Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. РАБОТА АРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ЯКУТИИ 10
Опыт применения арочных конструкций в Республике Саха (Якутия) 10
Анализ аварий арочных конструкций 14
Анализ схем снегонакопления и ветрового воздействия на арочные конструкции 18
1.4. Цели и задачи 32
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ СНЕГОНАКОПЛЕНИЯ НА ПОКРЫТИЯХ
СВОДЧАТОГО ОЧЕРТАНИЯ 35
Факторы, определяющие процесс снегонакопления на покрытиях 35
Методика проведения натурных обследований снеговых нагрузок на арочных покрытиях 42
Результаты натурных наблюдений за снегоотложениями на покрытиях сводчатого очертания 45
Обоснование схем снегонакоплений на арочных конструкциях 72
2.5. Выводы по главе 81
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСА ВОДЫ В СНЕГЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ82
Методика определения запаса воды в снеге на поверхности земли 82
Результаты статистической обработки метеоданных 85
Уточнение значений снеговых нагрузок для территории Якутии 91
Выводы по главе 99
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И
СООРУЖЕНИЙ 100
Методика определения расчетных скоростей ветра 100
Методика определения ветрового давления 104
Районирование территории Якутии по средней скорости ветра за зимний период 106
Назначение нормативных и расчетных значений давления ветра на строительные конструкции 115
4.5. Выводы по главе 122
ГЛАВА 5. РАБОТА АРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ
СНЕГОВЫХ И ВЕТРОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 124
Методика определения коэффициента сочетаний 124
Определение коэффициента сочетаний для территории Республики Саха (Якутия) 140
Численный анализ работы арочных конструкций 141
Рекомендации по проектированию арочных конструкций 147
5.5. Выводы по главе 150
ВЫВОДЫ 151
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 183
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 186
Введение к работе
В обеспечении эксплуатационной надежности несущих конструкций покрытий зданий и сооружений в течение всего срока службы существенную роль играет правильное определение уровня снеговых и ветровых нагрузок. Данная проблема особенно актуальна для районов Крайнего Севера, где этому способствует длительный зимний период с низкой температурой и отсутствием оттепелей. Большинство исследований по снеговым нагрузкам на покрытиях зданий, результаты которых использовались при разработке нормативных документов в этой области, проводились в районах с умеренным климатом. В условиях Крайнего Севера процесс формирования снеговой нагрузки на покрытиях сводчатого типа имеет ряд специфических особенностей. Поэтому перенос результатов исследований, проведенных в европейской части страны, на территорию Якутии недостаточно правомочен и приводит в некоторых случаях к аварийным ситуациям.
В настоящей работе приведены результаты длительных натурных наблюдений за снегонакоплением на объектах с покрытиями сводчатого очертания в различных районах Якутии. Фактические распределения снеговых нагрузок на сводчатых покрытиях отличаются от расчетных схем, принятых в действующих нормах. Такое несоответствие послужило одной из причин обрушений арочных конструкций в Якутии.
Одним из факторов, непосредственно влияющих на распределение снега на покрытиях зданий, является направление и скорость ветра в зимний период. В связи с этим для учета сноса снега с покрытий выполнено нормирование скорости ветра за зимний период. Кроме того, проведено нормирование расчетных и нормативных значений давления ветра для территории Якутии.
Проблема сочетания нагрузок — одна из важных задач при расчете конструкций, решение которой позволит получить определенный эконо-
мический эффект. В работе предлагается методика определения сочетаний ветровых и снеговых нагрузок для отдельных районов Якутии по фактическим данным метеостанций.
Результатом исследования являются рекомендации по назначению снеговых и ветровых нагрузок на покрытия сводчатого типа и близкого к ним по очертанию покрытия с учетом климатических особенностей территории Якутии.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса. Выполнен обзор арочных конструкций, применяемых в Якутии. Проведен анализ аварий, происшедших за последние время. Одним из факторов, повлиявших на обрушение арок, является отличие фактического снегоотложения на покрытиях от схем распределения снеговых нагрузок, предложенных в действующих нормах.
Выполнен обзор отечественных и зарубежных исследований на работу конструкций от действия снеговых и ветровых нагрузок.
