Come Calcolare la Spinta del Vento

Il vento è una massa d'aria che si muove in direzione principalmente orizzontale, da una zona di alta pressione a una di bassa pressione.^{[1]
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Fonte di ricerca} I venti forti possono essere molto distruttivi, perché generano pressione contro la superficie di una struttura. L'intensità di questa pressione è la spinta del vento. L'effetto dipende dalle dimensioni e dalla forma della struttura. Calcolare questa forza è necessario per il progetto e la realizzazione di edifici più sicuri e resistenti al vento, oltre che per il posizionamento di elementi come le antenne sopra le strutture.

Metodo 1

Metodo 1 di 2:

Calcolare la Spinta del Vento Usando la Formula Generica

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Definisci la formula generica. La formula per la spinta del vento è F = A x P x Cd in cui F è la forza o azione del vento, A è l'area proiettata dell'oggetto, P è la pressione del vento e Cd è il coefficiente aerodinamico.^{[2]
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Fonte di ricerca} Questa equazione è utile per stimare il carico da vento su un oggetto specifico, ma non soddisfa i requisiti legali per la progettazione di nuovi edifici.
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Trova l'area proiettata A. Si tratta dell'area della superficie bidimensionale colpita dal vento.^{[3]
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Fonte di ricerca} Per un'analisi completa, devi ripetere il calcolo per tutte le facciate dell'edificio. Ad esempio, se la facciata occidentale di una struttura ha un'area di 20m², usa quel valore per A se desideri calcolare la spinta del vento su quella facciata.
- La formula per calcolare l'area dipende dalla forma della facciata. Se si tratta di una parete piatta, usa la formula Area = lunghezza x altezza. Per una colonna invece, approssima il valore con la formula Area = diametro x altezza.
- Nel Sistema Metrico Internazionale (SI), l'area viene misurata in metri quadrati (m²);
- Nel Sistema Metrico Imperiale, l'area viene misurata in piedi quadrati (ft²).
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Calcola la pressione del vento. La formula per ricavare la pressione nel sistema metrico imperiale (libbre per piede quadrato), è P = 0,00256 x V², dove "V" è la velocità del vento in miglia orarie (mph).^{[4]
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Fonte di ricerca} Per calcolare la pressione secondo il sistema metrico internazionale (Newton su metro quadrato), utilizza invece $P=0,613V^{2}$ $P=0,613V^{2}$ e misura V in metri al secondo.^{[5]
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Fonte di ricerca}
- Questa formula è basata sul codice della American Society of Civil Engineers. Il coefficiente 0,00256 è il risultato di un calcolo basato su valori tipici della densità dell'aria e dell'accelerazione gravitazionale.^{[6]
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  Fonte di ricerca}.
- Gli ingegneri utilizzano una formula più precisa, che tiene conto anche del terreno circostante e del tipo di costruzione. Puoi trovarne una nel codice ASCE 7-05 or usare la formula UBC in seguito.
- Se non sei sicuro del valore della velocità vento, puoi ricavare il picco della velocità del vento nella tua zona usando gli standard Electronic Industries Association (EIA) o usare una tabella specifica secondo le normative che regolamentano questo tipo di applicazione.^{[7]
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  Fonte di ricerca} Zone territoriali diverse hanno riferimenti differenti.
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Determina il coefficiente di resistenza aerodinamica per l'oggetto in questione. La resistenza aerodinamica è la forza che l'aria esercita su un edificio e dipende dalla forma della struttura, dalla rugosità della superficie e da molti altri fattori. Di solito viene calcolata direttamente dagli ingegneri con un esperimento, ma per un valore approssimato puoi utilizzare il coefficiente tipico della forma che stai prendendo in esame. Ad esempio:^{[8]
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Fonte di ricerca}
- Il coefficiente aerodinamico standard per un lungo tubo cilindrico è di 1,2 mentre quello per un cilindro corto è di 0,8. Questi valori si applicano alle antenne tubolari che si trovano sulla sommità di molti edifici.
- Il coefficiente standard per una lastra piana, come la facciata di un edificio, è pari a 2,0 nel caso sia lunga e a 1,4 per le lastre più corte.
- Il coefficiente aerodinamico non ha unità di misura.
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Calcola la spinta del vento. Usando i valori stabiliti in precedenza, ora puoi ottenere la forza del vento con l'equazione F = A x P x Cd.
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Ad esempio, immagina di voler determinare la spinta del vento su un antenna lunga un metro, con un diametro di 1 cm, sottoposta a venti a 25 m/s.
- Inizia stimando la proiezione dell'area. In questo caso $A=altezzaxdiametro=(1m)(0,01m)=0,01m^{2}$
- Calcola la pressione del vento: $P=0,613V^{2}=0,613(25^{2})=383,12n/m^{2}$ .
- Per un cilindro corto, il coefficiente aerodinamico è 0,8.
- Sostituendo nell'equazione: $F=APCd=(0,01m^{2})(383,12n/m^{2})(0,8)=3,06N$ .
- 3,06 N è il valore della spinta del vento sull'antenna.
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Metodo 2

