Стальные конструкции в районах с высокой скоростью ветра

Понимание механизмов ветровой нагрузки на стальные конструкции

Давление, отсос и подъемные силы в условиях сильного ветра

Стальные конструкции подвергаются трем основным ветровым нагрузкам: давлению, действующему на сторону, обращённую к ветру; отсосу, воздействующему на противоположную сторону и участки кровли; а также подъёмным усилиям в зонах карнизов и выступов кровли. При обтекании воздухом зданий его скорость возрастает, создавая зоны разрежения, величина которых при неблагоприятных погодных условиях может превышать давление на фасад примерно в полтора раза, что вызывает значительные боковые силы, действующие на конструкции. Особенно уязвимы в этом отношении кровли, поскольку подъёмные усилия, возникающие из-за вихревых воздушных потоков вблизи их краёв, могут достигать двадцати–тридцати процентов от массы здания в пустом состоянии. Например, металлические кровельные панели могут начать отслаиваться даже при скорости ветра ниже 130 миль в час, если такие параметры, как шаг крепёжных винтов, расстояние от краёв панелей до крепёжных точек или глубина анкеровки, не соответствуют минимальным нормативным требованиям. Достижение надёжных результатов напрямую зависит от наличия эффективных систем передачи нагрузок, обеспечивающих плавное распределение как вертикальных (собственного веса), так и горизонтальных (ветровых) усилий — от наружного покрытия через несущие балки и конструктивный каркас вплоть до фундамента и грунта под ним.

Внутреннее повышение давления и поперечная передача нагрузки в замкнутом стальном каркасе

Когда ограждающие конструкции зданий повреждаются — например, из-за разбитых окон, неисправных дверей или неплотно закреплённой облицовки — это приводит к внутренней избыточной давленности, способной повысить давление на стены и потолки примерно на 40 %. Разница между внутренним и внешним давлением создаёт дополнительную нагрузку на конструкцию и снижает её устойчивость. Для эффективного восприятия боковых нагрузок здания должны оснащаться интегрированными диафрагмами, такими как кровельные настилы и перекрытия. Эти элементы распределяют горизонтальные усилия на вертикальные части конструкции — например, на раскосные каркасы, рамы с жёсткими узлами или стены, воспринимающие сдвигающие нагрузки. Затем эти системы передают усилия в фундамент, где они должны быть надёжно заанкерены. Более современные жёсткие соединения каркаса позволяют снизить подвижность узлов во время сильных штормов, сохраняя геометрию здания. Стеновые каркасы из холодногнутой стальной профильной стали (CFS) в сочетании с конструкционной обшивкой также обеспечивают повышенную устойчивость к боковым нагрузкам. Они способны выдерживать ветровые нагрузки свыше 60 фунтов на квадратный фут (около 2,9 кПа) без разрушения, что делает их особенно ценными в высотных зданиях, расположенных в районах, подверженных ураганам, поскольку ветровая нагрузка возрастает с увеличением высоты здания.

Проектирование стальных конструкций с учетом ветровых нагрузок для районов с высокой скоростью ветра

Соблюдение действующих строительных норм и правил является базовым требованием — а не опциональным — для стальных конструкций в районах с высокой скоростью ветра. Эти стандарты закрепляют многолетние данные об эксплуатации зданий во время штормов, достижения в области материаловедения и результаты испытаний конструкций, обеспечивая безопасность, устойчивость и эффективное использование ресурсов.

Положения ASCE 7-16 и IBC 2024 по ветровым нагрузкам для стальных конструкций

ASCE 7-16 содержит авторитетную методику расчёта ветровых нагрузок на здания и определяет ключевые параметры, включая давление ветра, коэффициенты порывов и категории воздействия окружающей среды. Положения данного стандарта напрямую включены в Международный строительный кодекс (IBC 2024), что требует применения надёжных основных систем сопротивления ветровым силам (MWFRS) в стальных конструкциях. Инженеры обязаны:

• Определять расчётные ветровые давления с использованием карт скорости ветра для конкретного участка, высоты здания и классификации рельефа местности;
• Проектировать все элементы и соединения с учётом совместного действия подъёмных, боковых и вертикальных (гравитационных) нагрузок;
• Проверка работоспособности системы посредством анализа воздействия ветра с учётом направления — включая несколько углов атаки ветра и сценариев внутреннего давления.

Требования AISI S240-20 к холодногнутой стали в условиях высоких ветровых нагрузок

Стандарт AISI S240-20 дополняет стандарты ASCE/IBC, учитывая особенности поведения тонкостенных конструкций из холодногнутой стали (CFS) при циклических ветровых нагрузках высокой интенсивности. В нём предъявляются следующие требования:

• Усовершенствованное конструирование соединений для обеспечения непрерывности силовых потоков;
• Более строгие требования к шагу крепёжных элементов, расстояниям от края и допустимым значениям несущей способности при смятии;
• Минимальные толщины материала и марки стали по пределу текучести, соответствующие условиям, склонным к усталостному разрушению;
• Рекомендованные методы раскрепления стоек стен, стропильных ног и балок перекрытий.

Такое согласование гарантирует совместную и надёжную работу элементов из холодногнутой стали — широко применяемых в качестве опор для облицовки, внутренних перегородок и второстепенных несущих конструкций — с основными несущими системами при экстремальных ветровых воздействиях со скоростью свыше 150 миль/ч.

