Ветровая нагрузка на молниеприёмники

Материал статьи призван помочь проектировщику в подборе молниезащитной продукции, удовлетворяющей российским стандартам и нормам. В первой ее части рассмотрены основные требования, предъявляемые к сечению и материалу молниеприемников и токоотводов. Вторая часть посвящена нормированию воздействий, оказываемых ветром на конструкции молниеприемных мачт. Молниеприемник считается соответствующим российским нормам, если он испытан на ветровое давление, равное или превышающее нормативное. 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 молниеприёмных 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 нём молниеприёмная мачта.

Согласно СП 20.13330.2011 для молниеприёмных 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.

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

Ручной расчёт ветровой нагрузки достаточно трудоёмкий, чаще всего он производится посредством современных расчётных комплексов. В данной статье мы продемонстрируем общую логику расчёта. Замечу так же, что при использовании расчётных комплексов, стоит учесть, что т.к. СП 20.13330.2011 имеет значительные отличия в методике расчёта 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.

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

Таблица 5. Значения коэффициентов для различных типов местностей

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 для типов местности

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: Молниеприёмные 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 расчёте он не может. В этом случае нужно провести проверочный расчет и сравнить полученное в результате этого расчёта 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).