Снеговая нагрузка

А- площадь проекции вывески, А= 1,1 кв.м. ( поверхность, на которой скапливается снег)

Sg=1,8 кПа – так как Москва 3-ий снеговой район ( табл. 4* [1] )

μ = 1

Расчетное значение снеговой нагрузки:

S=Sg•μ,

S= 1,8 кПа •1= 1,8 кПа

Вес снежного покрова:

Рснег= S• А,

Рснег=1800 Н/ кв.м.•1,1 кв.м.= 1980 Н = 2 кН

Региональное нормирование снеговых нагрузок в России

Аварии, произошедшие в последнее время на территории России: обрушение стационарных крыш резервуаров по 50 тыс. м3 — г. Кириши Ленинградской области, аквапарк «Трансвааль» и Басманный рынок - Москва, кровля плавательного бассейна в г. Чусовой Пермского края и др., а также аварии, произошедшие на территории Германии. Чехии и Польши, обострили проблемы оценки снеговой нагрузки, особенно для большепролетных сооружений. В качестве основной причины аварии часто и без должных обоснований принимается превышение значений фактической снеговой нагрузки по отношению к нормативной. При этом недооценивается роль других составляющих аварии: качество расчетов и конструирования основных элементов и узлов при проектировании сооружения, качество строительства и условия эксплуатации. Возникают явные перекосы в сторону якобы недооценки значений уровня нормативной снеговой нагрузки. В настоящей статье рассмотрены вопросы обоснования уровней снеговых нагрузок, принятых в нормативной литературе.

С мая 2003 г. в России вступило в силу изменение №2 к СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», касающееся порядка нормирования снеговых нагрузок. Вместо задания нормативных значений нагрузок и введения к ним фиксированных коэффициентов надежности по нагрузке введен новый принцип нормирования непосредственно расчетных значений веса снегового покрова (ВСП) земли. Разработана новая карта районирования территории РФ по ВСП, в основу которой положены наибольшие ежегодные значения, превышаемые в среднем один раз в 25 лет. Они определяются по данным декадных маршрутных снегосъемок о наибольших запасах воды в снеговом покрове на защищенных от прямого воздействия ветра участках местности (в лесу или на лесных полянах) за период не менее 20 лет. При разработке карты районирования территории РФ были использованы данные Росгидромета более чем для 4600 метеорологических станций и постов с длиной рядов наблюдений не менее 20 лет, полученные с помощью непосредственного измерения веса снегового покрова с помощью весового снегомера. Такая методика измерений, принятая в нашей стране с послевоенных времен (примерно с середины 40-х годов XX века), является достаточно точной при измерении общего количества выпадающих в зимнее время осадков. Погрешность измерений в среднем не превышает 10%.

При разработке карты к данным, полученным на открытой местности, вводились поправки на снос снега ветром, определяемые по специально разработанной методике на основе данных параллельных измерений ВСП для одних и тех же метеостанций и постов на защищенных (лесных) и открытых (полевых) маршрутах.

Общие принципы нормирования снеговых нагрузок, реализованные в новой редакции СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» [I], подробно изложены в [6. 7].

Для аппроксимации полученных данных используются различные теоретические законы распределения, выбор которых определяется наилучшим соответствием аппроксимирующей функции, наблюденным значениям случайной величины и оценивается с помощью тех или иных критериев согласия. В нормативных документах различных стран мира (см., например, [12], [13]) для аппроксимации веса снегового покрова земли наиболее широко применяются первое предельное распределение Гумбеля, логнормальное и распределение Всйбулла. Прогнозируемые оценки ВСП заданной обеспеченности, получаемые с применением этих распределений, различны. Как было установлено из проведенных исследований, для большинства метеорологических станций на территории России наилучшее согласие с зарегистрированными данными о ежегодных максимумах ВСП дает их аппроксимация распределением Гумбеля с поправками на длину рядов наблюдений, которое специально предназначено для описания распределения экстремальных значений физических величин [8]:

где

— среднее арифметическое из наибольших ежегодных значений веса снегового покрова;

— среднеквадратическое (стандартное) отклонение;

и

— коэффициенты редукции среднего и стандартного отклонений (в функции от количества лет наблюдений).

