CC BY
66
ВЕСТНИК 1/2011
РАССМОТРЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДИК ПО НАЗНАЧЕНИЮ РАСЧЕТНОГО ЗНАЧЕНИЯ СНЕГОВОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ КУПОЛА РЕЗЕРВУАРА
THE INSPECTION OF DIFFERENTS METHODS FOR SETTING OF THE DESIGN VALUE OF SNOW LOAD FOR THE RESERVOIRS
CUPOLA
В.Л. Мондрус, C.A. Павлов
V.L. Mondrus, S.A. Pavlov
ГОУ ВПО МГСУ
Рассмотрен вопрос назначения расчетного значения снеговой нагрузки для конкретной задачи, в решении которой были исследованы различные методики по определению расчетного значения веса снегового покрова.
The question of destination of design value of snow loads for the specific problem was considered. In the solution were analyzed different methods for the determination of design value of the weight of snow cover.
Ситуация в области нормирования снеговой нагрузки в российских нормах давно привлекает внимание. За последние десятилетия ее расчетное значение существенно изменялось трижды и, например, для Московской области было увеличено с 140 до 180 кг/м2. При этом обращает на себя внимание тот факт, что расчетная нагрузка принята меньшей, чем вес снежного покрова 210 кг/м2, отмеченный за XX век дважды - в 1924 и 1984 годах.[3]
Проектировщик ответственных сооружений сам имеет возможность проводить анализ нагрузок и принимать решения по их назначению. ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету» и СНиП 2.01.07-85* допускают при наличии статистических данных определять расчетное значение нагрузок непосредственно по заданной вероятности их превышения с учетом срока службы здания. Поэтому было решено провести анализ различных методик по определению расчетной снеговой нагрузки и определить расчетное значение для купола резервуара объемом 50000 куб.м.
При разработке различных карт районирования используются данные нескольких тысяч метеорологических станций и постов с длиной рядов наблюдений не менее 20 лет. 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. Как было установлено из проведенных исследований, для большинства метеорологических станций наилучшее согласие с зарегистрированными данными о ежегодных максимумах ВСП дает их аппроксимация распределением Гумбеля с поправками на длину рядов наблюдений, которое спе-
1/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
циально предназначено для описания распределения экстремальных значений физических величин. Например, [5] приводит такое распределение:
1 - V—[]п(- 1п(1 - Pn)) + 0,57722]
_ж_
(1- 2,5923V)
k
где sk - нормативная снеговая нагрузка на грунт с повторяемостью один раз в 50 лет; sn - снеговая нагрузка на грунт с повторяемостью один раз в п лет; Рп - ежегодная вероятность превышения уровня нагрузки; V - коэффициент вариации.
Но какое конкретное значение расчетной нагрузки предлагают различные источники? В России снеговые нагрузки нормируются [1]. 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 которого положены наибольшие ежегодные значения, превышаемые в среднем один раз в 25 лет. Таким образом, расчетное значение ВСП для 3-го снегового района 5" = 180 кг/м2.
На основе анализа метеорологических данных для различных метеостанций и постов Москвы и Московской области с рядами наблюдений от 33 до 94 лет и распределения Гумбеля выявлено, что расчетное значение веса снегового покрова в среднем составляет с повторяемостью один раз в 50 лет Б=201кгс/м2 при среднем значении 105кгс/м2 и коэффициенте вариации у=31% [2].
Согласно Еврокодам [4] и [5] за нормативное значение принимается вес снегового покрова со средним периодом повторяемости 50 лет, а коэффициент надежности по нагрузке равен 1,5. Таким образом, для 3-го снегового района нормативное значение ВСП равно 200 кг/м2, а расчетное - 300 кг/м2!
Специалистами ЦНИИПСК им. Мельникова предложена методика [3], в которой обеспеченность принятой при проектировании какого-либо сооружения расчетной снеговой нагрузки, т.е. вероятность того, что снеговая нагрузка в течение п лет - срока его эксплуатации - не превысит расчетную величину 5, вычисляется по формуле Р(Б, п) = ехр[-ехр((б + в 1п( п) -Б)/в)] = Р (5,1)". Параметры а и р вычисляются статистической обработкой результатов измерения веса снегового покрова. По данным наблюдений до 2003 года [3], для района г. Москвы имеем а = 918 Па, р = 281 Па.
Отсюда следует, что нагрузка 5, которая с вероятностью Р не будет превышена в течение п лет, будет равна
Б (Р, п) = б + в 1п(п) - в 1п [-1п(Р)]. Для московского региона при Р = 0,95 и п = 100 лет получаем расчетную нагрузку 5(0.95,100)=918+281 1п(100) - 281 1п[-1п(0.95)] = 3,047 кПа, а при п = 50 лет 5(0.95, 50) = 2,852 кПа.
