Как избежать разрушительных последствий сильного ветра

Шкалы, описывающие ураганы

Естественно, возникает вопрос: а существуют ли ветра, которые дуют сильнее, чем 120 км/ч на нашей Земле? Иными словами, имеется ли шкала, которая бы описывала различную силу ураганов? Ответ на этот вопрос положительный: да, такая шкала имеется, и она является не единственной.

В первую очередь следует сказать, шкала ураганов Бофорта также существует, и с стандартной шкалой она стыкуется просто (добавляются баллы от 13 до 17). Эта расширенная шкала была разработана еще в середине прошлого века, однако, хотя ее и можно использовать для описания тропических ураганов, которые часто происходят на побережьях юго-восточной Азии (Тайвань, Китай), применяется она редко. Для этих целей существуют другие специальные шкалы.

Подробное описание ураганов приводится в шкале Саффира-Симпсона. Она разработана в 1969 году американским инженером Гербертом Саффиром, затем Симпсон добавил в нее эффекты, связанные с наводнениями. Эта шкала делит все ураганы на 5 уровней в зависимости от скорости ветра. Она охватывает все возможные пределы этой величины: от 120 км/ч до 250 км/ч и больше, и подробно описывает характерные для данного балла разрушения. Шкалу Саффира-Симпсона легко транслировать в расширенную шкалу Бофорта. Так, 1 балл по первой будет соответствовать 13 баллам второй, 2 балла — 14 баллам и так далее.

Другими теоретическими инструментами для классификации ураганов являются шкала Фудзиты и шкала ТОРРО. Обе шкалы используются для описания торнадо или смерча (вид урагана), при этом первая основывается на классификации разрушений от торнадо, вторая же имеет соответствующее математическое выражение и базируется на скорости движения ветра в торнадо. Обе шкалы применяются во всем мире для описания указанного вида ураганов.

Средняя составляющая ветровой нагрузки

Средняя составляющая \({w_m}\) — базовая компонента ветровой нагрузки, от которой зависит и пульсационная составляющая. Определяется она по формуле:

\({w_m} = {w_0} \cdot k \cdot c\), (2)

где

• \({w_0}\) — нормативное значение ветрового давления, кПа;
• \(k\) — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;
• \(c\) — аэродинамический коэффициент.

Нормативное значение ветрового давления \({w_0}\) определяется в зависимости от ветрового района. Так, для III района оно составляет \({w_0} = 0,30\) кПа.

Для определения коэффициента \(k\) существует два способа; оба из них указаны в стандарте . Например, этот коэффициент можно определить по формуле

\(k = {k_{10}}{\left( {\frac{{{z_e}}}{{10}}} \right)^{2\alpha }}\), (3)

где

• параметры \({k_{10}}\) и \(\alpha \) принимаются в зависимости от типа местности (A, B или C);
• \({{z_e}}\) — эквивалентная высота, м.

Проектирование ЖБК в среде BIM Tekla Structures

Эквивалентная высота

Эквивалентная высота конструкции используется в нормах для определения различных коэффициентов.

Для башенных, мачтовых, трубных и других высотных сооружений, эквивалентная высота \({z_e}\) принимается равной действительной высоте \(z\), т. е. расстоянию от уровня земли до точки, в которой мы определяем ветровую нагрузку:

Рисунок 3. К определению эквивалентной высоты

На элементы конструкции, расположенные на разной высоте, аэродинамическая нагрузка оказывает, в общем случае, различное воздействие. Это обстоятельство порождает простой и логичный вопрос: в каких точках прикладывать ветровую нагрузку?

Единственно правильно ответа на этот вопрос, безусловно, не существует. Любая принятая расчетчиком схема дискретизации (разделения конструкции на отдельные участки, сегменты) приближает модель к работе реальной конструкции, в большей или меньшей степени. Очевидно, модель приложения ветровой нагрузки по всей высоте поверхности (рис. 3, а) может быть принята только в первом приближении, для относительно невысоких сооружений. Более точно определить ветровую нагрузку можно, разделяя конструкцию на отдельные участки по высоте и определяя равнодействующую \(w\) в пределах каждого участка (рис. 3, б).

В любом случае, равнодействующая должна быть приложена в центре тяжести распределенной ветровой нагрузки. Расстояние от уровня земли до этой равнодействующей и будет составлять эквивалентную высоту \({z_e}\).

