Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ СНЕГОВЫХ НАГРУЗОК НА СООРУЖЕНИЯ

Специальность 05.23.17 - строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Ледовской Игорь Васильевич

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» (СПбГАСУ) на кафедре сопротивления материалов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Индейкин Андрей Викторович;

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Петинов Сергей Владимирович;

доктор технических наук, профессор Улитин Виктор Васильевич

Ведущая организация: ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», г. Санкт-Петербург

Защита состоится “ 15 ” октября 2009 г. в 14³⁰ час. на заседании совета Д 212.223.03 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан “_____” __________________ 2009 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских

и кандидатских диссертаций

доктор технических наук Л. Н. Кондратьева

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Исследование нагрузок на сооружения - это одна из главных задач строительной механики. Среди нагрузок на строительные конструкции наиболее изменчивыми с большим статистическим разбросом являются снеговые. В течение зимы снеговая нагрузка на покрытие здания принимает неизвестные заранее значения, т. е. является случайной величиной (СВ). Также для снеговых нагрузок характерна изменчивость во времени. Накопление снега в течение зимы определяется как выборочная функция. Совокупность всех выборочных функций, описывающих накопления снега в течение ряда зим, представляет случайный процесс (СП). Подход к изучению временных нагрузок с использованием теории нормальных стационарных СП предложен в трудах советских ученых

В. В. Болотина и А. Р. Ржаницына. (Стационарный СП - вид случайных колебаний, при котором ни средняя амплитуда, ни характер колебаний с течением времени не имеют существенных изменений.) Однако накопление снега в течение зимы - нестационарный СП. Его моделирование встречает определенные трудности и изучается в настоящей работе. На основе моделей, описывающих свойства снеговых нагрузок, в диссертации предложены методы нормирования снеговых нагрузок на покрытия зданий.

Актуальность и проблемы исследований. Неоднократные обрушения покрытий зданий из-за снеговой нагрузки привели к тому, что задача нормирования снеговых нагрузок на покрытия сооружений стала весьма актуальной. Эта задача является трудной и обширной, и ее решение по ряду причин оказывается недостаточным и еще далеким от исчерпания. На данный момент наиболее актуальная и фундаментальная проблема - это описание накопления снега на грунте в виде случайного нестационарного процесса. Учет ветрового воздействия на снежный покров покрытий зданий - следующая мало разработанная проблема. Формирование «снеговых мешков» на покрытии зависит от геометрических характеристик здания и его положения относительно направления ветра. Учет влияния ветра на образование снежного покрова особенно актуален, когда речь идет о снеговых нагрузках, играющих значительную роль в расчете прочности покрытий, особенно легких. Большие трудности возникают при решении третьей проблемы - таяние снега на покрытиях отапливаемых зданий. Снеговые нагрузки на покрытия отапливаемых и неотапливаемых зданий отличаются в 3-4 раза. При описании процесса таяния снега на покрытиях большое значение имели исследования теплопроводных свойств снежного покрова.

Описание накопления снега на грунте. В исследованиях снеговых нагрузок на грунт применяются два подхода к использованию статистической информации. При первом подходе из результатов снегосъемок на метеостанции в течение n зим (данных Гидромета. - И. Л.) делаются выборки только ежегодных максимальных значений веса снега на грунте за период наблюдений. Созданием статистических моделей, описывающих случайные максимальные снеговые нагрузки на грунт, занимались В. В. Болотин, А. П. Булычев, И. Д. Грудев,

В. Л. Клепиков, К. С. Лосицкая, В. Н. Писчиков, В. Д. Райзер, А. Р. Ржаницын, Ю. Д. Сухов и другие исследователи. Одни исследователи считают, что выборки максимальных снеговых нагрузок адекватно описываются распределением вероятностей Гумбеля. Используя это распределение, они, например, вычисляют уровень x, который превышается весом снега в среднем один раз в течение T зим (гл. 1). Такой подход принят в зарубежных строительных нормах. Другие ученые (И. Д. Грудев, В. В. Филиппов, Т. А. Корнилов, А. В. Рыков) пришли к заключению, что распределение Гумбеля дает завышенные значения снеговой нагрузки. Поэтому они предлагают использовать эмпирическое распределение. При этом никто из ученых не уделяет должного внимания тому обстоятельству, что максимумы веса снега возникают в разные декады периода снегонакопления. Если ежегодные максимумы веса снега в выборке выстроить в зависимости от времени возникновения в течение зимы, то их средние значения возрастают к концу снегонакопления. Следовательно, опытные данные противоречат предположению о независимости и однородности случайных величин. Только при соблюдении указанного предположения было бы правомерно применение многих статистических методов обработки ряда наблюдений (гл. 1). Выявленное противоречие вносит непредсказуемую погрешность в значения уровней x, вычисляемых с помощью распределения Гумбеля в области редких событий. Таким образом, если для оценки параметров распределения используются выборки максимумов веса снега, то определение уровней x при помощи распределения Гумбеля или любого другого распределения не является корректным. Второму подходу к использованию статистической информации - описанию накопления снега на грунте в виде случайного процесса - посвящены работы

В. В. Болотина, В. Н. Писчикова, В. Д. Райзера, А. Р. Ржаницына, Д. М. Ротштейна, Е. И. Федорова и других ученых. К новым результатам в теории снеговых нагрузок можно отнести предложенную автором модель накопления снега в течение зимы в виде СП с независимыми приращениями.

