CC BY
36
№
УДК 624.014.072
А.З. Манапов - кандидат технических наук, доцент
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СНЕГОВОЙ НАГРУЗКИ НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
АННОТАЦИЯ
На основе данных метеостанций, расположенных на территории Республики Татарстан, получены численные характеристики распределений годовых максимумов снеговой нагрузки и их изменений в зимнее время года, необходимые для статистического моделирования выборок значений снеговой нагрузки.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Годовые максимумы снеговой нагрузки, высота и плотность снегового покрова.
A.Z. Manapov - candidate of technical science, associate professor Kazan State University of Architecture and Engineering (KSUAE)
STATISTICAL MODELING OF SNOW LOADING ON TERRITORY OF TATARSTAN REPUBLIC
ABSTRACT
On the basis of data from meteorological stations located on territory of Tatarstan Republic the numerical characteristics of distributions of annual maxima of snow loading and their changes over a winter season are received. Those characteristics are necessary for modeling of samples of snow loading values with the further statistical modeling.
KEYWORDS: Annual maxima of snow loading, height and density of a snow cover.
Наблюдения за осадками в зимнее время в России начали проводиться с конца XIX века, с целью определения накопленной за зимнее время влаги с последующим использованием этих данных для прогнозирования урожая продовольственных сельскохозяйственных культур. Начиная с 30-х годов XX века, эти наблюдения без изменения методики измерений начали использовать для назначения снеговой нагрузки на сооружения. Впервые общегосударственное нормирование снеговой нагрузки сделано в «Единых нормах» 1933 года. Значения снеговой нагрузки по этим нормам принимались в зависимости от района строительства в пределах от 25 до 120 кгс/м2.
В нормах ОСТ 90058-40 территория СССР была разделена на 5 районов со значениями веса снегового покрова 50, 70, 100, 150, 200 кгс/м2. В «Нормах и технических условиях проектирования стальных конструкций», НиТУ 121-55 упомянутые выше в ОСТ 90058-40 значения веса снегового покрова стали считать нормативными значениями веса снегового покрова, а переход к расчетным значениям выполнялся путем умножения на коэффициент перегрузки 1,4. В нормах нагрузок СНиП ІІ-А.11-62 ввели уточнения границ территориальных районов, схем распределения снега по поверхности покрытий в зависимости от их профиля.
В СНиП 11-6-74 введен повышенный коэффициент перегрузки до 1,6 для легких покрытий, применение которого было расширено на все сооружения изменениями в СНиП 2.01.07-85 в 2003 году. В последние годы появились региональные строительные нормы, регламентирующие снеговую нагрузку применительно к особенностям своей территории [2].
В настоящей статье содержатся предложения по статистическому моделированию снеговой нагрузки на территории Республики Т атарстан, разработанные на основе имеющихся статистических метеоданных. Республика Т атарстан расположена в восточной части Восточно-Европейской равнины, у слияния рек Волги и Камы, включает северную часть Поволжья и соседствует с Предуральем. Большая часть территории находится между 54,5°-56,4° северной широты и 48°-53,5° восточной долготы, общая площадь составляет 68 тыс. км2, протяженность с запада на восток 400 км, с севера на юг 250 км. В физико-географическом отношении такое положение республики определяет континентальность климата. По рельефу территории наибольших высот над уровнем моря достигает на юго-востоке Бугульминско-Белебеевская возвышенность с высотами 240-380 м, которая на западе постепенно переходит в низменное Западное Закамье с высотами 50-100 м. Западная часть территории республики (правобережье Волги)
Рис. 1. Обрушение покрытия из структурных конструкций зимой 1976 года
Рис. 3. Обрушение арочного склада сельскохозяйственного назначения зимой 1998 года Известия КазГАСУ, 2009, №1 (11)_______________________________________________________
