Імовірнісний опис снігового навантаження на покрівлі будівель із перепадами висот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

УДК 624.042.42:692.42

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Імовірнісний опис снігового навантаження на покрівлі будівель із перепадами висот

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Дрижирук Юрій Васильович

Полтава 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищені накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель («снігові мішки») є одним з найбільш важливих випадків снігового навантаження на будівельні конструкції. Так, рівень навантаження від снігу на поверхні землі до 2007 року значно занижувався діючими на той час нормами проектування СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия», що призводило до численних аварій покрить не тільки в Україні, а й у Росії. З уведенням у 2007 році українських норм ДБН В.1.2-2-2006 «Навантаження і впливи», даний вид навантаження був значно збільшений, до його нормування застосований імовірнісний підхід, що полягав у введенні терміну експлуатації будівель.

З іншого боку, навантаження від снігових мішків, що є дуже важливим, до сих пір визначається за детермінованим підходом. Тому, створення імовірнісної моделі накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель допоможе зменшити навантаження від надмірних сніговідкладень, забезпечивши при цьому достатній рівень надійності конструкцій, допоможе уникнути небажаних підсилень існуючих будівель та сприятиме економії матеріалів при будівництві нових. Дана науково-технічна задача є актуальною, має суттєве теоретичне і практичне значення.

Крім того, потребує вирішення важлива проблема захисту конструкцій існуючих будівель і споруд від перевантаження внаслідок впливу снігових мішків у місцях перепадів висот, що утворюються при добудові більш високих нових корпусів до існуючих будівель.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає напряму науково-технічної політики держави в галузі оцінювання технічного стану будівель і споруд згідно з Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 5 травня 1997 р. «Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та мереж» та рішенням науково-технічної ради Держкомітету будівництва, архітектури та житлової політики (Держбуду) України від 16.11.2001 р., №63 «Про досвід НДІБК щодо вирішення науково-технічних проблем обстеження, оцінки технічного стану та підсилення конструкцій і будівель в умовах стислих термінів будівництва та реконструкції».

Дисертація виконувалася у межах розвитку держбюджетних дослідних тем «Розробка методів розрахунку надійності будівельних конструкцій та нормування навантажень на них» (державний реєстраційний номер 0196U000999), «Розробка пропозицій по удосконаленню норм проектування будівельних конструкцій на основі дослідження їх надійності» (державний реєстраційний номер 6194U0400378) та «Оцінювання надійності та ризиків несучих та огороджуючих будівельних конструкцій» (державний реєстраційний номер 0111U000839). Робота відповідає напряму наукових досліджень кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас.

Метою роботи є розробка імовірнісної моделі накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель, оцінка на її основі навантаження від снігових мішків та отримання для них коефіцієнтів сполучення.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- експериментально дослідити процес формування снігового навантаження на покрівлях будівель і споруд;

- визначити вплив окремих метеорологічних (температура, опади, швидкість та напрям вітру) та фізичних (тепловтрати покрівель) факторів на утворення снігонакопичень в місцях перепадів висот будівель;

- провести порівняльний аналіз вітчизняних та закордонних норм проектування у питанні снігового навантаження, зіставити отримані результати з фактичними даними;

- розробити імовірнісну модель накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель, на її основі оцінити навантаження від снігових мішків, регламентоване нормами ДБН, та отримати коефіцієнти сполучення для ваги надлишкових снігонакопичень;

- розробити інженерну методику застосування понижуючих коефіцієнтів сполучення для визначення снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель;

- розробити інженерні засоби захисту від надмірного снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель при реконструкції та новому будівництві;

- впровадити результати досліджень у практику будівництва і проектування.

Об'єкт дослідження - снігове навантаження в місцях перепадів висот будівель.

Предмет дослідження - вплив випадкових факторів на формування снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель.

Методи дослідження:

- експериментальні методи отримання даних про характеристики снігового покриву на покрівлях будівель та на землі;

- методи математичної статистики при аналізі результатів експериментальних досліджень;

- методи теорії ймовірності при створенні стохастичної моделі накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель;

- метод скінченних елементів при визначенні зусиль у конструкціях від дії снігового навантаження;

- методи будівельної механіки при розрахунку снігозахисних конструкцій.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше експериментально досліджено в умовах м. Полтави процес накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель та вплив на нього фізичних та метеорологічних факторів;

- вперше розроблено імовірнісну модель накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель («снігових мішків»);

- вперше отримано понижуючі коефіцієнти сполучення для навантаження від дії снігових мішків на території України та розроблено інженерну методику їх застосування;

- вперше розроблено спосіб та інженерні засоби захисту від надмірного снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель при реконструкції та новому будівництві.

Практичне значення отриманих результатів роботи:

- отримані імовірнісно обґрунтовані понижуючі коефіцієнти снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель та інженерна методика їх застосування, які дозволяють зменшувати матеріаломісткість несучих конструкцій будівель і споруд;

- здійснено оцінку навантаження від снігових мішків при реконструкції об'єктів на основі розробленої імовірнісної моделі;

- запропоновано снігозахисні інженерні засоби, що дозволять уникнути дії надмірного снігового навантаження на покрівлі існуючих будівель і споруд внаслідок добудови до них більш високих нових будівель;

- впроваджено у будівництво спосіб захисту будівель і споруд від надмірного снігового навантаження в місцях перепадів висот.