Воздействие ветра на формирование снежного покрова. Снег, падающий на пологое покрытие, в зависимости от скорости ветра частично или полностью сносится с крыши. На покрытиях пространственного типа снег с возвышенных участков сдувается в пониженные части покрытия, в так называемые снеговые мешки. Из-за накопления снега в снеговых мешках возможно обрушение покрытия. Проблеме сноса снега и перераспределение его ветром по покрытию посвящены работы А. К. Дюнина, Н. К. Жуковой, Л. В. Клепикова, Ю. М. Калужинского, А. А. Котова, В. А. Отставнова, В. А. Павлова, В. Д. Райзера,

Л. С. Розенберга и других исследователей. Характер перераспределения снега ветром по покрытию очень сложен. (Соответствующие параметры плохо поддаются статистической проверке и вероятностному моделированию.) Поэтому рекомендации получены для определенных форм покрытий, конкретных местных условий, имеются частные рекомендации по схемам распределения снеговой нагрузки по покрытиям и коэффициенту сноса снега. Недостаточно исследовано влияние средних скоростей ветра за три наиболее холодных месяца зимы (декабрь, январь, февраль) на параметры распределения вероятностей снеговой нагрузки на покрытие здания. Остается неизвестным и само распределение вероятностей веса снега на покрытии (пологом и пространственном). Количество одновременных наблюдений за снежным покровом грунта и покрытий зданий весьма мало. Поэтому задача о виде распределения вероятностей снеговой нагрузки на пологое покрытие решается численным моделированием сноса снега (гл. 4). При этом используются результаты измерений скорости ветра из метеорологических таблиц ТМ-1 ИЦП Санкт-Петербурга, метеостанций «Апатиты», «Апатитовая гора», «Юкспор», «Центральная» на Кольском полуострове.

Развитие методов расчета строительных конструкций привело к созданию новых оригинальных видов пространственных покрытий зданий. Однако в нормах проектирования рекомендации по назначению снеговой нагрузки на новые виды пространственных покрытий отсутствуют. Были проведены исследования перераспределения ветром снеговой нагрузки на таких покрытиях, построенных в Санкт-Петербурге (гл. 4).

Таяние снега на покрытии здания. Таяние снега зависит от подвода тепла к верхней и нижней поверхностям снежного покрова - соответственно к поверхностям раздела «снег - воздух» и «снег - покрытие». В литературе, посвященной снеготаянию, предполагается, что талые воды образуются главным образом на поверхности раздела «снег - воздух». Поскольку таяние снега на покрытиях отапливаемых зданий происходит и за счет тепла, выделяемого кровлей, то возникла необходимость в оценке таяния снега за счет потока тепла, подводимого к снежному покрову снизу. Описание потока тепла через снежный покров, лежащий на покрытии отапливаемого здания, уравнением теплопроводности Фурье сталкивается с определенными трудностями. Коэффициент теплопроводности ?, который входит в это уравнение, определяется по опытным данным. Определение коэффициента теплопроводности снега рассматривалось в работах Г. Ф. Абельса, П. П. Кузьмина, М. де Кервен, А. С. Кондратьевой, А. В. Павлова, Ц. Иосиды, М. Янсона и других ученых. При одной и той же плотности снега наблюдается большой разброс экспериментальных значений коэффициента ?. На основе предлагаемой структурной модели снежного покрова получены формулы для среднего значения коэффициента ? и оценок сверху и снизу статистического разброса, который имеют опытные значения коэффициента теплопроводности. Исследованы две конкурирующие модели таяния снега на покрытии отапливаемого здания (гл. 5).

Объект исследований. Время залегания снежного покрова делится на три периода: предзимье - период образования неустойчивого снежного покрова; зима - период устойчивого снежного покрова; весна - период таяния снежного покрова. Объектом исследований являются снеговые нагрузки в период устойчивого снежного покрова. Полагаем, что начало этого периода в среднем - это последний день декады, в которую снежный покров на грунте возник не менее чем в половине случаев (или зим) за n зим наблюдений. Конец периода устойчивого снежного покрова совпадает с последним днем декады, в которую выборочное среднее значение веса снега достигает наибольшего значения или уменьшается, но не более чем на 5 %.

Предмет исследований - это, во-первых, накопление снега на грунте в течение зимы; во-вторых, изменения снеговой нагрузки на покрытия зданий за счет переноса и сноса снега ветром; в-третьих, уменьшение снеговой нагрузки в результате таяния снега на покрытиях отапливаемых зданий.

Цели исследований. Указанные выше проблемы и предмет исследований позволяют сформулировать цели исследований следующим образом:

исследование максимальных снеговых нагрузок на грунт;

разработка математической модели СП накопления снега на грунте;

определение распределения вероятностей снеговой нагрузки на пологом покрытии, а также зависимости параметров распределения от средней скорости ветра за три наиболее холодных месяца (декабрь, январь, февраль); снеговой нагрузка покрытие здание

учет сноса и перераспределения снега под воздействием ветра на некоторых пространственных покрытиях зданий;

экспериментально-теоретическое моделирование структуры снега для определения коэффициента теплопроводности;

разработка модели таяния снега на покрытии отапливаемого здания под действием тепла, выделяемого кровлей;

создание новой методики определения расчетных и нормативных значений снеговых нагрузок на грунт и покрытия зданий.

Математическая гипотеза. На основании изучения данных Росгидромета была выдвинута следующая математическая гипотеза:

1. Накопление массы (или веса) снега на грунте и покрытии здания - это случайный процесс с независимыми декадными приращениями.

2. Декадные приращения - это случайные величины, имеющие нормальное распределение вероятностей в период устойчивого снежного покрова.

3. Последовательность центрированных декадных приращений в течение каждой зимы является реализацией стационарного процесса.

В зависимости от места наблюдений процесс накопления массы снега является или нестационарным, или состоит из комбинаций нестационарной и стационарной фаз. (В конце любой из декад стационарной фазы математическое ожидание и дисперсия веса снега имеют одни и те же значения.) Из предлагаемой гипотезы вытекает ряд следствий. Например, можно определить величину уровня , который снеговая нагрузка превысит в среднем один раз в период из зим. Определить ожидаемое за n зим число декад, в течение которых вес снега будет не ниже некоторого уровня . В процессе исследований, доказывающих состоятельность и справедливость выдвинутой гипотезы, были использованы:

выборки результатов измерений толщин и плотностей снежного покрова через 8-11 дней из метеорологических таблиц ТМ-1: Информационного центра погоды (ИЦП) Санкт-Петербурга, ЦВ ГМО г. Москвы; метеостанций «Апатиты», «Апатитовая гора», «Юкспор», «Центральная» на Кольском полуострове; результаты снегосъемок на метеостанции в поселках Рощино и Шугозеро Ленинградской области;

методы математической статистики, гарантирующие количественные оценки ее достоверности.

