ГОСТ Р ИСО 4355-2016. Национальный стандарт Российской Федерации. Основы проектирования строительных конструкций. Определение снеговых нагрузок на покрытия
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 13.12.2016 № 2013-ст)
Примечание
Документ включен в Перечень международных и региональных (межгосударственных) стандартов, а в случае их отсутствия — национальных (государственных) стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения требований технического регламента Евразийского экономического союза «О безопасности продукции, предназначенной для гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (ТР ЕАЭС 050/2021) и осуществления оценки соответствия объектов технического регулирования (Решение Коллегии Евразийской экономической комиссии от 30.05.2023 № 78). Действие данного документа приостановлено с 14.01.2020 на период до 01.01.2022 Приказом Росстандарта от 14.01.2020 № 2-ст. Документ введен в действие с 1 июля 2017 года.
Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2016 г. № 2013-ст
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СНЕГОВЫХ НАГРУЗОК НА ПОКРЫТИЯ
Bases for design of structures. Determination of snow loads on roofs
(ISO 4355:2013, Bases for design of structures — Determination of snow loads on roofs, IDT)
Дата введения 1 июля 2017 года
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Акционерным обществом «Научно-исследовательский центр „Строительство“ (АО „НИЦ „Строительство“), Центральным научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом им. В.А. Кучеренко (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко) на основе официального перевода на русский язык англоязычной версии указанного в пункте 4 международного стандарта, который выполнен Федеральным государственным унитарным предприятием „Российский научно-исследовательский центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия“ (ФГУП „СТАНДАРТИНФОРМ“)»
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2016 г. № 2013-ст
4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 4355:2013 «Основы строительных конструкций. Метод определения снеговых нагрузок на крыши» (ISO 4355:2013 «Bases for design of structures — Determination of snow loads on roofs», IDT).
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного европейского стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных европейских стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
Введение
Интенсивность и распределение снеговой нагрузки на покрытия могут быть описаны как функции климатических условий, топографических особенностей, формы сооружения, материала кровли, потока тепла через покрытие и времени. В настоящее время для определения таких функций имеется весьма ограниченный набор данных локального характера, вследствие чего в рамках настоящего стандарта было принято решение о рассмотрении вышеуказанной задачи в полувероятностной постановке.
Характеристическое (нормативное) значение снеговой нагрузки на площадь покрытия или на любую другую площадку над землей, подверженную накоплению снега, определено в настоящем стандарте как функция характеристического (нормативного) значения веса снегового покрова s0 для заданного района и коэффициента формы, описываемого мультипликативной функцией, в которой различные физические параметры представлены номинальными коэффициентами.
Значения коэффициентов формы будут зависеть от климатических условий, в особенности от продолжительности снегового сезона, от ветра, топографии местности, геометрии рассматриваемого сооружения и окружающих зданий, материала кровли, изоляции здания и т.п. Снег может перераспределяться под действием ветра; талая вода может стекать на отдельные участки и снова замерзать; снег может сползать или перемещаться.
Для обеспечения возможности применения ИСО 4355 в каждой стране должны быть установлены национальные данные о географическом распределении веса снегового покрова на ее территории в виде карт и/или другой информации. Процедуры статистической обработки метеорологических данных описаны в приложении A.
1. Область применения
В настоящем стандарте устанавливаются методы определения снеговой нагрузки на покрытия.
ИСО 4355 может служить основой для разработки национальных стандартов по определению снеговых нагрузок на покрытия.
Статистические данные по весу снегового покрова в виде карт районирования, таблиц или формул следует принимать по национальным стандартам.
Коэффициенты формы, представленные в настоящем стандарте, предназначены для применения при проектировании и поэтому могут использоваться непосредственно в тех случаях, когда отсутствует обоснование применения иных значений.
Для определения снеговых нагрузок на покрытия нестандартной формы или форм, не охватываемых настоящим стандартом, рекомендуется проводить специальные исследования. Такие исследования могут включать в себя испытания на масштабных моделях в аэродинамической трубе или в водяном лотке, специально оборудованных для воспроизведения явления снегонакопления, и должны включать в себя методы учета местных метеорологических статистических данных.
Примеры использования численных методов, исследований на масштабных моделях и сопутствующих методов статистического анализа описаны в приложении G.
Приложения, в которых описаны методы определения характеристического значения веса снегового покрова, коэффициента защищенности, термического коэффициента и нагрузок на снегозадерживающие преграды, являются справочными ввиду ограниченного количества документальных источников и доступных научных результатов.
В некоторых регионах в отдельные зимы с аномальными погодными условиями могут быть жесткие условия нагружения, не предусмотренные настоящим стандартом.
Указание стандартных процедур и средств измерений не входит в задачи настоящего стандарта.
2. Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт, целиком или по частям, который является обязательным к применению. Для датированной ссылки применяют только указанное издание. Для недатированной ссылки применяют последнее издание документа, на который имеется ссылка (включая все поправки).
ISO 2394 <1>, General principles on reliability for structures (Общие принципы надежности конструкций)
<1> На момент подготовки к печати ИСО 2394:1998 находился на стадии пересмотра. В настоящее время действует ИСО 2394:2015.
3. Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова (characteristic value of snow load on the ground) s0: Нагрузка с заданной ежегодной вероятностью ее превышения.
Примечание 1 — Ее значение выражается в килоньютонах на квадратный метр, кН/м2.
Примечание 2 — В метеорологии применяется также термин-эквивалент «вес снегового покрова земли» (weight of the ground snow cover).
3.2 коэффициент формы (shape coefficient) \mu : Коэффициент, определяющий значение и распределение снеговой нагрузки на покрытие по поперечному сечению строительного объекта и зависящий в основном от геометрических свойств покрытия.
3.3 значение снеговой нагрузки на покрытия (value of snow load on roofs) s: Функция характеристического (нормативного) значения веса снегового покрова s0 и соответствующих коэффициентов формы.
Примечание 1 — Значение s зависит также от защищенности кровли и теплового режима здания.
Примечание 2 — Данное определение относится к площади горизонтальной проекции покрытия.
Примечание 3 — Данное значение выражается в килоньютонах на квадратный метр, кН/м2.
3.4 базовый коэффициент по нагрузке (basic load coefficient) \mu_{b} : Коэффициент, определяющий снижение снеговой нагрузки на покрытие в зависимости от уклона кровли \beta и от коэффициента Cm, характеризующего материал поверхности кровли.
3.5 коэффициент переноса нагрузки (drift load coefficient) \mu_{d} : Коэффициент, определяющий значение и перераспределение дополнительной нагрузки на подветренную сторону или часть покрытия в зависимости от защищенности покрытия от ветра Ce и от геометрического профиля покрытия.
3.6 коэффициент сползания нагрузки (slide load coefficient) \mu_{s} : Коэффициент, определяющий значение и распределение нагрузки, сползающей на нижнюю часть покрытия или на кровлю нижнего уровня.
3.7 коэффициент защищенности (exposure coefficient) Ce: Коэффициент, учитывающий влияние открытости кровли воздействию ветра.
3.8 коэффициент защищенности для малых покрытий (exposure coefficient for small roofs) Ce0: Коэффициент защищенности для покрытий длиной менее 50 м.
3.9 эффективная длина покрытия (effective roof length) lc: Длина покрытия, определяемая коэффициентом защищенности, заданным как функция размеров покрытия.
3.10 термический коэффициент (thermal coefficient) Ct: Коэффициент, определяющий изменение снеговой нагрузки на покрытие как функцию теплового потока через кровлю.
Примечание — В некоторых случаях Ct может быть больше единицы. Порядок действий в этих случаях описывается в 6.2 и приложении D.
3.11 коэффициент по материалу поверхности кровли (surface material coefficient) Cm: Коэффициент, определяющий снижение снеговой нагрузки на наклонные покрытия из кровельных материалов с малой шероховатостью поверхности.