Використання результатів роботи. Результати роботи були використані при проектуванні, обстеженні та реконструкції об'єктів, виконаних:

- підприємством ТОВ «Етуаль» - при проектуванні несучого каркасу будівлі виробничого корпусу та при підсиленні конструкцій покриття цеху заводу компанії АТЕМ, м. Київ;

- підприємством ТОВ «ПБ «Інтерсталь» - при оцінці розрахункових параметрів снігових мішків на будівлі автоцентру «Пежо» у Київській обл., та при оцінці фактичних параметрів підвищених сніговідкладень на покрівлі цеху ВАТ «Кременчуцький сталеливарний завод».

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані автором самостійно. В публікаціях у співавторстві здобувачеві належить: [1] - розрахунок конструкцій та аналіз напружень, викликаних сніговим навантаженням; [2] - розробка принципів розрахунку та оптимізації снігозахисних конструкцій; [3, 4, 5] - дослідження еволюції норм проектування та порівняльний аналіз стандартів різних країн, експериментальні дослідження снігового покриву; [7] - розробка імовірнісної моделі снігових мішків.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювались на таких конференціях: П'ятій Міжнародній науково-практичній конференції «Инновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения», м. Ялта, 2007 р.; Дев'ятій науково-технічній конференції «Металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку», м. Київ, 2008р.; Науково-технічній конференції «Сучасні технології і методи розрахунків у будівництві» м. Луцьк, 2009 р.; Всеукраїнській науково-практичній конференції «Проблеми й перспективи розвитку академічної та університетської науки», м. Полтава, 2009р.; Шостій Міжнародній науково-технічній конференції «Будівельні конструкції спортивних і просторових споруд», м. Київ, 2010 р.; Шостому Міжнародному симпозіумі «Environmental Effects on Buildings and People: actions, influences, interactions, discomfort», Польща, м. Краків, 2010р; Науково-технічних конференціях ПолтНТУ (м. Полтава, 2007-2010 рр).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи наведено в 7-ми статтях, 5 з яких опубліковано у збірниках, що є фаховими виданнями. Отримано 3 патенти України на корисну модель.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 191 найменування і 5 додатків. Дисертація викладена на 228 сторінках, у тому числі 148 сторінок основного тексту, 28 повних сторінок з рисунками та таблицями, 21 сторінка списку використаних джерел, 31 сторінка додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичну цінність і застосування отриманих результатів.

У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано фізичні властивості кристалів снігу, простежено еволюцію вітчизняних норм проектування по сніговому навантаженню, розглянуто нормування снігового навантаження за кордоном та методи його досліджень, визначені фактори, що впливають на підвищені снігонакопичення в місцях перепадів висот будівель. Також приділена увага огляду аварій будівель і споруд, що сталися внаслідок перевантаження снігом несучих конструкцій їх покрить.

У різні часи роботи з дослідження та нормування навантаження від снігу проводили В.А. Отставнов, Л.С. Розенберг, А.А. Бать, А.Я. Дрівінг, В.Д. Райзер, Н.К. Жукова, Б.П. Строкатов, Б.Н. Кошутін, А.М. Айзен, А.М.Каган та інші, кліматологи М.В. Заваріна, В.І. Ліповська, Д.І. Копаньов. Значний внесок в розвиток імовірнісних моделей снігового навантаження та створення перших українських норм ДБН «Навантаження і впливи» зробили А.В. Перельмутер, С.Ф. Пічугін, В.А. Пашинський, Р.І. Кінаш, І.З. Федик; питаннями надійності будівельних конструкцій під дією атмосферних навантажень займалися як класики будівельної науки М.С. Стрєлецький, О.Р. Ржаніцин, В.В. Болотін, так і вітчизняні науковці А.Я. Барашиков, Є.В. Горохов, Є.В. Клименко, А.І. Лантух-Лященко, В.П. Мущанов, М.В. Савицький, О.В. Семко, А.В. Махінько, Я.В. Назім та ін. Серед закордонних вчених, в тому числі й російських, слід відзначити праці А.Т. Копилова, Т.А. Корнілова, В.В. Філіппова, І.В. Лебедєвої, І.В. Ледовського, І.В. Некрасова, D.A. Tailor, M. O'Rourke, A. Flaga, T. Thiis, D.E. Allen, N. Isymov, J. Zuranski, G. Kimbar, B. Leira, S. Sakurai, O. Joh, Y. Tominaga та інших.

Аналіз результатів проведених на сьогодні досліджень показав, що значний вплив на формування надлишкових сніговідкладень в місцях перепадів висот будівель мають наступні фактори: фізичні властивості кристалів снігу, кількість твердих опадів, вітровий режим місцевості, підтавання та зсипання снігового покриву. Однак у вітчизняних та закордонних нормах проектування до сих пір зберігся детерміністичний підхід у визначенні надлишкового снігового навантаження в місцях перепаду висот будівель, при цьому не враховується інтенсивність здування снігу вітром.

На основі проведеного аналізу існуючих результатів досліджень, викладених у науково-технічній і нормативній літературі, сформульовані завдання досліджень. Структурно-логічна схема дисертаційних досліджень наведена на рисунку 1.

Другий розділ присвячений висвітленню експериментальних досліджень снігового покриву з паралельним збором інформації стосовно фізичних та метеорологічних факторів (швидкість та напрям вітру, температура зовнішнього повітря), що впливають на формування снігових мішків в місцях перепадів висот будівель. Проведена також обробка отриманих результатів.