В качестве примера ниже приведены некоторые из использованных методов статистики:

Статистика Кендалла для проверки независимости случайных величин. Критерии поворотных точек и инверсий для выявления тренда снеговых нагрузок. Критерий Бартлетта для проверки равенства дисперсий приращений. “Правило трех сигма” для идентификации случайных анормальных величин. Нормальное распределение, t-распределение Стьюдента, распределение вероятностей. Критерий Манна-Уитни для проверки гипотезы о равенстве средних значений. Критерий согласия (критерий Пирсона) для проверки нормальности декадных приращений и для интервального оценивания дисперсий.

Задачи исследований. Сформулированные выше цели исследований и математическая гипотеза логически определили основные задачи исследований:

Проверка независимости ежегодных максимумов снеговых нагрузок на грунт, образующих временной ряд. (Временным рядом называется выборка ежегодных максимумов веса снега за n зим наблюдений, а тренд временного ряда - это плавно изменяющаяся закономерная компонента ряда, описывающая чистое влияние долговременных факторов, эффект которых сказывается постепенно.) Проверка предположения о значимости тренда временного ряда снеговых нагрузок по второй половине ХХ века в связи с потеплением климата. Анализ резко выделяющихся декадных приращений. Проверка независимости и однородности центрированных декадных приращений, составляющих массив исходных данных. Проверка равенства дисперсий декадных приращений и интервальное оценивание дисперсий декадных приращений. Проверка случайного нестационарного процесса накопления снега на наличие стационарной фазы. Вывод формулы для коэффициента сноса снега ветром с пологого покрытия. Разработка структурной модели снежного покрова и вывод формулы для коэффициента теплопроводности снега. Определение потерь тепла через покрытие отапливаемого здания. Создание методики назначения расчетных и нормативных значений снеговой нагрузки на грунт и покрытия зданий.

Научная новизна работы.

1. Предложена методика выявления тренда снеговых нагрузок на грунт в связи с потеплением климата. Методика включает проверку значимости линейной модели тренда методами регрессионного анализа и инверсий.

2. Установлено, что в Ленинградской области из-за потепления климата в второй половине ХХ в. возник тренд максимальных снеговых нагрузок.

3. В Санкт-Петербурге в течение ХХ века из-за возрастания выброса парниковых газов и аэрозолей в атмосферу увеличивался парниковый эффект. Поэтому, несмотря на увеличение зимних осадков во второй половине ХХ века, в Санкт-Петербурге отсутствовал тренд снеговых нагрузок.

4. Выдвинута математическая гипотеза, что накопление веса снега на грунте - это случайный процесс с независимыми декадными приращениями.

5. Разработана модель нестационарного процесса накопления снега на грунте, основанная на указанной выше математической гипотезе. Эта модель предполагает нормальное распределение веса снега в конце любой из декад устойчивого снежного покрова. Процесс накопления может включать и стационарную фазу.

6. Предложена методика назначения нормативных и расчетных значений снеговых нагрузок на грунт.

7. Получена эмпирическая зависимость между приращениями веса снега на грунте и пологом покрытии, учитывающая среднюю скорость ветра. В результате численного моделирования установлено, что в период устойчивого снежного покрова снеговые нагрузки на пологое покрытие здания, как и на грунт, имеют нормальный закон распределения вероятностей.

8. Найдено уточненное выражение для коэффициента сноса снега ветром с пологого покрытия. Это выражение одновременно является коэффициентом пропорциональности между параметрами распределений вероятностей снеговых нагрузок на грунт и покрытие здания.

9. Предложена структурная модель снежного покрова. На основе этой модели получена формула для расчета среднего значения коэффициента теплопроводности снега ?.

10. Разработана модель таяния снега на покрытии отапливаемого здания за счет тепловыделения кровли.

На защиту выносятся:

методика выявления тренда снеговых нагрузок в связи с глобальным потеплением климата;

статистическая модель накопления веса снега на грунте в период устойчивого снежного покрова;

статистическая модель накопления снега на пологом покрытии с учетом сноса снега ветром;

структурная модель снежного покрова, используемая для определения коэффициента теплопроводности снега;

модель таяния снега на теплом покрытии отапливаемого здания;

методика расчета нормативных и расчетных значений снеговой нагрузки на грунт и покрытия зданий.

Практическая значимость выбранной темы. Результаты исследования можно использовать в следующих направлениях:

1. Усовершенствовать нормирование снеговых нагрузок на грунт и покрытия зданий в СНиП «Нагрузки и воздействия»;

2. Дать обоснованную вероятностную оценку запасов воды в снежном покрове на той или иной местности для прогнозирования речного стока и паводков, если причиной последних является таяние снега;

3. Оценить возможность тренда в направлении повышения (или уменьшения) максимальных снеговых нагрузок на грунт и дать прогноз изменения снеговых нагрузок в связи с потеплением климата;

4. Учитывать влияние на потери тепла теплопроводности снега на покрытиях отапливаемых зданий при выборе наиболее рационального термического сопротивления кровли здания;

5. Проводить на основе предложенной структурной модели неоднородной среды исследования теплопроводных, упругих и электрических свойств не только снежного покрова, но и бетона, металлокерамики и других композиционных материалов.

Апробация результатов исследований. Результаты исследований докладывались:

на ежегодных научно-технических конференциях СПбГАСУ в Санкт-Петербурге, 1982 - 2009 гг.;

научно-технической конференции «Надежность и качество строительных конструкций», Куйбышев, 1982;

конференции «Состояние, перспективы развития и применения пространственных строительных конструкций», Свердловск, 1989 г.;

Международном гляциологическом симпозиуме «Будущее гляциосферы в свете меняющегося климата» в Пущино, 2002 г.;

Международной научно-практической конференции «Реконструкция.