Отечественные нормы по назначению снеговых нагрузок развивались на основе собранных метеоданных и обобщения натурных наблюдений за характером отложений снега на покрытиях зданий, анализа обрушений строительных конструкций, вызванных чрезмерными снеговыми нагрузками, а также по мере совершенствования методов расчета строительных конструкций. После выхода в 1932 году первого ОСТа по снеговым нагрузкам с периодами от 5 до 12 лет вышли 9 нормативных документов, указаний и изменений к ним.
Проведенный анализ зарубежных норм по назначению снеговых нагрузок и их сопоставление с отечественными нормами показал, что отечественные нормы имеют отличия при назначении отложений снега на покрытиях зданий сводчатого типа.
Изучение снеговых нагрузок на покрытиях зданий и сооружений, в основном, проводилось в Европейской части России. Климатические особенности региона, определяющие процесс снегонакопления в условиях Якутии (крайне низкая температура воздуха, большая длительность залегания устойчивого снегового покрова, преобладание безветренной погоды в самые суровые месяцы зимы), не нашли еще достаточного отражения в действующих нормативных документах по снеговым нагрузкам.
Территория Якутии остается слабоосвещенной и недостаточно изученной по метеорологическим характеристикам. Особенности сурового и своеобразного климатического режима Якутии существенно влияют на процесс формирования снегового покрова и не позволяют полностью перенести результаты исследований в центральной части страны на территорию Якутии. Структура снегового покрова в условиях Якутии имеет весьма простое строение, поэтому перенос и снос снега с покрытий происходит при незначительных ветрах, что определяет целесообразность уточнения снеговых нагрузок.
В настоящее время имеется возможность более точно подойти к назначению схем распределения снеговой нагрузки на покрытиях сводчатого типа.
В результате проведенного анализа по назначению снеговых нагрузок на покрытия зданий поставлена цель и сформулированы основные задачи данной диссертационной работы.
Во второй главе приводится анализ результатов многолетних натурных снегосъемок на покрытиях сводчатого типа. Проанализированы факторы, влияющие на характер снегонакоплений.
Натурные наблюдения за снегоотложениями на покрытиях зданий Якутии проводились с 1996 по 2003 годы: на западе - в г. Мирном; в Южной Якутии - в г. Алдане; в Центральной Якутии - в г. Якутске. Обследовались здания со сводчатыми и стрельчатыми очертаниями, высотой от 6.0 до 24.0 м, длиной от 20.0 до 60.0 м и шириной от 6 до 48.0 м. В результате
установлено, что, несмотря на небольшие скорости ветра в зимний период, происходит интенсивный снос снега с арочных покрытий. Распределение снегового покрова на покрытиях зависит от господствующего направления ветра в зимний период, формы покрытия (круговая или стрельчатая), шероховатости поверхности.
При расположении здания перпендикулярно или под углом к господствующему направлению ветра прослеживается четкая картина неравномерного распределения снега на покрытиях с наиболее распространенной «горбообразной» формой. Фактическая схема распределения снеговой нагрузки имеет значительные расхождения со схемой, принятой в действующих нормах. Максимальные снегонакопления располагаются на покрытиях арочной конструкции полукруглой конфигурации на участках с углом наклона 25-30, стрельчатой - 30. В зоне конька покрытий стрельчатых арок снеговой покров полностью отсутствует. Установлен угол 50, ниже которого снег не откладывается на покрытии. Фактический коэффициент перехода снеговой нагрузки на земле к снеговой нагрузке на покрытии имеет максимальные значения 1,2-2,2 для арочных покрытий с применением в качестве гидроизоляции оцинкованного листа и 2,5 для покрытий с применением рубероида.
Проведен статистический анализ фактических коэффициентов перехода к снеговой нагрузке на покрытие для различных типов покрытий и получены их предельные границы с обеспеченностью 0,95. Выполнено сравнение полученных результатов с данными норм.
На основе численного анализа напряженно-деформированного состояния стальных арок различного очертания обоснованы расчетные схемы снеговых нагрузок для данных типов покрытий. Предложены схемы распределения снеговых нагрузок в зависимости от очертания арочного покрытия и шероховатости поверхности.