Для получения расчетных значений ВСП Sg,m , превышаемых в среднем один раз в Т лет формула (1) преобразуется: где m = 1 - 1/Т, Т (годы) — средний период повторяемости.

Отметим, что распределение Гумбеля применяется при нормировании расчетных значений веса снегового покрова в «Национальных строительных нормах» Канады, где принимается превышаемое в среднем один раз в 30 лет значение ежегодных максимумов ВСП (с вероятностью превышения 3,3 %). В случае применения логнормального закона распределения нормами рекомендуется принимать превышаемое в среднем один раз в 50 лет значение ежегодных максимумов ВСП (с вероятностью превышения 2 %). Оценки, получаемые по двум указанным распределениям, примерно совпадают. В нормах США также рекомендуется принимать превышаемое в среднем один раз в 50 лет значение ежегодных максимумов ВСП (с вероятностью превышения 2 %), используя для аппроксимации наблюденных данных логнормальный закон распределения [13]. При разработке Еврокода 1 [12] для аппроксимации наблюденных значений ВСП в различных странах наиболее часто применяются распределения Гумбеля типа 1. логнормальное и Вейбулла, с базовой вероятностью превышения 0,02, т.е. также в среднем один раз в 50 лет. Для горных районов вводятся специальные поправки на высоту местности над уровнем моря.

В последние десятилетия методика непосредственного измерения ВСП с помощью весового снегомера все шире применяется во многих странах Европы. США и Канаде (см. [12]. [13]). Однако при составлении карты районирования США по весу снегового покрова только для 204 базовых станций использовались данные прямого измерения веса снегового покрова, тогда как для остальных 9200 пунктов измерялась только высота снегового покрова с последующей весьма приближенной, оценкой его плотности. В дальнейшем значения ВСП для них корректировались из сопоставления с данными вышеуказанных 204 станций. Количество лет наблюдений для этих последних принималось от 11 лет и выше за период 1952—1992 гг. Точность полученных при этом результатов, видимо, не очень высока.

Возможно, что дополнительное введение коэффициента надежности 1,5 к базовым оценкам ВСП по требованиям Еврокода 1 объясняется подобным же несовершенством методики измерений во многих странах Европы, недостаточностью накопленных статистических данных, полученных прямым измерением ВСП, а также климатическими условиями стран Европы. Для большинства стран Европы они отличаются от условий России более теплым климатом и большей изменчивостью экстремальных значений ВСП. Так, например, в Италии [15] для большинства метеостанций страны ряды наблюдений содержат по одному экстремальному значению ВСП, далеко превышающему остальные (как правило, невысокие) значения, которое при статистической обработке данных отбрасывается. Вот почему полученные оценки оказываются заниженными и требуют введения дополнительных коэффициентов надежности.

Для большей части территории России с более холодными и устойчивыми зимами и меньшей изменчивостью ВСП подобные явления не столь характерны и при нормировании, как правило, могут не учитываться (за исключением территорий Северного Кавказа, Сахалина, Камчатки и некоторых других с высокими значениями коэффициентов вариации). Таким образом, оценки превышаемых в среднем один раз в 25 лет значений ВСП, прогнозируемые с помощью распределения Гумбеля, для большинства станций оказываются выше, чем с использованием других типов распределений, и нередко превышают наблюдаемые максимальные значения ВСП. что обеспечивает достаточную надежность при проектировании строительных конструкций.

Шкала расчетных значений ВСП, построенная для восьми снеговых районов России с соответствующими им интервальными значениями, приведена в табл. 1.