Санкт-Петербург - 2003», СПбГАСУ;

VI Всероссийском гидрологическом съезде 28.09 - 01.10.2004 г. в Санкт-Петербурге;

11-й научно-технической конференции «Теория и методы замораживания грунтов» СПбГУНиПТ, 2008 г.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований свойств снеговых нагрузок были приняты ЦНИИСК им. Кучеренко для уточнения СНиП «Нагрузки и воздействия». Для ЗАО «Институт Гипростроймост - Санкт-Петербург» разработаны рекомендации по назначению снеговой нагрузки при проектировании покрытия Крестовского стадиона в Санкт-Петербурге.

Публикации по теме диссертации. Результаты исследований, которые были осуществлены автором лично или совместно с другими авторами, отражены в 32 статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 110 наименований ( из них 5 - на иностранном языке) и двух приложений; изложена на 325 стр., содержит 71 табл. и 40 рис.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Показана практическая значимость темы диссертации. Представлен методологический аппарат диссертации, который был в основном отражен выше в общей характеристике работы. Определены проблемы, цели и задачи исследований. Сделан обзор и анализ моделей накопления снега на грунте. Дан анализ исследований по теплопроводности снежного покрова.

ГЛАВА 1. МАКСИМАЛЬНЫЕ СНЕГОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ГРУНТ

В результате снегосъемок в -ю зиму с интервалом 8-11 дней получают ряд значений веса снега на грунте из которого определяется наибольшая величина:

(1)

Рассматривается решение двух задач. Во-первых, возможность определения уровня x, превышаемого весом снега с периодом повторяемости T зим по формуле

(2)

Рис. 1 Распределение по декадам максимумов веса снега на грунте за 35 зим в Санкт-Петербурге

где - оценки параметров распределения вероятностей Гумбеля, определяемые на основании выборки значений .

Во-вторых, определение возможного тренда снеговых нагрузок в связи с глобальным потеплением климата.

На основании исследований данных Гидромета установлено, что в течение периода снегонакопления возникает тренд значений . Например, на графике (рис. 1) показан жирной линией существенный тренд снеговых нагрузок, и, следовательно, значения являются зависимыми случайными величинами. Следовательно, гипотеза о независимости значений неверна. Значения в разные декады не будут иметь одинаковые функции распределения вероятностей, т. е. они - неоднородные случайные величины. Принятие допущений о независимости и однородности случайных величин , противоречащих опытным данным, вносит непредсказуемую погрешность в значения уровней x, вычисляемых с помощью распределения Гумбеля. Следовательно, использование максимумов для оценки параметров распределения Гумбеля некорректно в логическом отношении. Одновременно максимумы в выборке можно расположить в порядке их появления в течение n зим наблюдений (рис. 2).

На основании анализа обширных данных об изменениях климатической системы И. И. Борзенкова, М. И. Будыко, Г. В. Менжулин, И. А. Шикломанов, М. С. Маккракен, А. Д. Хект и другие ученые пришли к выводам, что, во-первых, в течение ХХ в. происходило глобальное потепление климата. Во-вторых, количество осадков и испарений в глобальном масштабе также возрастало. В-третьих, количество осадков зимой оказалось больше, чем летом, а испарение летом было больше, чем зимой. В связи с глобальным потеплением климата была разработана методика выявления тренда максимальных снеговых нагрузок на грунт. В частности, установлено, что в Ленинградской области, во второй половине ХХ в. наблюдался значимый тренд снеговых нагрузок (см. рис. 2). Климатологи прогнозируют потепление климата вплоть до 2050 г. и далее. Тогда, например, в Шугозеро с 2000 г. по 2050 г. прогнозируемые максимальные снеговые нагрузки возрастут на 35 %, а в Рощино - на 25 %.



Из графика на рис. 3 видно, что во второй половине ХХ в. значимый тренд снеговых нагрузок в Санкт-Петербурге отсутствовал, а значения являются независимыми случайными величинами. Это связано с влиянием парникового эффекта, вызванным антропогенным фактором. Таким образом, свойства максимумов снеговой нагрузки определяются их последовательностью в выборке. Результаты исследований отражены в работах [1, 6, 9, 10].

ГЛАВА 2. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС НАКОПЛЕНИЯ СНЕГА НА ГРУНТЕ

Пусть - случайная величина веса снега в конце t-й декады i-й зимы. Тогда декадные приращения веса снежного покрова за t-ю декаду i-й зимы вычисляются по формуле:

(3)

Оценками математического ожидания и стандартного отклонения веса снега и его приращения в t-ю декаду будут соответственно выборочные среднее значение и стандартное отклонение, вычисляемые по формулам:

(4)

(5)

где - объем выборки веса снежного покрова (его приращений) в t-ю декаду.

Предложена математическая гипотеза, в соответствии с которой накопление веса снега на грунте - это СП с независимыми декадными приращениями. Показано, что СП с независимыми декадными приращениями является достаточно простой и эффективной моделью накопления веса снега на грунте. Рассмотрены следствия, логически вытекающие из предлагаемой гипотезы, в виде ряда вероятностных задач.