3.12 эквивалентная плотность снега (equivalent snow density) \rho_{e} : Значение плотности при вычислении ежегодного максимума веса снегового покрова по ежегодному максимуму высоты снегового покрова.
3.13 плотность снега (snow density) \rho : Отношение веса снегового покрова к высоте снегового покрова.
4. Снеговые нагрузки на покрытия
4.1 Обобщенная функция, описывающая интенсивность и распределение снеговой нагрузки на покрытия
Формально снеговую нагрузку на покрытия можно определить как функцию F нескольких параметров:
s = F(s_{0},C_{e},C_{t},C_{m},\mu_{b},\mu_{d},\mu_{s}), (1)
где обозначения представлены в разделе 3.
Если параметры Ce, Ct и Cm принимаются постоянными для покрытия или поверхности кровли, то \mu_{b} , \mu_{d} и \mu_{s} обычно изменяются в пределах кровли.
4.2 Приближенные формы представления снеговой нагрузки на покрытия
В настоящем стандарте полная снеговая нагрузка на покрытие представлена комбинацией трех составляющих: базовой sb, от переноса sd и от сползания ss. Таким образом, для наихудших условий (подветренная сторона нижней кровли):
где «+» обозначает совместное действие.
Воздействие различных параметров упрощается при введении мультипликативных функций:
s_{b} = 0,8s_{0}C_{e}C_{t}\mu_{b}, (3)
s_{d} = s_{0}\mu_{b}\mu_{d}, (4)
Базовая снеговая нагрузка на покрытие sb во всех случаях является равномерно распределенной, за исключением криволинейных покрытий, применительно к которым распределение меняется в зависимости от уклона \beta (см. B.4 приложения B).
Базовая нагрузка характеризует нагрузку на горизонтальное покрытие и нагрузку на наветренную сторону скатного покрытия. Поскольку ветер может иметь любое направление, в качестве базовой рассматривается симметричная нагрузка на симметричное покрытие и, следовательно, определяется также основная часть общей нагрузки на подветренную сторону покрытия.
Нагрузкой от переноса называется дополнительная нагрузка, которая может накапливаться на подветренной стороне покрытия вследствие перемещения снежной массы по покрытию.
Нагрузкой от сползания (скольжения) называется нагрузка, которая образуется в результате соскальзывания снега с верхнего покрытия на нижнее покрытие или на нижнюю часть покрытия.
4.3 Частичное загружение, вызванное таянием, сползанием, перераспределением и удалением снега
Всегда следует учитывать снеговую нагрузку, возникающую из-за значительной неравномерности вследствие удаления снега, его перераспределения, сползания, таяния и т.п. (например, отсутствие снеговой нагрузки на отдельных частях покрытия).
Учет этих факторов особенно важен для конструкций, чувствительных к неравномерному нагружению (например, криволинейные покрытия, арки, купола, ригельные покрытия, неразрезные балочные системы), которые рассматриваются в других разделах настоящего стандарта.
4.4 Неустойчивость при затоплении водой
Покрытия следует проектировать таким образом, чтобы предотвратить неустойчивость при затоплении водой. Для плоских покрытий (или покрытий с малым уклоном) необходимо исследовать их прогибы под действием снеговых нагрузок с оценкой вероятности неустойчивости при затоплении покрытия дождем поверх снега или образующейся талой водой.
5. Характеристическое значение веса снегового покрова
Характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова s0 определяют путем статистической обработки данных по снегу.
Измерения веса снегового покрова следует проводить на ненарушенном участке, не подверженном локальному переносу.
Методы определения характеристического значения веса снегового покрова s0 описаны в приложении A.
При практическом применении характеристическое значение веса снегового покрова следует определять стандартными пошаговыми значениями, которые принимают в качестве базовых значений при составлении карт районирования, как описано в приложении A.
6. Коэффициенты для задания снеговой нагрузки
6.1 Коэффициент защищенности
Коэффициент защищенности Ce следует использовать при определении снеговой нагрузки на покрытие. При выборе этого коэффициента следует учитывать будущую окружающую застройку площадки. Для регионов, по которым нет достаточного объема доступных климатологических данных в зимний период, рекомендуется установить Ce = 1,0.
В большинстве случаев коэффициент защищенности Ce равен значению коэффициента защищенности для покрытий малого размера Ce0, однако при очень больших размерах плоских покрытий влияние ветра на снос снега со всей площади кровли уменьшается. Чтобы это компенсировать, коэффициент защищенности для больших покрытий принимают выше, чем для малых покрытий.
(6)где lc — эффективная длина покрытия, м, равная 2W - \frac{W^{2}}{L} ;
Ce0 — значение коэффициента защищенности для покрытий малого размера.
Методы определения Ce0 приведены в приложении C.
В математическом выражении для lc параметр W — это более короткая сторона покрытия, а L — более длинная сторона (см. рисунок 1).
Рисунок 1 — Прямоугольная форма покрытия
Для покрытий непрямоугольной формы в качестве размеров W и L могут приниматься меньшее и большее измерения по двум осям прямоугольной системы координат. Например, для эллиптической формы W измеряют по малой оси эллипса, а L — по его большой оси.
Общее представление о коэффициентах защищенности в графической форме приведено на рисунке 2.
Рисунок 2 — Коэффициент Ce как функция эффективной длины покрытия lc
6.2 Термический коэффициент
Термический коэффициент Ct (см. 3.10) вводят в целях учета влияния теплопередачи покрытия на таяние снега.
Снеговая нагрузка на покрытия с высокой теплопередачей снижается благодаря таянию снега под влиянием тепловых потерь через покрытие. В таких случаях и, в частности, для остекленных покрытий коэффициент Ct может принимать значения меньше единицы.
Для зданий, в которых намеренно поддерживают внутреннюю температуру ниже 0 °C (например, в морозильных камерах и в помещениях ледовых арен), допускается использовать значение Ct, равное 1,2; во всех остальных случаях используют Ct = 1,0.
Значение Ct рассчитывают на основании учета коэффициента теплопередачи покрытия U, самой низкой ожидаемой температуры \theta подкровельного пространства и веса снегового покрова s0.
Методы определения Ct для покрытий, обладающих высокой теплопередачей, описаны в приложении D.
Примечание — Интенсивность кратковременного снегопада (примерно от одного до пяти дней) часто является для покрытий с существенными тепловыми потерями более значимым параметром, чем s0, поскольку таяние в этом случае происходит очень быстро, препятствуя накоплению снега в течение зимнего периода. Однако в связи с тем, что имеется только значение s0, оно используется с некоторыми модификациями, описанными в приложении D.
6.3 Коэффициент по материалу поверхности кровли
Количество снега, сползающего с покрытия, зависит в определенной мере от свойств материала кровли (см. 6.4.2).
Коэффициент по материалу поверхности кровли Cm (см. 3.11) определяется в диапазоне между единицей и 1,333 и принимает следующие фиксированные значения:
- Cm = 1,333 для скользких свободных поверхностей с коэффициентом теплопередачи Ct < 0,9 (например, для стеклянных покрытий);
- Cm = 1,2 для скользких свободных поверхностей с коэффициентом теплопередачи Ct > 0,9 (например, для стеклянных покрытий, расположенных частично над пространством с кондиционированием воздуха, металлических покрытий и т.п.);
- Cm = 1,0 для всех других поверхностей.
Примечание - Допускается принимать Cm = 1,2 и при Ct < 0,9, если это более целесообразно.
6.4 Коэффициенты формы
6.4.1 Общие принципы
Коэффициенты формы определяют распределение снеговой нагрузки по поперечному сечению строительного объекта и зависят главным образом от геометрических свойств покрытия.
Для зданий, имеющих в плане прямоугольную форму, распределение снеговой нагрузки в направлении, параллельном карнизам, считается равномерным, что соответствует предполагаемому направлению ветра перпендикулярно карнизам.
