Оценка ветровых нагрузок для производства рекламных вывесок

Всем ветрам назло!
МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: ТЕХНОЛОГИЯ
Оценка ветровых нагрузок для производства
рекламных вывесок
Правильный расчет ветровых нагрузок и способы укрепления рекламных вывесок
являются важной задачей для производителей наружной рекламы. К сожалению,
нередки случаи поваленных рекламных щитов, оторванных вывесок и болтающихся баннеров, виной которым стал сильный ветер. Оценить ветровые нагрузки не
представляется сложной задачей, но вопрос выбора прочного материала и способов укрепления рекламных плоскостей всегда остается актуальным.
Фото 1. Монтаж объемных
букв SAMSUNG. Работа
компании «АВЕРС Новітні
Технології».
Фото 2. Накрышная
установка WEST. Работа
компании «АВЕРС Новітні
Технології».
В арсенале средств и методов производителя наружной рекламы должны находиться расчетные программы
для оценки ветровых нагрузок и отработанные решения
увеличения устойчивости к прочностным нагрузкам для
рекламных плоскостей и объемных изделий. Этот набор
средств не сложный, но многие производители обходят
его стороной, полагаясь на то, что на этот раз ничего не
произойдет.
Элементарные оценки ущерба от разрушения вывесок
показывают, что средства, потраченные на их укрепление,
во много раз меньше, чем на восстановление разрушенных
конструкций. В каждой вывеске, закрепленной на высоте,
заложен определенный риск. Оценка основных факторов
риска, а также принятие соответствующих мер для предотвращения или, по крайней мере, снижения их до минимума чаще всего остается вне рассмотрения. Разумное
отношение к проблеме обязывает изготовителя извлекать
средства из оборота, резервируя их на восстановление и
ремонт изделий. На практике это редко делается. Только
отрицательный практический опыт заставляет производителя принимать соответствующие меры. Такая тенденция характерна для производителей наружной рекламы в
Украине, России и других странах. Прошедшие в течение
несколько последних лет ураганные ветры в Соединенных
Штатах Америки, Европе и Азии показали, что более 70%
вывесок не соответствовали основным требованиям по
устойчивости к ветровым нагрузкам.
Оценки ветровой нагрузки
42
Фото 3. Стела из АКП Ecobond. Выполнено компаний «Биплан».
Объект, находящийся под воздействием ветра, испытывает несколько видов нагрузок. Сюда включаются
нормальное давление, приложенное к внешней поверхности объекта; нормальное давление, приложенное к
внутренним поверхностям строений с проницаемыми
ограждениями; силы трения, направленные по касательной к внешней поверхности и отнесенные к площади ее
горизонтальной или вертикальной проекции. Кроме того,
необходимо дополнительно производить расчет на вихревое возбуждение (ветровой резонанс), возникающий в
Wm=W0•k•c (1)
Где W0— нормативное значение ветрового давления,
k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте,
c — аэродинамический коэффициент.
Нормативное значение ветрового давления W0 следует
принимать в зависимости от географического положения
ветрового района (всего 8 районов) по специальным таблицам. Для большей части территории Украины, за исключением Крымских и Карпатских гор, величину W0 можно
брать 0,30 кПа (30 кгс/кв. м) (район II — на северо-запад
от Днепропетровска) или 0,38 кПа (38 кгс/кв. м) (район III
на юго-восток от Днепропетровска и Прикарпатье), а для
гористой местности — 0,6 кПа (60 кгс/кв. м).
При этом нормативное значение ветрового давления
W0 (Па) следует определять по формуле:
W0=0,61•V02 (2)
где V0 – численно равно скорости ветра, м/с, на уровне 10 м над поверхностью земли для местности типа А.
Ориентировочные оценки ветровых нагрузок показаны в
таблицах 1 и 2.
Коэффициент 0,61 в формуле (2) — кинетический параметр воздуха, взятый как усредненное значение весовых
характеристик, при нормальных условиях влажности,
давлении и температуре 15°C.
Коэффициент k в формуле (1), учитывающий изменение ветрового давления по высоте Z, определяется по
приведенной таблице 3, в зависимости от типа местности.
Принимаются следующие типы местности:
А — открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи;
Таблица 1
Ориентировочные оценки ветронагрузок
Ветер
Легкий
Средний
Сильный
Ураганный
Скорость
(км/час)
20
40-60
80-100
120-140
Скорость
(м/сек)
6
11-17
22-28
33-39
Давление
(кг/м2)
2
8-17
30-40
68-95
Таблица 2
Высота Z, м
Коэффициент k для типов
местности
A
B
C
<=5
0,75
0,5
0,4
10
1,0
0,65
0,4
20
1,25
0,85
0,55
40
1,5
1,1
0,8
60
1,7
1,3
1,0
80
1,85
1,45
1,15
100
2,0
1,6
1,25
150
2,25
1,9
1,55
200
2,45
2,1
1,8
250
2,65
2,3
2,0
300
2,75
2,5
2,2
350
2,75
2,75
2,35
>=480
2,75
2,75
2,75
МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: ТЕХНОЛОГИЯ
случае, когда относительные размеры сооружения удовлетворяют условию, где h — высота объекта, d — минимальный размер поперечного сечения, расположенного
на уровне 2/3h.
