كيفية حساب حمولة الرياح

تنزيل المقال

تنزيل المقال

الرياح هي كتلة هوائية تتحرك في اتجاه أفقي تقريبًا من منطقة ذات ضغط مرتفع إلى أخرى ذات ضغط منخفض. يمكن أن تكون الرياح القوية شديدة التدمير لأنها تولد ضغطًا على سطح البناء. شدة هذا الضغط هي حمولة الرياح، ويعتمد تأثير الرياح على حجم البناء وشكله. حساب حمولة الرياح أمر ضروري في التصميم والإنشاء ليكون البناء آمنًا ومقاومًا للريح أكثر ولوضع أشياء كالهوائيات فوق الأبنية.

الخطوات

طريقة 1

طريقة 1 من 3:

المعادلة العامة

تنزيل المقال

1. 
   1
   تعريف المعادلة العامة. المعادلة العامة لحمولة الريح هي F=A*P*Cd حيث F هي القوة أو حمولة الريح وA هي المساحة المستهدفة للشيء المقصود وP هو ضغط الرياح وCd هو معامل السحب. هذه المعادلة مفيدة لتقدير حمولة الرياح على شيء محدد لكنها لا تحقق متطلبات قانون البناء لتخطيط المنشآت الجديدة.
2. 
   2
   جد المساحة المستهدفة A. وهي مساحة الوجه ثنائي الأبعاد الذي ستصطدم به الريح. سيكون عليك تكرار العملية الحسابية لكل وجه من أوجه البناء لعمل تحليل كامل، فمثلًا إذا كان هناك جانب غربي للبناء مساحته 20 م ²فاستخدم تلك القيمة ل A لحساب حمولة الرياح على الوجه الغربي.

   • تعتمد معادلة حساب المساحة على شكل الوجه أو السطح. استخدم المعادلة المساحة = الطول × الارتفاع للجدران المستوية. قرب مساحة وجه العمود بالمعادلة المساحة = القطر*الارتفاع.
   • قس A بالمتر المربع (م²) لحسابات النظام الدولي.
   • قس A بالقدم المربعة (قدم²) للحساب بالنظام الإنجليزي.
3. 
   3
   احسب ضغط الرياح. أبسط معادلة لحساب ضغط الرياح بالوحدات الإنجليزية (باوند لكل قدم مربع) هي $P=0.00256V^{2}$ حيث V هي سرعة الريح بالميل لكل ساعة. استخدم $P=0.613V^{2}$ بدلًا مما سبق وقس V بالمتر لكل ثانية لإيجاد الضغط بالوحدات الدولية (نيوتن لكل متر مربع).

   • هذه المعادلة مبنية على قانون المهندسين المدنيين للرابطة الأمريكية. معامل 0.00256 هو نتيجة العملية الحسابية مبنية على القيم النموذجية لكثافة الهواء وتسارع الجاذبية.
   • يستخدم المهندسون معادلة أدق لأخذ عوامل إضافية في الحسبان، مثل: التضاريس المحيطة ونوع المنشأ. يمكنك الاطلاع على إحدى المعادلات في كود ASCE7-05 أو استخدم معادلة UBC الموضحة أدناه.
   • ابحث عن أقصى سرعة للرياح في منطقتك باستخدام معايير رابطة الصناعات الإلكترونية إذا لم تكن واثقًا من سرعة الريح. فمثلًا تقع معظم مناطق الولايات المتحدة في نطاق A بسرعة 38,71 م/ث لكن المناطق الساحلية قد تقع في نطاق B بسرعة 44,07 م/ث أو نطاق C بسرعة .49,97 م/ث.
4. 
   4
   حدد معامل السحب للغرض موضع الدراسة. السحب هو القوة التي يبذلها الهواء على البناء ويتأثر بشكل البناء وخشونة سطحه وعدة عوامل أخرى. يقيس المهندسون معامل السحب مباشرة بالتجارب لكن يمكنك الاطلاع على معامل السحب النوذجي للشكل الذي تقيسه مثلًا لأخذ تقدير تقريبي:

   • معامل السحب القياس لأنبوب أسطواني طويل هو 1,2 ولأسطوانة قصيرة هو 0,8. ينطبق هذا على أنابيب الهوائي الموجودة على العديد من الأبنية.
   • المعامل القياسي للوح مستو كسطح البناء هو 2 لسطح مستو طويل و1,4 لسطح مستو قصير.
   • ما من وحدات قياس لمعامل السحب.
5. 
   5
   احسب حمولة الرياح. يمكنك الآن حساب حمولة الرياح بالمعادلة F = A x P x Cdمستخدمًا القيم التي أوجدتها أعلاه. F = A x P x Cd .
6. 6
   لنقل مثلًا بأنك تريد تحديد حمولة الرياح على هوائي بطول 0,9 م وقطر 0,0125 م في رياح بسرعة 31,3م/ث.

