Kalkulator obciążenia wiatrem

Metoda obliczania obciążenia wiatrem

Ten kalkulator wyznacza obciążenie wiatrem w strefach dla budynku prostokątnego, dachu dwuspadowego oraz wolnostojącej ściany lub ogrodzenia. Metoda opiera się na EN 1991-1-4 (oddziaływania wiatru) i stosuje ogólne podejście współczynników bezpieczeństwa z EN 1990.

Wyniki są podawane jako współczynniki stref oraz końcowe ciśnienie obliczeniowe dla każdej strefy. Ciśnienie jest podane w kN/m² i może być dodatnie lub ujemne w zależności od kierunku działania na element obudowy.

Wskazówki i zalecenia

Podstawowa prędkość wiatru jest wprowadzana jako v_b,0 w m/s. Jest to regionalna wartość bazowa z Aneksu Krajowego do EN 1991-1-4. Stanowi punkt wyjścia do wyznaczenia ciśnienia z uwzględnieniem terenu i wysokości.

Ciśnienie odniesienia wynika z energii kinetycznej strumienia powietrza. Kalkulator przyjmuje gęstość powietrza ρ = 1.25 kg/m³ i wzór q0 = 0.5 · ρ · v_b,0² / 1000. Dzielenie przez 1000 przelicza wartość na kN/m².

Wpływ terenu i wysokości jest ujęty przez współczynnik ekspozycji k(z) jako funkcję kategorii terenu i wysokości odniesienia z. Wysokości podaje się w mm i przelicza na metry: z = z_mm / 1000. Dla stabilności obliczeń wysokość jest ograniczana: z ≥ z_min oraz z ≤ 200 m, gdzie z_min zależy od kategorii terenu.

Współczynnik ekspozycji jest obliczany z logarytmicznego profilu szorstkości. Stosuje się kolejno ln = ln(z / z0), c_r = k_r · ln, I_v = 1 / ln oraz k(z) = (1 + 7·I_v) · c_r², gdzie z0 i k_r są dobierane według kategorii terenu.

Ciśnienie szczytowe na wysokości z jest liczone dla każdej strefy jako q_p(z) = q0 · k(z). Następnie stosuje się aerodynamiczny współczynnik strefy oraz współczynnik częściowy bezpieczeństwa.

Współczynnik aerodynamiczny jest w tabeli pokazany jako końcowy współczynnik strefy c. Dla budynku i dachu może uwzględniać ciśnienie wewnętrzne. Po włączeniu ciśnienia wewnętrznego kalkulator wybiera przypadek najbardziej niekorzystny pod względem wartości bezwzględnej spośród c_pi = +0.2 oraz c_pi = -0.3 i stosuje różnicę c = c_pe - c_pi.

Ciśnienie obliczeniowe dla strefy wyznacza się ze wzoru w = q_p(z) · c · γ, gdzie γ jest współczynnikiem częściowym dla oddziaływań. Kalkulator przyjmuje γ = 1.5 jako typową wartość dla wiodącego oddziaływania zmiennego w ULS według EN 1990. Aneks Krajowy określa wartości ostateczne i zasady kombinacji.

Podział budynku na strefy zależy od stosunku wysokości h do głębokości nawietrznej elewacji. Dla wybranego kierunku wiatru głębokość jest przyjmowana z wymiarów rzutu, a wysokości odniesienia z_e są przypisywane do kilku poziomów. Poziomy te wyznaczają k(z) i w konsekwencji ciśnienia w poszczególnych strefach.

Współczynniki dla dachu są wyznaczane na podstawie kąta nachylenia połaci. Kąt oblicza się geometrycznie jako α = arctan((h - h1) / (d/2)) w stopniach. Współczynniki strefowe są pobierane z wartości tabelarycznych w funkcji kąta i interpolowane między punktami sąsiednimi. Kąt jest ograniczony do zakresu tabelarycznego użytego w interpolacji.

Wolnostojąca ściana lub ogrodzenie jest traktowana jako oddzielna konstrukcja bez zamkniętej objętości wewnętrznej. Dlatego w tym trybie nie stosuje się ciśnienia wewnętrznego c_pi, a współczynniki strefowe są używane bezpośrednio we wzorze w = q_p(z) · c · γ.

• Jednostki wejściowe: geometria w mm, v_b,0 w m/s.
• Jednostki wyjściowe: ciśnienie w kN/m².
• Znak wskazuje kierunek działania względem powierzchni. Wartości ujemne często oznaczają ssanie.
• Normy: EN 1991-1-4 (wiatr), EN 1990 (zasady, współczynniki częściowe, kombinacje).

FAQs

Dlaczego współczynniki i ciśnienia mogą być ujemne

Znak określa kierunek działania na powierzchnię. Wartości ujemne często odpowiadają ssaniu, gdy przepływ powoduje podciśnienie i „wyciąga” element na zewnątrz. Dla okładzin i mocowań znak może być równie ważny jak wartość bezwzględna.

Co się zmienia po przełączeniu kierunku wiatru A i B

Zmienia się strona nawietrzna. Wraz z nią zmieniają się głębokość, zależności geometryczne oraz podział na strefy. Dla dachu przełączenie wybiera odpowiedni zestaw współczynników tabelarycznych w EN 1991-1-4 dla wiatru równoległego do kalenicy lub prostopadłego do kalenicy.

Dlaczego kategoria terenu tak mocno wpływa na wynik

Kategoria terenu określa szorstkość i pionowy profil prędkości wiatru. Wchodzi do obliczeń przez k(z), który skaluje ciśnienie wraz z wysokością. Teren otwarty i gęsta zabudowa miejska mogą dawać wyraźnie różne ciśnienia przy tym samym v_b,0.

Co zmienia ciśnienie wewnętrzne cpi

Ciśnienie wewnętrzne uwzględnia różnicę ciśnień między zewnętrzem i wnętrzem obudowy. EN rozpatruje oba znaki c_pi, ponieważ kierunek zależy od otworów i warunków nawietrznych. Kalkulator wybiera przypadek najbardziej niekorzystny pod względem wartości bezwzględnej, używając standardowych wartości EN.

Dlaczego stosuje się współczynnik częściowy γ i czy można go zmienić

Czynnik γ przekształca oddziaływanie charakterystyczne w wartość obliczeniową do weryfikacji stanów granicznych. W wielu sprawdzeniach ULS przyjmuje się γ = 1.5 dla wiodącego oddziaływania zmiennego według EN 1990, a Aneks Krajowy określa ostateczne zasady. Jeśli potrzebna jest wartość charakterystyczna, stosuje się ten sam wzór bez mnożenia przez γ.