Табл.1 Снеговые районы Российской Федерации (принимаются по карте 1 обязательного приложения 5[1])

Таким образом, используется применявшийся ранее при нормировании снеговых нагрузок принцип, когда в один район включаются территории с ВСП примерно на 2/3 больше и на 1/3 меньше принятых расчетных значений. Шкала построена с градацией снеговых районов от 0.40 до 0,80 кПа, так что в принципе допускает достаточно существенные отклонения местных данных наблюдений от приводимых в табл. I. В этом случае нормами [1] допускается устанавливать расчетные значения веса снегового покрова на основе данных Росгидромета. Статистическая обработка данных наблюдений о наибольшем ежегодном запасе воды в снеговом покрове для отдельных метеостанций или постов производится по указанной выше методике.

Учитывая сказанное, в порядке уточнения и дополнения положений СНиП [1], а также по заказу региональных органов управления ведется работа по разработке и внедрению территориальных строительных норм и правил (ТСН) по снеговым нагрузкам. Еще до выхода изменения № 2 к СНиП [1] отраженные в данном документе общие принципы и подходы были успешно апробированы при разработке ТСН Республики Саха (Якутии) (1998 г.) [3] и ТСН Краснодарского Края (2002 г.) [4]. Они были подготовлены в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко под руководством автора методики и главного разработчика всех до сих пор действовавших на территории РФ норм по снеговым нагрузкам В.А. Отставнова. С 1 января 2006 г. вступили в действие ТСН Удмуртской Республики [5], в которых также нашли отражение вышеизложенные принципы и подходы. Такая работа была проведена и для Москвы.

Характерной особенностью всех территориальных строительных норм РФ является введение расчетных значений ВСП для отдельных городов и населенных пунктов, входящих в состав указанных республик и территорий, что отражает и тенденции мировой практики [13]. Обеспеченность расчетных значений принята равной 0,96, что соответствует повторяемости снеговых нагрузок в среднем один раз в 25 лет.

Принцип дополнения карт районирования конкретными значениями расчетных снеговых нагрузок в тех населенных пунктах, где проводятся регулярные снегомерные наблюдения, помогает избежать возможной недооценки снеговых нагрузок при проектировании объектов строительства. Следует отметить, что в условиях сокращения сети гидрометеорологических станций и постов в России и сокращения числа маршрутов снегомерных наблюдений на имеющихся станциях и постах получить необходимую для нормирования снеговых нагрузок информацию становится все сложнее.

При разработке ТСН наиболее целесообразно сочетать принцип назначения расчетных значений ВСП для отдельных городов и населенных пунктов с построением региональных карт районирования с более подробной градацией снеговых районов по сравнению с приведенной в табл. I. Так, для Удмуртской Республики наряду с введением расчетных значений ВСП для населенных пунктов составлена карта микрорайонирования территории с градацией снеговых районов 0,30 кПа (30 кгс/м2).

При разработке ТСН Краснодарского Края были выделены три снеговых района, включая горный район. Специально разработана методика определения полного расчетного зна­ения веса снегового покрова Sp для горных районов края, а также заданы расчетные значения ВСП для отдельных населенных пунктов. Составлена подробная карта районирования территории Края по ВСП земли.

Для некоторых регионов осуществить такой подход оказывается затруднительно. В ТСН Республики Саха (Якутия) расчетные значения веса снегового покрова приводятся в табличной форме для населенных пунктов республики. При определении расчетных значений снеговых нагрузок на покрытия зданий и сооружений были учтены специфические особенности климата Якутии, в частности, скорость ветра и температура наружного воздуха, а также повышенная плотность снега в местах скопления около перепадов высот и парапетов. Учитывая значительную неточность микрорайонирования такой обширной территории при недостаточном количестве метеостанций, карта районирования территории республики не при-

Таблица 2. Наибольшие ежегодные значения веса снегового покрова земли, кПа, превышаемые одни раз в Т лет, по данным метеостанций Москвы и Московской области. Распределение Гумбеля

Таблица 3. Результаты статистической обработки данных о годовых максимумах ВСП, кПа, для Моск­вы и Московской области. Защищенные (лесные) станции. Распределение Гумбеля

водится. Разработка ТСН [3] и [4] послужила первой и успешной апробацией принципов и подходов, реализованных впоследствии в изменении № 2 к СНиП [1].

