Welke windsnelheid moet je gebruiken voor het ontwerp van lichtmasten?

De drie verschillende windsnelheden in een oogopslag

Gustwind: een referentie, maar geen invoergegevens voor het ontwerp

Een gustwind is de hoogste momentane windsnelheid die wordt gemeten over een periode van 3 seconden. De ‘maximale windsnelheid’ die op je telefoon wordt weergegeven, is meestal een gustwaarde; meteorologische stations meten en publiceren deze waarden continu, waardoor ze op het eerste gezicht autoritair overkomen. Hoewel dit niet altijd het geval is…

De gegevens over windstoten beantwoorden één belangrijk vraag: Is het veilig om op de plek te zijn right now? Montageteams gebruiken deze gegevens om te besluiten of de hijswerkzaamheden mogen worden voortgezet; onderhoudsteams houden ze tijdens stormen in de gaten om te controleren of de belastingen de grenzen van het gebouw niet overschrijden. Op onze eigen projectterreinen hanteren we de volgende regels:

• Bouwfase: Als de windstoten de door de kraanfabrikant vastgestelde windkrachtsgrenzen overschrijden – dit ligt meestal rond 17 m/s (38 mph); sommige apparaten kunnen echter meer wind aan – worden de hijswerkzaamheden gestopt. OSHA (Occupational Safety and Health Administration) stelt geen vastgelegde grenswaarde op; volgens 29 CFR 1926.1417 geldt de windkrachtsgrenswaarde die de kraanfabrikant heeft vastgesteld, en een gekwalificeerde persoon moet de werkwijze aanpassen afhankelijk van de invloed van de wind op de belastingen.
• Bedrijfsfase: Tijdens een tyfoon worden op basis van de realtimegegevens over windstoten beslissingen genomen, bijvoorbeeld om buitenlampen uit te schakelen.

Geen van deze toepassingen heeft invloed op het ontwerp van het gebouw. Een piekwaarde van de windstoten die slechts 3 seconden duurt, biedt geen informatie over het gemiddelde windklimaat waarmee een paal gedurende zijn levensduur (20 tot 50 jaar) te maken krijgt.

Ontwerpwind snelheid: de basiswaarde die je in werkelijkheid gebruikt voor de berekeningen

De ‘ontwerpwind snelheid’ is de standaardwaarde die wordt gebruikt bij de ontwerpprocedure.

Het ontwerpwind速 (design wind speed) is de statistische basiswaarde die door nationale en internationale regelgeving wordt vereist. Deze waarde wordt bepaald op basis van de langtermijnse herhalingstrends van windkracht, en niet op basis van het huidige weer.

• Verenigde Staten (ASCE 7): Over het algemeen wordt de windkracht gemeten over een periode van 3 seconden, in verband met een gemiddelde herhalingstijd (recurrence interval, MRI) van 50 jaar of langer. De windkracht wordt vervolgens weergegeven in afhankelijkheid van de risicoklasse.
• Europa (Eurocode / EN 40): Over het algemeen wordt de gemiddelde windkracht gemeten over een periode van 10 minuten, in verband met een gemiddelde herhalingstijd van 50 jaar.
• Internationaal (ISO 4354 en gerelateerde standaarden): Dit is het algemene kader voor de berekening van de windbelasting op buitenstructuren.

Deze waarde wordt gebruikt om de ontwerpwinddruk (design wind pressure) en de standaardwindbelasting (standard wind load) voor objecten als palen, lichtarmaturen en beugels vast te stellen. Ons apparaat voor het bepalen van de windbestendigheid gebruikt standaard deze waarde; er is maar één reden voor dit: dit is de enige waarde die door de regelgeving wordt geaccepteerd als inleiding voor de routinematige ontwerpprocedure.