Представленные в приложении B коэффициенты формы для отдельных типов покрытий иллюстрируются применительно к определенному направлению ветра. Так как преобладающие направления ветра могут не совпадать с направлениями ветра во время сильных снегопадов, все покрытия следует проектировать исходя из предположения, что ветер при снегопадах может иметь любое направление по отношению к расположению покрытия.
6.4.2 Базовый коэффициент по нагрузке
В тех случаях, когда снег может беспрепятственно соскальзывать с покрытий, имеющих уклоны, снеговая нагрузка на покрытие будет снижаться. Уменьшение снеговой нагрузки на покрытие вследствие уклона покрытия \beta и коэффициента по материалу поверхности кровли Cm определено коэффициентом формы \mu_{b} (см. 3.4), который рассчитывают по формуле
(7)Базовый коэффициент по нагрузке представлен графически на рисунке 3.
Рисунок 3 — Базовый коэффициент по нагрузке \mu_{b} как функция коэффициента по материалу поверхности кровли Cm
6.4.3 Коэффициент переноса нагрузки
Коэффициент переноса нагрузки \mu_{d} (см. 3.5), зависящий от геометрии покрытия и от коэффициента защищенности Ce, описан в приложении B.
6.4.4 Коэффициент сползания нагрузки
Нагрузка от снега, сползающего с верхней части покрытия на его нижнюю часть или на нижнюю часть многоуровневой кровли, будет зависеть от массы снега, которая может соскользнуть вниз, и от геометрии кровли.
Распределение нагрузки от сползания (скольжения) и ее распространение по покрытию будет зависеть помимо геометрической формы покрытия также от свойств сползающего снега и от силы трения на верхней поверхности кровли, с которой он сползает.
Значение нагрузки от сползания (скольжения) и ее распределение отображены в коэффициенте сползания нагрузки \mu_{s} (см. 3.6).
Значения этого коэффициента для разных случаев, в которых должна быть учтена нагрузка от сползания, приведены в приложении B.
Одновременно с нагрузкой от сползания (скольжения) следует принимать во внимание и ударное воздействие от сползающей нагрузки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ СНЕГОВОЙ НАГРУЗКИ
A.1 Карты районирования веса снегового покрова
В нормативных документах следует применять характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова s0 с ежегодной вероятностью превышения 0,02 или иные значения, учитывающие уровень ответственности сооружения и рассматриваемое предельное состояние <1>.
<1> Характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова s0 с ежегодной вероятностью превышения 0,02 принимают по таблице 10.1 СП 20.13330.2011 «СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия» с коэффициентом надежности по снеговой нагрузке 1,4. Районирование территории РФ по весу снегового покрова принимается по карте 1 приложения Ж. (прим. пер.)
Вследствие изменчивого характера снеговой нагрузки предпочтительнее построение карт районирования веса снегового покрова с базовыми значениями для каждой зоны, обычно относящимися к фиксированной высоте над уровнем моря, а не использование непрерывного поля изолиний. Такой подход рекомендуется еще и потому, что в пределах климатологически заданных районов нередко может наблюдаться особое изменение снеговой нагрузки в зависимости от высоты.
Исследования показали, что в прибрежных зонах снеговая нагрузка зависит не только от высоты, но и от расстояния до береговой черты.
Примечание 1 — Если это более целесообразно, то ежегодную вероятность превышения допускается принимать меньше, чем 0,02.
Примечание 2 — Важные исследования, которые были выполнены по определению характеристических значений веса снегового покрова, описаны в работах [3], [4], [5], [6], [7]. Об обработке статистических данных см. A.3.
Районирование территории страны по характеристическим (нормативным) значениям веса снегового покрова s0 следует осуществлять через определенные интервалы. Рекомендуемые интервальные значения в килоньютонах на квадратный метр следующие: 0,5 — 1,0 — 1,5 — 2,0 — 2,5 — 3,0 — 3,5 — 4,0.
A.2 Использование базовых метеорологических данных
Для определения веса снегового покрова s0 используют ряд максимальных ежегодных значений. Параметр s0 может определяться на основе базовых регистрационных записей о запасах воды в снеговом покрове, о высоте снегового покрова, количестве осадков и т.п. Для регионов, в которых снег выпадает ежегодно, рекомендуется использовать записи за 20 лет. Для регионов с большей изменчивостью рекомендуется использовать значения за более длительный период. Оборудование для взятия проб снега и методика наблюдений должны соответствовать рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО) [8]. Предпочтительно использовать записи о запасах воды в снеговом покрове на участках снегосъемки. Однако в случае недостаточности сведений о запасах воды в снеговом покрове допускается использовать данные о высоте снегового покрова.
A.2.1 Соотношение между весом снегового покрова и его высотой
В США [9] используют следующую функциональную зависимость между весом снегового покрова и его высотой:
s_{50} = 1,97d_{50}^{1,36}, (A.1)
где s50 — вес снегового покрова, кН/м2, с периодом повторяемости 50 лет;
d50 — высота снегового покрова земли, м, с периодом повторяемости 50 лет.
В формуле (A.1) учтен факт того, что максимальный вес снегового покрова необязательно имеет место в тот же день, что и максимальная высота снегового покрова.
Средняя плотность снегового покрова по-прежнему остается важным параметром для определения снеговой нагрузки, так как на многих метеостанциях предпочитают регистрировать высоту снегового покрова, а не значения запасов воды в снеговом покрове.
При определении ежегодных максимумов веса снегового покрова посредством высоты снегового покрова и его плотности следует учитывать, что два этих параметра обычно имеют значительную положительную корреляцию. До образования максимальной ежегодной высоты снегового покрова она положительна, а после этого события — отрицательна. В регионах с обильными снегопадами, как правило, наблюдается существенный временной сдвиг между максимальным ежегодным значением высоты снегового покрова и ежегодным максимумом веса снегового покрова. Эта разница возникает по причине уплотнения снежных слоев. Вследствие этого для определения s0 по данным о максимальной ежегодной высоте снегового покрова необходимо использовать эквивалентную плотность снега [11].
Для различных климатических условий разных стран было предложено множество формул. При отсутствии сведений следует использовать плотность \rho = 300\text{кг}/\text{м}^{3} .
В России и бывшем СССР [10] была предложена формула (A.2):
\rho = (90 + 130 \sqrt{d})(1,5 + 0,17 \sqrt[3]{T})(1 + 0,1 \sqrt{v}), (A.2)
где \rho — плотность снега, кг/м3;
d — высота снегового покрова, м;
T — средняя температура, °C, за период снегонакопления (предположительно не ниже минус 25 °C);
v — средняя скорость ветра, м/с, за тот же период.
В Японии [11] используют формулу для эквивалентной плотности снегового покрова земли с периодом повторяемости 100 лет:
\rho_{e} = 73 \sqrt{d/d_{ref}} + 240, (A.3)
где \rho_{e} — эквивалентная плотность снега, кг/м3;
d — высота снегового покрова, м;
dref — нормативная плотность снегового покрова высотой 1 м.
В США для выражения плотности снега используется формула (A.4), связывающая плотность снега в определенный момент времени с весом снегового покрова в тот же момент времени:
\rho = 43,5s_{0} + 224 \leq 480, (A.4)
где \rho — плотность снега, кг/м3;
s0 — вес снегового покрова, кН/м2.
Формула (A.4), выраженная через высоту снегового покрова, примет вид:
(A.5)где \rho — плотность снега, кг/м3;
d — высота снегового покрова, м.
В Германии на основе наблюдений Германской службы погоды (Deutscher Wetterdienst DWD) [12] была разработана следующая формула:
\rho = \frac{\rho_{\infty}d_{ref}}{d} ln[1 + \frac{\rho_{0}}{\rho_{\infty}} (exp(\frac{d}{d_{ref}}) - 1)], (A.6)
где d — высота снегового покрова, м;
\rho_{0} — плотность снега на поверхности, кг/м3;
\rho_{4} — верхняя допустимая граница плотности снега;
dref — нормативная плотность снегового покрова высотой 1 м.