Особый интерес в настоящее время вызывает вопрос о расчетном значении веса снегового покрова в Москве и Московской области. В лаборатории «Теория сооружений» ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко были проведены специальные исследования в связи с подготовкой раздела «Нагрузки и воздействия» в МГСН 4.19-2005 «Временные нормы проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве» [2].

Для оценки ВСП в Москве и Московской области были выбраны защищенные от прямого воздействия ветра маршруты наблюдений (в лесу или на лесной поляне). По данным Росгидромета, снегомерный участок обсерватории РГАУ-МСХА им. Тимирязева в Москве также относится к защищенным, т.к. закрыт от сноса или надувания снега зданиями городской застройки. Результаты статистической обработки данных о годовых максимумах ВСП представлены в табл. 2, 3. 4. Расчетные значения веса снегового покрова с различными периодами повторяемости Sg т получены с использованием первого предельного распределения экстремальных значений Гумбеля.

На основе анализа метеорологических данных для семи таких метеостанций и постов Москвы и Московской области с рядами наблюдений от 33 до 94 лет выявлено, что расчетные значения веса снегового покрова в среднем составляют: с повторяемостью один раз в 25 лет Sg= 1,81 кПа (181 кгс/м2) и с повторяемостью один раз в 50 лет — Sg = 2.01 кПа(201 кгс/ /м2) при среднем значении 1,05 кгс/м2 (105 кгс/м2) и коэффициенте вариации v = 31 %.

Таблица 4. Результаты статистической обработки данных о годовых максимумах ВСП, кПа, для Моск­вы и Московской области. Открытые (полевые) станции. Распределение Гумбеля

Для оценки применимости данных о ВСП, полученных на метеостанциях и постах с открытыми (полевыми) маршрутами наблюдений, были выбраны 9 таких станций, в т.ч. станции и посты с параллельными наблюдениями на лесных и полевых маршрутах. Результаты обработки данных наблюдений на открытой местности приведены в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что данные, полученные на полевых маршрутах, имеют больший разброс измеренных значений, о чем свидетельствуют более высокие значения максимумов ВСП, более низкие значения минимумов и средних значений и более высокие значения коэффициентов вариации. Однако по осредненным оценкам расчетных значений с повторяемостью один раз в 25 и в 50 лет полученные оценки практически совпадают (см. табл. 5). Это означает, что вследствие переноса снега ветром (сдувания или надувания его на маршрутах наблюдений) данные для отдельных станций или постов могут оказаться завышенными или заниженными по отношению к общему количеству выпадающих в зимнее время осадков, однако интегральные оценки ВСП в целом правильно отражают максимальные значения снеговой нагрузки в данном регионе.

Таблица 5. Осредненные значения статис­тических параметров ВСП для Москвы и Московской области, кПа

За столетний период наблюдений за высотой и плотностью снегового покрова в Московской области для вышеуказанных станций отмечены 3 случая, когда максимумы количества выпадающих в зимнее время осадков превысили 2 кПа (200 кгс/м2), в т.ч. 2 — на полевых маршрутах наблюдений и 1 — на лесных. В Москве, по данным Росгидромета, за весь период наблюдений (94 года) таких значений установлено не было.

Таким образом, для Москвы и Московской области, относящихся к III снеговому району по карте I обязательного приложения 5 к СНиП [I], расчетное значение веса снегового покрова земли составляет Sg = 1,8 кПа (180 кгс/м2), что соответствует обеспеченности 0,96 (повторяемости в сред­нем один раз в 25 лет). Рекомендуемое в МГСН 4.19-2005 [8] расчетное значение ВСП для высотных здании, проектируемых в Москве, принято равным Sg = 2.0 кПа (200 кгс/м2), что соответствует в среднем пятидесятилетней повторяемости расчетных значений снеговой нагрузки (или обеспеченности 0.98). Эти значения в целом хорошо согласуются с вышеуказанными данными метеорологических наблюдений за максимальным запасом воды в снеговом покрове.