Metodo 2 di 2:

Calcolare la Spinta del Vento Usando la Formula dell'Electronic Industries Association (EIA)

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Studia la definizione della formula sviluppata dall'EIA. La formula per calcolare la forza del vento è F = A x P x Cd x Kz x Gh, dove A è l'area interessata, P è la pressione del vento, Cd è il coefficiente di resistenza aerodinamica, Kz è il coefficiente di esposizione e Gh è il "gust response factor" (letteralmente coefficiente di risposta alle raffiche). Questa formula prende in considerazione più parametri per il calcolo della spinta del vento e viene generalmente usata per le antenne.
2
Comprendi le variabili dell'equazione. Affinché tu possa usare un'equazione nella maniera appropriata, è necessario prima capire che cosa rappresentano le variabili e quali sono le relative unità di misura.
- A, P e Cd sono le stesse variabili usate nell'equazione generica.
- Kz è il coefficiente di esposizione e viene calcolato tenendo in considerazione l'altezza dal suolo al punto centrale dell'oggetto. L'unità di misura per questo parametro è il piede (ft).
- Gh è il "gust response factor" e viene calcolato tenendo in considerazione l'intera altezza dell'oggetto. L'unità di misura è 1/piede o ft^-1.
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Determina la proiezione dell'area. L'area proiettata dell'oggetto varia in base alla sua forma e alle dimensioni. Se il vento colpisce una superficie piana, calcolare l'area proiettata è più facile rispetto al caso in cui tale superficie fosse arrotondata. L'area proiettata sarà un'approssimazione di quella con cui il vento entra in contatto. Non c'è alcuna formula per determinarla, ma grazie ad alcuni semplici calcoli è possibile stimarne il valore. L'unità di misura per questo parametro è il piede quadrato (ft²).
- Per una superficie piatta, basta semplicemente moltiplicare la larghezza per la lunghezza della parete colpita dal vento;
- Nel caso di un tubo o di una colonna, è possibile approssimare l'area usando altezza e larghezza. In questo caso, la larghezza non è altro che il diametro dell'oggetto.
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Calcola la pressione del vento. Tale parametro è dato dall'equazione P = 0,00256 x V², dove V è la velocità del vento espressa in miglia orarie (mph). L'unità di misura per la pressione del vento è la libbra per piede quadrato (psf).
- Per esempio, se la velocità del vento è 70 mph, la pressione esercitata è data da 0,00256 x 70² = 12,5 psf.
- Un'alternativa per calcolare la pressione del vento a una determinata velocità è quella di usare lo standard stabilito in base alle diverse zone geografiche. Ad esempio, secondo la EIA gran parte degli USA è inclusa nella Zona A, in cui la velocità del vento viene considerata 86,6 mph, ma le aree lungo la costa potrebbero ricadere nella Zona B (100 mph) o nella Zona C (111,8 mph).
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Determina il coefficiente di resistenza aerodinamica relativo all'oggetto in questione. La resistenza aerodinamica è la forza netta nella direzione del flusso dovuta alla pressione sulla superficie di un oggetto.^{[9]
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Fonte di ricerca} Tale coefficiente rappresenta la resistenza aerodinamica di un oggetto attraverso un fluido e dipende da forma, dimensioni e rugosità dell'oggetto stesso.
- Il coefficiente di resistenza aerodinamica di un lungo tubo cilindrico è 1,2 e per un cilindro più corto è 0,8. Questi standard vengono applicati alle antenne che trovi su molte costruzioni.
- Il coefficiente di resistenza aerodinamica per una superficie piatta come la facciata di una costruzione è 2,0 (se piuttosto lunga), 1,4 se si tratta di una parete più bassa.
- La differenza tra i due coefficienti per oggetti piatti o cilindrici è approssimativamente 0,6.
- Il coefficiente di resistenza aerodinamica non ha alcuna unità di misura.
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Calcola il coefficiente di esposizione (Kz). Questo parametro viene calcolato usando la formula [z/33]^(2/7)), dove z è l'altezza rispetto al suolo del punto centrale dell'oggetto.
- Ad esempio, per un'antenna lunga 3 ft a 48 ft dal suolo, il valore di z è 46,5 ft;
- Kz = [z/33]^(2/7))= [46,5/33]^(2/7)) = 1,1 ft.
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Calcola il valore di Gh. Questo fattore viene calcolato con l'equazione Gh = 0,65+0,60/[(h/33)^(1/7)], dove h è l'altezza dell'oggetto.
- Ad esempio, per un'antenna lunga 3 ft a 48 ft dal suolo, avremo Gh = 0,65+0,60/[(h/33)^(1/7)]= 0,65+0,60(51/33)^(1/7)= 1,22 ft^-1.
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Calcola il carico da vento. Usando i valori ricavati, puoi calcolare la forza del vento con l'equazione F = A x P x Cd x Kz x Gh. Sostituisci il valore per ciascuna variabile ed esegui il calcolo.
- Supponiamo per esempio di voler determinare il carico da vento su un'antenna lunga 3 piedi con un diametro di 0,5 pollici, installata in cima a una struttura alta 48 piedi, che viene colpita da raffiche a 70 mph.
- Cominciamo calcolando la proiezione dell'area. In questo caso avremo: A= Lungh. x Largh. = 3 ft x [0,5 in x(1 ft/12 in)] = 0,125 ft²;
- Calcoliamo la pressione del vento: P = 0,00256 x V² = 0,00256 x 70² = 12,5 psf;
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Calcolare la Spinta del Vento Usando la Formula dell'Uniform Building Code (UBC) del '97