   • ابدأ بتقدير المساحة المستهدفة. في هذه الحالة $A=dw=(0.9m)(0.0125m)=0.0112m^{2}$
   • احسب ضغط الرياح: $P=0.00256V^{2}=0.00256(31,29^{2})=2.5nsm$.
   • معامل السحب لأسطوانة قصيرة هو 0,8.
   • أدخله في المعادلة:$F=APCd=(0.125ft^{2})(12.5psf)(0.8)=1.25lbs.$
   • 0,6 كجم هو حمولة الريح على الهوائي.

طريقة 2

طريقة 2 من 3:

معادلة رابطة الصناعات الإلكترونية

تنزيل المقال

1. 
   1
   حدد المعادلة التي وضعتها رابطة الصناعات الإلكترونية. معادلة حمل الرياح هي F = A x P x Cd x Kz x Gh حيث A هي المساحة المستهدفة و P هو ضغط الرياح و Cd هو معامل السحب و Kz هو معامل التعرض و Gh هو معامل الاستجابة للعاصفة. تأخذهذه المعادلة بضعة عوامل أخرى في الحسبان لحساب حمولة الرياح، وتستخدم لحساب حمولة الريح على الهوائي.
2. 
   2
   افهم متغيرات المعادلة. لابد أن تفهم ما يرمز له كل متغير أولًا وما وحدات القياس المرتبطة به لاستخدم المعادلة بطريقة صحيحة.

   • A وP وCd هي نفس المتغيرات المستخدمة في المعادلة العامة.
   • Kz هو معامل التعرض ويحسب عن طريق أخذ الارتفاع بين منتصف الشيء والأرض في الحسبان. وحدة قياس Kz هي المتر.
   • Gh هو معامل الاستجابة للعواصف ويحسب بأخذ الارتفاع الكلي للشيء في الحسبان. وحداته هي 1/م أو م¹-.
3. 
   3
   حدد المساحة المستهدفة. تعتمد المساحة المستهدفة للشيء على شكله وحجمه. يكون حساب المساحة المستهدفة أسهل إذا كانت الريح تصطدم بجدار مستو مما لو كان البناء مدورًا. ستكون المساحة المستهدفة تقريبًا للمساحة التي تتلامس معها الرياح. ما من معادلة واحدة لحساب المساحة المستهدفة لكن يمكنك تقديرها ببعض العمليات الحسابية البسيطة. وحدات المساحة هي م².

   • استخدم معادلة المساحة = الطول × العرض، للجدران المستوية مع قياس طول وعرض الجدار الذي ستصدمه الرياح.
   • كما يمكنك تقريب المساحة باستخدام الطول والعرض في حالة الأنابيب والأعمدة. سيكون العرض في هذه الحالة هو قطر الأنبوب أو العمود.
4. 
   4
   احسب ضغط الرياح. يعطى ضغط الرياح بالمعادلة P = 0.00256 x V² حيث V هي سرعة الرياح بالمتر لكل ثانية. وحدة قياس ضغط الرياح هي كجم/ متر مربع.

   • فمثلًا إذا كانت سرعة الرياح 31,92 م/ث فإن ضغط الرياح هو 0,00256*31,92²= 2234,4نيوتن/ممربع.
   • هناك بديل لحساب ضغط الرياح عند سرعة محددة لها يتمثل في استخدام القيم القياسية لنطاقات الرياح المختلفة. فمثلًا تقع معظم مناطق الولايات المتحدة في نطاق A بسرعة 38,71 م/ث لكن المناطق الساحلية قد تقع في نطاق B بسرعة 44,07 م/ث أو نطاق C بسرعة 49,97 م/ث وفقًا لرابطة الصناعات الإلكترونية.
5. 
   5
   حدد معامل السحب للشيء موضع الدراسة. السحب هو القوة الكلية في اتجاه التيار والناتجة عن الضغط على سطحه. يمثل معامل السحب سحب الشيء خلال سائل ما ويعتمد على الشكل والحجم وخشونة السطح.

   • معامل السحب القياسي لأنبوب أسطواني طويل هو 1,2 ولأسطوانة قصيرة هو 0,8 وينطبق هذا على أنابيب الهوائي الموجودة على العديد من الأبنية.
   • المعامل القياسي للوح مستو كسطح بناية هو 2 للأسطح المستوية الطويلة أو 1,4 للأسطح القصيرة.
   • يبلغ الفرق بين معامل السحب للأسطح المستوية والأسطوانية 0,6 تقريبًا.
   • ما من وحدات قياس لمعامل السحب.
6. 
   6
   احسبمعامل التعرض Kz . يحسب معامل التعرض Kz باستخدام المعادلة [z/33]^(2/7) حيث z هو الارتفاع من الأرض إلى منتصف الشيء.