Для Германии поверхностная плотность снега обычно находится в диапазоне от 170 до 190 кг/м3, а верхняя граница плотности — в пределах от 400 до 600 кг/м3; последнее значение справедливо для влажного климата.
На рисунке A.1 представлены в графической форме для сравнения формулы плотности снега (A.1), (A.2), (A.3), (A.5) и (A.6) [14].
Примечание 1 — Для формулы (A.2) показаны два варианта: a) для средней температуры T = минус 10 °C при средней скорости ветра v = 4 м/с; b) для средней температуры T = минус 20 °C при средней скорости ветра v = 4 м/с.
Примечание 2 — Для формулы (A.6): a) сухой климат, поверхностная плотность снега 170 кг/м3 и верхняя граница плотности 400 кг/м3; b) влажный климат, поверхностная плотность снега 190 кг/м3 и верхняя граница плотности 600 кг/м3.
Рисунок A.1 — Плотность снега \rho как функция высоты снегового покрова d в формулах (A.1), (A.2), (A.3), (A.5) и (A.6)
A.2.3 Интенсивность снегопада за короткие периоды времени
Для корректного проектирования покрытий с высокими тепловыми потерями определенный интерес может представлять информация об интенсивности снегопада за короткие периоды времени (24 ч и менее).
Обычно в таких случаях доступны только показания дождемеров различного типа. Однако подобные показания применительно к снегопаду никогда не следует использовать без поправок на ветер, который воздействует на измерительный прибор. Рекомендации по корректировке указанных данных, разработанные на основе наблюдений в странах Северной Европы, приведены в [15].
A.2.4 Добавочная нагрузка от дождевых осадков поверх снегового покрова
Для регионов, в которых 0 < s0 < 1 кН/м2, все скатные покрытия с уклоном меньше W/15,2 (в градусах) следует рассчитывать с учетом дополнительной нагрузки 0,25 кН/м2 от дождевых осадков поверх снегового покрова. Такую добавочную расчетную нагрузку от дождя поверх снега применяют только к случаю базовой снеговой нагрузки и не используют в сочетании с нагрузками от переноса, сползания (скольжения), неравномерными или местными нагрузками.
Примечание - Этот пункт заимствован из нормативных документов Американского общества инженеров гражданского строительства ASCE 7-10.
A.2.5 Учет климатических изменений
При разработке национальных карт районирования по весу снегового покрова важно отметить, что некоторая совокупность ежегодных экстремальных или пиковых значений, превышающих определенный порог, может содержать случайный позитивный или негативный тренд. Оценка возможного влияния климатических изменений призвана учесть эту случайность, для чего могут быть разработаны различные сценарии климатических изменений, позволяющие получить информацию об основных формах трендов, подлежащих анализу.
A.3 Статистическая обработка исходных данных
При использовании статистических методов обработки исходных данных об измерении веса снегового покрова следует иметь в виду, что значимость таких региональных данных во многом зависит от метода наблюдений и защищенности площадки наблюдений. Поэтому при расчете снеговой нагрузки необходимо обращать особое внимание на то, является ли метеорологическая станция типичной для данного региона.
A.3.1 Статистические распределения
Для климатических регионов с постоянным снеговым покровом в течение зимнего сезона наиболее подходящую основу для обработки данных о ежегодных максимумах веса снегового покрова представляет статистика экстремальных значений. Для климатических регионов, в которых наблюдается более одного независимого периода с постоянным снеговым покровом за зимний сезон, статистическая устойчивость оцениваемых параметров может быть улучшена за счет использования пиковых значений, превышающих определенный порог. Так как ограниченные наборы параметров неизбежно несут в себе и случайную информацию, бывает крайне трудно выявить «истинное» вероятностное распределение и соответствующие ему «истинные» параметры. Поэтому для оценки ежегодных вероятностей непревышения рекомендуется использовать распределение экстремальных значений типа 1 (распределение Гумбеля). Для климатических регионов, в которых снеговой покров образуется не каждый год, при обработке данных следует использовать только ненулевые значения веса снегового покрова. При этом особое внимание нужно обращать на данные тех наблюдений, в которых зафиксированы аномально большие значения, причисляемые к статистическим выбросам.
A.3.2 Возможная климатическая зависимость при выборе распределений
Исследования показывают, что наилучшее соответствие местных данных логарифмически нормальному распределению или распределению типа 1 обусловлено определенными климатическими условиями региона [4].
Если детальный сравнительный анализ различных распределений оказывается невозможным, то для регионов, в которых ежегодные экстремальные значения веса снегового покрова формируются путем снегонакопления на протяжении длительного периода зимнего сезона, рекомендуется выбирать распределение типа 1. Для регионов, в которых экстремальные снеговые нагрузки являются результатом только одного или нескольких снегопадов, целесообразно использовать логарифмически нормальное распределение.
Консерватизм обоих указанных распределений зависит от значений коэффициента вариации, т.е. при вычислении значений веса снегового покрова с большим периодом повторяемости при низких значениях коэффициента вариации более консервативным является распределение типа 1, а при высоких значениях — логарифмически нормальное распределение.
При сравнении различных методов параметрической оценки для рассматриваемого периода повторяемости может быть использована стандартная ошибка вычислений.
Часто рассматриваемый период повторяемости превышает длину имеющегося ряда наблюдений для максимумов веса снегового покрова. Хорошая степень соответствия теоретического распределения выборочным данным при этом не всегда будет основана на экстраполированных значениях, соответствующих большим периодам повторяемости. При принятии решений рекомендуется также учитывать и реальные климатические условия.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СНЕГОВОЙ НАГРУЗКИ НА ОТДЕЛЬНЫЕ ТИПЫ ПОКРЫТИЙ
B.1 Простые двускатные покрытия
Распределение снеговой нагрузки на простые двускатные покрытия показано на рисунке B.1. Для несимметричных простых двускатных покрытий каждую сторону покрытия следует рассматривать как половину соответствующего симметричного покрытия.
Рисунок B.1 — Распределение снеговой нагрузки на простое двускатное покрытие
s_{b} = 0,8s_{0}S_{e}S_{t}\mu_{b}. (B.1)
Часть нагрузки вследствие переноса:
s_{d} = s_{0}\mu_{d}\mu_{b}, (B.2)
\mu_{d} = (0,12 \frac{\beta}{42,5} + 0,05)(- 5C_{e} + 6), (B.3)
где 5^{\circ}<\beta<60^{\circ} ,
Рисунок B.2 — Произведение \mu_{b}\mu_{d} как функция уклона покрытия \beta при Cm = 1,0
B.2 Простые плоские и односкатные покрытия
Для покрытий такой формы следует учитывать только базовую снеговую нагрузку sb (см. рисунок B.3):
(B.4)
Рисунок B.3 — Распределение снеговой нагрузки для односкатного покрытия
Для простого односкатного покрытия можно ожидать, что при достаточно крутом уклоне снег будет сползать с него. Однако для многопролетного покрытия сползание снега приводит к перераспределению снеговой нагрузки на самом покрытии. Это учитывается отдельно случаями базовой нагрузки и нагрузки от сползания, как показано на рисунке B.4. Случай нагрузки от сползания учитывает возможность как сползания, так и переноса снега. Рекомендуется устанавливать значение плотности снега \rho = 300\text{кг}/\text{м}^{3} . Внешние скаты многопролетных покрытий учитывают согласно B.1.