Рис. 1. Структурно-логічна схема дисертаційних досліджень

Основною задачею експериментальних досліджень було отримання фактичних значень снігового навантаження на поверхні землі та на покриттях будівель, даних про розподіл снігу в місцях перепадів висот. Програма натурного експерименту включала в себе снігомірні зйомки на покрівлях будівель впродовж зимових періодів 2007-2008 рр., 2008-2009 рр. та 2009-2010 рр. з подальшою фотофіксацією скупчень снігу, статистичною обробкою метеоданих щодо швидкості та напряму вітру в цей час. Снігомірні спостереження виконувалися за допомогою металевої рейки та похідного вагового снігоміру ВС-43 з точністю до 0,1 г/см3 на плоских дахах з перепадами висот навчальних корпусів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (ПолтНТУ) та на прилеглих до них територіях, захищених від дії вітру (усього близько 1000 замірів). Окремі виміри густини снігу проводились також на покрівлі 9-ти поверхового житлового будинку. Обміри снігових мішків проводились з кроком 0,5 м, проби густини відбиралися рівномірно по ширині покрівлі.

Метеорологічні дані щодо швидкості вітру та мінливості температури повітря за останні 10 років були вибрані автором.

Обробка даних замірів густини снігу дозволила підтвердити близькість їх закону розподілу до нормального та отримати середню густину снігу на дахах (0,19 г/см3), що приблизно рівна аналогічній величині, регламентованій ДБН «Навантаження і впливи», та є більшою від густини снігу на поверхні землі (0,17 г/см3) і пояснюється процесами підтавання снігу завдяки тепловтратам через покрівлю. Також отримано закони розподілу швидкостей вітру для м. Полтави у формі Вейбулла як за весь зимовий період, так і за від'ємних температур.

Уваги заслуговує той факт, що протягом переважного терміну спостережень мали місце характерні для Полтави нестійкі погодні умови, які характеризувались частими відлигами, випадінням дощових опадів та раптовою зміною температури повітря. Внаслідок цього утворювався тонкий крижаний шар та унеможливлювалось перенесення снігу вітром, а отже, і формування снігових мішків. Мало місце також підтавання снігу, спричинене тепловтратами покрівель.

На основі отриманих вертикальних профілів снігових мішків проведено порівняльний аналіз фактичних та теоретичних сніговідкладень за ДБН (рис. 2) шляхом визначення величини коефіцієнта µ. Причому, у якості розрахункового граничного значення приймалося фактичне снігове навантаження на час спостережень (максимум 720 Па).

Рис. 2. Приклад експериментального профілю снігового мішка

Встановлено, що вітер грає ключову роль у формуванні надлишкового снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель. Це підтверджує порівняння даних вимірювань на поверхні землі і на покрівлях будівель. Доведено, що в зону «снігового мішка» зноситься від 20 до 50% снігу з нижнього та верхнього покрить (відповідно до фактичних значень коефіцієнтів µ). Фактичні параметри снігових мішків безпосередньо залежать від метеорологічних умов місцевості (кількість опадів, температура повітря), про що свідчать дані досліджень снігових мішків в умовах крайньої півночі, та практично повністю відповідають рекомендованим нормами ДБН. Основна ж розбіжність полягає в тому, що діючі норми завищують розміри надмірних снігонакопичень біля перепадів висот і в той же час явно занижують (на 10-40%) снігове навантаження в зоні поза сніговим мішком.

У третьому розділі дисертації подано результати порівняльного аналізу накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель за нормами проектування. Метою його проведення є визначення відмінностей у підходах врахування надлишкових сніговідкладень в місцях перепадів висот будівель за нормами СРСР (СНиП 2.01.07-85), України та Росії (ДБН В.1.2-2:2006, СНиП 2.01.07-85*), Європейського союзу (Eurocode-1) та США (ASCE 7-10). Порівняльному аналізу передує короткий огляд механізмів снігонакопичень, використаних при розробленні кожного зі стандартів. Так, процес формування снігових мішків за вітчизняними та європейськими нормами є схожим, про що свідчить подібність розрахункових формул. Розмір снігового мішка напряму залежать від перепаду висоти h та сумарної довжини верхньої та нижньої покрівель l1+ l2, однаковими також є обмеження параметрів мішків. Але, все ж таки, норми ДБН є більш детальними в плані перерозподілу снігу при невеликих перепадах висот, в той час як Eurocode-1 відрізняється спрощеністю. Щодо американських норм, то принцип формування надлишкового снігового навантаження, закладений у них, концептуально відрізняється від попередніх стандартів. Так, має значення лише більша з довжин покрівель, розміри мішка обмежуються перепадом висот, а він сам може мати навітряне або завітряне походження. Розрахункові формули у порівнянні з попередніми стандартами відрізняються складністю. Під час порівняльного аналізу запропоновано оперувати поняттями вантажної площі в безрозмірних одиницях або ваги снігового мішка, що визначається як добуток вантажної площі епюри снігового навантаження на ширину, що прийнята для зручності рівною 1 м. Встановлено, що перша редакція СНиП 2.01.07-85, зокрема схема 8, завищувала вантажну площу снігових мішків на 2-16%, тому була доопрацьована у 1993 р. в бік зменшення їх параметрів. Так, частка снігу, що переноситься з покрівель зменшилась з 0,5 до 0,4; рівень снігового покриву поза зоною снігового мішка знизився з 50% до 20%; натомість збільшилась максимальна довжина мішка з 15 до 16 м; зазнала змін і розрахункова формула даної величини (рис. 3а).

Також не існує чіткої залежності між навантаженням від снігових мішків за СНиП та ДБН для одних і тих же покрівель. При збільшенні снігового навантаження на поверхні землі на 48% (з 980 Па до 1450 Па) вага снігового мішка може як збільшуватися на 27-81%, так і зменшуватися до 19% у разі заповнення всього перепаду висоти снігом. Тому для кожного окремого випадку задля оцінки снігового навантаження відповідно до нових норм ДБН необхідно проводити перевірочні розрахунки (рис. 3б).