   • فمثلًا إذا كان لديك هوائي بطول 0,9 م ويرتفع عن الأرض بمقدار 14,4م فسيكون z مساويًا ل 13,95م.
   • Kz = [z/33]^(2/7) = [14.4/33]^(2/7) = 0,33m.
7. 
   7
   احسب معامل الاستجابة للعواصف Gh . يحسب هذا المعامل بالمعادلة Gh = .65+.60/[(h/33)^(1/7)] حيث h هو ارتفاع الشيء.

   • فمثلًا إذا كان لديك هوائي بطول 0,9 م ويرتفع عن الأرض 14,4 مفإن Gh = .65+.60/[(h/33)^(1/7)] = .65+.60/(14,4/33)^(1/7) = 0.366m^-1
8. 
   8
   احسب حمولة الرياح. يمكنك الآن حساب حمولة الرياح بالمعادلة F = A x P x Cd x Kz x Gh مستخدمًا القيم الموجودة أعلاه. أدخل كل متغيراتك وأجر العملية الحسابية.

   • لنقل مثلًا بأنك تريد تحديد حمولة الرياح على هوائي بطول 0,9 م وقطر 0,0125 مم ورياح بسرعة 31,29 م/ث. وهو موضوع فوق بناية بارتفاع 14,40 م.
   • ابدأ بحساب المساحة المستهدفة. A = l x w = (0.9m)(0.0125in)= 0.0112 m²في هذه الحالة.
   • احسب ضغط الرياح: P = 0.00256 x V² = 0.00256 x 31,29²= 2.5 nsm.
   • معامل السحب لأسطوانة قصيرة هو 0,8.
   • احسب معامل التعرض: Kz = [z/33]^(2/7)= [14.4/33]^(2/7) = 0,33 m.
   • احسب معامل الاستجابة للعواصف: Gh = .65+.60/[(h/33)^(1/7)] =.65+.60/(14,4/33)^(1/7) = 0.366m^-1
   • عوّض في المعادلة: F = A x P x Cd x Kz x Gh = 0.0112 x 2.5 x 0.8 x 0.33 x 0.366 = 0.75kg.
   • مقدار حمولة الرياح على الهوائي هو 0,75كجم.

طريقة 3

طريقة 3 من 3:

معادلة '97 من قانون البناء الموحد

تنزيل المقال

1. 
   1
   عرف معادلة '97 من قانون البناء الموحد. تم وضع هذه المعادلة عام 1997 كجزء من قانون البناء الموحد لحساب حمولة الرياح. المعادلة هي F = A x P حيث A هي المساحة المستهدفة وP هو ضغط الرياح لكن لهذه المعادلة عملية حسابية بديلة لضغط الرياح.

   • يحسب ضغط الريح من المعادلة P= Ce x Cq x Qs x Iw حيث Ce هي مجموعة الارتفاع مع معامل التعرض ومعامل الاستجابة للعاصفة وCq هو معامل الضغط (وهو مكافئ لمعامل السحب في المعادلتين السابقتين) وQs هو ضغط ركود الرياح وIw هو معامل الأهمية. يمكن حساب جميع هذه القيم أو الحصول عليها من الجداول المناسبة.
2. 
   2
   حدد المساحة المستهدفة. تعتمد المساحة المستهدفة للشيء على شكله وحجمه. حساب المنطقة المستهدفة في حالة اصطدام الريح بجدار مستو أسهل منه في حالة الأجسام المستديرة. ستكون المساحة المستهدفة تقريبًا للمساحة التي تلامسها الريح. ما من معادلة محددة لحساب المساحة المستهدفة لكن يمكنك تقديرها ببعض العمليات الحسابية البسيطة. وحدات المساحة هي المتر المربع m².

   • استخدم معادلة المساحة = الطول × العرض، للجدران المستوية مع قياس طول الجدار المقابل للرياح وعرضه.
   • كما يمكنك تقريب مساحة الأسطوانة أو العمود باستخدام الطول والعرض. سيكون العرض هو قطر الأنبوب أو العمود في هذه الحالة.
3. 
   3
   حدد Ce وهو خليط الارتفاع ومعامل التعرض والاستجابة. تختار هذه القيمة بناء على الجدول 16-G من قانون البناء الموحد ويأخذ في الحسبان ثلاثة أنواع منالتضاريس أرضية بارتفاعات مختلفة وقيم Ceمختلفة لكل منها.