Definisci la formula UBC del '97. Questa formula è stata sviluppata nel 1997 come parte dell'Uniform Building Code (UBC) per il calcolo della forza del vento. La formula è F = A x P, in cui A è la proiezione dell'area e P la pressione del vento; tuttavia, questa formula utilizza un calcolo alternativo per la pressione.

La pressione del vento (in psf) viene calcolata come P= Ce x Cq x Qs x Iw, in cui Ce è la combinazione dei coefficienti di altezza, esposizione e gust response, Cq è il coefficiente di pressione (equivalente a quello aerodinamico usato nelle due equazioni precedenti), Qs è la pressione di ristagno del vento e Iw è il fattore di importanza. Tutti questi valori possono essere calcolati o ricavati da tabelle specifiche.

Determina la proiezione dell'area. L'area proiettata dell'oggetto varia in base alla sua forma e alle dimensioni. Se il vento colpisce una superficie piana, calcolare l'area proiettata è più facile rispetto al caso in cui tale superficie fosse arrotondata. L'area proiettata sarà un'approssimazione della zona con cui il vento entra in contatto. Non c'è alcuna formula per determinarla, ma grazie ad alcuni semplici calcoli è possibile stimarne il valore. L'unità di misura per questo parametro è il piede quadrato (ft²).

Per una superficie piatta, basta semplicemente moltiplicare la larghezza per la lunghezza della parete colpita dal vento;

Se si tratta di un tubo o di una colonna, puoi approssimare l'area usando altezza e larghezza. In questo caso, la larghezza non è altro che il diametro dell'oggetto.

Determina Ce, la combinazione dei coefficienti di altezza, esposizione e gust response. Questo valore viene scelto in base alla tabella 16-G dell'UBC e prende in considerazione tre tipologie di terreno, con strutture di varia altezza e diversi valori di Ce per ciascun caso.

"L'esposizione B prevede terreno con edifici, alberi o altre irregolarità superficiali che coprono almeno il 20% dell'area circostante e si estendono per 1,6 km o più dal sito in questione".

"L'esposizione C prevede terreno pianeggiante e per lo più aperto, che si estende per 0,8 km o più dal sito in questione".

"L'esposizione D è la più gravosa, con velocità di base del vento di 129 km/h o superiori e un terreno pianeggiante, privo di ostacoli che dà su un grande specchio d'acqua".