а)

б)

Рис. 3. До порівняльного аналізу накопичення снігу в місцях перепадів висот за нормами проектування:

а) порівняння розрахункових схем СНиП та ДБН;

б) порівняння ваги снігових мішків за СНиП та ДБН

Варіант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
l1, l2, м	5	20	50	5	20	50	5	20	50	5	20	50
h, м	1	2	3	5	5	5	7	7	7	8	8	10

Вага снігових мішків, обрахована за стандартами ДБН та Eurocode-1 різниться на 15-30% як у меншу, так і в більшу сторону. У порівнянні з вітчизняними нормами, ASCE 7-10 може значно завищувати (в межах 55 %) вагу снігових мішків для перепадів висот до 3 м, та занижувати (в межах 58%) її для перепадів від 3 до 8 м. Поряд з цим, вітчизняні ДБН мають більшу кількість розрахункових схем та значно вищий технічний рівень.

Четвертий розділ присвячений створенню імовірнісної моделі накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель. При її побудові були розглянуті та оцінені такі важливі фактори формування снігових мішків, як снігове навантаження на поверхні землі, швидкість і напрям вітру, температура зовнішнього повітря та підтавання снігу внаслідок тепловтрат через покрівлю. В результаті ретельного аналізу впливу перерахованих факторів, у явному імовірнісному вигляді було враховано найбільш суттєві з них - снігове навантаження на поверхні землі та швидкість вітру. Крім того, повторюваність вітрів зі швидкістю, більшою 4 м/с враховано як детерміновану величину. Решта чинників не враховані, оскільки вони могли б призвести до значного ускладнення моделі, сприяючи при цьому лише зменшенню кількості снігу в місці перепаду висот. При цьому прийняті наступні передумови:

· розглядаються малоухильні покрівлі (ухил до 20є) з одним перепадом висот;

· сніг з верхньої та нижньої покрівель переноситься вітрами усіх напрямків лише до перепаду висот і тільки під час заметілей (в запас надійності);

· на формування снігових мішків впливає швидкість вітру та снігове навантаження на поверхні землі.

Базовими для розробки імовірнісної моделі є наступні положення.

1. Механізм накопичення снігу в місцях перепадів висот, що покладений в основу ДБН. Сніговий мішок (рис. 4) залежить від перепаду висот h та прольотів верхнього й нижнього покриттів l1 і l2. Також важливу роль відіграють коефіцієнти m1 і m2, котрі відповідають часткам снігу, що зноситься з верхнього та нижнього покриттів до місця перепаду висот, та залежать від ухилу покрівлі. На основі цих параметрів розраховується коефіцієнт м переходу від снігового навантаження на поверхні землі до навантаження на покритті:

(1)

Довжина зони підвищеного снігонакопичення b приймається рівною 2h. Таким чином, сніговий мішок представляє собою трапецію з основами м та м1 і висотою b=2h, а рівнодійна від підвищеного снігового навантаження в районі перепаду становитиме:

(2)

сніговий навантаження покрівля будівля

де, - снігове навантаження на поверхні землі.

Коефіцієнти м та м1 залежать від значень показників m1 і m2, що відображають знесення снігу вітром з верхньої та нижньої покрівлі та повинні носити випадковий характер. Відомо, що існує два види знесення снігу - під час заметілей вітрами зі швидкістю, більшою 4 м/с та в період між заметілями вітрами зі швидкістю, що перевищує 6,5 м/с. Якщо перший вид має місце завжди, то для другого важливою умовою є наявність стійкого снігового покриву. Тому замість m1 та m2 доцільно ввести формулу знесення снігу вітром, запропоновану В.А. Отставновим:

(3)

де - середнє з усіх зареєстрованих за зиму швидкостей вітру, починаючи з 4 м/с та більших; - повторюваність цих вітрів, отримана обробкою метеоданих; - середня інтенсивність зносу за період без заметілей; - повторюваність вітрів зі швидкостями 6,5 м/с та вище; - період без заметілей.

Рис. 4. Схема накопичення снігу в місці перепаду висоти

Проте, як показали натурні спостереження та розрахунки, знесенням в період між снігопадами можна знехтувати, оскільки часті відлиги та опади у вигляді дощу роблять його практично неможливим. Розрахункове значення кількості знесеного таким способом снігу для території України становить менше 1% від значення . Таким чином з формул (2) та (3), провівши деякі спрощення, отримаємо модель накопичення снігу біля перепадів висот будівель в детермінованому вигляді:

(4)

де - показник, що залежить від геометричних параметрів покрівлі та величини перепаду висот;- середня з усіх зареєстрованих за зиму швидкостей вітру, починаючи з 4 м/с та більших; - повторюваність цих вітрів, отримана обробкою метеоданих.

2. Імовірнісний опис снігового навантаження. Основою для імовірнісного опису снігових відкладень в місцях перепадів висот є закон розподілу снігового навантаження на поверхні землі. Найбільш точним для малосніжної території України є поліномо-експоненційний закон щільності розподілу, підібраний В.А. Пашинським та С.Ф. Пічугіним на основі обробки первинних метеоданих за 40 років. В абсолютних величинах закон розподілу має вигляд:

, (5)

де s - абсолютна величина навантаження, а0… а3 - коефіцієнти поліному розподілу.

Даними авторами розроблені узагальнені розподіли для різних географічних районів України з відповідними числовими характеристиками.

3. Імовірнісний опис вітрового навантаження. Вплив вітру є важливим фактором, що сприяє накопиченню снігу в місцях перепадів висот будівель. Швидкість вітру має імовірнісний характер і найбільш точно описується законом розподілу Вейбулла:

, (6)

де б і в - параметри масштабу та форми розподілу.