Рисунок B.4 — Распределение снеговой нагрузки для многопролетного покрытия
s_{b} = 0,8s_{0}C_{e}C_{t}\mu_{b}. (B.5)
Нагрузка от сползания, случай 1:
h<[\frac{0,8s_{0}C_{e}C_{t}W}{\rho(tg(90 - \beta_{1})tg(90 - \beta_{2}))}]^{1/2}, (B.6)
d = \frac{0,4s_{0}C_{e}C_{t}}{\rho} + \frac{h}{2} , (B.7)
s_{s1min} = 2\rho(\frac{0,4s_{0}C_{e}C_{t}}{\rho} - \frac{h}{2}), (B.8)
Нагрузка от сползания, случай 2:
h \geq [\frac{0,8s_{0}C_{e}C_{t}W}{\rho(tg(90 - \beta_{1})tg(90 - \beta_{2}))}]^{1/2}, (B.10)
d = [\frac{0,8s_{0}C_{e}C_{t}W}{\rho(tg(90 - \beta_{1})tg(90 - \beta_{2}))}]^{1/2}, (B.11)
B.4 Простые криволинейные покрытия, стрельчатые арки и купола
Для криволинейных покрытий и стрельчатых арок при h/b >= 0,05 распределения базовой снеговой нагрузки и нагрузки от переноса определяют согласно рисунку B.5. Если же h/b < 0,05, то снеговые нагрузки определяют согласно B.2. Стрельчатые арки с углом \beta \geq 5^{\circ} вдоль линии конька (x = 0) следует рассматривать как односкатные покрытия (см. B.1).
Для куполов, имеющих в плане форму окружности, базовую нагрузку принимают согласно рисунку B.6 и прикладывают осесимметрично. Нагрузку от переноса, действующую вдоль центральной оси купола параллельно направлению ветра, принимают так же, как для арок, а коэффициент \mu_{d} изменяется с расстоянием y от этой оси так, как показано на рисунке B.5.
Рисунок B.5 — Распределение базовой нагрузки и нагрузки от переноса для криволинейных покрытий
s_{b} = 0,8s_{0}C_{e}C_{t}\mu_{b}. (B.14)
s_{d} = 0,8s_{0}\mu_{b}\mu_{d}(x), (B.16)
(B.17)
(B.18)где x30/x при \beta = 30^{\circ} и x30 <= b/2.
Коэффициент переноса нагрузки для куполов (см. рисунок B.6):
\mu_{d}(x,y) = \mu_{d}(x,0)(1 - \frac{y}{r}). (B.19)
Примечание - Стрелкой указано направление ветра.
Рисунок B.6 — Коэффициент переноса нагрузки на купола в плане
B.5 Покрытия с перепадами высот (нижние покрытия с уклоном \beta_{1} )
Для нижних покрытий (рисунок B.7) базовую часть нагрузки определяют по формуле
s_{b} = 0,8s_{0}C_{e}C_{t}\mu_{0}, (B.20)
здесь x — расстояние по горизонтали от перепада;
Рисунок B.7 — Распределение снега и коэффициенты по снеговой нагрузке для примыкающих покрытий нижнего уровня
Переносимая часть снеговой нагрузки sd(x) определяется как наихудший из трех возможных случаев, показанных на рисунке B.8.
1 — нижнее покрытие; 2 — верхнее покрытие; 3 — длина
перепада; 
- исходная область переноса снега;
- зона «снегового мешка»;
- направление ветра
Примечание - Измерения L и W, показанные на рисунке, будут меняться местами в зависимости от того, какое из них больше.
Рисунок B.8 — Случаи снегопереноса и параметры для покрытий нижнего уровня
Случай a: перепад расположен по направлению ветра, и снег сносится с верхнего покрытия на защищенную область у перепада.
Случай b: перепад обращен навстречу ветру, и снег переносится по нижнему покрытию в область перепада.
Случай c: концевая область перепада обращена по направлению ветра, и снег переносится в защищенную область перепада из-за угла.
sd(x) описывается треугольной функцией x, которая имеет максимум при x = 0 и линейно убывает до нуля в конце зоны снегоотложений при x = ld. Там, где конец зоны переноса распространяется за пределы нижнего покрытия, зона снегоотложений усекается до трапецеидальной формы.
Длину зоны повышенных снегоотложений определяют по формуле
l_{d} = 5 \frac{s_{d}(0)}{\rho g} . (B.22)
Максимальная нагрузка от переноса задается следующими выражениями:
s_{d}(0) = s_{0}\mu_{b}\mu_{d}(0), (B.23)
\mu_{d}(0) = 0,35\xi \sqrt{\frac{(l_{c} - 5h_{p}\prime)\rho g}{s_{0}}} , (B.24)
0<\mu_{d} \leq \frac{\xi\rho gh - s_{0}}{s_{0}\mu_{b}} , (B.25)
\mu_{d} \leq \frac{4\xi}{C_{e}^{2,5}} , (B.26)
h_{p}\prime = h_{p} - \frac{s_{bs}}{\rho g} , (B.27)
где hp — высота парапета по периметру исходной области покрытия, с которой сносится снег;
sbs — базовая снеговая нагрузка на исходную область покрытия;
Высоту hp принимают равной нулю, если парапеты имеются не по всему контуру исходной области покрытия.
Рекомендуется принимать \rho = 300\text{кг}/\text{м}^{3} . Альтернативные формулы для расчета плотности снега приведены в приложении A.
| x | Ce | \mu_{d} |
|---|---|---|
| 0 | Ce >= 1,0 | \mu_{d}(0) |
| 0 < x <= ld | Ce >= 1,0 | \mu_{d}(0)(1 - \frac{x}{l_{d}}) |
| ld < x <= 10h | Ce >= 1,0 | 0 |
| x > 10h | Ce >= 0,8 | 0 |
Соответствующие значения параметра \xi для каждого из случаев a), b) и c) приведены в таблице B.2. lcs — характерная длина соответствующей исходной области переноса снега для каждого из трех случаев, представленных на рисунке B.8.
l_{cs} = 2W - \frac{w^{2}}{L} , (B.28)
где L — больший размер исходной области переноса снега.
Если верхнее покрытие двускатное, то размеры W и L основаны на общих размерах верхнего покрытия для случая a).
Значения параметра \xi для каждого из случаев a), b) и c)
На рисунке B.9 показана в графической форме зависимость \mu_{d}(0) от \rho gl_{cs}/s_{0} для случаев a) и b) для нескольких значений \rho gh_{p}/s_{0} . Для случая c) применим график для случая b) при \rho gh_{p}/s_{0} = 0 .
A — верхний предел при Ce = 0,8; B — верхний предел при Ce = 1,0; C — верхний предел при Ce = 1,2
Примечание - Для случая c) применим график, для случая b) при \rho gh_{p}/s_{0} = 0 .
Рисунок B.9 — График зависимости \mu_{d}(0) от \rho gl_{cs}/s_{0} для случаев a) и b)
Для наружного угла, где сходятся две грани перепадов (см. рисунок B.10), треугольную нагрузку от переноса у менее нагруженной области перепада принимают распространяющейся радиально от угла. Для внутреннего угла нагрузки от переноса, вычисляемые для каждого перепада, следует прикладывать по биссектрисе угла, как показано на рисунке B.11.
1 — грань перепада с большим \mu_{d}(0) ; 2 — грань перепада с меньшим \mu_{d}(0)
Примечание - Радиус зоны «снегового мешка» r равен ld.
Рисунок B.10 — Снеговая нагрузка от переноса для наружного угла
1 — нижнее покрытие; 2 — верхнее покрытие; 3 — грань перепада 1; 4 — грань перепада 2; 5 — биссектриса угла между двумя гранями перепада
Рисунок B.11 — Снеговая нагрузка от переноса возле внутреннего угла
Если покрытие сооружения находится на расстоянии менее 5 м от покрытия соседнего более высокого здания, оно должно быть рассчитано на отсеченную часть треугольного распределения снеговой нагрузки от переноса, как показано на рисунке B.7.