Een belangrijk punt waarop moet worden gelet: ASCE 7 en Eurocode meten zelfs niet hetzelfde. De waarden volgens ASCE 7 zijn gebaseerd op 3-sekundige windstoten, terwijl Eurocode gebruikmaakt van de gemiddelde windsnelheid over een periode van 10 minuten. Als je een waarde uit Eurocode gebruikt in een berekening gebaseerd op ASCE 7, of omgekeerd, wordt de belasting ofwel onderschat of overschat. Controleer dus eerst de gemiddelde tijdperiode waarop de windsnelheden zijn gemeten.

Wind snelheid bij orkanen en tyfoenen: de controle van het uiterste grensgeval

In gebieden met tropische cyclonen vormt de windsnelheid op het katastrofenniveau een belangrijk criterium voor het ontwerp. Deze windsnelheid wordt gebruikt om te controleren of een object (bijvoorbeeld een paal) het kan overleven bij een eens-in-een-eeuws evenement, met voldoende weerstand tegen omvallen, genoeg verbindingssnelheid van de lassen en voldoende ruimte voor deformatie. Hier gaat het niet om de bruikbaarheid van het object, maar om zijn overlevingskans.

Verenigde Staten (ASCE 7): Gebieden die gevoelig zijn voor orkanen worden expliciet op kaart aangegeven. De basiswindgeschwindigheden aan de kust in plaatsen als het zuiden van Florida kunnen meer dan 140 mph (ongeveer 63 m/s) bereiken. Europa (Eurocode): Kustgebieden die worden getroffen door stormen krijgen speciale correcties op basis van de topografie en de ruwheid van het terrein. Wereldwijd projecten: De gebruikelijke waarden worden bepaald op basis van de historische cyclonengegevens op de exacte coördinaten van het project, en niet op basis van regionale gemiddelden.

Case study: Waarom Guam een windgeschwindigheid van 200 mph als norm vaststelt Guam heeft een specifieke regelgeving met betrekking tot stormen. Hier wordt een windgeschwindigheid van 200 mph als veiligheidsniveau vastgesteld, om de bevolking te beschermen tegen de schade die orkanen kunnen toebrengen. De regel is gebaseerd op de historische cyclonengegevens van het gebied.

Guam ligt in de tyfoonzone van de westelijke Stille Oceaan, een van de meest actieve gebieden voor cyclonen ter wereld. Volgens de huidige ASCE 7-normen bedraagt de minimale ontwerpwindgeschwindigheid voor risicoklasse II op Guam 195 mijl per uur (mph), met een aanhoudende wind van 3 seconden; voor risicoklasse III is deze snelheid 210 mph. Dit ligt ver boven de range van 90–115 mph die voor het meeste niet-cyclongevoelige gebied van de Verenigde Staten geldt. De snelheid van 200 mph die in de specificaties voor constructies op Guam wordt genoemd, is geen willekeurig getal dat bovenop de basisnormen is toegevoegd, maar ligt net boven de minimale vereisten voor risicoklasse II en beschikt over voldoende ruimte om rekening te houden met bijzonderheden als het terrein en de kracht die cyclonen op dunne palen uitoefenen. Voor degene die constructies ontwerpt: in cyclonengebieden verschillen de minimale vereisten van de regelgeving vaak van de daadwerkelijke behoeften van de locatie, en deze verschillen zijn belangrijk voor de veiligheid van de constructies.

Wat 200 mph met de palen doet

Als de ontwerpwindgeschwindigheid van een paal van de standaardwaarde van 130 mph wordt verhoogd tot 200 mph, verandert dit de structurele eigenschappen van de paal – niet alleen de vereisten in de documentatie, maar ook de fysieke eigenschappen van de paal zelf.