Рис. 3 Исследование тренда ежегодных максимальных снеговых нагрузок на грунт в Санкт-Петербурге (жирной линией показана регрессия или тренд)

Для обоснования выдвинутой гипотезы каждый член временного ряда , равный сумме декадных приращений за предшествующие декады, представляется в виде суммы детерминированной и случайной составляющих:

(6

Детерминированная компонента - оценка математического ожидания СП накопления снега в конце t-й декады - определяется на основании статистических данных по формуле

(7

При этом не рассматриваются в отдельности физические процессы возрастания и уменьшения веса снега, которые тесно переплетаются друг с другом. Колебание вокруг значения происходит в результате взаимодействия случайных по своей природе осадков и оттепелей. Осадки и оттепели вызывают некоторое возмущение в весе снега, присущее случайным событиям и обуславливающее появление случайной компоненты . Последняя хаотична и непредсказуема в каждую из n зим наблюдений, но равновероятна по знаку. Случайную компоненту в t-ю декаду i-й зимы найдем с учетом (7) из формулы (6):

(8)

Из формулы (8) видно, что случайные свойства веса снега определяются случайными свойствами центрированных декадных приращений, которые в j-ю декаду i-й зимы вычисляются по формуле

(9)

Свойства центрированных декадных приращений. Независимость приращений является обязательным условием для применения статистических методов оценивания параметров распределения, критериев согласия статистической модели с опытными данными.

Установлено, что центрированные декадные приращения являются, во-первых, взаимно независимыми, во-вторых, нормально распределенными. В-третьих, математическое ожидание приращений имеют значения при всех значениях t. Поскольку доказано, что значения - независимые случайные величины, то значения при значении являются реализацией случайного процесса с независимыми приращениями в i-ю зиму. Оценки дисперсий декадных приращений изменяются случайным образом в относительно небольшом интервале. Полагаем, что эти дисперсии одинаковы, т. е. , а изменения их оценок при всех значениях t вызваны статистической изменчивостью результатов снегосъемки в течение декад устойчивого снежного покрова. Поскольку доказано, что это предположение не противоречит опытным данным, то значения центрированных декадных приращений образуют стационарный СП.

Оценка дисперсии декадных приращений снеговой нагрузки в период устойчивого снежного покрова по результатам наблюдений за n зим равна

(10)

Здесь - число декадных приращений за r декад периода устойчивого снежного покрова.

Выборки декадных приращений проверялись на наличие в них резко выделяющихся анормальных приращений с использованием правила “трех сигма”

(11)

В случае обнаружения приращения, не удовлетворяющего неравенству (11), это приращение удалялось из выборки, как грубая ошибка. Значение (10) пересчитывалось, и проверка выполнения неравенства (11) повторялась. Из табл. 1 видно, что при использовании неравенства (11) для исключения резко выделяющихся приращений выборочный стандарт уменьшается на 6-27 %.

Для веса снега в t-ю декаду величина оценки дисперсии зависит от того, в какой из двух фаз находится процесс накопления:

(12)

Таблица 1

Влияние «засоренности» выборок на величину выборочного стандарта в горном районе Хибин

	До выполнения (13)	После выполнения (13)	100%
	Объем выборки	, кПа	Объем выборки	, кПа
1	2	3	4	5	6
134	359	0,150	333	0,109	27
360	185	0,321	163	0,268	16
930	559	0,539	544	0,499	6
1130	472	0,514	459	0,465	10

Пример выравнивания выборочных стандартов (4) и показан на рис. 4. Сопоставление выборочных стандартов веса снега, вычисляемых по (5) и (14), с линией тренда помогает выявлению стационарной фазы.

При помощи критерия согласия (критерия Пирсона) было установлено, что предположение о нормальном распределении декадных приращений не противоречит результатам снегосъемки. Следовательно, распределение веса снега тоже будет нормальным, т. к. при композиции нормальных законов в виде (8) получается снова нормальный закон.

Таким образом, в конце t-й декады случайная величина веса снега на грунте имеет нормальное распределение вероятностей

(13)

Здесь - вероятность непревышения весом снега заданного уровня x; - функция стандартного нормального распределения с параметрами , ; преобразование переводит нормальное распределение с параметрами и в стандартное нормальное распределение. Сопоставление двух моделей для оценки запасов воды в снежном покрове на грунте, представленное в табл. 2, показывает преимущества модели (13). Статистическая модель (13) позволяет решить задачи, которые не рассматривались ранее.

Задача о превышении уровня декадными приращениями веса снега.

1. Пусть задана некоторая величина приращения веса снега. Тогда ожидаемая частота превышения величины приращениями снеговой нагрузки в течение зим равна

(14)

Здесь - произведение вероятностей непревышения приращениями уровня за период из декад устойчивого снежного покрова.

Рис. 4. Выравнивание выборочных стандартов для метеостанции ИЦП в Санкт-Петербурге: - значения (5); -- тренд значений

2. Пусть задан период повторяемости T превышения уровня декадными приращениями в течение r декад устойчивого снежного покрова. Тогда величина уровня находится методом подбора из уравнения

(15)

Задача о частоте превышения снеговой нагрузкой заданного уровня . Ожидаемая частота пересечения уровня снеговой нагрузкой в течение зим наблюдений равна:

в конце t-й декады

(16)

в конце любой из декад периода устойчивого снежного покрова

(17)

Ожидаемые и наблюдаемые частоты превышения весом снега уровня в течение зим наблюдений хорошо согласуются друг с другом.

Таблица 2

Анализ двух моделей

Первая модель (2)	Вторая модель (15)
1. Исходная статистическая информация:
одно максимальное значение	10-20 измерений веса снега
	на грунте с интервалами 8-11 дней
веса снега на грунте в i-ю зиму	в течение i-й зимы
2. Выявление и удаление резко выделяющихся наблюдений:
невозможно из-за малого объема	возможно благодаря большому
выборки случайных величин	объему выборки
3. Свойства случайных величин:
максимальные значения -	центрированные декадные приращения -
это не одинаково распределенные	это одинаково распределенные
случайные величины	случайные величины
4. Распределение вероятностей случайных величин:
двойное экспоненциальное	распределение веса снега
распределение значений	в конце t-й декады
5. Адекватность распределения опытным данным в области редких событий:
не адекватно	адекватно
6. Учет динамики накопления веса снега на грунте в течение зимы:
невозможно	возможно
7. Описание накопления снега на покрытии здания
с учетом сноса и таяния снега в течение зимы:
невозможно	возможно

Задача об определении уровня , превышаемого снеговой нагрузкой периодически в среднем раз в течение зим. При рассмотрении этой задачи различают два уровня x при одном и том же периоде повторяемости :

- уровень , превышаемый весом снега в конце t-й декады устойчивого снежного покрова; - уровень , который может быть превышен весом снега в любую из декад периода устойчивого снежного покрова.