Закони розподілу швидкості вітру для вітрових районів України одержані шляхом перетворення законів розподілу швидкісного напору, отриманих В.А. Пашинським та С.Ф. Пічугіним у результаті обробки первинних метеоданих.

На основі базових положень створено імовірнісну модель накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель. Оскільки, як снігове навантаження, так і швидкість вітру є випадковими величинами, запишемо (4) в імовірнісній формі:

(7)

Таким чином, випадкова вага снігового мішка є функцією двох незалежних один від одного випадкових аргументів та , що у виразі (7) перемножаться, в зв'язку з чим розподіл може змінюватися в залежності від розподілів іта їх співвідношення.

Отже, в загальному вигляді щільність розподілу ваги снігових мішків запишеться:

, (8)

де s1 - максимально можливе значення снігового навантаження для конкретного району.

Шляхом чисельного інтегрування отримується крива розподілу ваги снігових мішків (рис. 5). Про істинність отриманого закону розподілу свідчать виконання умови нормування, а також близькість основних числових характеристик, обрахованих за формулами теорії імовірності та отриманих чисельно по кривій розподілу.

Отримана імовірнісна модель накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель дає можливість оцінити значення ваги снігових мішків, що визначені за нормами ДБН. Оцінку пропонується проводити за наступною послідовністю:

1. Визначається вага снігового мішка за ДБН для конкретних вихідних даних (перепад висот, довжини покрівель, термін експлуатації будівлі).

2. Маючи щільність розподілу снігового навантаження на поверхні землі f(s), знаходимо імовірність перевищення розрахункового граничного рівня снігового навантаження Sm для конкретного випадку:

(9)

Отримавши за формулою (9) значення імовірності, використовуючи щільність розподілу ваги снігових мішків (8), з такою ж вірогідністю перевищення знаходимо максимальне імовірне значення ваги снігового мішка, тобто розв'язуємо наступне рівняння відносно Мімов:

(10)

3. Шуканий коефіцієнт сполучення снігового навантаження визначається як відношення максимального імовірного значення ваги снігового мішка до його ваги за ДБН:

(11)

За описаною вище методикою були визначені понижуючі коефіцієнти сполучення для ряду покрівель з терміном експлуатації 50 та 100 років. Розрахунки для м. Полтави показали, що найбільше значення коефіцієнта сполучення гsb = 0,74 можна отримати саме для 50-річного періоду експлуатації будівлі. Зі збільшенням цього терміну коефіцієнт зменшується, адже імовірність перевищення більшого рівня навантаження також знижується.

Розрахунки показали, що найбільш прийнятними для подальших обчислень є узагальнені по території розподіли швидкості вітру, отримані для вітрових районів України, адже їх криві зміщені в бік повторюваності більших швидкостей. Тому, використовуючи їх у комплексі з узагальненими законами розподілу снігового навантаження, у середовищі MathCAD нараховані коефіцієнти гsb для усієї території України.

Так, значення граничних розрахункових навантажень Sm та ваги снігових мішків визначались відповідно до вимог ДБН, термін експлуатації будівель - 50 років. Прийняті також наступні параметри розрахункової покрівлі як такі, що дають найбільш репрезентативні результати в запас надійності. Покрівлі плоскі з довжинами l1=l2=10 м, перепад висот h=5 м. Вихідні дані та результати розрахунку подані в табл. 1.

З метою кращого розуміння результатів розрахунку, побудовано криві щільності розподілу ваги снігових мішків для основних розрахункових випадків (рис. 5).

З рис. 5 чітко видно, що форма кривих розподілу ваги снігових мішків залежить від вигляду законів розподілу снігового навантаження, а швидкість вітру та геометричні параметри покрівлі лише впливають на масштабування графіка відносно осей координат. Загальний вигляд кривих також вплинув на отримані коефіцієнти сполучення. Так, навантаження від снігу на поверхні землі в м. Донецьку (1500 Па) є досить значним для першого снігового району в сукупності з переважанням вітрів великих швидкостей, тому в цьому випадку результуючу вагу підвищених сніговідкладень можна знизити більше, ніж, наприклад, для м. Запоріжжя, де цей показник становить 1110 Па і ймовірність перевищення його також вища. Взагалі, показники снігового навантаження на поверхні землі для міст першого снігового району лежали у правій частині розподілу, що і спричинило розкид коефіцієнтів від 0,64 до 0,86.

Рис. 5. Щільність розподілу ваги снігових мішків для різних випадків

Отримані результати свідчать, що в містах з вищими граничними розрахунковими значення снігового навантаження (Кіровоград, Донецьк, Луцьк тощо) є можливість зменшити розрахункову вагу підвищених сніговідкладень на 26-36%, у той же час за менших значень навантажень, дану вагу допускається знижувати всього на 14-20% (Запоріжжя, Одеса, Миколаїв, Херсон). Що ж стосується міст України, віднесених до другого та третього снігових районів, то тут спостерігається менший розкид коефіцієнта, який варіюється в межах 0,74…0,76.

Отримані коефіцієнти сполучення дозволяють знижувати вагу підвищених снігонакопичень. Проте, при розрахунках будівель і споруд не оперують даним поняттям, натомість застосовують розподілене погонне навантаження від заметів в місцях перепадів висот будівель. Натурні дослідження снігових мішків показали, що снігонакопичення досягають свого максимального рівня (мається на увазі максимальне значення ординати снігового мішка) лише при заповненні снігом усього перепаду. При цьому, форма самого замету є вігнутою всередину, що вказує на малу кількість перенесеного до перепаду висот снігу. Натомість у позамішковій зоні залишається не 20% снігу, як регламентується ДБН, а 30-50%, довжина замету також може зменшуватись на 5-10%.