Determina il coefficiente di pressione per l'oggetto in questione. Questo parametro, Cq, equivale al coefficiente aerodinamico (Cd). La resistenza aerodinamica è la forza netta nella direzione del flusso dovuta alla pressione sulla superficie di un oggetto.^{[10]
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Fonte di ricerca} Il coefficiente rappresenta la resistenza di un oggetto in un fluido e dipende dalla sua forma, dimensione e rugosità.

Il coefficiente di resistenza aerodinamica di un lungo tubo cilindrico è 1,2 e per un cilindro più corto è 0,8. Questi standard vengono applicati alle antenne che trovi su molte costruzioni.

Il coefficiente di resistenza aerodinamica per una superficie piatta come la facciata di una costruzione è 2,0 (se piuttosto lunga), 1,4 se si tratta di una parete più bassa.

La differenza tra i due coefficienti per oggetti piatti o cilindrici è approssimativamente 0,6.

Il coefficiente di resistenza aerodinamica non ha alcuna unità di misura.

Determina la pressione di ristagno del vento. Questo parametro, Qs, è equivalente alla pressione del vento calcolata nelle equazioni precedenti: Qs = 0,00256 x V², in cui V è la velocità del vento in miglia orarie (mph).

Ad esempio, se la velocità del vento è 70 mph, la pressione di ristagno del vento è pari a 0,00256 x 70² = 12,5 psf.

Un'alternativa per calcolare la pressione del vento a una determinata velocità è quella di usare lo standard stabilito in base alle diverse zone geografiche. Per esempio, secondo la EIA gran parte degli USA è inclusa nella Zona A, in cui la velocità del vento viene considerata 86,6 mph, ma le aree lungo la costa potrebbero ricadere nella Zona B (100 mph) o nella Zona C (111,8 mph).

Determina il fattore di importanza. Puoi trovare questo parametro, Iw sulla tabella 16-K dell'UBC. Si tratta di un fattore utilizzato nel calcolo della spinta del vento che tiene conto dell'utilizzo dell'edificio. Se la struttura contiene materiali pericolosi, il suo fattore di importanza sarà maggiore rispetto a quello di un edificio tradizionale.

I calcoli per gli edifici con usi standard utilizzano un fattore di importanza pari a uno.

Calcola la spinta del vento. Usando i valori trovati in precedenza, ora puoi calcolare la forza del vento con l'equazione F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw . Sostituisci tutte le variabili ed esegui i calcoli.

Ad esempio, ipotizziamo di calcolare la spinta del vento su un'antenna lunga 3 piedi con un diametro di mezzo pollice, venti a 70 mph, su un palazzo standard alto 48 piedi, in una zona con terreno a esposizione B.

Inizia dal calcolo della proiezione dell'area. In questo caso, A = lunghezza x larghezza = 3 ft x (0,5in x (1 ft/12 in)) = 0,125 ft².

Determina Ce. In base alla tabella 16-G, considerando un'altezza di 48 ft e un terreno con esposizione B, Ce equivale a 0,84.

Per un cilindro corto il coefficiente di pressione Cq è 0,8.

Calcola Qs: Qs = 0,00256 x V² = 0,00256 x 70² = 12,5 psf.

Determina il fattore di importanza. Si tratta di un edificio standard, quindi Iw è pari a 1.

Sostituisci nell'equazione: F = A x P = A x Ce x Cq x Qs x Iw = 0,125 x 0,84 x 0,8 x 12,5 x 1= 1,05 lbs.

1,05 lbs è il valore della spinta del vento sull'antenna.

Consigli

Considera che la velocità del vento varia in base alla distanza dal terreno. Aumenta con l'altezza delle strutture ed è più imprevedibile vicino a terra, perché è influenzata dagli altri oggetti.

Considera che l'imprevedibilità del vento rende difficile ottenere calcoli precisi.

↑ http://www.slideshare.net/machota2011/wind-load-calculation

↑ http://k7nv.com/notebook/topics/windload.html

↑ http://www.aij.or.jp/jpn/symposium/2006/loads/Chapter6_com.pdf

↑ http://k7nv.com/notebook/topics/windload.html

↑ http://richardson.eng.ua.edu/Former_Courses/DWRS_fa11/Notes/ASCE_7_05_Chapter_6.pdf

↑ http://www.digitalcanal.com/pdf/pdf/Analytical05.pdf

↑ http://www.ateservizi.it/Pubblicazioni/Sismica/DMCARICHIFIN.pdf

↑ http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html

↑ http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html

↑ http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html