Пусть задан период повторяемости . Тогда

(18

где является решением уравнения

(19)

Уровень определяется методом подбора из уравнения

. (20)

Таблица 3

Анализ уровней при T = 25 зим, кПа

Географический	,	,	,
пункт	кПа	кПа	кПа
Москва	1,17	0,88	2,05
	(57 %)	(43 %)	(100 %)
Санкт-Петербург	0,74 (45 %)	0,91 (55 %)	1,65 (100 %)
Рощино	1,53	0,98	2,53
	(61 %)	(39 %)	(100 %)

Районирование территории России по снеговым нагрузкам в нормах проектирования вызвано большой изменчивостью снежного покрова в пространстве. Эту изменчивость характеризуют уровни , которые превышаются весом снега в среднем один раз за период Т зим (табл.3). Для сопоставления уровни представим в виде суммы детерминированной и случайной компонент:

, (21)

где - детерминированная компонента - выборочное среднее значение в конце устойчивого снежного покрова; - случайная компонента.

Из табл. 3 видно, что различия в уровнях возникают, главным образом, за счет детерминированных компонент. Например, Санкт-Петербург и Рощино расположены в 60 км друг от друга, но уровни отличаются в 1,5 раза, детерминированные компоненты - в 2,1 раза, а случайные компоненты - всего на 8 %. В указанных географических точках стандартные выборочные отклонения изменяются в пределах 0,130-0,132 кПа. Поэтому возникают небольшие отличия абсолютных значений в уровнях (см. табл. 3).

Задача о числе декад, в течение которых снеговая нагрузка на грунт может превысить уровень за n зим. В период зим ожидаемое число декад , в течение которых вес снега будет выше уровня , равно

(22)

где - вероятность превышения случайной величиной веса снега уровня в -ю декаду устойчивого снежного покрова:

(23)

Результаты расчетов на основе модели (13) хорошо согласуются с результатами снегосъемок в Москве, Санкт-Петербурге, Шугозеро и Рощино Ленинградской области, а также в Хибинских горах.

Результаты исследований отражены в работах [1, 9, 16, 17, 19, 21, 22, 24, 33].

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ НОРМ СНЕГОВЫХ НАГРУЗОК НА ГРУНТ

Нормированию снеговых нагрузок посвящены исследования А. А. Бать, А. А. Гвоздева, А. К. Дюнина, А. П. Булычева, Ю. Д. Сухова, М. В. Завариной, В. И. Липовской, В. Д, Райзера, А. Р. Ржаницына, Л. С. Розенберга, Н. С. Стрелецкого и других исследователей. Однако, сравнивая значения снеговых нагрузок в отечественных и зарубежных нормах, можно предположить, что при проектировании расчетные снеговые нагрузки на обрушившиеся покрытия зданий имели заниженные значения. В работе В. Д. Райзера в качестве наглядного примера приводится сравнение нормативных снеговых нагрузок на границе бывшего СССР и Польши. В СССР соответствующее значение равнялось 0,5 кПа, в ПНР - 0,9…1,1 кПа. В США расчетная снеговая нагрузка равна наибольшей нагрузке за 50 зим, в Канаде - за 30 зим, а в России - за 2…12 зим. Поэтому представляют интерес изменения (модификации) нормирования снеговых нагрузок в новой редакции СНиП «Нагрузки и воздействия», введенные с 1 июля 2003 года.

Модификации СНиП. В новой редакции СНиП число снеговых районов увеличено с шести до восьми; уточнены границы снеговых районов в новой карте районирования территории России по расчетным снеговым нагрузкам . Впервые рекомендуется период между превышениями весом снега уровня , равный в среднем 25 годам. Наконец, увеличены величины расчетных снеговых нагрузок в границах прежних снеговых районов (табл. 4).

Таблица 4

Районирование территории России по расчетным снеговым нагрузкам на грунт , кПа

Снеговой район	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
Расчетное значение :
в старой редакции	0,7	0,98	1,4	2,1	2,8	3,5	-	-
в новой редакции	0,8	1,2	1,8	2,4	3,2	4,0	4,8	5,6
% повышения	14	22	29	14	14	14	-	-

Основная характеристика снеговой нагрузки - расчетное значение - определяется как наибольшее из значений за период не менее 20 лет наблюдений, т. е.

 (24)

Звездочки (**) указывают, что значение (24) вычислено в конкретной географической точке и оно отличается от значения , которое равно средней величине значений по всему снеговому району (см. табл. 4).

Нормативное значение снеговой нагрузки на грунт определяется по формуле

(25)

Если полагать, что накопление снега - это СП с независимыми приращениями (гл. 2), то период повторяемости при заданном значении равен

(26)

Недостатки модификации СНиП. 1. Районирование территории России по расчетным снеговым нагрузкам на основании формулы (24) не учитывает в полной мере изменчивость снеговой нагрузки в пространстве. Например, значения (24) в Москве, Санкт-Петербурге, Рощино, расположенных в третьем снеговом районе, имеют периоды повторяемости T их превышения весом снега, которые изменяются от 8 до 149 зим (табл. 5).

2. На основании только ежегодных максимумов веса снега невозможно получить научно обоснованную кривую распределения вероятностей веса снега на грунте в любую из декад периода снегонакопления. Отсутствие такой кривой приводит к следующим отрицательным последствиям:

во-первых, невозможен единый подход к определению расчетного и нормативного значений веса снега, как уровней, превышаемых весом снега с заданным периодом T;

во-вторых, при оценке надежности сооружения невозможно научно обоснованное сочетание снеговой нагрузки с другими воздействиями на сооружение.

