Hur man beräknar vindpressen

Vinden är en massa av luft som rör sig mestadels i en horisontell riktning från en högtryckszon till ett lågt tryck. Mycket starka vindar kan vara verkligt destruktiva, för att de ger en intensiv drivkraft på ytorna på en struktur. Det är nödvändigt att beräkna vindtrycket för att designa och bygga säkrare byggnader, mer motståndskraftiga mot luftströmmar och att placera element, som antenner, över byggnaderna själva.

Del 1

Generisk formel

Definiera den generiska formeln. Detta är F = A x P x Cd var F det är den kraft som utövas av vinden, EN det är det projicerade området av objektet, P vindtryck e CD är aerodynamisk dragkoefficient. Denna ekvation är användbar för att beräkna kraften som utövas av vinden (dragkraft) på ett specifikt objekt med ett känt område.

Beräknar det projicerade området av objektet (A). Detta är den tvådimensionella ytan av ett tredimensionellt föremål som drabbas av vinden. För en fullständig analys kommer du att upprepa beräkningen på varje ansikte av strukturen. Till exempel, om den västra fasaden av byggnaden har en yta på 20 m², använd det värdet för att beräkna vindtrycket på den specifika fasaden.

Formeln för beräkning av området beror på fasadens storlek och form. Om det är en platt vägg, använd formeln Område = längd x höjd. Om det är en kolumn approximeras det genom att multiplicera diametern efter höjd enligt denna andra formel Yta = diameter x höjd.

Om du använder det internationella metriska systemet (SI) mäts området i kvadratmeter (m²);

Om du använder det kejserliga metriska systemet mäts området i kvadratmeter (ft²).

Beräkna vindtrycket. Formeln för att härleda trycket, uttryckt i psf (pund per kvadratfot) i det imperiala metriska systemet, är P = 0,00256 x V², var "V" är vindhastigheten i mph (miles per timme). För att beräkna trycket enligt det internationella metriska systemet, uttryckt i N / m² (Newton per kvadratmeter) använder formeln P = 1/2 x ρ x V², var "V" är vindhastigheten uttryckt i m / s (meter per sekund) e "ρ" Det är densiteten hos konventionellt konstant luft som tas vid 1,25 kg / m³. Ersätter värdet av "ρ" i formeln kommer vi då ha P = 1/2 x 1,25 kg / m³ x V² och följaktligen P = 0,615 x V².

Denna formel är baserad på koden för American Society of Civil Engineers. Koefficienten 0,00256 är resultatet av en beräkning baserad på typiska värden för lufttäthet och gravitationsacceleration.

Ingenjörer använder en mer exakt formel där andra faktorer beaktas, såsom omgivande terräng och typ av konstruktion. Du kan titta på en av formlerna i ASCE-koden 7-05 eller använd UBC-formeln i följande stycken.

Om du inte är säker på vindvärdet kan du ta bort toppvindhastigheten i ditt område med hjälp av standarderna Electronic Industries Association (EIA) eller använd en specifik tabell enligt de regler som reglerar denna typ av ansökan. Olika territoriella områden har olika referenser.

Bestämmer dragkoefficienten för objektet i fråga. Den aerodynamiska dragningen är den resulterande kraften i riktningen av fluidflödet som alstras av trycket på ytan av ett föremål. Den aerodynamiska koefficienten representerar motståndet hos ett föremål i en vätska och beror på dess form, storlek och grovhet. För ett ungefärligt värde är det möjligt att använda tabellen som är relaterad till formen på objektet som undersöks. Till exempel:

Den standard aerodynamiska koefficienten för ett långt cylindriskt rör är 1,2 medan det för en kort cylinder är 0,8. Dessa värden gäller för de rörformiga antennerna som ligger på toppen av många byggnader.

Standardkoefficienten för en platt platta, såsom fasad av en byggnad, är 2,0 vid en lång plåt och 1,4 för de kortare plåtarna.

Skillnaden mellan en koefficient för en plan och en cylindrisk yta är ca 0,6.

Den aerodynamiska koefficienten har ingen måttenhet.

Beräkna vindtrycket. Med hjälp av de ovan beskrivna värdena kan du nu beräkna vindtrycket med ekvationen F = A x P x Cd.

Exempel. Antag att vi vill bestämma vindkraften på 100 km / h på en 2 m hög antenn med en diameter på 5 cm.

Börja med att beräkna det projicerade området. I det här fallet kommer vi att ha: A = diameter x höjd = 2 m x 0,05 m = 0,1 m² (det är nödvändigt att konvertera centimeterna i meter);

Beräkna vindtrycket. Enligt tidigare formel (med det internationella metriska systemet) kommer vi att ha: P = 0,615 x V². Vi vet att hastigheten måste uttryckas i "meter per sekund"Därför, innan du ersätter det exakta värdet, är det nödvändigt att konvertera data i km / h till m / s. Att veta att 1 km är lika med 1000 m och att 1 sekund är 1/3600 av 1 timme, vi kommer att ha 100 x 10³ / 3600 = 100/3600 x 10³ = 27.778 m / s. När hastigheten är uppnådd kan vi ersätta det i vår ekvation P = 0,615 x 27,778² = 474.545 N / m².

Vi vet att standard aerodynamisk koefficient i detta fall är ca 0,8

Vi ersätter nu alla kända värden i vår formel:
F = A x P x Cd = (0,1 m²) x (474.545 N / m²) x 0,8 = 37,96 N = 0,038 kN.

Så den kraft som utövas av vinden på antennen är 0,038 kN.