Если уклон верхнего покрытия превышает 5° и не имеет краевого парапета или снегового ограждения, препятствующего сползанию снега, то добавочную снеговую нагрузку от сползания ss(x) на нижнее покрытие предполагается принимать треугольной формы (см. рисунок B.11) и вычислять следующим образом:
s_{s}(x) = s_{0}\mu_{b}\mu_{d}(x), (B.29)
\mu_{s}(0) = \frac{h_{u}}{l_{s}tg\beta_{u}} , (B.30)
\mu_{s}(0) \leq \frac{\rho gh}{s_{0}\mu_{b}} - \mu_{d}(0), (B.31)
l_{s} = 2h_{u}cos\beta_{u}(\sqrt{\frac{h}{h_{u}} + p^{2}} - p), (B.32)
p = sin\beta_{u} - tg\beta_{1}cos\beta_{u}, (B.33)
h<3s_{0}/\rho g\text{для }\mu_{s}(0) = 1, (B.34)
\mu_{s}(x) = \mu_{s}(0)(1 - \frac{x}{l_{s}})\text{для}0 \leq x \leq l_{s}. (B.35)
Рисунок B.12 — Коэффициент сползания снеговой нагрузки
Снеговую нагрузку от сползания следует рассматривать совместно с базовой нагрузкой и с половиной нагрузки от переноса. Следует отметить, что вышеуказанная снеговая нагрузка от сползания не включает в себя ударного воздействия снега при его падении на нижнее покрытие.
B.6 Дополнительная нагрузка от переноса и сползания на землю или на покрытие нижнего уровня, действующая на верхнее арочное или двускатное покрытие
Покрытие нижнего уровня следует проверять на нагрузку от сползания, как альтернативный случай нагружения случаям, рассмотренным в B.5. При этом необходимо учитывать и ударные воздействия (см. рисунок B.13).
Рисунок B.13 — Добавочные нагрузки от переноса и сползания, действующие на верхнее арочное или двускатное покрытие
s = s_{0}(\mu_{d} + \mu_{b}), (B.36)
l_{d} = \frac{6s_{0}}{\rho g} , (B.37)
l_{0} = \frac{(\mu_{b} + \mu_{d})s_{0}}{\rho gtg\beta} , (B.38)
h = \frac{(\mu_{b} + \mu_{d})s_{0}}{\rho g} , (B.39)
B.7 Покрытия с локальными преградами
Базовую часть нагрузки sb на покрытия с локальными преградами, такими как грузоподъемные устройства, кожухи кондиционеров и вентиляционных установок, небольшие надстройки и широкие дымовые трубы, определяют точно так же, как и для нижних покрытий (см. B.5). Нагрузку от переноса sd(x) на участках, примыкающих к преградам, определяют как треугольную функцию расстояния x от преграды, имеющую максимум при x = 0 и линейно убывающую до нуля к концу зоны переноса при x = ld:
l_{d} = \frac{2}{3} l_{0}, (B.42)
где l0 — наибольший горизонтальный размер препятствия (см. рисунок B.14).
Рисунок B.14 — Коэффициент нагрузки от переноса для локальных преград
\mu_{d}(x) = \mu_{d}(0)(1 - \frac{x}{l_{d}}). (B.43)
Нагрузка от переноса распространяется во все стороны от препятствия и в радиальном направлении от углов (см. рисунок B.10). Нагрузки от переноса не учитывают, если l0 < 3 м. Следует, однако, иметь в виду, что с увеличением горизонтального размера преграды l0 нагрузка от переноса, полученная по формуле (B.43), может превысить нагрузку на нижнее покрытие, описанную в B.5. В этом случае предпочтительнее рассматривать выступ или преграду как покрытие верхнего уровня и использовать для определения действующих на нее нагрузок от переноса формулы из B.5.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАЩИЩЕННОСТИ ДЛЯ МАЛЫХ ПОКРЫТИЙ
Коэффициент защищенности Ce0 для малых покрытий — это обобщенный коэффициент, отражающий влияние сноса снега с участка кровли независимо от ее формы. Определение коэффициента Ce0 приведено в 3.8.
В настоящем приложении Ce0 определено согласно C.4 после того, как рассмотрены региональные характеристики ветрового района, температурные климатические характеристики и категория шероховатости поверхности. Данные характеристики рассмотрены в C.2 и C.3 соответственно.
Ветер, дующий во время снегопада, может вызвать уменьшение равномерно распределенной снеговой нагрузки на покрытие по сравнению с весом снегового покрова земли. Однако локальный максимум неравномерной снеговой нагрузки на покрытие может существенно превышать вес снегового покрова.
Сильный ветер при отсутствии снегопада может также вызвать равномерное уменьшение или перераспределение существующего снегового покрова на покрытии, что в значительной мере зависит от температуры окружающего воздуха и от предыстории температурного режима слоя снега. Перенос снега прекращается при определенном пороговом значении скорости ветра. Такой порог повышается с ростом температуры окружающего воздуха, поскольку известно, что силы сцепления между частицами снега с повышением температуры возрастают.
Все описанные выше явления широко известны как по практическим наблюдениям, так и по результатам аналитических исследований. Важные физические исследования в этой области описаны в работе [16], а результаты нескольких исследовательских программ наблюдения за снеговыми нагрузками на здания изложены в работах [17], [18] и [19]. Результаты исследований снегопереноса с использованием водяного лотка и аэродинамической трубы представлены в работах [20], [21], [22] и [23]. Комбинированные исследования с использованием аэродинамической трубы и компьютерного моделирования описаны в работах [24] и [25].
Поскольку коэффициент Ce0 очень чувствителен к местному ветровому и температурному режиму, форме здания и конфигурации окружающих препятствий, таких как близко расположенные здания, деревья и топографические особенности местности, определение значений этого коэффициента сопряжено с существенной неопределенностью, пока не будет построена специальная детализированная модель и проведены численные исследования применительно к конкретному строительному объекту с учетом всех вышеперечисленных факторов. Поэтому значения Ce0, заданные аналитически в настоящем приложении, следует рассматривать как условные. В настоящем приложении принят диапазон изменения Ce0 от 0,8 до 1,2. Обычно для различных климатических условий используют ряд округленных значений Ce0 = 1,2; 1,0 и 0,8 как последовательность ограниченной точности при практическом определении коэффициента защищенности простыми методами.
Для очень больших покрытий предполагается, что значение коэффициента Ce будет приближаться к 1,25 независимо от направления ветра и температурных условий, так как при достаточно больших размерах с точки зрения снегопереноса покрытие становится неотличимым от поверхности земли. Поэтому в расчетах, описанных в B.5, в качестве базового значения Ce принимают значение Ce0 для малых покрытий (размерами менее 50 м), а затем оно возрастает с увеличением размеров покрытия, приближаясь в пределе к Ce = 1,25 (см. 6.1).
C.2 Защищенность при воздействии зимних ветров
В качестве главного параметра переноса снега лучше всего использовать среднюю частоту превышения скоростью ветра порогового значения (5 м/с), а не среднее месячное значение скорости ветра. Это объясняется тем, что интенсивность переноса как выпадающего, так и старого снега зависит от появления относительно сильного ветра во время снегопада, а снегопады часто сопровождаются сильным ветром.
К нормальному типу местности относятся пригородные, городские или лесные территории. К защищенной местности относятся площадки, полностью защищенные другими более высокими сооружениями или деревьями во всех направлениях.
Зимние ветровые режимы, представленные в таблице C.1, следует рассматривать, как правило, с учетом средних значений за три наиболее холодных месяца года.
Данные о повторяемости ветра есть на метеостанциях, которые регистрируют скорость ветра на открытой местности на высоте 10 м над уровнем земли.
C.3 Зимний температурный режим
В регионах с относительно теплым зимним климатом обычно возможен перенос снега только во время снегопада. В таких регионах снегопады сопровождаются самой низкой температурой зимнего периода, что не характерно для холодных регионов. Этим объясняются трудности вывода общей переменной, отражающей температуру во время снегопадов в разных климатических условиях. Из практических соображений параметр, используемый в настоящем приложении, представляет собой самую низкую среднюю месячную температуру года. Следует иметь в виду, что данный параметр принимает более низкие значения, чем средняя температура зимнего сезона по C.5.