Если принять схему молниеприемника по рис. 3 (а), то при общей высоте 17 м равнодействующая ветровой нагрузки будет приложена в точке \({z_e} = 0,5H = 8,5\) м. Если сооружение размещено в черте города с плотной застройкой (здания выше 25 м, тип местности C), то коэффициент \(k\) будет равен:

\(k = {k_{10}}{\left( {\frac{{{z_e}}}{{10}}} \right)^{2\alpha }} = 0,4{\left( {\frac{{8,5}}{{10}}} \right)^{2 \cdot 0,25}} = {\rm{0,369}}\). (4)

Аэродинамический коэффициент

Для определения аэродинамического коэффициента \(c\), входящего в (2), нередко прибегают к натурным испытаниям масштабных образцов в аэродинамической трубе. Это делается с целью получить более точную картину обтекания конструкции ветровым потоком, а также учесть шероховатость поверхности и другие аспекты конкретного сооружения.

В практических же расчетах можно руководствоваться справочной литературой. В частности, в приводится следующая информация об аэродинамических коэффициентах:

Рисунок 4. Фрагмент таблицы 3.1 для определения аэродинамических коэффициентов

Если направление ветрового потока совпадает с осью стенки двутаврового профиля, то аэродинамический коэффициент \(c = 0,9\). Если же поперечное сечение конструкции представляет собой многоугольник с \(n\) гранями, то можно воспользоваться следующими данными:

Рисунок 5. Фрагмент таблицы 3.4 для определения аэродинамических коэффициентов

Таким образом, средняя составляющая ветровой нагрузки на молниеприемник двутаврового сечения (2) составляет:

Виды ветров

Существуют различные типы ветров. Они различаются по интенсивности, направленности, длительности существования, прочим показателям.

Главные разновидности потоков – постоянные и сезонные. Первые движутся в неизменном направлении. В категорию входят пассаты в тропиках, западный перенос в умеренных поясах, ветра, направленные от полярных зон к умеренным областям. Возникновение ветров постоянного типа обусловлено соприкосновением областей тропического высокого, экваториального и умеренного низкого давления.

Сезонные потоки изменяют направленность в разные сезоны.

Существуют местные потоки, циркулирующие на ограниченной территории, оказывающие влияние на ее климат.

К постоянным ветрам относятся:

1. Пассаты – постоянно существующие воздушные потоки, формирующиеся в тропических широтах. Устремлены к экватору.
2. Западный перенос – постоянно господствует на территориях с умеренным климатом. Движется на восток.

Сезонные – муссоны. В зимние месяцы направлены с суши в океан, в летние – обратно. Формируются у восточного и юго-восточного берега Азии.

Интересные названия ветров местного уровня:

1. Бризы – теплые ветры, меняющие направленность дважды в сутки, наблюдаемые на стыках суши и моря. В дневные часы несут свежесть с морского пространства, в ночные – уносят нагретый воздух с побережья. Иногда появляются на крупных озерах и водохранилищах.
2. Бора – в летние месяцы теплый, в зимние – холодный поток, формирующийся в областях примыкания гор к морю (Средиземноморье, берега Черного моря). С высокой скоростью движется с горных склонов к воде.
3. Фён – порывистый сухой горячий ветер, спускающийся с горных склонов в долины. Наблюдается в горных областях Евразии, Северной Америки. Порывы обусловлены значительным перепадом высот на небольшой дистанции движения.
4. Самум – пустынный сухой поток, несущий с высокой скоростью огромное количество песка. Отмечается в песчаных пустынях Африки, на Аравийском полуострове.
5. Сирокко – итальянское название ветра южной и юго-западной направленности, наблюдающегося над Средиземноморьем, Северной Африкой.
6. Зефир – влажное теплое весенне-летнее течение, образующееся на востоке Средиземноморья.
7. Суховей – горячий сухой воздушный поток, формирующийся над пустынными и степными зонами умеренного пояса.
8. Зюйд – южное течение. Характеризуется постоянной направленностью на северном полюсе.
9. Нордер – северный воздушный поток, возникающий в Мексиканском заливе.

Ветроуказатель

Необычные:

1. Хабуб – песчаная буря в Северной Африке, Аравии.
2. Солано – сухой, несущий пыль ветер, неблагоприятный для человеческого организма, формирующийся над Испанией и Гибралтарским проливом.
3. Хамсин – горячий шторм, дующий в Аравии 50 суток.
4. Торнадо – североамериканский вид урагана, представляющий воронку, спускающуюся с облака на поверхность земли. Вращается с огромной скоростью, причиняет значительные разрушения. Также называется смерч. Редко наблюдается на прочих континентах.
5. Калима – пыльная буря северо-восточной направленности, движущаяся на Канарские острова.
6. Байамос – шквал, обрушивающийся на Малайский архипелаг, острова Карибского бассейна, несущий грозовые ливни.
7. Близзард – буран в Канаде (аналогично в Сибири пурга).
8. Джут – холодная воздушная масса, направленная из Сибири в Среднюю Азию, несущая морозы и бураны.
9. Мистраль – интенсивный холодный сухой поток, дующий зимой и ранней весной из полярной зоны, проходящий по территории Франции.
10. Леунг – холодное воздушное течение над побережьем Китая.
11. Нагаи – холодная масса, дующая с севера на Японские острова.