Ветровую нагрузку следует определять как сумму
средней и пульсационной составляющих. Многим вполне
понятно, откуда берутся и как рассчитываются перечисленные нагрузки, за исключением, возможно, последней
составляющей. Однако для инженеров рекламного производства имеется в определенном смысле упрощение —
установленные нормативы допускают не учитывать пульсирующую составляющую, если вывески находятся в
черте города и располагаются на высоте до 36 м при отношении высоты к ширине менее 1,5 [см. ссылку 1]. Это не
означает, что пульсационных ветровых нагрузок не будет,
просто этой составляющей можно пренебречь.
Значительное затруднение возникает, когда включаются аэродинамические характеристики объемной вывески,
габаритные размеры которой сравнимы с размерами ближайшего окружения: здания, сооружения, сложной рамной конструкции. Без специальных испытаний на объекте
или на уменьшенной модели трудно обойтись.
Несмотря на некоторые сложности в расчетах, которые обычно применяются в архитектуре и строительстве,
имеются довольно простые формулы для оценки ветровых нагрузок (1).
Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки Wm на высоте Z над поверхностью земли
следует определять по формуле:
B — городские территории, лесные массивы и другие
местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
С — городские районы с застройкой зданиями высотой
более 25 м.
Сооружение считается расположенным в местности
данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h — при высоте сооружения h до 60 м и 2 км — при большей высоте.
Пример расчетов
Вывеска в виде короба размером 1,2 на 3 метра, с
лицевой частью из молочного акрила расположена с
наветренной стороны фасада здания на высоте 8 метров.
Здание расположено в Киеве — тип местности С, ветровой район — II.
43
Таблица 3
МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: ТЕХНОЛОГИЯ
Характеристика
сооружений, элементов
конструкций и ветровых
нагрузок
Отдельно стоящие плоские
сплошные конструкции.
Вертикальные и
отклоняющиеся от
вертикальных не более
чем на 15° поверхности:
наветренные
подветренные
Скатные крышные
поверхности
Схемы более сложных
сооружений
Определение
аэродинамических
коэффициентов с
се=+0,8
се=-0,6
се=-2,0
См. Приложение 4.
СНиП 2.01.07-85
Из таблицы 2 выбираем коэффициент изменения ветрового давления по высоте k = 0,4.
Величина W0 для ветрового района II — 30 кг/кв. м.
Аэродинамический коэффициент выбираем из таблицы 3 с= 0,8
Тогда получаем:
Wm=30 • 0,4 • 0,8 = 9,6 кг/м2 .
Полная ветровая нагрузка на вывеску:
W=Wm • S = 9,6•(1,2 • 3)=34,56 кг,
где S — площадь вывески.
Теперь, если эту вывеску поднять на высоту 9-го этажа
дома (>30 метров), то значение средней составляющей
ветровой нагрузки Wm окажется равным 19,2 кг/кв. м,
а полная ветровая нагрузка будет примерно 70 кг. При
таких значениях ветровых нагрузок акрил толщиной 4 мм,
конечно же, не выдержит. Расчетное значение минимальной толщины акрила при креплении листа по периметру
светового бокса составляет 8 мм.
Естественно, возникает вопрос, как увеличить прочность конструкции при меньших затратах.
Укрепление рекламных плоскостей
44
Остается теперь выяснить, каким образом можно
увеличить запас прочности вывески. Лучший способ —
использовать более прочные и толстые материалы и конструкции. Однако вопрос выбора материалов все равно
остается открытым, так как не для всех конструкций
можно найти листовой материал нужной толщины с нужными свойствами. Простейшее конструктивное решение,
которое чаще всего используется — вклеить ребра жесткости, которые располагаются с равными расстояниями
от линии симметрии короба. Это может сделать вывеску более легкой, упростить процесс монтажа и снизить
эксплуатационные расходы. При укреплении вывески с
большой парусностью на высоте даже небольшой ветер
создает настолько сильное давление, что установить рекламный объект становится практически невозможно или
даже опасно для жизни. Поэтому систему крепления и
порядок монтажа нужно заранее тщательно продумать.
В связи с этим мы можем сослаться на свой личный
опыт. Так, например, во время монтажа вывески на высоте 10–13-этажных зданий мы столкнулись с большими
ветровыми нагрузками, при том что внизу наблюдалось
сравнительное затишье. Поэтому система крепления и
сама конструкция требовала дополнительного усиления
и использования самых надежных материалов (фото 1,
фото 2).
Часто использование клея для соединения лицевого
светорассеивающего пластика светового короба к боковым частям из вспененного ПВХ не всегда дает желаемый
результат, так как склеенный стык материалов — самое
непрочное место. Чаще всего наблюдается отрыв акрила
вместе с клеем от ПВХ пластика. Более прочные конструкции создаются с помощью рамного металлического каркаса, к которому крепятся профильные элементы из алюминия, в которые вставляются пластики. Дополнительное
укрепление эластичным конструкционным клеем или
герметиком способствует не только увеличению прочности всей конструкции, но и обеспечивает влагостойкость
вывески. Напомним, что вода при попадании в щели при
замерзании расширяется и может быть причиной повреждения.
