Конструктивная прочность вывески: расчёт ветровой и снеговой нагрузки по СП

Представьте, что ваша вывеска — это парус. Ветер давит на неё спереди, сзади, сбоку. Снег налипает на горизонтальные поверхности. Конструкция вибрирует, нагревается на солнце и остывает ночью - и все это происходит одновременно.

Ветровая нагрузка

Ветровая нагрузка - главная опасность для вывески. Ветер создаёт давление на фронтальную поверхность и разрежение на тыльной. Разница давлений и есть то самое усилие, которое пытается оторвать букву от стены или опрокинуть козырёк.

Ветровая нагрузка бывает:

• статическая — среднее давление, которое можно измерить.
• пульсационная — порывы, резкие изменения давления за доли секунды. Именно пульсация вызывает усталостные разрушения крепежа.

Для вывесок, расположенных выше 10 метров от земли, пульсационная составляющая может достигать 40–50% от общей нагрузки.

Снеговая нагрузка

Актуальна для горизонтальных или наклонных конструкций — козырьков, коробов с верхней крышкой, вывесок с горизонтальными полками. Для объемных букв тоже, но в меньшей степени, потому что они довольно тонкие.
Снег имеет вес. Влажный снег весит до 300–400 кг/м³. Если на козырёк площадью 5 м² налипло 20 см мокрого снега — это дополнительная тонна веса.
Снеговые районы России — от I (0,5 кН/м²) до VIII (4,0 кН/м²). Разница — в 8 раз

Результирующая нагрузка

Никто не считает ветер и снег по отдельности, а потом не складывает. СП требует рассматривать сочетания нагрузок с коэффициентами. Для вывесок основное сочетание выглядит так:

F_рез = (F_ветер × γ_f) + (F_снег × γ_f × ψ)

Где:

• γ_f — коэффициент надёжности по нагрузке (для ветра и снега — 1,4)
• ψ — коэффициент сочетания (0,7 для снега при совместном учёте с ветровой)

Это означает, что просто сложить две нагрузки нельзя — норматив требует снижать снеговую на 30%, когда дует сильный ветер (потому что снег сдувает). Звучит логично, но эту логику нужно закладывать в расчёт.

Коэффициенты надёжности по нагрузке (γ_f) из таблицы 7.1 СП 20.13330.2016


Зачем это нужно?

Конструкция должна выдерживать не расчётную нагрузку, а расчётную × γ_f, то есть с запасом. И этот запас — не прихоть проектировщика, а обязательное требование закона.

Рассчитаем ветровую нагрузку на объёмную букву высотой 50 см, шириной 60 см, глубиной 8 см. Вывеска крепится к фасаду здания на высоте 10 м (примерно 3-й этаж). Здание стоит в Москве.

Исходные данные:

• высота здания H_зд = 30 м;
• высота установки вывески z = 10 м;
• ветровой район — III (w0 = 0,28 кПа);
• тип местности — городская застройка (тип B по СП)

Формула для нормативного значения ветровой нагрузки (п. 11.1.3 СП 20.13330.2016):

W_m = w0 × k(z) × c

Где:

• w0 — нормативное давление ветра (0,28 кПа для Москвы)
• k(z) — коэффициент, учитывающий изменение давления по высоте (зависит от типа местности)
• c — аэродинамический коэффициент (зависит от формы конструкции)

Шаг 1. Определяем k(z) для z = 10 м, тип местности B

По таблице 11.4 СП: для высоты до 10 м k(z) = 0,65. Учитываем, что здание высотой 30 м создаёт дополнительную турбулентность — для фасадных конструкций используем повышающий коэффициент 1,1. Итого: k(z) = 0,65 × 1,1 = 0,715.

Шаг 2. Определяем аэродинамический коэффициент c

Для отдельно стоящей плоской конструкции (буква) при фронтальном обдуве:

• наветренная сторона (давление): c = +0,8
• заветренная сторона (разрежение): c = -0,6

Разница давлений, которая и создаёт отрывающее усилие: Δc = 0,8 - (-0,6) = 1,4

Шаг 3. Считаем W_m

W_m = 0,28 кПа × 0,715 × 1,4 = 0,28 кПа

Итак, нормативное ветровое давление на 1 м² площади буквы составляет 0,28 кН/м² (что равно 280 Н/м² или примерно 28 кгс/м²).

Шаг 4. Добавляем коэффициент пульсации

Для высоты 10 м и типа местности B коэффициент пульсации ζ = 0,85. Учитываем его для расчёта пиковых нагрузок:

W_пик = W_m × ζ = 0,28 × 0,85 = 0,238 кПа — это уже меньше?

Нет, логика в том, что пульсация накладывается на среднюю нагрузку. Правильнее:

W_полная = W_m + W_пульс = W_m × (1 + ζ) = 0,28 × 1,85 = 0,518 кПа (около 52 кгс/м²)

Шаг 5. Применяем коэффициент надёжности по нагрузке γ_f = 1,4

W_расчётная = W_полная × 1,4 = 0,518 × 1,4 = 0,725 кПа (около 72,5 кгс/м²)

Шаг 6. Пересчитываем на площадь нашей буквы

Площадь буквы: 0,5 м × 0,6 м = 0,3 м²
Общее вырывающее усилие на всю букву:
F_выр = W_расчётная × S_буквы = 0,725 кН/м² × 0,3 м² = 0,2175 кН ≈ 22,2 кгс

Что это значит?

При порыве ветра до 23 м/с (это норма для III ветрового района) на крепления каждой буквы будет действовать вырывающее усилие около 22 кг. Умножаем на количество букв в вывеске — и получаем нагрузку на фасад. Если букв 10 — это уже 220 кг.
Но это не всё. Аэродинамика реальной вывески сложнее: буквы стоят в ряд, создают вихри, влияют друг на друга. Поэтому профессиональный расчёт всегда включает компьютерное моделирование для сложных конфигураций.