Ветряные электростанции

Значение ветров нельзя переоценить: они формируют климат, используются для морских путешествий, некоторых спортивных состязаний, являются возобновляемым источником энергии. Ветряные мельницы уходят в прошлое, но сегодня многие цивилизованные страны переходят на добычу электроэнергии посредством ветровых установок.

Баллы шкалы от 0 до 4

Если анемометр показывает, что ветер находится в пределах 4 баллов рассматриваемой шкалы, тогда говорят о легком бризе:

• Штиль (0): поверхность моря является гладкой, без волн; дым от костра поднимается вертикально вверх.
• Легкий ветерок (1): маленькие волны без пены на море; дым указывает направление, куда дует ветер.
• Слабый бриз (2): прозрачные гребни волн, которые являются непрерывными; начинают падать листья с деревьев и двигаться лопасти ветряных мельниц.
• Легкий бриз (3): маленькие волны, их гребни начинают разрываться; листья на деревьях и флаги начинают колебаться.
• Умеренный бриз (4): множество «барашков» на поверхности моря; поднимаются бумаги и пыль с земли, начинают колыхаться кроны деревьев.

Связь между баллами шкалы и силой ветра

Как уже выше было отмечено, силу ветра в баллах по шкале Бофорта можно перевести в удобные для использования единицы. Для этого служит следующая формула: v = 0,837*B1,5 м/с, где v — скорость ветра в метрах в секунду, B — значение балла по шкале Бофорта. Например, для 4 баллов рассматриваемой шкалы, которым соответствует название «умеренный бриз», скорость ветра будет равна: v = 0,837*41,5 = 6,7 м/с или 24,1 км/ч.

Часто бывает необходимо получить значения скорости перемещения воздушных масс в километрах в час. Для этой цели была выведена еще одна математическая связь между баллами шкалы и соответствующей физической величиной. Формула имеет вид: v = 3*B1,5 ± B, здесь v — это скорость, с которой дует ветер, выраженная в км/ч. Отметим, что значок «±» позволяет получить пределы скорости, которые соответствуют указанному баллу. Так, в примере выше скорость ветра по шкале Бофорта, которая соответствует 4 баллам, будет равна: v = 3*41,5 ± 4 = 24 ± 4 км/ч или 20-28 км/ч.

Как видно из примера, обе формулы дают одинаковый результат, поэтому могут использоваться для определения скорости ветра в тех или иных единицах.

Далее в статье приведем описание последствий воздействия ветра той или иной силы на различные природные объекты и человеческие сооружения. С этой целью всю шкалу Бофорта можно разделить на три части: 0-4 балла, 5-8 баллов и 9-12 баллов.

Воздушная скорость

Скорость ЛА относительно воздуха. Различают два вида воздушной скорости:

истинная воздушная скорость (TAS)

Действительная скорость, с которой ЛА движется относительно окружающего воздуха за счёт силы тяги двигателя(ей). Вектор скорости в общем случае не совпадает с продольной осью ЛА. На его отклонение влияют угол атаки и скольжение ЛА;

скорость по прибору (IAS)

Скорость, которую показывает прибор, измеряющий воздушную скорость. На любой высоте эта величина однозначно характеризует несущие свойства планера в данный момент. Значение приборной скорости используется при пилотировании ЛА;

Южный океан

Image caption

Вполне обычный день в Южном океане — штормит и качает

В результате неравномерного нагревания Солнцем поверхности нашей планеты над ней образуются гигантские пояса преобладающих ветров.

В 30° градусах к северу и югу от экватора стабильно дуют пассаты. На широте 40° доминируют западные ветры, а в районе 60° господствуют полярные восточные.

Если спросить любого моряка, предпринимавшего кругосветное плавание, тот без запинки ответит, что самые сильные ветры — и самые большие волны — встречаются в Южном океане.

Эти буйные южные широты вошли в морской фольклор под прозвищами «ревущие сороковые», «неистовые пятидесятые» и «пронзительные шестидесятые».