3. При проверке эксплуатационной пригодности и долговечности конструкции важными являются не только значения величины нагрузок, но и продолжительность их действия. В СНиП нет методики определения продолжительности превышения снеговой нагрузкой некоторого заданного уровня x.

Предлагаемая методика определения расчетных и нормативных значений снеговой нагрузки на грунт. Расчетное и нормативное значение снеговой нагрузки предлагается определять на основании снегосъемок «в лесу» в течение зим наблюдений на участке, который защищен от воздействия ветром. При этом толщина снежного покрова может быть определена как по стационарным снегомерным рейкам, так и по результатам маршрутных снегосъемок.

Вначале по опытным данным определяют: число декад устойчивого снежного покрова, величины , а также сценарий процесса накопления снега, т. е. наличие (или отсутствие) стационарной фазы в период устойчивого снежного покрова.

Расчетное значение снеговой нагрузки на грунт рекомендуется принять равным

(27)

где - уровень, который превышается весом снега в среднем один раз за 25 зим, является корнем уравнения

(28)

Звездочки (***) указывают, что значение вычисляется в конкретной географической точке по предлагаемой методике и превышается весом снега в среднем один раз за T зим (см. табл. 5).

Нормативное значение снеговой нагрузки - уровень, превышаемый весом снега в среднем один раз за 5 зим, является корнем уравнения

 (29)

На основании расчетов из табл. 5 можно сделать следующие выводы:

1. По СНиП для Москвы и Санкт-Петербурга расчетная снеговая нагрузка равна 1,8 кПа, для Рощино - 2,4 кПа (см. табл. 4). В Москве превысит на 14 %, а в Рощино - на 5 %. В Санкт-Петербурге наоборот, будет меньше на 9 %.

2. В зарубежных нормах период между превышениями весом снега расчетного значения рекомендуется принимать равным 30 зимам. Однако увеличение периода 25 до 30 зим привело бы к росту расчетных нагрузок на 1-2 %, т.е. на пренебрежимо малую величину.

3. Проектировщику ответственного сооружения в Москве или Санкт-Петербурге важно знать величину наибольшей снеговой нагрузки за 100 зим. При увеличении периода с 25 до 100 лет уровни возрастут всего на 8-10 %. Небольшой рост уровней обусловлен стабилизирующим влиянием детерминированной компоненты (9), которая остается неизменной при любом периоде повторяемости T.

4. Разница между значениями и , приведенными в табл. 5, изменяется от 7 до 38 %, а отношение составляет 0,84-0,87, т. е. больше коэффициента 0,7. Поэтому для расчета нормативных значений снеговых нагрузок имеются достаточные основания вместо формулы (25) использовать формулу (29).

5. Карта «Районирование территории Российской Федерации по расчетному значению веса снегового покрова земли» в СНиП была составлена на основании анализа выборок максимальных снеговых нагрузок на грунт. СНиП предостерегают, что значения (24), полученные на основании местных данных Росгидромета, могут существенно отличаться от расчетного значения снеговой нагрузки из табл. 4. Это предупреждение в неявном виде фактически предлагает субъектам Российской Федерации провести более детальное районирование своих территорий по снеговым нагрузкам для обеспечения надежности строительных конструкций покрытий. Действительная изменчивость снежного покрова грунта в пространстве имеет большой размах. Например, расстояние между Санкт-Петербургом и Рощино Ленинградской области составляет 60 км. Разница между расчетными снеговыми нагрузками равна 58 %, а по упомянутой выше карте - 33 %. Поэтому предлагается уточнить по расчетным значениям, определяемым по формуле (28). границы снеговых районов на территории России.

Таблица 5

Вычисление уровней и , кПа

Расчетные формулы	Москва	Санкт-	Рощино Ленин-
		Петербург	градской обл.
	1,75	1,35	2,20
	2,05	1,60	2,53
	2,08	1,63	2,56
	2,25	1,78	2,75
	10%	8%	9%
Уровень по формуле (24)	1,83	1,85	2,41
по формуле (25)	1,28	1,30	1,69
Период Т (26) повторяемости превышения уровня	»8	»149	»17

Результаты исследований отражены в работах [3, 4, 11,12, 14, 25, 35, 36].

ГЛАВА 4. НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СНЕГОВЫМИ НАГРУЗКАМИ НА ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ И ИХ ОБРАБОТКА

Отсутствие четкого представления об особенностях НДС покрытия здания под действием снеговой нагрузки может привести к неправильным проектным решениям и стать причиной аварии. В главе приведены примеры обрушения покрытий из-за ошибок при выборе расчетных снеговых нагрузок.

В результате действия ветра на снежный покров происходят процессы сноса и отложения снежных частиц. С открытых и возвышенных мест снег сдувается, а на участках так называемой ветровой тени происходит усиленное отложение снежных частиц. На плоских участках поверхности земли одновременно происходят и снос, и отложение снега, принесенного с соседних участков земли. Снег, переносимый ветром по земле, не попадает на покрытия зданий. Поэтому многочисленные исследования снегопереноса по поверхности земли не могут быть использованы для расчета снегосноса с пологих крыш.

Во второй половине ХХ века для покрытий общественных и промышленных зданий начали широко использовать различного рода пространственные системы. Уменьшение собственного веса конструкций в случае применения таких систем приводит к существенному увеличению относительного вклада снеговых нагрузок в суммарную нагрузку на покрытие. Наблюдения за снеговыми нагрузками на сооружения дают статистическую информацию, на основании которой можно оценить прочность сооружений в реальных условиях их эксплуатации. Поэтому представляется важным уточнение величин снеговых нагрузок и характера их распределения по покрытиям пространственного типа.