Del 2

Beräkna vindtryck enligt MKB (Electronic Industries Association)

Vi definierar den formel som utvecklats av MKB. Formeln för beräkning av vindtrycket är F = A x P x Cd x Kz x Gh, var EN är det drabbade området, P det är vindbelastningen, CD är dragkoefficienten, kz är exponeringskoefficienten e gh är "gustresponsfaktor". Denna formel tar hänsyn till fler parametrar för beräkning av vindtrycket och används vanligtvis för att härleda vindbelastningen på antennerna.

Förstå ekvationsvariablerna. För att du ska kunna använda en ekvation på lämpligt sätt måste du först förstå vad variablerna representerar och vad är måttenheten för varje enskild enhet.

EN, P och CD de är samma variabler som används i den generiska formeln;

kz är exponeringskoefficienten och beräknas med hänsyn till höjden från marken till objektets centrala punkt. Måttenheten för denna parameter är foten (ft);

gh är "gustresponsfaktor" och beräknas med hänsyn till hela höjden på objektet. Måttenheten är 1 / fot eller ft^-1.

Bestämmer det projicerade området. Objektets projicerade yta varierar beroende på storlek och vikt. Om vinden träffar en plan yta är det enklare att beräkna det projicerade området än om ytan avrundades. Det projicerade området kommer att vara en approximation av det område där vinden kommer i kontakt. Det finns ingen formel för att bestämma det, men tack vare några grundläggande beräkningar är det möjligt att uppskatta kvantiteten. Måttenhet för denna parameter är kvadratfoten (ft²).

För en plan yta, multiplicera du bredden med längden på den vägg som drabbats av vinden.

Om det är ett rör eller en kolumn kan du approximera området med hjälp av höjd och bredd. I detta fall är bredden ingenting mer än objektets diameter.

Beräkna vindtrycket. Denna parameter ges av ekvationen P = 0,00256 x V², där V är vindhastigheten uttryckt i miles per timme (mph). Mätningsenheten för vindtryck är pundet per kvadratfot (psf).

Till exempel, om vindhastigheten är 70 km / h, kommer trycket som utövas att ges med 0,00256 x 70² = 12,5 psf.

Ett alternativ för att beräkna vindtrycket vid en given hastighet är att använda den standard som fastställts enligt de olika zonerna. Till exempel, enligt MKB, ingår mest av USA i zon A, där vindhastighet anses 86,6 mph, men områden längs kusten kan falla i zon B (100 mph) eller zon C (111). , 8 mph).

Bestämmer dragkoefficienten för objektet i fråga. Aerodynamiskt drag är kraften i flödesriktningen på grund av tryck på objektets yta. Denna koefficient representerar det aerodynamiska motståndet hos ett föremål genom en vätska och beror på själva objektets form, storlek och råhet.

Dragkoefficienten för ett långt cylindriskt rör är 1,2 och för en kortare cylinder är det 0,8. Dessa standarder tillämpas på de antenner du hittar på många byggnader.

Den aerodynamiska dragkoefficienten för en plan yta som fasaden av en konstruktion är 2,0 (om det är ganska lång), 1,4 om det är en mindre yta.

Skillnaden mellan de två koefficienterna för platta eller cylindriska föremål är ungefär 0,6.

Den aerodynamiska dragkoefficienten har ingen måttenhet.

Beräkna exponeringskoefficienten (kz). Denna parameter beräknas med hjälp av formeln [Z / 33]^(2/7)), z Det är höjden från marken till objektets centrala punkt.

Till exempel, om du har en 3 ft lång antenn vid 48 ft över marken, värdet av z Det är 46,5 ft.

Kz = [z / 33]^(2/7))= [46,5 / 33]^(2/7)) = 1,1 ft.

Beräkna värdet på gh. Denna faktor beräknas med ekvationen Gh = 0,65 + 0,60 / [(h / 33)^(1/7)], var h det är objektets höjd.

Om du till exempel har en 3 ft lång antenn vid 48 ft ovanför marken kommer vi att ha Gh = 0,65 + 0,60 / [(h / 33)^(1/7)]= 0,65 + 0,60 (51/33)^(1/7)= 1,22 ft^-1.

Beräkna vindlast. Med hjälp av de erhållna värdena kan du nu beräkna vindtrycket med ekvationen F = A x P x Cd x Kz x Gh. Ersätt värdet för varje variabel och utför beräkningen.

Antag att du vill bestämma vindbelastningen på en 3-fots mångantenn med en diameter på 0,5 tum, installerad ovanpå en 48-fots hög struktur, som drabbas av vindstrålar vid 70 mph.

Låt oss börja med att beräkna det projicerade området. I det här fallet kommer vi att ha: A = Lungh. x Bredd = 3 ft x [0,5 i x (1 ft / 12 tum)] = 0.125 ft²;

Beräkna vindtryck: P = 0,00256 x ² = 0,00256 x 70² = 12,5 psf-

Med tanke på en kort cylinder är dragkoefficienten 0,8-

Kz = [z / 33]^(2/7)) = [46,5 / 33]^(2/7)) = 1,1 ft-

Gh = 0,65 + 0,60 / [(h / 33)^(1/7)]= 0,65 + 0,60 (51/33)^(1/7)= 1,22 ft^-1

Ersätt värdena i ekvationen: F = A x P x Cd x Kz x Gh = 0,125 x 12,5 x 0,8 x 1,1 x 1,22 = 1,68 lbs.

Vindtrycket är därför 1,68 lbs.

Visa mer ... (2)

Dela på sociala nätverk:

Relaterade

Hur man beräknar vindpressen

steg

Del 1

Del 2