Следует использовать среднемесячные температуры наиболее холодного месяца года, приведенные в таблице C.2.
| Средняя температура \theta и наиболее холодного месяца года, °C | Категория зимних температур |
|---|---|
| \theta>2,5 | A |
| - 2,5 \leq \theta \leq 2,5 | B |
| \theta< - 2,5 | C |
Коэффициент защищенности может быть определен по таблице C.3 после выбора категорий зимних ветров и температур, представленных в таблицах C.1 и C.2 соответственно, и откорректирован согласно местной топографии.
Коэффициент защищенности для покрытий малого размера Ce0
| Категория зимних температур | Категория зимних ветров | ||
| I | II | III | |
| A | 1,2 | 1,1 | 1,0 |
| B | 1,1 | 1,0 | 0,9 |
| C | 1,0 | 0,9 | 0,8 |
C.5 Альтернативный способ определения коэффициента защищенности
В России [17] для районов со средней зимней температурой трех наиболее холодных месяцев года ниже минус 5 °C (категория зимних температур C) были получены формулы для коэффициента защищенности при различных ветровых режимах. При таком подходе выражения для Ce0 вместо значений по таблице C.3 будут иметь следующий вид:
| Ce0 = 1,0 | при скорости ветра | v <= 2 м/с; | (C.1) |
|---|---|---|---|
| Ce0 = 1,2 — 0,1v | при скорости ветра | 2 м/с < v < 8 м/с; | (C.2) |
| Ce0 = 0,4 | при скорости ветра | v >= 8 м/с, | (C.3) |
где v — средняя скорость ветра, м/с, на высоте 10 м над уровнем земной поверхности в период снегопадов.
Вычисление Ce0 проводят затем так, как показано в C.4.
Примечание — Коэффициенты защищенности в C.4 и таблице C.3 изменяются в диапазоне от 0,8 до 1,2. В указанном выше отечественном подходе коэффициент защищенности изменяется в диапазоне от 0,4 до 1,0. Поэтому для использования в рамках настоящего стандарта коэффициенты для территории Российской Федерации нуждаются в модификации.
C.6 Климатические условия с неежегодным выпадением снега
Для климатических условий, в которых снег выпадает не каждый год, более надежный подход к анализу зимних ветров и температур состоит в учете лишь тех ситуаций, когда известно значение веса снегового покрова. Наконец, для оценки вероятности сценария формирования расчетной снеговой нагрузки требуется анализ ветровых и температурных условий.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА
В настоящем приложении приведены значения термического коэффициента для снижения снеговой нагрузки на стеклянные <1> покрытия, вызванного потоком тепла через кровлю.
Термический коэффициент Ct понижает снеговую нагрузку вследствие таяния снега и выражается по формуле (D.1), которая выведена в предположении характеристического значения веса снегового покрова s0 >= 1,5 кН/м2:
\text{С}_{t} = 1 - 0,054(\frac{s_{0}}{3,5})^{0,25}f(U_{0},\theta), (D.1)
(D.2)U0 — коэффициент теплового пропускания в предположении, что поверхностное тепловое сопротивление равно нулю [Вт/(м2·К)];
s0 — характеристическое значение веса снегового покрова (s0 >= 1,5 кН/м2);
\theta — самая низкая ожидаемая температура внутреннего воздуха в здании в зимний период, °C.
Если \theta<5^{\circ}C , то в формуле (D.2) принимают \theta = 5^{\circ}C , а при \theta>18^{\circ}C — значение \theta = 18^{\circ}C .
При существенно меньших значениях s0 (особенно в сочетании с малыми углами покрытия) следует принимать Ct = 0. Аргументом синусоидальной функции являются радианы. (Если предпочтение отдается градусам, то аргумент необходимо умножить на константу 57,3.) Параметр U0 применяют только для площадей со стеклянным покрытием <1>. Если коэффициент теплового пропускания покрытия U основывается на другом значении теплового сопротивления наружной поверхности Re > 0, то U преобразуется к U0 по следующей формуле:
U_{0} = \frac{U}{1 - UR_{e}} , (D.3)
где U — коэффициент теплового пропускания покрытия [Вт/(м2·К)];
Re — тепловое сопротивление наружной поверхности, м2·К/Вт.
<1> Могут быть и другие материалы.
Значения Ct приведены в графической форме на рисунках D.1, D.2 и D.3.
Если полученное значение Ct оказывается меньше единицы, то необходимо провести тщательную проверку и, возможно, корректировку в соответствии со следующими условиями:
- если средняя месячная температура самого холодного месяца года ниже минус 8 °C, то Ct умножают на коэффициент 1,2; однако Ct <= 1,0;
- если вычисленная добавочная локальная максимальная нагрузка вследствие переноса снега превышает 30% средней снеговой нагрузки на поверхность покрытия при отсутствии переноса, то к избыточной части нагрузки не допускается применять понижающий термический коэффициент Ct;
- если возможно сползание снега на поверхность покрытия, то принимают Ct = 1,0.
Во всех случаях следует проводить проверку возможности отвода талой воды с поверхности покрытия без риска его обледенения.
Рисунок D.1 — Термический коэффициент Ct при \theta = 10^{\circ}C
Рисунок D.2 — Термический коэффициент Ct при \theta = 15^{\circ}C
Рисунок D.3 — Термический коэффициент Ct при \theta = 18^{\circ}C
СНЕГОЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА НА ПОКРЫТИИ
Силы, действующие на снегозащитные ограждения, ассоциируемые со снеговой нагрузкой на двускатное покрытие, являются в основном компонентами массы снега вдоль поверхности покрытия, сил трения и сил сжатия на карнизах. Силы сцепления и растяжения играют важную роль при примерзании снега к поверхности кровельного материала, если снег задерживается за конек или за какое-либо иное препятствие на поверхности покрытия.
Трение и сцепление являются основными силами сопротивления. Образование тонкого слоя талой или дождевой воды на поверхности кровли ведет к ослаблению этих сил.
Снегозащитные ограждения проектируются, как правило, на статические нагрузки в предположении нулевых сил сцепления и растяжения. При таких допущениях снегозащитные ограждения могут быть рассчитаны на статическую нагрузку F0, параллельную уклону покрытия, по формуле (E.1):
F_{0} = s_{b0}l_{1}(sin\beta - k_{1}cos\beta), (E.1)
где sb0 — базовая снеговая нагрузка при уклоне \beta = 0 , определяемая согласно B.1;
l1 — горизонтальная проекция расстояния вдоль покрытия от снегозащитного ограждения до конька кровли;
\beta — уклон покрытия выше снегозащитного ограждения.
В большинстве случаев допускается принимать, что статическая нагрузка F0 действует на ограждение на высоте по вертикали h1 над поверхностью покрытия, которую определяют по формуле
h_{1} = 0,5s_{0}/(\rho g), (E.2)
где \rho — плотность снега на поверхности земли;
Рекомендуется использовать значение \rho = 300\text{кг}/\text{м}^{3} .
E.3 Высота снегозащитного ограждения
Высота ограждения, достаточная для предотвращения сползания снега с покрытия, зависит, главным образом, от высоты снегового покрова на покрытии, уклона покрытия и трения между отдельными слоями снега. Если трение относительно невелико, то сползание верхнего слоя возможно уже при уклонах порядка 25°.
В настоящем приложении расчетную высоту ограждения h2 определяют по формуле (E.3). Данный метод считают консервативным в силу предположения малой силы трения между отдельными слоями снегового покрова.
(E.3)Рекомендуется использовать значение \rho = 300\text{кг}/\text{м}^{3} .