В третьей главе приводится методика определения веса снегового покрова на поверхности земли. В качестве основного теоретического зако-
на, описывающего годовые максимумы веса снегового покрова на поверхности земли, принят закон Гумбеля с поправками на длительность лет наблюдений. Создан банк данных о весе снегового покрова земли, включающий данные более 200 метеостанций и пунктов, расположенных на территории Якутии. Разработанная программа позволяет в автоматизированном режиме обрабатывать данные различных станций и получать сведения о весе снегового покрова земли с различной обеспеченностью.
Составленная таблица расчетных значений веса снегового покрова на поверхности земли для различных населенных пунктов Якутии позволяет принимать эти значения дифференцированно в зависимости от срока службы проектируемых зданий.
В четвертой главе приводятся методики и результаты статистического исследования давления и средней скорости ветра за зимний период. Создан банк метеорологических данных о ежемесячных средних и максимальных скоростях ветра на территории Якутии. Всего собрано свыше 26000 данных по населенным пунктам Якутии за период с 1961 по 2001 годы.
Разработана методика оценки расчетных значений скоростей ветра и ветрового давления. Для аппроксимации ветрового давления предлагается использовать для каждой станции наиболее согласующийся закон распределения (нормальный, логнормальный, Вейбула, Гумбеля с поправками на длительность наблюдений).
Для определения уровня нормативного давления ветра при расчете строительных конструкций по второй группе предельных состояний предлагается принимать значения с обеспеченностью 0.8, за расчетные значения давления ветра - ежемесячные максимумы в зависимости от срока службы зданий со следующей обеспеченностью: 0.96 - для зданий со сроком службы до 25 лет, 0.98 - для зданий со сроком службы до 50 лет, 0.99 -для зданий со сроком службы до 100 лет.
Для конкретных населенных пунктов Якутии получены нормативные и расчетные значения скоростей и давления ветра. Для учета сноса снега с покрытий зданий разработана карта районирования по средней скорости ветра за зимний период.
Анализ карты районирования по действующим нормам и карты, разработанной на основе метеоданных, показал на значительное их расхождение. В среднем свыше 60% территории Якутии по последним данным отличаются от нормативных по районированию средней скорости ветра за зимний период. Выполнено районирование по средней скорости ветра за зимний период районов, отнесенных ранее в нормах к малоизученным.
По предложенной методике разработана карта районирования по нормативным значениям ветрового давления для территории Якутии. Анализ обработки значений по давлению ветра показал, что территория Якутии, кроме арктических, районов не соответствует по уровню ветрового давления карте районирования действующих норм. В разработанной карте введены новые районы по давлению ветра.
В пятой главе приводится методика определения коэффициента сочетаний на совместное действие ветровых и снеговых нагрузок. Определение коэффициента производилось путем обработки фактических декадных метеоданных по конкретным метеопунктам за двадцатилетний срок наблюдений. Данные обрабатывались с помощью наиболее согласующегося закона распределения с обеспеченностью 0.95. По полученным графикам изучалась зависимость изменения снеговой нагрузки на поверхности земли в течение всего срока снегоотложения. Определялось время, когда снеговая нагрузка достигает своего максимума, и определялась соответствующая этому времени ветровая нагрузка. За временной интервал подразумевается конкретная декада весеннего месяца. Определялась доля ветровой и снеговой нагрузок от максимального значения за весь год наблюдений. В результате получены коэффициенты сочетаний, учитывающие совместное действие снеговых и ветровых нагрузок, для конкретных метеопунктов.
Проведен численный анализ работы двух видов арочных конструкций для различных схем снеговой нагрузки. Результаты расчетов арочных конструкций показали, что проектирование по действующим нормам может привести при фактическом распределении снеговых нагрузок к перенапряжению отдельных элементов бесшарнирной арки от 6,4 до 11,6% и трехшарнирной арки от 5,3 до 26%.
Приведены рекомендации по проектированию арочных конструкций в условиях Якутии, в которых предложены:
расчетные схемы снеговых нагрузок;
расчетные и нормативные значения веса снегового покрова на поверхности земли;
расчетные и нормативные значения давления ветра;
карта средних скоростей ветра за зимний период;
коэффициенты сочетания для учета совместного воздействия снеговых и ветровых нагрузок.
Автор выражает глубокую признательность В.В.Филиппову, В.А.Отставнову и А.В.Рыкову с которыми ему довелось сотрудничать в процессе выполнения работ, положенных в основу диссертации.