Усиление вывесок кассетного типа
Производители наружной рекламы, работающие
несколько лет в этой области, уже имеют опыт успешных
решений и набор более-менее надежных конструкций.
Но то, что происходит сейчас при производстве навесных
вывесок кассетного типа, подобных кассетам, используемым при облицовке вентилируемых фасадов, не поддается ни логике, ни объяснению. На многих зданиях можно
увидеть подобные вывески большого размера, 1,2 х 2,4 м
или даже больше, которые крепятся только в 4 точках.
Понятно, что это направление развивается небывалыми
темпами, и в него внедряются и новички-строители, и рекламные компании, которые еще не имеют достаточного
опыта. По анализу свободно доступных информационных
источников можно судить, что вопрос этот почти нигде не
обсуждается.
Усиление вывесок кассетного типа из композитных
панелей ECOBOND® может производиться различными способами, чтобы противостоять ветровым нагрузкам и возможной деформации кассет. Элементы усиления — это, в основном, алюминиевый профиль, размеры
которого определяются требуемым моментом инерции.
Момент инерции, упрощенно, это произведение величины нагрузки на квадрат расстояния от оси закрепления до
точки приложения нагрузки. Ребра жесткости приклеиваются к обратной стороне кассеты через равные интервалы. Ветровая нагрузка передается от панели к ребрам
жесткости и усилие деформации панели, укрепленной
ребрами жесткости, становится недостаточным для повреждения. Однако это усилие, равномерно прикладываемое ко всей площади лицевой части кассеты, через ребра
жесткости перераспределяется на края панели и окончательно — к точкам закрепления. Ребра жесткости должны
быть расположены как можно ближе к точкам крепления,
тогда нагрузка распределится наиболее простым и прямым образом к поддерживающей системе подоблицовочных ригелей или опорных стоек. Тип и расположение
Заключение
Вывески на зданиях, отдельно стоящие щиты, биллборды, объемные рекламные конструкции, также как и
другие архитектурные формы, должны разрабатываться
и изготавливаться с таким расчетом, чтобы противостоять наибольшим ветровым нагрузкам. В расчет не
должны приниматься аргументы, что изделие временное,
сильные ветровые нагрузки эпизодические или весьма
редкие. Конструкция должна быть проанализирована и
оценена с точки зрения стойкости к ветровым нагрузкам
дипломированным инженером-конструктором. Анализ
должен включать прочность используемых материалов,
прочность крепежных элементов, соединений и качества монтажа. Использование внешних распорок, упоров,
сварных или клепочных соединений, анкерных закреплений должно сопровождаться согласованием по прочности
с расчетными значениями нагрузок, контролем качества
исходных компонентов и процесса монтажа со стороны
инженерного персонала. Эти необходимые меры избавят исполнителя от риска повреждения и лишних затрат
на ремонтно-восстановительные работы, а также могут
обеспечить хорошую репутацию профессиональной компании, если ваша рекламная конструкция выдержит сильнейший ветер, в то время как рядом стоящие и висящие
конструкции будут оторваны или повалены.
МАТЕРИАЛЫИОБОРУДОВАНИЕ:ТЕХНОЛОГИЯ/РЕКЛАМА
ребер — это конструкторское решение, которое включает
учет нескольких переменных параметров, например: жесткость ребра, шаг крепления, расчетная ветровая нагрузка, допустимый изгиб (обычно полагают величину 1/30
от ширины панели или 3%), толщина панели, прочность
крепежа и шаг профилей, стоек или ригелей. Поскольку
максимальная деформация панели происходит в геометрическом центре панели, то ребро жесткости должно располагаться именно там, а остальные ребра размещаются
по бокам на равном расстоянии от центра.
Для некоторых видов узлов кассет хорошо подходит
специальная система алюминиевых профилей, рекомендованная к АКП Ecobond. Такие профили выполняют
сразу несколько функций: укрепление угловых или стыковочных узлов, а также дают возможность изготовить
открываемые или обслуживаемые кассеты.
Для приклейки ребер жесткости используют конструкционный клей или монтажные скотчи. Наиболее слабая
часть кассеты — это ребро изгиба бортов, так как в этих
местах имеется только один слой алюминия. При сильных
ветровых нагрузках может произойти отрыв лицевой
части кассеты от борта, который прикреплен к профильной системе на фасаде. Для укрепления этих частей кассеты используются два способа – заливка углового паза
конструкционным клеем на полиуретановой основе или
вклеивание алюминиевого профиля в виде уголка или
квадрата. Количество точек закрепления определяется
площадью поверхности кассеты. По рекомендациям некоторых производителей композитных панелей шаг крепления или точек закрепления должен быть не более 60 см.
Ссылки­:
1. Строи­те­льные­ нормы и­ пра­ви­ла­ СНи­П 2.01.07-85*
«На­грузки­ и­ возде­йстви­я»
5