В отличие от Северного полушария, в Южном на пути преобладающих западных ветров почти не встречаются континенты — поэтому ветер может без помех разгоняться до скорости свыше 150 километров в час.

Это немало, но еще чуть дальше к югу лежит континент, который признали самым продуваемым на Земле уже более столетия тому назад.

Шкала Бофорта – сила ветра и состояние моря

В1806 году английский адмирал Бофорт разработал условную (двенадцатибалльную) шкалу для визуальной оценки силы (а говоря точнее – скорости) ветра по его действию на наземные предметы или по волнению на море.

К концу прошлого века шкала получила широкое признание и применение и получила название «Шкала Бофорта».

В 1963 году Всемирная метеорологическая организация уточнила шкалу Бофорта и она была принята для приближенной оценки скорости ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Средняя скорость ветра указывается на стандартной высоте 10 метров над открытой ровной поверхностью.

0 баллов – Штиль

Дым (от трубки капитана) поднимается вертикально, листья деревьев неподвижны. Зеркально гладкое море.

1 балл Тихий

Дым отклоняется от вертикального направления, на море легкая рябь, пены на гребнях нет. Высота волн до 0,1м.

2 балла – Легкий

Ветер чувствуется лицом, листья шелестят, флюгер начинает двигаться, на море короткие волны максимальной высотой до 0,3м.

3 балла – Слабый

Листья и тонкие ветки деревьев колышутся, колышутся легкие флаги, легкое волне- ние на воде, изредка образуются маленькие барашки.

Средняя высота волн 0,6 м. Ветер 3,4 – 5,4 м/с.

4 балла – Умеренный

Ветер поднимает пыль, бумажки; качаются тонкие ветви деревьев, белые барашки на море видны во многих местах.

Максимальная высота волн до 1,5 м. Ветер 5,5 – 7,9 м/с.

5 баллов – Свежий

Качаются ветки и тонкие стволы деревьев, ветер чуствуется рукой, повсюду видны белые барашки.

Максимальная высота волны 2,5 м, средняя – 2 м. Ветер 8,0 – 10,7 м/с.

В такую погоду мы пробовали уйти по Балтийскому морю из Дарлово. (Польша) против волны. За 30 минут прошли всего ок. 10км. и сильно вымокли от брызг. Возвращались по попутной – оч. весело.

6 баллов – Сильный

Качаются толстые сучья деревьев, тонкие деревья гнутся, гудят телефонные провода, зонтики используются с трудом; белые пенистые гребни занимают значительные площади, образуется водяная пыль. Максимальная высота волн – до 4м, средняя – 3м. Ветер 10,8 – 13,8м/с.

Такую погоду застали на катерах перед Ростоком. Штурман боялся смотреть по стороннам, самое ценное было рассовано по карманам, рация привязана к жилету. Брызги от боковых волн нас постоянно накрывали. Для водкомоторного флота, не говоря уже о простой моторке – это наверное уже максимум.

7 баллов – Крепкий

Качаются стволы деревьев, гнутся большие ветки, трудно идти против ветра, гребни волн срываются ветром. Максимальная высота волн до 5,5м. ветер 13,9 – 17,1м/с.

7 баллов – Крепкий.

8 баллов – Очень крепкий

Ломаются тонкие и сухие сучья деревьев, говорить на ветру нельзя, идти против ветра очень трудно. Сильное волнение на море.

Максимальная высота волн до 7,5м, средняя – 5,5 м. Ветер 17,2 – 20,7м/с.

9 баллов – Шторм

Гнутся большие деревья, ветер срывает черепицу с крыш, очень сильное волнение на море, высокие волны.

Максимальная высота волны – 10 м, средняя – 7 м. Ветер 20,8 – 24,4 м/с. Шторм.

10 баллов – Сильный шторм

На суше бывает редко. Значительные разрушения строений, ветер валит деревья и вырывает их с корнем, поверхность моря белая от пены, сильный грохот волн подобен ударам, очень высокие волны.

Максимальная высота волны – 12,5 м, средняя – 9 м). Ветер 24,5 – 28,4м/с. Сильный шторм.

11 баллов – Жестокий шторм

Наблюдается очень редко. Сопровождается разрушениями на больших пространствах. На море исключительно высокие волны (максимальная высота – до 16м, средняя – 11,5м), суда небольших размеров временами скрываются из виду.

Ветер 28,5 – 32,6м/с. Жестокий шторм.

