Nie można lekceważyć siły wiatru. Jako siła, wiatr waha się od lekkiej bryzy unoszącej latawiec do huraganu zrywającego dach. Nawet lekkie słupy i podobne zwykłe, codzienne konstrukcje muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać siłę wiatru. Obliczenie przewidywanego obszaru oddziaływania obciążenia wiatrem nie jest jednak trudne.
Wzór na obciążenie wiatrem
Wzór na obliczenie obciążenia wiatrem, w najprostszej postaci, to siła obciążenia wiatrem równa parciu wiatru razy projektowana powierzchnia razy współczynnik oporu. Matematycznie formuła jest zapisana jako
F=PAC_d
Dodatkowe czynniki wpływające na obciążenie wiatrem to porywy wiatru, wysokość konstrukcji i teren otaczający konstrukcje. Również detale konstrukcyjne mogą łapać wiatr.
Definicja przewidywanego obszaru
Powierzchnia rzutowana oznacza powierzchnię prostopadłą do wiatru. Inżynierowie mogą zdecydować się na wykorzystanie maksymalnej przewidywanej powierzchni do obliczenia siły wiatru.
Obliczenie rzutu powierzchni płaskiej powierzchni skierowanej pod wiatr wymaga myślenia o trójwymiarowym kształcie jako o powierzchni dwuwymiarowej. Płaska powierzchnia standardowej ściany zwróconej bezpośrednio pod wiatr będzie miała kwadratową lub prostokątną powierzchnię. Rzutowany obszar stożka może przedstawiać się jako trójkąt lub okrąg. Rzutowany obszar kuli zawsze będzie przedstawiał się jako okrąg.
Przewidywane obliczenia powierzchni
Przewidywana powierzchnia kwadratu
Obszar, na jaki wiatr uderza w kwadratową lub prostokątną konstrukcję, zależy od orientacji konstrukcji względem wiatru. Jeśli wiatr uderza prostopadle do kwadratowej lub prostokątnej powierzchni, obliczana powierzchnia jest równa długości i szerokości (A=LH). W przypadku ściany o długości 20 stóp i wysokości 10 stóp rzutowany obszar wynosi 20 × 10 lub 200 stóp kwadratowych.
Jednak największą szerokością konstrukcji prostokątnej będzie odległość od jednego narożnika do przeciwległego, a nie odległość między sąsiednimi narożnikami. Rozważmy na przykład budynek o szerokości 10 stóp, długości 12 stóp i wysokości 10 stóp. Jeśli wiatr uderza prostopadle do boku, rzutowana powierzchnia jednej ściany wyniesie 10 × 10 lub 100 stóp kwadratowych, podczas gdy rzutowana powierzchnia drugiej ściany wyniesie 12 × 10 lub 120 stóp kwadratowych.
Jeśli jednak wiatr uderza prostopadle do narożnika, długość rzutowanego obszaru można obliczyć zgodnie z twierdzeniem Pitagorasa
a^2+b^2=c^2
Odległość między przeciwległymi narożnikami (L) staje się
10^2+12^2=L^2\implikuje L^2=244\implikuje L=\sqrt{244}=15,6\text{ ft}
Rzutowany obszar staje się wtedy L × H, 15,6 × 10 = 156 stóp kwadratowych.
Rzutowany obszar kuli
Patrząc bezpośrednio na kulę, dwuwymiarowy widok lub rzutowany obszar czołowy kuli jest kołem. Przewidywana średnica koła jest równa średnicy kuli.
Obliczenie rzutowanej powierzchni wykorzystuje zatem wzór pola powierzchni dla okręgu: powierzchnia równa się pi razy promień razy promień lub A=πr2. Jeśli średnica kuli wynosi 20 stóp, to promień będzie wynosił 20÷2=10, a rzutowany obszar będzie A=π × 102≈3,14 × 100 = 314 stóp kwadratowych.
Rzutowany obszar stożka
Obciążenie wiatrem stożka zależy od orientacji stożka. Jeśli stożek znajduje się na swojej podstawie, rzutowany obszar stożka będzie trójkątem. Wzór na pole trójkąta, podstawa razy wysokość razy połowa (B × H÷2), wymaga znajomości długości w poprzek podstawy i wysokości do wierzchołka szyszki. Jeśli konstrukcja ma 10 stóp szerokości podstawy i 15 stóp wysokości, obliczenie rzutowanej powierzchni wynosi 10 × 15÷2=150÷2=75 stóp kwadratowych.
Jeśli jednak stożek jest wyważony tak, że podstawa lub wierzchołek skierowany jest bezpośrednio pod wiatr, rzutowany obszar będzie kołem o średnicy równej odległości w poprzek podstawy. Następnie zostanie zastosowany obszar dla wzoru okręgu.
Jeśli stożek leży tak, że wiatr uderza prostopadle do boku (równolegle do podstawy), to rzutowany obszar stożka będzie miał taki sam trójkątny kształt, jak wtedy, gdy stożek stoi na swojej podstawie. Pole powierzchni z wzoru trójkąta zostanie następnie wykorzystane do obliczenia rzutowanego obszaru.