Таблиця 1. Понижуючі коефіцієнти сполучення для території України

№ п/п	Місто	Сніговий район	Вітровий район	Sm, Па	Вага снігового мішка за ДБН, MДБН, кН	Імовірна вага снігового мішка, Mімов, кН	Понижуючий коефіцієнт гsb сполучення
1	Київ	ІІ	ІІ	1550	21,7	16,4	0,76
2	Сімферополь	І	ІІІ	820	11,5	8,85	0,77
3	Вінниця	ІІ	ІІ	1360	19,0	14,0	0,74
4	Луцьк	І	ІІІ	1240	17,4	13,4	0,77
5	Дніпропетровськ	І	ІІІ	1340	18,8	13,5	0,72
6	Донецьк	І	ІІІ	1500	21,0	13,5	0,64
7	Житомир	ІІ	ІІІ	1460	20,4	16,0	0,78
8	Ужгород	І	ІІ	1340	18,8	13,2	0,70
9	Запоріжжя	І	ІІІ	1110	15,5	13,4	0,86
10	Івано-Франківськ	І	ІІІ	1410	19,7	13,5	0,69
11	Кіровоград	І	ІІ	1230	17,2	12,5	0,73
12	Луганськ	І	ІІІ	1350	18,9	13,5	0,71
13	Львів	І	ІІІ	1310	18,3	13,5	0,74
14	Миколаїв	І	ІІІ	870	12,2	9,70	0,80
15	Одеса	І	ІІІ	880	12,2	9,85	0,80
16	Полтава	ІІ	ІІ	1450	20,3	15,0	0,74
17	Рівне	І	ІІІ	1320	18,5	13,5	0,73
18	Суми	ІІІ	ІІ	1670	23,4	17,3	0,74
19	Тернопіль	І	ІІІ	1390	19,5	13,5	0,69
20	Харків	ІІ	ІІ	1600	22,4	16,8	0,75
21	Херсон	І	ІІІ	760	10,6	8,0	0,76
22	Хмельницький	І	ІІІ	1340	18,8	13,5	0,72
23	Черкаси	ІІ	ІІ	1520	21,3	15,8	0,74
24	Чернівці	ІІ	ІІ	1320	18,5	13,6	0,74
25	Чернігів	ІІІ	ІІ	1720	24,1	17,8	0,74

Таким чином, на основі натурних спостережень запропоновано підхід до корегування розрахункових параметрів снігових мішків (рис. 6). Його суть полягає у перерозподілі частини снігу з області снігового мішка у позамішкову зону шляхом пропорційного зменшення максимального значення коефіцієнта µ до величини µsb, довжини замету b до bsb, в той же час збільшення коефіцієнта µ1 до значення µ1sb.

Рис. 6. Схема корегування розрахункових параметрів снігового мішка

Відповідно до даного принципу виведені апроксимуючі корегуюючі залежності:

(12)

Розбіжність між теоретичними значеннями зменшеної ваги снігових мішків та розрахованими за залежностями (12) змінюється від 0,7 до майже 8 % в запас надійності. Таким чином, формули (12) можуть застосовуватись в інженерних розрахунках.

П'ятий розділ присвячено впровадженню результатів роботи в практику будівництва. На прикладі добудови до існуючих будівель промислового підприємства нових вищих корпусів виявлено, що утворення в місцях перепадів висот снігових мішків могло б викликати зростання зусиль у конструкціях покриття до 2-х разів та перевищення їх несучої здатності. Тому, запропоновано спосіб захисту будівель і споруд від надмірного снігового навантаження при реконструкції та новому будівництві. Його сутність полягає у закріпленні до каркасу більш високої нової будівлі снігозахисних несучих конструкцій та сприйнятті ними надлишкового навантаження, що враховується при проектуванні (рис. 7б,в). Окремої уваги заслуговує також спосіб пониження покрівлі, що успішно застосований при будівництві виробничого корпусу заводу «АТЕМ» (м. Київ). Він полягає у введенні додаткового прольоту між будівлями різної висоти та пониження її рівня з метою створення простору для накопичення снігу (рис. 7г) .

Чисельні розрахунки показали, що застосування понижуючих коефіцієнтів сполучення для ваги снігових мішків при розрахунку кроквяних ферм призводить до зниження зусиль у елементах на величину до 16%.

Рис. 7. Снігозахисні інженерні заходи:

а) без снігозахисних конструкцій

б) застосування несучої снігозахисної конструкції

в) застосування несучої консольної конструкції

г) застосування способу пониження покрівлі

Загальні висновки

У дисертації вирішена актуальна наукова задача імовірнісного оцінювання навантаження від надлишкових снігонакопичень в місцях перепадів висот будівель та введення понижуючих коефіцієнтів сполучення для ваги снігових мішків. Проведені експериментальні та теоретичні дослідження дозволяють зробити наступні висновки.

1. Експериментальні дослідження показали, що снігове навантаження на дахах будівель формується під впливом метеорологічних та фізичних факторів. Досить частим є явище утворення на поверхні снігу льодяної кірки внаслідок замерзання дощових опадів, що унеможливлює процес перенесення снігу вітром. Підтаванню снігу також сприяють тепловтрати покрівель. Вітер грає ключову роль у формуванні надлишкового снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель. Доведено, що в зону снігового мішка зноситься від 20 до 50% снігу з нижнього та верхнього покрить. Взагалі ж, фактичні параметри надлишкових сніговідкладень у місцях перепадів висот відповідають рекомендованим ДБН за виключенням того, що діючі норми на 10-40% занижують рівень снігового навантаження в зоні поза сніговим мішком.