• De druk is evenredig met het kwadraat van de snelheid. Een wind van 200 mph (ca. 322 km/u) generereert 2,37 keer meer kinetische winddruk dan een wind van 130 mph (ca. 209 km/u). Er wordt geen deel van het vereiste materiaal gebruikt als de vereisten niet worden vervuld; er is geen ‘deels behaald’ resultaat.
• De wanddikte moet snel toenemen om het structurele veiligheidsniveau te behouden. Voor een typische stalen paal van 10 meter die twee LED-lampen en een paneel draagt, is een wanddikte van 3,0–4,0 mm nodig bij een windkracht van 110–120 mph (ASCE 7-niveau). De wanddikte moet worden verhoogd tot 8,0 mm bij een windkracht van 200 mph (Guam-profiel).
• De vereisten voor het materiaal nemen toe met de windkracht. Standaard-koolstalen materialen (ASTM A36, met een buigingssterkte van 250 MPa) zijn meestal niet voldoende; er moet gebruik worden gemaakt van hoogsterk, lagelegeringsstaal (bijv. ASTM A572 Grade 50, met een minimale buigingssterkte van 345 MPa).
• Fundaties en ankers moeten worden herontworpen om het structurele veiligheidsniveau te behouden. De afmetingen van de basisplaten, de manier van lassen, en de diameter en het aantal ankerbouten moeten worden aangepast om het risico van omvallen te verlagen; deze aanpassingen zijn eveneens evenredig met het kwadraat van de windkracht.
• Korrosiebescherming is nu een must, geen optie meer. Gebieden met extreme windkracht zijn vaak kustgebieden met zoutnevel. We raden het gebruik van een duurzame behandeling met hete dippalen (hot-dip galvanizing, HDG) in combinatie met een fluorocarbon-toplaag aan.

Een belangrijke opmerking die we bij elke quote maken: deze cijfers over de dikte dienen alleen als illustratie van een technische trend en vormen geen uitvoeringsinstructies voor de fabricatie. De uiteindelijke afmetingen hangen af van de geometrie van de paal (afgerond, achthoekig of rechthoekig), de totale effectieve oppervlakte van het gemonteerde apparaat, de belasting en de toepasselijke regelgeving. Voor live-projecten wordt eerst een volledige berekening van de doorsnede uitgevoerd voordat het staal wordt gesneden.

De regels die we aan alle ontwerpers geven:

1. Lees eerst de toepasselijke regelgeving en de risicoklasse van het project voordat je met de berekeningen begint.
2. Haal de windsnelheid voor het ontwerp uit de regelgeving – nooit uit een weersapp.
3. Zorg ervoor dat de gemiddelde windsnelheid overeenkomt met de specificaties in de regelgeving.
4. In gebieden waar cyclonen voorkomen, bereken je de situatie onder extreme omstandigheden (ULS – Ultimate Load Scenario) apart en vergelijk deze met de situatie onder normale omstandigheden; ontwerp je het systeem volgens de strengste regelgeving.
5. Blijf bij de gegevens over de harde winden: deze gegevens bepalen of de installatie op de dag van uitvoering wel of niet mogelijk is.

Onze windweerstandscalator koppelt de drie invoeropties op een op één manier over naar de hierboven genoemde categorieën:

1. Gust-mode : met een groen/gelb/rood waarschuwingssignaal voor veiligheid op het scherm;
2. Design-mode : ondersteund door een wereldwijde database met windgeschwindigheden, die is aangepast aan de meest recente ASCE 7- en Eurocode-normen;
3. ULS-mode : gebruikt historische gegevens over supertyfoenen om de belastingingsindexen en de uiteindelijke veiligheidsmarges te bepalen.

Als u de berekeningen niet handmatig wilt uitvoeren, stelt de windweerstandscalator standaard de code-conforme optie in en wijst op wanneer een ULS-check nodig is. Voor de palen zelf wordt bij elke al-in-one zonneparkeerverlichting de windgeschwindigheid die is vastgesteld in het ontwerp vermeld. Vraag deze gegevens van ons voordat u bestelt; wij laten u de berekening zien waar deze op is gebaseerd.

适用范围 ：以上讲解灯杆风荷载设计的方法与判据（含极限状态校核）。风荷载取值必须按当地的极值风速与规范执行，本文不给出可直接套用的数值。灯杆结构计算须由结构专业工程师完成，本文不替代设计文件。