Сносу снега ветром с пологих и пространственных покрытий посвящены работы В. А. Отставнова, Л. С. Розенберга, Н. К. Жуковой и других исследователей. В частности, на основании проведенных исследований снеговую нагрузку на пологое покрытие было рекомендовано определять умножением снеговой нагрузки на грунт на коэффициент

В нормах проектирования расчетные снеговые нагрузки на пологие покрытия рекомендуется определять по формуле

 (30)

Здесь - расчетное значение снеговой нагрузки на грунт, которое назначается в зависимости от снегового района; - коэффициент перехода от веса снежного покрова грунта к снеговой нагрузке на покрытие, учитывающий разные схемы распределения снеговых нагрузок по покрытию. Коэффициент принимается по строительным нормам в зависимости от вида местности и высоты здания; - ширина покрытия, принимаемая не более 100 м.

На основании наблюдений за снеговыми нагрузками на пространственные покрытия зданий сделаны следующие выводы:

1. Снос снега ветром с пространственных покрытий больших размеров в плане можно не учитывать.

2. Средняя величина снеговой нагрузки на пространственные покрытия неотапливаемых зданий может быть до 20 % больше веса снега на грунте. Это превышение возникает, по-видимому, под влиянием двух следующих факторов. Во-первых, во время оттепелей температура воздуха внутри неотапливаемого здания ниже, чем снаружи. Поэтому снег на таком покрытии тает медленнее, чем на грунте. Во-вторых, жидкие осадки, выпадающие в виде дождя или мокрого снега, задерживаются в снеге на покрытии неотапливаемого здания, а в снеге, лежащем на грунте, вода просачивается сквозь толщу снега и впитывается грунтом.

3. Схема нагружения равномерно распределенной снеговой нагрузкой круговых в плане покрытий (типа Дворца спорта «Юбилейный» или Спортивно-концертного комплекса в Санкт-Петербурге) является вполне оправданной. В результате действия снеговой нагрузки на покрытие Дворца спорта «Юбилейный» возникли деформации, не учтенные в проектных расчетах, и воронки для отвода талой воды оказались не в самых низких точках покрытия. Поэтому талая вода частично оставалась на покрытии и превращалась в лед.

4. Снеговая нагрузка на покрытия отапливаемых зданий из-за таяния снега в 3-4 раза меньше, чем на покрытия неотапливаемых зданий. Для уменьшения потерь тепла необходимо увеличение термических сопротивлений покрытий отапливаемых зданий [3, 17, 28, 29, 31-33].

Кроме того, были разработаны рекомендации по схеме распределения снеговой нагрузки на многоволновые покрытия зданий из оболочек положительной гауссовой кривизны. Для таких покрытий уточнен набор “элементарных нагрузок”, предложенный В. А. Отставновым;

На основании наблюдений за сносом снега с пологих покрытий неотапливаемых зданий автором в работе [26] была предложена зависимость приращений снега на покрытии от приращений снега на грунте и скорости ветра в виде

(31)

где - средняя скорость ветра за рассматриваемый i-й интервал времени должна удовлетворять условию

(32)

Моделирование сноса снега с пологого покрытия. Цели моделирования:

определение распределения вероятностей снеговой нагрузки на пологое покрытие в конце t-й декады периода устойчивого снежного покрова;

определение коэффициента сноса снега ветром с пологого покрытия в зависимости от скорости ветра.

Указанное моделирование было бы невозможно, если использовать ежегодные максимальные снеговые нагрузки. Во-первых, для описания статистики максимальных снеговых нагрузок на грунт нет универсальной теоретической кривой распределения (гл. 1). Во-вторых, не учитывается, что накопление снега на грунте и покрытии здания является не одномоментным актом, а процессом.

Для численного моделирования процесса накопления снега на плоском покрытии было использовано выражение (31). В конце t-й декады i-й зимы декадное приращение веса снега, как и величина веса снега на холодном пологом покрытии, вычислялось соответственно по формулам

(33)

(34)

где и - соответственно декадное приращение веса снега на грунте и средняя скорость ветра за t-ю декаду i-й зимы по результатам наблюдений.

Затем на основании полученных выборок были найдены числовые характеристики: выборочные оценки математического ожидания веса снега и стандартное выборочное отклонение веса снега на пологом покрытии в любую из декад периода устойчивого снежного покрова.

На основании анализа результатов численного моделирования было установлено, что

на покрытии здания, как и на грунте, вес снега имеет нормальную кривую распределения вероятностей;

ветровой снос снега с плоских покрытий только пропорционально уменьшает параметры распределения (13) веса снега на грунте в окрестностях здания, и параметры и распределения вероятностей снега на пологом покрытии определяются по формулам:

(35)

(36)

где - коэффициент сноса снега ветром, полученный в результате моделирования снеговых нагрузок на пологом покрытии в виде:

(37)

Коэффициент сноса снега ветром позволяет более реально определять снеговые нагрузки на пологие покрытия зданий, возникающие в процессе эксплуатации.

Предлагаемая методика назначения расчетной и нормативной снеговой нагрузки на пологое покрытие. 1. Расчетная снеговая нагрузка на холодное пологое покрытие - уровень , превышаемый весом снега с периодом повторяемости 25 зим, с учетом вида местности и ширины покрытия рекомендуется вычислять по формуле:

(38)

где величина определяется из уравнения (30); параметры - по действующим строительным нормам.

2. Нормативная снеговая нагрузка на пологое холодное покрытие - уровень, превышаемый весом снега с периодом повторяемости 5 зим, находится по формуле:

(39)

где величина является корнем уравнения (31).

Результаты исследований отражены в работах [2, 7, 18, 27, 29-36].

ГЛАВА 5. ТАЯНИЕ СНЕГА НА ТЕПЛЫХ ПОКРЫТИЯХ ЗДАНИЙ

Потери тепла через покрытие отапливаемого здания зависят не только от термических сопротивлений кровли, но и снежного покрова покрытия здания. Поэтому рассмотрим потоки тепла и в кровле, и в снеге. Поток тепла в снеге определяется уравнением Фурье

(40)

где - коэффициент теплопроводности снега, - температурный градиент.

...