2. Встановлено, що не існує чіткої залежності між навантаженням від снігових мішків, розрахованим за СНиП та ДБН для одних і тих же покрівель. При збільшенні снігового навантаження на поверхні землі на 48% вага снігового мішка може як збільшуватися на 27-81%, так і зменшуватися до 19% у випадку заповнення всього перепаду висоти снігом. Виявлено, що вага снігових мішків, обрахована за стандартами ДБН та Eurocode-1, різниться на 15-30% як у меншу, так і в більшу сторону, а самі європейські норми відрізняються спрощеністю та занадто узагальненим підходом, малою кількістю розрахункових схем. У порівнянні з вітчизняними нормами, норми США ASCE 7-10 можуть значно завищувати (до 55%) вагу надлишкових снігонакопичень для перепадів висот до 3 м, та занижувати (до 58%) її для перепадів від 3 до 8 м.

3. Вивчено стохастичний характер ваги снігових мішків, який залежить не тільки від детермінованих параметрів покрівлі, але й від випадкових величин снігового навантаження на поверхні землі та швидкості вітру. Створено імовірнісну модель накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель та на її основі проведено оцінювання ваги снігових мішків, отриманої за ДБН.

4. Імовірнісна модель снігових мішків дала змогу отримати обґрунтовані понижуючі коефіцієнти сполучення снігового навантаження в місцях перепадів висот гsb, значення яких для території України можна у першому наближенні приймати 0,8. Це дозволяє знизити зусилля у елементах кроквяних ферм на 6-16% та зменшити розрахункове навантаження на конструкції існуючих будівель, що проектувались за СНиП.

5. Розроблені, запатентовані та впроваджені у будівництво інженерні рішення, які дозволяють зменшити навантаження від надмірного скупчення снігу в місцях перепадів висот, що виникає при добудові до існуючих будівель нових вищих корпусів. Для випадків, коли застосування снігозахисних конструкцій неможливе, запропоновано спосіб пониження покрівлі існуючої будівлі, сутність якого полягає у створенні в місці пониження простору для локалізації в ньому снігового мішка.

Список опублікованих робіт

1. Пічугін С.Ф. Урахування підвищеного снігового навантаження в місцях перепаду висот, що створюються при добудові та реконструкції будівель / С.Ф. Пічугін, Ю.В. Дрижирук // Сб. науч.трудов. Строительство, материаловедение, машиностроение. «Инновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения». - Д.: ПГАСА, 2007. - №43.- С.371-375.

2. Пічугін С.Ф. Засоби боротьби з підвищеним сніговим навантаженням на покрівлю / С.Ф. Пічугін, О.В. Семко, Ю.В. Дрижирук // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава : ПолтНТУ, 2007. - Вип.20.- С.95-100.

3. Пічугін С.Ф. Аналіз розвитку норм проектування по сніговому навантаженню / С.Ф Пічугін., Ю.В. Дрижирук // Збірник наукових праць Українського науково-дослідного та проектного інституту сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського. - К. : Сталь, 2008. - Вип.1 - С.5-15.

4. Пічугін С.Ф. Порівняльний аналіз розрахункових схем снігового навантаження біля перепадів висот будівель за нормами різних країн / С.Ф. Пічугін, Ю.В. Дрижирук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. - Рівне : НУВГП, 2009. - Вип. 18. - С.406-413.

5. Пічугін С.Ф. Натурні дослідження снігового навантаження на покрівлях з перепадами висот / С.Ф. Пічугін, Ю.В. Дрижирук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць.- Рівне : НУВГП, 2009. - Вип. 19. - С.290-297.

6. Дрижирук Ю.В. Вивчення снігового навантаження біля перепадів висот / Ю.В. Дрижирук // Надежность строительных конструкций. Работа научной школы проф. С.Ф. Пичугина : сборник научных трудов. - Полтава : ООО «АСМИ», 2010. - С.112-124.

7. Пічугін С.Ф. Імовірнісна модель снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель / С.Ф. Пічугін, Ю.В. Дрижирук // Збірник наукових праць Українського науково-дослідного та проектного інституту сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського.- К. : Сталь, 2010. - Вип.6. - С.53-63.

8. Пат. 53409 Україна, МПК (2009) Е 04 С 2/00. Несуча консольна конструкція для захисту існуючих будівель і споруд від надмірного снігового навантаження при добудові до них нових вищих будівель / заявники Пічугін С.Ф., Семко О.В., Дрижирук Ю.В.; власник Полтав. нац. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. - № u 2010 02826; заявл. 12.03.2010; опубл. 11.10.2010, Бюл. № 19. - 4с. (Сформульована сутність винаходу, оформлена відповідна документація).

9. Пат. 53531 Україна, МПК (2009) Е 04 В 1/00. Несуча конструкція для захисту існуючих будівель і споруд від надмірного снігового навантаження при добудові до них нових вищих будівель / заявники Пічугін С.Ф., Семко О.В., Дрижирук Ю.В.; власник Полтав. нац. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. - № u 2010 04099; заявл. 08.04.2010; опубл. 11.10.2010, Бюл. № 19. - 4с. (Сформульована сутність винаходу, оформлена відповідна документація).

10. Пат. 51596 Україна, МПК (2009) Е 04 В 1/00. Спосіб захисту існуючих будівель і споруд від надмірного снігового навантаження біля перепадів висот / заявники Пічугін С.Ф., Семко О.В., Дрижирук Ю.В.; власник Полтав. нац. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. - № u 2010 00139; заявл. 11.01.2009; опубл. 26.07.2010, Бюл. № 14. - 4с. (Сформульована сутність винаходу, оформлена відповідна документація).