Стоит отметить, что результаты, полученные специалистами ЦНИИПСК, отлично согласуются с Европейскими нормами, характеристическое (нормативное) и расчетное значения снеговой нагрузки представлены выше.
Существует мнение, что можно не придавать описанным выше результатам вычислений (и наблюдений) буквального значения, так как одновременно с фактами пре-
ВЕСТНИК МГСУ
1/2011
вышения снеговой нагрузкой ее расчетного значения мы не наблюдаем массовых аварий стоящих под этим снегом конструкций. Однако ясно, что так происходит только из-за наличия неучтенных запасов прочности. В правильно запроектированных и изготовленных конструкциях распространенных типов такие запасы достигают 1.5 и более раз. И если за 30-40 лет наблюдений отмечались факты превышения снеговой нагрузкой расчетного значения на 20-50 %, то для конструкций с тяжелыми покрытиями это могло вызвать перегрузку лишь на 10-20 %. Для таких покрытий запасов прочности, как правило, хватает, чтобы избежать аварий. Но факт нарушения предельного неравенства говорит о том, что конструкция стала работать в условиях, которые не предполагались проектировщиком и, следовательно, им не обсчитывались и не анализировались. В этих условиях отсутствуют гарантии безопасной эксплуатации. Это недопустимо, даже если аварии и не произошло. Особенно, если учесть, что величина отмеченных выше запасов является оценочным, а отнюдь не гарантированным фактом. Такими запасами многие конструкции могут и не обладать, в особенности в настоящее время при общем снижении качества изготовления и монтажа и тщательности контроля свойств материалов. [3]
Согласно [1] расчетные снеговые нагрузки Бп, действующие на рассматриваемое покрытие, определяем по формуле:
=
где /л - коэффициент перехода к снеговой нагрузке на покрытие.
В соответствии с требованиями [1] в расчетах конструкций покрытий сложного профиля должны быть учтены как равномерно распределенные, так и неравномерные нагрузки, образование которых возможно в результате перераспределения снега ветром.
Й1 > 4ЦУ
|р<> _
Нр-*
9ЦИН13
|41 \Ш 1|ГТТ|| |||| 1| и Ч1И |
Рис. 1
1/2011 ВЕСТНИК
_1/2012_мгсу
Таким образом, исследовав различные методики определения расчетного значения ВСП и учитывая большой объем резервуара 50000 куб.м., его высокую экономическую и экологическую ответственность, но при этом отсутствие людей в сооружении, принимаем превышаемое в среднем один раз в 50 лет расчетное значение веса снегового покрова на грунт для района строительства равным Б=2,0 кПа (200 кгс/м2).
Возможные варианты распределения снеговой нагрузки и значения коэффициентов ц, полученные по данным модельных аэродинамических испытаний, согласно [6], представлены на рисунке 1.
Литература.
1. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». - М., 2003.
2. Назаров Ю.П., Лебедева И.В., Попов Н.А. Региональное нормирование снеговых нагрузок в России. Строительная механика и расчет сооружений. №3. 2006. - С.71 - 77.
3. Савельев В.А., Малый В.И., Павлов А.Б., Калашников Г.В., Мейтин В.И. Предложения по назначению расчетной снеговой нагрузки. ПГС. №5. 2004. - С.1 - 6.
4. Eurocode 0 - Basis of structural design, CEN 2003.
5. Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-3: General Actions - Snow Loads, CEN 2003.
6. СТО 36554501-015-2008 «Нагрузки и воздействия». ФГУП «НИЦ «Строительство», Москва, 2008.
The literature.
1. SNiP 2.01.07-85* "Loads and actions" - M. 2003.
2. Nazarov Y.P., Lebedeva I.V., Popov N.A. "Regional normalization of snow loads in Russia." Structural mechanics and structure design. №3. 2006. - C. 71-77.
3. Savelyev V.A., Maliy B.I., Pavlov A.B., Kalashnikov G.V., Meytin V.I. "Suggestion of setting of the design snow load." PGS №5. 2004. C. 1-6.
4. Eurocode 0 - Basis of structural design, CEN 2003.
5. Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-3: General Actions - Snow Loads, CEN 2003.
6. STO 36554501-015-2008 "Loads and actions". SRC "Building" Moscow 2008.
Ключевые слова: расчетное значение снеговой нагрузки, вес снегового покрова, коэффициент надежности по нагрузке, распределение Гумбеля, коэффициент перехода к снеговой нагрузке на покрытие.
Key words: design value of snow load, weight of snow cover, safety factor for actions, a Gumbel distribution, snow load shape coefficient.
E-mail авторов: pavlov.st.a@gmail.com, mondrus@mail.ru
Рецензент: Павлов Андрей Борисович, член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, директор ООО «ЦНИИПСК им. Мельникова».