На примере двух метеостанций Москвы (рис. а. б) видно, что распределение Гумбеля даст в целом хорошую аппроксимацию наблюдаемых значений ВСП. Коэффициент корреляции для обсерватории РГАУ-МСХА им. Тимирязева составляет 0,957, а для станции Лосиноостровская — 0,942. Однако при m > 0,96 могут получаться несколько завышенные оценки снеговой нагрузки.

Аппроксимация данных о ВСП земли: 1 - распределение Гумбеля; 2 — эмпирическое распределе­ние данных; а обсерватория РГАУ-МСХА им. Тимирязева (1912/1913 - 2005/2006); 6 метео­станция Лосиноостровская (1954/1955 - 1987/1988)

При сравнении аппроксимации указанных данных распределением Гумбеля и нормальным законом распределения оказалось, в частности, что для метеостанции РГАУ-МСХА максимальное наблюденное значение ВСП 174 кгс/м2 соответствует повторяемости один раз в 20 лет при использовании распределения Гумбеля и один раз в 50 лет при использовании нормального закона распределения (см. табл. 6). Таким образом, для многих метеостанций оценки ВСП, получаемые с помощью 1-го предельного распределения экстремальных значений Гумбеля, оказываются в действительности имеющими несколько более высокую обеспеченность, создавая некоторый дополнительный запас при назначении расчетных значений снеговых нагрузок. При значениях т > 0,98 возможно применение ограниченных оценок ВСП, построенных на базе распределения Гумбеля, которые не дают бесконечного асимптотического роста значений на конце ряда [14].

Иногда в публикациях (см. [9]) встречается предложение определять вес снегового покрова исходя из условия, что расчетная нагрузка S с вероятностью Р>0,95 не будет превышена за расчетный срок службы сооружения и = 50 лет или и = 100 лет. Для Москвы, в частности, используя для оценки численных значений снеговой нагрузки распределение Гумбеля. предлагается назначить расчетное значение ВСП порядка Sg = 3,0 кПа (300 кгс/м2). Такой подход не только не опирается на реальные метеорологические данные за весь почти столетний период наблюдений, но и противоречит всей отечественной и мировой практике нормирования климатических нагрузок. Как указывалось выше, в качестве расчетного в нормах РФ и большинства стран мира принимается превышаемое в среднем один раз в 25, 30 или 50 лет значение ВСП, полученное по данным национальных или международных гидрометеорологических организаций о максимальном запасе воды в снеговом покрове, за указанный минимальный период наблюдений. Поэтому вряд ли в принципе правомерно ставить вопрос о том, что «средний интервал в 2000 лет между превышениями расчетного уровня S является необходимым условием для того, чтобы вероятность отказа по причине превышения веса снега за срок 100 лет не поднималась выше маломальски приемлемого уровня 1 - 0,95 = 0,005» [9]. Такой подход используется только при нормировании редких, но чрезвычайно опасных для прочности строительных объектов, здоровья и жизни людей интенсивных сейсмических воздействий. Вычисление же расчетных значений снеговых, ветровых или иных регулярно действующих климатических нагрузок с обеспеченностями S(P. п) = 5(0,95, 100) в принципе неприемлемо. Кроме того, применение для прогнозирования возможных значений нагрузок двойного экспоненциального распределения Гумбеля в этом случае теряет всякий смысл, т.к. не отвечает физическим принципам формирования климатических воздействий.

