Исследование напряжений и деформаций рекламного щита при ветровой нагрузке. Оценка рисков разрушения конструкции рекламного щита под действием ветровой нагрузки

Введение

Согласно пункту 6 СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» ветровая нагрузка рассматривается как совокупность нормального давления, действующего на внешние поверхности конструкций сооружения или элемента; силы трения, направленной по касательной к поверхности конструкции, отнесенных к площади её вертикальной либо горизонтальной проекции; нормального давления, приложенного к внутренним поверхностям зданий с проницаемыми ограждающими конструкциями, открывающимися или постоянно открытыми проёмами [1, с. 6].

В новой редакции СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» к этому определению добавилась совокупность проекций внешних сил, обусловленных общим сопротивлением здания, и крутящий момент [6, с. 7].

Ветровая нагрузка состоит в основном из эффектов давления и всасывания. Это происходит из-за распределения давления вокруг здания, которое подвергается воздействию потока ветра.

При проектировании зданий и сооружений расчёт ветровой нагрузки ведётся с учётом двух параметров – средней составляющей и пульсационной. При этом нагрузка определяется как сумма этих двух параметров.

Величина нагрузки зависит от нескольких факторов:

• скорости ветра;
• этажности здания;
• конструктивных особенностей (формы) дома.

Если известна среднегодовая скорость ветра, вероятность ветров различной силы для данного района, тогда может быть смоделировано действие ветра на исследуемое сооружение [2, с. 72].

Ветер – это динамическая нагрузка, так как его скорость меняется все время. Реакция сооружения на ветер будет различной, конструкции с жесткой опорой воспринимают ее обычно, как статическую. Влияние порывов ветра в основном оценивают по динамическому коэффициенту [3, с. 55].

Для высоких сооружений учет ветровой нагрузки является одним из самых основных при проектировании. При расчете напряженно-деформированного состояния высоких крупногабаритных конструкций нужны детальные сведения о ветре в месте предполагаемого строительства, чем указанные в нормативных документах.

Существует карта районирования территорий по интенсивности ветровой нагрузки.

Ветровая нагрузка на сооружения зачастую зависит не только от габаритов сооружения и скорости ветра, но и от конструктивной формы, которые оцениваются аэродинамическими коэффициентами [1, с. 6].

Требуется четкое физическое представление о действии ветра на сооружения, для познания которого привлечены и смежные научные дисциплины, такие как прикладная климатология, механика, математическая статистика, теория колебаний – могут гарантировать правильность расчета сооружений.

Ниже представлены последствия неправильно учтенной ветровой нагрузки в расчетах сооружений:

1. На 238-м километре внутренней стороны ЦКАД на проезжую часть упал информационный щит после порывов сильного ветра.
2. Два человека пострадали при падении рекламного щита в Санкт-Петербурге, пострадавшие находятся в реанимации в тяжелом состоянии. Инцидент произошел из-за сильного ветра на проспекте Энгельса у станции метро Проспект Просвещения.
3. Москвичка получила травму головы на Елецкой улице. По словам женщины, вечером ей на голову упал рекламный щит, ранее МЧС предупредило москвичей об усилении ветра до 20 метров в секунду.

Существует множество случаев разрушения конструкций из-за сильных порывов ветра, что на примере показывает важность учета ветровой нагрузки при расчетах сооружений.

Рекламные щиты, установленные на многолюдных улицах и в местах проезда автотранспорта – являются ответственными сооружениями, которые должны отвечать всем требованиям надежности и безопасности современных норм строительного проектирования. Повышенная циклическая ветровая нагрузка может создавать угрозу для жизни людей и угрозу разрушений для стоящих рядом конструкций и сооружений.

Одним из основных воздействий на наружные рекламные и информационные конструкции является ветер. Любая реклама, установленная на улице, будь то отдельно стоящий щит, установка на крыше здания или вывеска, украшающая фасад, должна изготавливаться и монтироваться с обязательным учетом запаса прочности при повышенном воздействии на нее ветровых нагрузок. Это поможет избежать трагических последствий и несчастных случаев в итоге обрушения рекламных конструкций, а также огородят рекламодателей от существенного материального ущерба и судебных исков.

Предполагаемый материальный ущерб при разрушении рекламной конструкции, включает в себя повреждения товарно-материальных ценностей – автомобилей и зданий, а также других конструкций, находящихся в зоне обрушения.