Системы сопротивления боковым силам и анкерное крепление стальных конструкций к фундаменту

Укрепленные рамы, противосейсмические стены и интеграция диафрагм в металлических зданиях

Системы сопротивления боковым силам (LFRS) образуют основную конструктивную раму, обеспечивающую устойчивость стальных зданий к ветровым нагрузкам. Связевые каркасы работают за счёт восприятия боковой энергии диагональными элементами, работающими на осевое усилие. Железобетонные или стальные стеновые панели с повышенной жёсткостью обеспечивают высокую сопротивляемость перемещениям. В то же время при правильном соединении горизонтальных диафрагм — покрытий и перекрытий — ветровые давления равномерно распределяются по всей площади здания. Согласно руководящим указаниям ASCE 7-16, для зданий, расположенных в районах с высоким риском, системы LFRS должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать ветровые нагрузки свыше 200 кипс. Здесь чрезвычайно важна полная интеграция компонентов. При соединении этих элементов методами, такими как сварка, болтовое крепление или соединения с предотвращением проскальзывания, вся система демонстрирует значительно более высокую эффективность. Результаты натурных испытаний показывают, что такие интегрированные системы способны снизить локализованные концентрации напряжений и уменьшить деформации примерно на 60 % даже при воздействии урагана категории 4, как отмечено в недавнем исследовании Национального института стандартов и технологий (NIST) 2023 года.

Якорные системы и решения для крепления, прошедшие валидацию ICC, UL и FM Global

Крепление фундамента — это последнее, обязательное звено в цепи передачи ветровой нагрузки, предотвращающее подъём, опрокидывание и прогрессирующее обрушение. Системы крепления, прошедшие независимую валидацию и сертифицированные по стандарту ICC-ES AC398, обеспечивают до 40 % более высокое сопротивление подъёмной силе по сравнению с традиционными анкерами (данные FM Global, 2023 г.). Эффективность зависит от трёх ключевых факторов:

• Глубина заделки, рассчитанная с учётом локальной прочности грунта на сдвиг и несущей способности анкера;
• Материалы, устойчивые к коррозии (например, оцинкованные методом горячего погружения или из нержавеющей стали крепёжные изделия), для прибрежных и влажных условий эксплуатации;
• Резервные пути передачи нагрузки для обеспечения совместного восприятия ветровых и сейсмических воздействий без риска отказа в одной точке.

Системы крепления, сертифицированные FM Global, сохраняют структурную целостность при постоянных ветрах скоростью свыше 150 миль/ч, обеспечивая устойчивость зданий ко всем видам опасностей.

Эксплуатационные характеристики наружной облицовки и каркаса в условиях сильного ветра

Наружная облицовка вместе с её несущим каркасом служит основным барьером против штормов и одновременно передаёт нагрузки в стальных зданиях, расположенных в районах, где часто случаются ураганы. Для высотных зданий облицовка должна выдерживать перепады давления свыше 5 кПа, одновременно обеспечивая защиту от проникновения воздуха, воды и тепла. Это требует использования соединений, спроектированных с запасом прочности в 4–6 раз превышающим нормативные значения, поскольку материалы со временем деградируют, а монтаж не всегда выполняется идеально. Холодногнутый стальной каркас (CFS) продемонстрировал выдающуюся устойчивость при сильных ветрах. Например, во время урагана «Иэн» в 2022 году многие здания с каркасом из холодногнутой стали сохранили целостность даже при скорости ветра свыше 150 миль в час. Это в значительной степени объясняется высокой прочностью таких конструкций относительно их массы, а также наличием соединений, рассчитанных на сейсмические нагрузки. В прошлогоднем исследовании, опубликованном в журнале «Journal of Constructional Steel Research», было показано, что металлическая фальцевая облицовка эффективно распределяет ветровые нагрузки по несущим конструкциям здания при испытаниях в условиях, близких к реальным условиям монтажа. Главный вывод заключается в том, что все элементы связаны между собой так называемым непрерывным путём передачи нагрузки — начиная от самой облицовки, через каркас из холодногнутой стали (CFS) и стены, работающие на сдвиг, и вплоть до способа анкеровки фундамента. Все эти компоненты должны соответствовать требованиям стандарта ASCE 7-16 в части подъёмных сил и давления.

Часто задаваемые вопросы

Какие основные ветровые нагрузки действуют на стальные конструкции?

На стальные конструкции действует давление со стороны, обращённой к ветру, всасывание с противоположной стороны, а также подъёмная сила по краям кровли и над выступающими её частями.

Как внутренняя инфильтрация давления влияет на стальные конструкции?

Внутренняя инфильтрация давления возникает при нарушении целостности ограждающих конструкций здания, что приводит к увеличению давления на стены и потолки примерно на 40 % и создаёт дополнительные напряжения и неустойчивость конструкции.

Что представляют собой нормативные положения ASCE 7-16 и IBC 2024?

Они содержат методики расчёта ветровых нагрузок и определяют такие параметры, как динамическое давление и эффект порыва, которые интегрированы в строительные нормы для обеспечения устойчивости стальных конструкций.

Почему анкеровка фундамента имеет решающее значение для стальных конструкций?

Анкеровка фундамента предотвращает подъём, опрокидывание и обрушение конструкции за счёт использования проверенных систем крепления с коррозионностойкими материалами и резервными путями передачи нагрузки.