Анотація

Дрижирук Ю.В. Імовірнісний опис снігового навантаження на покрівлі будівель із перепадами висот. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка. - Полтава, 2011

Дисертація присвячена дослідженню формування снігового навантаження в місцях перепадів висот будівель, створенню його імовірнісної моделі та застосування у практиці будівництва.

Розглянуті питання пов'язані з більш точним врахуванням навантаження від снігових мішків при новому будівництві та реконструкції. В роботі проведені експериментальні дослідження снігового покриву на дахах будівель, проаналізовані норми проектування по сніговому навантаженню для різних країн. Базуючись на існуючих напрацюваннях, отримано імовірнісну модель накопичення снігу в місцях перепадів висот будівель та на її основі одержано понижуючі коефіцієнти сполучення для ваги снігових мішків, розроблено принцип їх реалізації в практиці проектування. Запропоновано та впроваджено в будівництво способи та інженерні засоби захисту існуючих будівель і споруд при добудові до них нових вищих корпусів.

Ключові слова: снігове навантаження, підвищені відкладення снігу, імовірнісна модель, коефіцієнт сполучення, снігозахисна конструкція.

Аннотация

Дрижирук Ю.В. Вероятностное описание снеговой нагрузки на кровле зданий с перепадами высот. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка. - Полтава, 2011

Диссертация посвящена исследованию формирования снеговой нагрузки в местах перепадов высот зданий и созданию ее вероятностной модели.

Введение содержит обоснование темы, научной новизны и практической ценности работы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первом разделе диссертационной работы проанализированы физические свойства кристаллов снега, прослежена эволюция отечественных норм проектирования по снеговой нагрузке, рассмотрено нормирование снеговой нагрузки за рубежом и методы её исследований, определены факторы, влияющие на повышенные снегонакопления в местах перепадов высот зданий. Также уделено внимание обзору аварий зданий и сооружений, которые произошли вследствие перегрузки снегом несущих конструкций их покрытий. На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследований.

Второй раздел посвящен освещению экспериментальных исследований снежного покрова с параллельным сбором информации о физических и метеорологических факторах (скорость и направление ветра, температура наружного воздуха), влияющих на формирование снеговых мешков в местах перепадов высот зданий. Проведена обработка полученных результатов. На основании снегомерных наблюдений удалось оценить плотность снега на крышах и на поверхности земли, сопоставить ее с регламентированной нормами ДБН. Анализ метеоданных позволил получить картину изменчивости среднегодовой температуры января месяца для г. Полтавы на протяжении 10 лет. Были подобраны распределения Вейбулла для скоростей ветра за весь зимний период и за время с отрицательными температурами.

В третьем разделе представлен сравнительный анализ норм проектирования разных стран по снеговой нагрузке. Целью его проведения является определение различия в подходах учета избыточных снегоотложений в местах перепадов высот зданий по нормам СССР и России (СНиП 2.01.07-85*), Украины (ДБН В.1.2-2: 2006), Европейского союза (Eurocode-1) и США (ASCE 7-10). Сравнительному анализу предшествует краткий обзор механизмов снегонакопления по каждому из стандартов.

В четвертом разделе осуществлено создание вероятностной модели накопления снега в местах перепадов высот зданий. Приводятся принятые предпосылки, детально рассмотрены базовые положения, на основе которых в технике случайных величин создается модель. Это механизм накопления снега в районе перепадов высот, вероятностное описание снеговой нагрузки на поверхности земли в форме полиномо-экспоненциального распределения случайной величины, распределение скорости ветра в форме Вейбулла. На основании полученного распределения веса снеговых мешков рассчитаны понижающие коэффициенты сочетания для их учета. Предложен также принцип реализации данных коэффициентов в инженерной практике

Пятый раздел посвящен внедрению результатов работы в практику строительства. Предложенные способы и инженерные решения для защиты зданий и сооружений от чрезмерной снеговой нагрузки при реконструкции и новом строительстве. Приведены разработанные автором чертежи реальных конструкций. На примерах реальных покрытий показано, что благодаря коэффициентам сочетания удается снизить усилия в элементах на 6-16%, что приведет к экономии материалов.

Ключевые слова: снеговая нагрузка, повышенные отложении снега, вероятностная модель, коэффициент сочетания, снегозащитная конструкция.

Abstract

Dryzhuruk Yu.V. Probabilistic description of the snow load on the roofs with height discontinuity. - Manuscript.

The thesis to obtain the scientific degree of Candidate of Engineering, speciality 05.23.01 “Building structures, buildings and constructions”. - Poltava: The Poltava National Technical University named by Yuri Kondratyuk. - 2011.

The dissertation studies the process of the snow load that appears in the places where height discontinuity exists. The work also offers the probabilistic model and its application in the constructing routine.

The thesis work suggests more accurate consideration of the snow load on the roofs with height discontinuity when constructing and reconstructing. The experimental investigation of the snow mantle on the roofs was made, and design codes for snow load of different countries were analyzed. Basing on the existing works, the author calculated the probabilistic model of the snow accumulation on the roofs with height discontinuity; thereupon the decreasing connect ratios for the snow load weight were received and the ways of their application in the designing industry were elaborated. The methods and engineering means, used to protect the existing buildings and constructions when attaching higher carcasses to them were suggested and applied in building industry.

Key words: snow load, excessive snow accumulation, probabilistic model, connect ratio, snow fence construction.

Размещено на Allbest.ru

...