Динамическая сила, создающая нагрузку от сползающего снега на снегозащитное ограждение, может быть рассчитана теоретически с помощью модели в виде цепи или каната, которые скользят вдоль поверхности покрытия с нулевым трением.
Если используют именно такую модель, а длину l2 принимают равной l1 (см. рисунок E.1), то динамическая сила Fdyn может быть вычислена по формуле
где k2 — коэффициент, равный 3,0;
F0 — задается по формуле (E.1).
Когда длина l2 принимает значения в диапазоне от 0,5l1 до 0,8l1, а слой снега не может ускоряться в своем движении к преграде из-за действия внутренних сил, рекомендуется в формуле (E.4) использовать k2 = 1,75.
Рисунок E.1 — Параметры, подлежащие рассмотрению при определении динамических сил, действующих на снегозащитное ограждение
СНЕГОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ПОКРЫТИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СНЕГОВОГО ПОКРОВА
При использовании достаточно надежного устройства или метода контроля снеговая нагрузка на покрытие может быть понижена посредством реализации концепции, представленной ниже.
F.2 Снеговая нагрузка на покрытие, оснащенное системой контроля
Снеговую нагрузку на покрытие, оснащенное системой контроля, рассчитывают по формуле
s = \mu_{b}s_{n} - s_{c}, (F.1)
где \mu_{b} — базовый коэффициент по нагрузке, определяемый согласно 3.4;
sn — вес снегового покрова, накопленный в течение n дней, кН/м2, определяемый по F.3.1;
sc — контролируемая снеговая нагрузка, кН/м2, определяемая по F.4.
F.3 Вес снегового покрова с накоплением в течение n дней
F.3.1 Формула для веса снегового покрова с накоплением в течение n дней
При надежной системе контроля снегового покрова на покрытии вес снегового покрова sn рассчитывают по формуле
s_{n} = C_{e}d_{n}\rho_{n}g, (F.2)
где Ce — коэффициент защищенности, учитывающий локальную топографию;
dn — репрезентативная высота снегового покрова земли, м, при контролируемой снеговой нагрузке на покрытие, как указано в F.3.2;
\rho_{n} — эквивалентная плотность снегового покрова земли при контроле снеговой нагрузки на покрытие; если эквивалентная плотность недоступна, см. A.2.2;
F.3.2 Репрезентативная высота снегового покрова с накоплением в течение n дней
Репрезентативную высоту снегового покрова земли dn определяют как ежегодное максимальное значение, накопленное за n дней с определенным периодом повторяемости (например, 100 лет), и оценивают по данным метеорологических наблюдений за высотой снегового покрова земли за определенный период. Обычно n соответствует продолжительности одного снегопада на каждой строительной площадке.
F.4 Контролируемая снеговая нагрузка
Контролируемую снеговую нагрузку sc обычно определяют по данным полевых исследований и экспериментов, в ходе которых изучают возможности различных устройств, вызывающих сползание снега и снеготаяние [26]. Другими словами, sc — это разность между исходной снеговой нагрузкой, которая ожидается с началом сильного снегопада, и снеговой нагрузкой, удаленной с помощью устройства с гарантированной работоспособностью даже в условиях метели. В случае использования устройств для снеготаяния необходимая продолжительность оценочного периода снегонакопления n в днях определяется производительностью и надежностью системы контроля снегового покрова на покрытии.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СНЕГОВЫХ НАГРУЗОК НА ПОКРЫТИЯ, НА КОТОРЫЕ МЕТОДЫ, ПРЕДПИСАННЫЕ НАСТОЯЩИМ СТАНДАРТОМ, НЕ РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ
В основе аналитического прогнозирования снеговых нагрузок на покрытия, рассматриваемых в настоящем стандарте и его приложениях, лежат в основном полномасштабные наблюдения за процессом снегонакопления на покрытиях распространенных простых форм, включая допущения для неравномерных нагрузок, которые могут возникать вследствие переноса и сползания. Для покрытий нестандартных форм и эксплуатируемых в нестандартных окружающих условиях, для форм, не охватываемых настоящим стандартом, и для большепролетных покрытий, для которых снеговые нагрузки существенно влияют на соотношение стоимости и безопасности, рекомендуется проводить модельные испытания в аэродинамических трубах, водяных лотках и/или специальные математические исследования.
Физический процесс снегонакопления реализуется благодаря выпадению осадков с ветром или без ветра, перераспределению существующего снегового покрова или сочетанию обоих факторов. Снос снега происходит вследствие его сноса ветром, таяния и сползания. Снеговые нагрузки в любой конкретный момент времени зависят от предыстории вышеуказанных процессов в предыдущие часы, дни и недели. Длительность данной предыстории весьма значима и зависит от местных климатических условий зимнего сезона. В тех регионах, для которых характерны длительные холодные периоды, следует принимать во внимание более длительную предысторию.
Для прогнозирования снеговых нагрузок могут использовать как теоретические, так и физические модели рассматриваемых процессов. Существует несколько разновидностей снега с различными конечными скоростями, углами, при которых снег сохраняется и может отрываться и переноситься ветром. Все эти варианты следует учитывать при выборе методов моделирования.
Методы моделирования снеговой нагрузки подразделяют на три категории:
-
методы, при которых последовательность отдельных снегопадов моделируется с помощью масштабных моделей, а частицы вводятся в аэродинамическую трубу или водяной лоток для имитации снежных частиц и их аккумуляции;
-
методы, в рамках которых скоростные режимы ветра анализируют с помощью масштабных моделей, а перенос и накопление снега выводят посредством численного анализа на основе учета полевых данных о скоростях снегопереноса и другой информации. При таком подходе физические имитаторы снеговых частиц не используют;
-
подходы, основанные на использовании численных методов динамики жидкостей, включая эффекты взаимодействия снежных частиц с воздушным потоком.
Все вышеперечисленные методы полезны для выявления возможных необычных снегоотложений, возникающих под действием ветров избранных направлений. Однако в тех климатических регионах, где температуры ниже точки замерзания держатся в течение длительных периодов, максимальные снеговые нагрузки могут быть результатом снегонакопления после многочисленных снегопадов и переноса снежных масс с различных направлений на протяжении большей части зимнего сезона. В таких случаях желательно прослеживать картину накопления снега на временной базе от 1 до 3 часов, распознавая последствия каждого снегопада и ветровой обстановки. Для отслеживания событий снегопада, переноса снега, таяния, повторного замерзания, выпадения дождя, просачивания и стока талой и дождевой воды следует применять численные методы. Здесь лучше всего подходит метод 2, который позволяет проводить быстрый пересчет снеговой нагрузки с использованием почасовых записей метеоданных и характеристик теплопередачи кровли, благодаря чему открывается возможность вероятностных прогнозов экстремальных нагрузок. Однако методы 1 и 3 способны обеспечить более детальное рассмотрение определенных форм снегоотложений при отдельных событиях. Поэтому часто оказывается целесообразным совместное использование разных методов. Примеры применения альтернативных методов прогнозирования можно найти в публикациях [21 - 25], [27] и [30].
В связи с тем, что во всех методах прогнозирования присутствуют различные численные упрощения, касающиеся процессов снегонакопления, важно, чтобы эти методы опирались на данные полевых наблюдений (см., например, [28] и [29]).
СВЕДЕНИЯ О СООТВЕТСТВИИ ССЫЛОЧНОГО МЕЖДУНАРОДНОГО СТАНДАРТА НАЦИОНАЛЬНОМУ СТАНДАРТУ
| Обозначение ссылочного международного стандарта | Степень соответствия | Обозначение и наименование соответствующего национального стандарта |
| ISO 2394:1998 | IDT | ГОСТ Р ИСО 2394-2016 «Конструкции строительные. Основные принципы надежности» |
| Примечание — В настоящей таблице использовано следующее условное обозначение степени соответствия стандарта: - IDT — идентичный стандарт. | ||