Глобальные закономерности изменения климатических процессов, к которым относится, в частности, и количество выпадающих в зимнее время осадков, пока не раскрыты. Подобно тому, как отмечено авторами [10] в отношении закономерностей речного стока, можно сказать следующее: во-первых, вероятность превышения расчетной величины нагрузки 1/50. 1/100 или

Таблица 6. Расчетные значения ВСП для метеостанций Москвы, кПа

1/2000 определяет эту вероятность в каждом данном году и не может служить для оценки срока, в течение которого это значение может быть превышено. Во-вторых, практика может удовлетвориться предвидением гидрометеорологических процессов на очень короткие в геологическом масштабе сроки - на ближайшие десятилетия. Распределение вероятностей веса снегового покрова или иных климатических воздействий принимается неизменным на протяжении промежутков времени, соизмеримых с длительностью прошлого периода наблюдений и будущего периода эксплуатации проектируемых зданий и сооружений.

Возможное превышение вышеуказанных расчетных значений веса снегового покрова Sg = 2,0 кПа (200 кгс/м2) на 0,10—0.15 кПа на сегодняшний день можно прогнозировать для Москвы и Московской области с повторяемостью в среднем один раз в 100 лет, что вполне компенсируется введением в расчетах наиболее ответственных строительных конструкций коэффициентов надежности по ответственности, которые, как правило, перекрывают это незначительное превышение.

В заключение следует отметить, соглашаясь с авторами [3], (11), что безотказная эксплуатация подавляющего большинства строительных объектов подтверждает практическую пригодность действующих норм [I], а весьма эпизодические аварии имеют, как правило, совсем другие причины. Данные метеорологических наблюдений на близлежащих метеостанциях и постах показывают, что для большинства объектов, обрушение которых произошло в зимний период, значение веса снегового покрова земли на момент обрушения было существенно меньше расчетных значений, указанных в СНиП [1]. Поэтому снеговая нагрузка, часто неравномерная, на покрытиях зданий могла являться лишь одним из дополнительных факторов в совокупности причин произошедших аварий. Не следует также прямо связывать расчетное значение снеговой нагрузки со сроком службы сооружений, т.к. это противоречит принципам назначения уровней ответственности зданий и сооружений в соответствии с приложением 7 [1].

Литература

1. СНиП 2.01.07-85" «Нагрузки и воздействия». — М.. 2003.
2. МГСН 4.19-2005 «Временные нормы проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий- комплексов в городе Москве». — М.. 2006.
3. ТСН Республики Саха (Якутия). Нагрузки и воздействия. Снеговые нагрузки. ТСН-20-301-97. — Якутск, 1998.
4. ТСН Краснодарского Края. Нагрузки и воздействия. Ветровые и снеговые нагрузки. СНКК-20-303-2001.
5. ТСН Удмуртской Республики. Нагрузки и воздействия. Снеговые нагрузки. ТСН-20-01-05. Ижевск.2006.
6. Отставное. В А.. Лебедева ИВ Розенберг Л С. Методика нормирования снеговых нагрузок для о-ва Саха­лин. — М.. Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2003. № 3. С. 25—28.
7. Бобров Ф.В.. Отставнов В.А. О новом районировании территории России по весу снегового покрова земли. БСТ № 5. 2004.
8. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. Изд-во «Мир». — М.. 1965.
9. Савельев В.А . Малый В. И. Павлов А.Б Предложения по назначению расчетной снеговой нагрузки. ПГС. № 5. 2004. С. 1—6.
10. Крицкий С.И.. Менкель М.Ф. Гидрогеологические основы управления речным стоком. — М.: Наука, 1981.
11. Коршунов Д. А. Нормативный уровень снеговой нагрузки. Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2005. № 3. С. 45—48.
12. CEN Eurocodc 1: Actions on structures. Pan 1.3. Snow Loads, CEN Central Secretariat Brussels, 2002.
13. ANSI/ASCE 7-98: Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. Reston. Virginia. 2000.
14. Otstavnov У.А.. Lebedeva I. V. The new map of ground snow loads for Russian building code. In Snow Engineering 2004, proceedings of the fifth international conference on snow engineering. Davos, 2005.
15. R. Del Corso. Analysis of exceptional snow load values for long term observation series. In Snow Engineering 2004. proceedings of the fifth international conference on snow engineering. Davos, 2005.

Ю Н Назаров. И В. Лебедева. Н А. Попов. 2006