей, которые сливаются в единую сложную инженерную формулу.

Но так как забор — это не небоскреб, требующий основательных проектных решений, то вычисления можно упростить.

Расчет ветровых нагрузок – упрощенная формула

Для упрощенного расчета вычислим с какой силой происходит давление ветра на 1 квадратный метр площади забора. После этого мы поймем какой стоит выбирать профиль трубы, чтобы эту нагрузку выдержать.

Воспользуемся формулой:

F = 0,61*V²/9,8

где:

F - сила в кгс;

0,61 - 1/2 плотности воздуха (в нормальных условиях);

V - скорость ветра в м/с.

Итак, поправочный коэффициент плотности воздуха умножаем на среднюю скорость ветра, возведенную в квадрат и все это делим на ускорение свободного падения.

Для того, чтобы вычислить нагрузку на квадратный метр нашего забора нам надо знать среднюю скорость ветра в нашем регионе.
Узнаем, какая нагрузка будет на забор при урагане, когда скорость ветра достигает 30 м/с:

0,61*30²/9,8 = 56 кгс

Таким образом, при ураганном ветре, нагрузка на 1 кв.м нашего забора согласно расчетам по формуле будет составлять 56 кг.

Что нам дает это вычисление?

Далее, зная площадь забора и расстояние между пролетами мы вычисляем какова будет нагрузка на одну опору.

Предположим, что наш забор высотой 2 м, а длина пролета 2,5 м.

Значит площадь одной секции будет:

S = 2 * 2,5 = 5 м2

5 кв/м*56 кгс = 280 кг

Таким образом, при урагане парусность одного заборного листа (действующая сила ветра) достигает 280 кг.

Далее необходимо найти изгибающий момент, действующий на опору, по формуле:

М = F*L*k,

где:
k – коэффициент запаса прочности =1,5;
L – точка приложения нагрузки. Считаем, что она приходится на середину профлиста, прибавляем к ней расстояние от земли до нижнего края листа около: 0,3 м. Итого: 1 м + 0,3 м = 1,3 м.
F - сила в кгс,

Изгибающий момент М в нашем случае получается:

М = 280*1,3*1,5 = 546 кгс·м

Зная изгибающий момент в сечении, можно определить нормальное напряжение в его конкретной точке и исследовать ее напряженно-деформированное состояние. Определение изгибающих моментов является неотъемлемой частью любого прочностного расчета деталей, работающих на изгиб.

Расчет сечения и диаметра опор для заборов из профнастила

Итак, мы получили данные о ветровой нагрузке при урагане и теперь должны выбрать опору, которая выдержала бы данную нагрузку.

Для этого надо определить максимальный изгибающий момент для опорной трубы (заборного столба). И здесь вновь нужно использовать формулу для выполнения расчетов:

М = σW/1000,

где:

σ – предел текучести материала, кгс/мм2 (для стали - 20 кгс/мм2);
W – момент сопротивления сечения (мм3).

Момент сопротивления рассчитывается при помощи формул. Также в интернете в свободном доступе есть калькуляторы расчётов.
Предположим, у нас труба диаметром 80 мм, и толщина металла – 4 мм – в этом случае момент сопротивления изгибу будет 17 286 мм3, вычислим М по вышеприведенной формуле:

М= 20*17286/1000=346 кгс·м

Таким образом, мы выяснили, что максимальный изгибающий момент нашей трубы составляет 346 кг, а значит данная труба не выдержит нагрузку при ураганном ветре и столб деформируется.

Ниже приведены примеры с уже вычисленными максимальными изгибающими моментами при использовании наиболее часто встречающихся опор. Среди них, как видно из табличных значений, ураганный ветер выдержит круглый столб диаметром 108 мм, а также квадратные столбы 80*80 и 100*100 при толщине металла 4 мм. Столбы меньших диаметров и сечений погнутся.  

Стоит понимать, что указанные нагрузки предполагают, что ветер дует прямо перпендикулярно поверхности. На практике, эта ситуация возникает достаточно редко. Чаще ветер дует под определенным углом, проходит по касательной, и при «скольжении» по плоскости забора нагрузка снижается.

Если параметры выбранных вами столбов отличаются от тех, что приведены в таблице, используя вышеприведенные формулы, не сложно будет вычислить самостоятельно максимальный изгибающий момент. 

Примечание. Взятые для примера цифры скорости ветра слишком велики, ведь ураганные ветры на территории России бывают крайне редко. Когда будете выполнять собственные расчеты, учитывайте критерии района и типа местности, а также не забывайте рассчитывать площадь забора исходя из своих личных параметров заборных конструкций. Профессионалы для расчета используют среднюю силу ветра.

Также, при выборе опорных столбов не стоит забывать о глубине промерзания грунта и правилах установки. Подробности здесь.