12 баллов – Ураган

Море все покрыто полосами пены. Воздух наполнен пеной и брызгами. Видимость очень плохая. Полный п. ц судам небольших размеров, яхтам и прочим кораблям – лучше не попадать.

Ветер 32,7 м/с и более.

Шкала Бофорта, сила ветра, состояние моря, высота волны, шторм, штиль, ураган, корабль, лодка, яхта, Beaufort wind scale

Кто бы еще и фотографии показал штормов какие бывают .

Вообще-то, по шкале Бофорта воление моря не может быть более 9 баллов:))

я при 12 баллах плавал в море

моряк скажи че ты курил в ванной?

По словам его узнаете его.

Был бы ты моряком, знал бы, что “плавает” в море только говно. А моряки по морю _ходят_.

чудило ты. моряки по морю ходят, а плавает только то, что не тонет, сиречь говно.

И ещё: дуболомы тоже не тонут (это, скажем так, про деревянных солдат Урфина Джюса, если кто читал).

Да и ваще много есть разных объектов, которые по закону Архимеда не вправе тонуть, а также субъектов, которые не тонут по закону подлости.

Честь имею! Кап-3 Зеников А.Ф.

Энергия ветра.

С точки зрения полезного использования ветровой энергии в энергетике на сегодняшний день оптимальными являются скорости ветра 8…18 м/с. При меньших скоростях ветроэнергетические установки малоэффективны, при больших возникает опасность разрушения конструкций установки.

Так как воздух имеет массу, и эта масса движется с некоторой скоростью относительно поверхности земли, то трудно даже представить, какой колоссальной кинетической энергией обладает окружающее нас воздушное пространство!!!

Чтобы составить представление о величине этой энергии, давайте вырежем из пространства его часть в виде цилиндра, мысленно расположив  некий обруч плоскостью перпендикулярно направлению вектора скорости ветра. Площадь сечения  обруча – S=1 м2 (диаметр d=1,13 м).

Если на вашем компьютере не установлена программа MS Excel, можно воспользоваться свободно распространяемой программой OOo Calc из пакета Open Office.

Правила форматирования ячеек листа Excel, применяемые в статьях этого блога, можно посмотреть на странице «».

Включаем Excel и на листе «Энергия ветра» и составляем простую расчетную программу, которая позволит быстро рассчитывать мощность ветроустановок при различных исходных условиях.

Исходные данные:

1. Скорость ветра v_в в м/с записываем

в ячейку D3: =10,0

2. Время t в с заносим

в ячейку D5: =1

3. Площадь сечения потока воздуха S в м2 вписываем

в ячейку D6: =1,000

4. Плотность воздуха или удельный вес воздуха при нормальных условиях (атмосферном давлении 101325 Па = 760 мм рт. ст. и температуре +273,15° К = 0° C) γ в кг/м3 вписываем

в ячейку D7: =1,293

5. Коэффициент полезного действия — КПД ветроустановки (реально достигаемые значения не превышают 0,3…0,4) записываем

в ячейку D8: =0,35

Результаты расчетов:

6. При скорости ветра v за время t через сечение обруча пройдет объем воздуха в виде цилиндра V, который вычисляем в м3

в ячейке D10: =D3*D4*D5 =10,000

V=S*v_в*t

7. Массу воздухаm в кг, прошедшую через сечение кольца за время t определяем

в ячейке D11: =D6*D9 =12,930

m=γ*V

8. Кинетическую энергию T в Дж, которой обладает движущийся цилиндр воздуха рассчитываем

в ячейке D12: =D10*D3^2/2 =647

T=m*v_в2/2

9. Мощность N в КВт, которую мы смогли бы отобрать из этой струи воздуха при заданном КПД, вычисляем

в ячейке D13: =D11/D4*D7/1000 =0,226

N=(T/t)*КПД=(S*γ*v_в3/2)*КПД

При реальных КПД ветроэнергетических установок около 0,3…0,4, при скорости ветра v_в=10 м/с и диаметре лопастей ветряка d=1,13 м (площадь круга S=1 м2) можно получить мощность  порядка N=200…250 Вт. Этой мощности хватит чтобы за час вспахать полсотки земли! Представляете сколько вокруг нас энергии, которую мы никак не научимся эффективно отбирать и преобразовывать?! Сегодняшние ветроэнергетические установки мало-мальски начинают работать при скорости ветра v_в>4 м/с, выходя на рабочий режим при скорости  v_в=9…13 м/с. Однако уже при скорости ветраv_в>17 м/с приходится больше заботиться о безопасности окружающих людей, животных, сооружений и сохранности установки, нежели о производстве энергии…