   • منطقة التعرض "ب" هي التضاريس ذات الأبنية أو الأشجار أو التوزيع غير المنتظم الآخر للسطح والذي يغطي 20% تقريبًا من المساحة المحيطة ويمتد إلى 1,6 كم أو أكثر من الموقع.
   • منطقة التعرض "ج" ذات تضاريس مستوية ومفتوحة في العموم تمتد 0,8 كم أو أكثر من الموقع.
   • منطقة التعرض "د" هي الأصعب بسرعات رياح تبلغ 129 كم/ساعة أو أكثر وتضاريس مستوية دون عوائق تواجه أسطح مائية كبيرة.
4. 
   4
   حدد معامل الضغط للشيء موضع البحث. معامل البحث Cq هو نفسه معامل السحب Cd. السحب هو القوة الكلية في اتجاه التيار الناتجة عن الضغط على سطح الشيء. تمثل معاملات السحب سحب الشيء خلال سائل ما وتعتمد على شكله وحجمه وخشونته.

   • معامل السحب القياسي لأنبوب أسطواني طويل هو 1,2 ولأسطوانة قصيرة هو 0,8 وتنطبق هذه المعاملات على أنابيب الهوائي الموجودة على أبنية عديدة.
   • المعامل القياسي لسطح مستو كسطح بناية هو 2 للأسطح الطويلة المستوية أو 1,4 للأسطح القصيرة.
   • يساوي الفرق بين بين معامل السحب للأشياء المستوية والأسطوانية 0,6 تقريبًا.
   • ما من وحدات قياس لمعامل السحب.
5. 
   5
   حدد ضغط ركود الريح. Qs هو ضغط ركود الريح ويكافئ حساب ضغط الريح من المعادلة السابقة: Qs = 0.00256 x V²حيث V هي سرعة الرياح بالكيلومتر لكل ثانية.

   • فمثلًا إذا كانت سرعة الرياح 31,29 م/ث فإن ضغط ركود الريح يساوي 0,00256* 31,29²= 0,1877 نيوتن / م مربع.
   • يمكنك استخدام القيم القياسية لنطاقات الرياح القياسية كبديل لهذه الحسابات. فمثلًا تقع معظم مناطق الولايات المتحدة في نطاق A بسرعة 38,71 م/ث لكن المناطق الساحلية قد تقع في نطاق B بسرعة 44,07 م/ث أو نطاق C بسرعة 49,97 م/ث وفقًا لرابطة الصناعات الإلكترونية.
6. 
   6
   حدد معامل الأهمية. lw هو معامل الأهمية ويمكن تحديده باستخدام الجدول 16-K من قانون البناء الموحد وهو مضاعف يستخدم في حساب الأحمال ويأخذ في الحسبان استخدام البناية. يكون معامل الأهمية أعلى إذا كان البناء يحتوي على مواد خطرة منه في البنايات التقليدية.

   • تستخدم الحسابات الخاصة بالأبنية ذات الاستخدامات القياسية معامل أهمية قيمته 1.
7. 
   7
   احسب حمولة الرياح. يمكنك الآن حساب حمولة الرياح بالمعادلة F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw مستخدمًا القيم الموضحة أعلاه. عوض بجميع معاملاتك وقم بحساباتك.

   • لنقل مثلًا بأنك تريد تحديد حمولة الريح على هوائي يبلغ طوله 0,9 م وقطره 0,0125 م في رياح سرعتها 31,29 م/ث. وموضوع على قمة بناية عادية ارتفاعها 14,40 سم في منطقة تعرض ب.
   • ابدأ بحساب المساحة المستهدفة. A = l x w = (0.9m)(0.0125m)= 0.0112 m² في هذه الحالة.
   • حدد Ce. Ce هو 0,84 حسب الجدول 16-G باستخدام ارتفاع 14,40 سم ومنطقة تعرض ب.
   • معامل السحب أو Cq لأسطوانة قصيرة هو 0,8.
   • احسب Qs: Qs = 0.00256 x V² = 0.00256 x 31.29²= 2.5 nsm.
   • حدد معامل الأهمية. هذا بناء عادي لذا فإن "lw" هو 1.
   • بالتعويض في المعادلة: F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw = 0.0112 x 0.84 x 0.8 x12.5 x 1= 0.47 kg.
   • مقدار حمولة الرياح على الهوائي تساوي0,47.

أفكار مفيدة

• اعلم أن سرعة الرياح تختلف عند المسافات المختلفة من الأرض. تزداد سرعة الرياح مع الارتفاع الهيكلي وتكون غير متوقعة بالمرة عند أقرب نقطة من الأرض لأنها تتأثر بالتفاعل مع الأشياء الموجودة على الأرض.
• اعلم أن عدم القدرة على التكهن هذه قد تصعب إجراء حسابات دقيقة للرياح.