В процессе проектирования систем оповещения специалисты часто сталкиваются с необходимостью установки оборудования на элементах конструкций окружающей застройки. Так как оконечные средства оповещения устанавливается не только на фасадах зданий, но и на кровле, на достаточно большой высоте, в проектировании таких систем, возникают нюансы, которые нельзя игнорировать, так как они влияют не только на качество оповещения, но и на безопасность окружающих людей. Часто в подобных проектах используются мачты различных технологических конструкций, как с использованием оттяжек, так и мачты с пригрузами. Наиболее явными представляются особенности конструкций, взаимодействующих с окружающей средой такие как: адаптация их к погодным условиям, воздействию влаги, ветра, солнечных лучей, возможность попадания молний в конструкцию во время гроз и других факторов. Для этого, в конструкциях стоек предусматривают установку молниезащиты, а для адаптации к воздействию влаги и солнечных лучей, изготовители оборудования используют материалы антикоррозийной обработки. Однако, в данной статье мы сфокусируемся на одном из факторов, ветре, и технологических расчетах, направленных на решение проблемы с воздействием ветра на конструкцию.

Чем опасен ветер и почему необходимо учитывать его воздействие?

Ветер воздействует на конструкции следующим образом, ветровой поток с определенной скоростью сталкивается с препятствием и с силой давит на поверхность, которая попадает в зону воздействия. В свою очередь конструкция реагирует на внешнее воздействие. Реакция у каждой конструкции различная и зависит она не только от размеров и высоты установки оборудования, но также от формы, которая определяет аэродинамические коэффициенты огибания конструкции потоками воздушных масс. Величина воздействия ветра зависит от местоположения объекта, высоты расположения мачты, окружающей застройки и, несомненно, от ветрового района. Нагрузка от ветра имеет не только статическую, но и динамическую составляющую. Важно учесть, что ветровая нагрузка кроме прочего изменяется в вертикальной плоскости, чем выше установлена конструкция, тем большее влияние на нее будет оказывать давление ветра, и, если существует положительный пример установки мачты на высоте, скажем, 20 метров, то нельзя гарантировать, что установка аналогичной мачты будет столь же надежна на высоте 25, 30, 40 метров.

Конечно, основную проблему для проектирования составляют не регулярные перемещения воздушных масс, такие как легкий ветерок или бриз, а ураганы и сильные порывы ветра, которые многократно усиливают влияние динамической составляющей ветровой нагрузки. Речь идет не только о воздействии ветра при хороших погодных условиях, но и том, сможет ли выстоять конструкция, при повышенных показателях, когда вокруг падают деревья, и порывы ветра срывают профнастил, разрушая кровельный материал. Ветровая нагрузка является одним из основных факторов, влияющих на надежность установки конструкции, по своим значениям она часто превышает снеговую, и рассчитывается наряду с прочностными характеристиками. Таким образом, именно детализированный расчет ветровой нагрузки позволяет понять, выдержит конструкция порывы ветра, или, несмотря на свою устойчивость и прочность металла, из которого она сделана, не сможет противостоять данному природному явлению.

Всемирной метеорологической организацией определена двенадцатибальная шкала для приближенной оценки скорости ветра при его воздействии на наземные предметы. Данная шкала получила наименование Шкала Бофорта и учитывает скорость ветра от 0 м/с - Штиль, до 33 и более м/с - Ураган. Однако, для расчетов нас интересует не столько какие ветра бывают, а то, насколько часто и за какой период ветер с максимальной скоростью бывает на той или иной территории. Распределение по ветровым районам определено картой №2 приложения Е к своду правил СП.20.13330.2016 “Нагрузки и воздействия”. Приложение представляет собой карту с нанесенными границами 7 ветровых районов (фактически 8, так как 1-й район делится на 1 и 1а).

Однако, на практике использование такой карты не всегда удобно из-за достаточно мелкого масштаба и сложностей, возникающих при определении ветрового района на границе. Поэтому в большинстве случаев пользуются сведенными в таблицу данными с привязкой по наименованию населенного пункта.

Детализированный расчет ветровой нагрузки является весьма трудоемким процессом, требующим работы с набором нормативной документации, учета большого количества коэффициентов и индексов, зависящих от условий конкретного проекта. По этой причине, часто, можно встретить расчеты, выполненные «с запасом». При этом специалист устанавливает максимальные коэффициенты, т. е. специфика проекта в расчете не учитывается, так как ключевым, в данном случае, является экономия времени при уверенности в надежности. Такая методика расчета неизменно ведет к последствиям, превышающим плюсы экономии времени и трудозатрат, таким как: необоснованное увеличение прочности мачт и удерживающих устройств, необходимого материала, и, впоследствии, критическое увеличение нагрузок на поверхность установки, а также удорожание самой конструкции.

В настоящее время расчет типовых конструкций производится с использованием программных средств автоматизации, однако в сфере проектирования систем оповещения населения автоматизация таких расчетов представлена только программным комплексом оценки эффективности топологии оконечных средств оповещения. Эта функция реализуется с использованием «калькулятора по опрокидыванию», доступного для авторизованных пользователей.
Расчет с использованием программного комплекса учитывает специфические характеристики каждого конкретного проекта. Программа, алгоритмы которой, построены на расчетах, приведенных в актуальной нормативной документации, автоматически подбирает необходимые для расчета показатели, после ввода пользователем минимального, но достаточного объема исходных данных.

Ветровой район, коэффициент учитывающий изменение ветрового давления для высот, аэродинамические коэффициенты используемого оборудования, коэффициент динамичности, коэффициент надежности по нагрузке, все эти показатели уже заложены внутри алгоритма. Алгоритм рассчитывает влияние формы, размеров, веса и расположения оборудования на проектируемой мачте.

В настоящее время со стороны надзорных и контролирующих органов очевидна тенденция к усилению контроля за безопасной эксплуатацией средств оповещения населения, надлежащим их созданием и эксплуатацией. Важным, но не единственным становится вопрос расчета прочностных характеристик, в том числе расчет ветровой нагрузки.