Возможный нематериальный ущерб при возникновении включает в себя затраты связанные с падением репутации владельца и причинением вреда здоровью людям, находящимся в зоне обрушения, например проходящих мимо по тротуару или ожидающих на остановке общественного транспорта.

Для получения достоверных данных необходимо владеть информацией о точном месторасположении рекламной установки, типе местности, её габаритных размерах, высоте над поверхностью земли, и монтажной схеме.

Широко используемой формой рекламных конструкций является конструкция, состоящая из опорных стоек и рекламного щита. Определяющим критерием несущей способности данных рекламных конструкций, как показывает опыт их эксплуатации, является несущая способность их опорной стойки, а наиболее распространенной формой их разрушение потеря прочности опорных стоек [4, с. 31].

При расчете ветровых нагрузок на рекламную конструкцию учитывается ветровое давление конкретного ветрового района, который имеет соответствующий номер:

• ветровой район по СП 20.13330.2011 в городе Муром – I;
• ветровое давление – 230 Па;
• скорость ветра – 19,5 м/с.

Целью исследования являлась оценка фактического состояния конструкции рекламного щита и составление на основании математического расчета заключения о его пригодности к дальнейшей безопасной эксплуатации. При проектировании наружной рекламы был проигнорирован или выполнен неверно расчет ветровой нагрузки на наружную рекламу, на стойки щита.

Расчет ветровой нагрузки

Рассмотрим для примера рекламный щит, высотой 5м, установленный на монолитном железобетонном фундаменте мелкого заглубления. Общая площадь рекламной вывески 8 м².

Стойки рекламного щита выполнены из стальной трубы диаметром 100 мм с толщиной стенки 5 мм. Геометрические характеристики сечения трубы:

• наружный диаметр трубы D = 100 мм;
• внутренний диаметр трубы d = 90 мм;
• площадь сечения А_ст = πD²/4 [1- (d/D)²] = 14,9 см²;
• момент сопротивления сечения Wx = πD³/32 [1- (d/D)⁴] = 33.75 см³;
• момент инерции сечения I_x= πD⁴ / 64 [1- (d/D)⁴] = 168,7см⁴.

Динамическое давление ветра на поверхность рекламного щита определяется по формуле:

f = r v²/ 2g,

где r = 1.225 кг/м³ – плотность воздуха;

g = 9.81 м/с² – ускорение свободного падения;

v – скорость ветра, воздействующая на поверхность рекламного щита (для 1-го района на высоте до 8 метров v = 19,5 м/с).

Тогда, подставив числовые данные, получим:

f = 1,225 х19,5²/ 2х 9,81 = 23,74 кгс/м² [5, с. 121].

Максимальная полная ветровая нагрузка на наветренную максимальную поверхность рекламного щита:

F_max = f A_щ n c,

где с = 1.2 – аэродинамический коэффициент поверхности;

n = 1.5 – коэффициент, учитывающий динамическую составляющую ветровой нагрузки. Тогда, подставив числовые данные, получим значение максимальной полной ветровой нагрузки для максимальной наветренной поверхности рекламного щита А_щ = 8 м²:

F_max = 23.74 х 8х1.5 х 1.2 = 341.8 кгс.

Изгибающий момент в сечении одной стойки в месте ее сопряжения с фундаментом составляет

М = 341,8 х 4/2 = 683,7 кгс м.

Напряжение в металле стойки от ветровой нагрузки

σ = 683,7 х 100 х1,3 / 33.75 = 2633,5 кгс/см² > 2100 кгс/см² [6, с. 8].

Условие прочности не выполнено.

Проверим величину прогиба стойки в месте сопряжения стойки и щита.

Прогиб в металле стойки от ветровой нагрузки

Δ = 3х10⁶(2х3х1367,2 + 3х341,8) /6(2х10⁶х168,7) = 13,68 см> 2,4см.

Предельно допустимый прогиб для данной конструкции по СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Ветровые нагрузки» составляет 2,4 см. [7, с. 62].

Заключение

Проведенные исследования позволяют рассчитать стойки рекламных щитов, которые могут выдерживать большие ветровые нагрузки. Полученные в работе выражения позволяют рассчитать максимальную полную ветровую нагрузку, напряжение и отклонение в металлической стойке опоры. Это позволяет оценить надежность конструкции рекламного щита.

Из полученных результатов можно сделать вывод, что стойка рекламного щита не обладает достаточной прочностью и жесткостью, не пригодна к нормальной эксплуатации, высок риск обрушения конструкции.