Рис. 4. Обрушение кровли одноэтажного жилого дома 7 марта 2006 года
Таблица 1
Станция Среднее значение (мм) Максимальное значение (мм) Минимальное значение (мм) Среднее квадратическое отклонение (мм)
Агрыз 121,6 218 51 35,78
Арск 116,9 251 58 41,69
Бугульма 143,4 230 71 44,49
Буинск 99,1 191 43 35,09
Елабуга 139,7 259 70 45
Казань 140,9 241 68 45,59
Кукмор 113,2 223 68 38,82
Лаишево 137,2 246 68 43,35
Чулпаново 125,6 245 53 36,39
Среднее по РТ 113,7 211 48,5 38,25
Таблица 2
Снеговой район по [3] Среднее значение веса снегового покрова 2 — на 1 м горизонтальной поверхности Зо, Па (кгс/м2) Коэффициент вариации V /
I 485 (50) 0,45
II 685 (70) 0,40
III 980 (100) 0,35
IV 1470 (150) 0,30
V 1960 (200) 0,30
Рис. 5. Средние многолетние и средние квадратические отклонения запасов воды в снежном покрове (мм) на территории РТ за 1961-2001 годы
Рис. 6. Районирование территории РТ по снеговой нагрузке
№
Таблица 3
Месяц года и декада Наибольшая высота снежного покрова (см) Плотность снега (кг/м3) Запасы воды в снеге (кгс/м2) Коэффициент учета изменений запасов воды в снежном покрове
Ноябрь 2 21 22 0,14
3 24 210 30 0,19
Декабрь 1 33 219 33 0,22
2 38 210 51 0,33
3 40 223 61 0,39
Январь 1 49 222 77 0,49
2 59 238 91 0,59
3 71 240 102 0,66
Февраль 1 82 247 121 0,78
2 100 252 138 0,89
3 116 268 152 0,98
Март 1 111 268 153 0,99
2 106 291 155 1,00
3 94 320 148 0,95
Апрель 1 60 122 0,79
2 18
представляет собой северные отроги Приволжской возвышенности с высотами 200-260 м. На севере республики, к северо-востоку от долины Волги и к северу от долины Камы, заходят южные окончания возвышенностей Вятских Увалов, Можгинской, Сарапульской.
Основными характеристиками снежного покрова являются продолжительность его залегания, высота, плотность, запас воды в снеге. Высота снежного покрова измеряется по постоянным рейкам ежедневно в утренние часы. Характеристики плотности снега получают в результате обработки наблюдений по плотномеру, который позволяет определить запас воды в снеге. Запасы воды в снеге вычисляют в среднем за декаду
На территории Татарстана в снежные зимы происходит несколько десятков обрушений кровельных конструкций от перегрузки снеговой нагрузкой, некоторые примеры аварий приведены на рис 1-4 . В основном объектами обрушений являются здания сельскохозяйственного назначения, частные постройки или объекты, выполненные с нарушениями правил проектирования, большинство обрушений происходит в 1-2 декадах марта.
Основой для статистического моделирования снеговой нагрузки является распределение годовых максимумов запасов воды в снежном покрове. По
данному показателю с использованием генератора случайных чисел можно получить реализацию текущего годового максимума запасов воды в снежном покрове. Умножением текущего годового максимума запасов воды на коэффициент изменений запасов воды в снежном покрове в течение зимы получаем текущие значения запасов воды в снежном покрове на каждую декаду зимнего периода. Параметры распределения годовых максимумов запасов воды в снежном покрове, по данным метеонаблюдений в РТ за 1961-2001 годы, приведены в таблице 1 и на рис. 5. В таблице 2 приведены данные по снеговым районам Российской Федерации [1].
Данные метеонаблюдений в некоторой степени противоречат нормативному делению территории РТ на 4 и 5 снеговые районы (рис. 6).
Распределение наибольшей высоты снежного покрова, плотности снега и запасов воды в снеге и вычисленные по ним коэффициенты изменений запасов воды в снежном покрове в течение зимнего периода приведены в таблице 3.
Коэффициент перехода м от веса снегового покрова на поверхности земли к снеговой нагрузке на покрытие, в соответствии со СНиП 2.01.07-85, может принимать значение от 0 до 4 для зданий и от 0 до 6 для навесов. Назначение коэффициента перехода м содержит много
Таблица 4
Значения запасов воды в снежном покрове (кгс/м2) Статистическое моделирование Результаты наблюдений метеостанции г. Казань
Минимальное 59 68
Максимальное 246 241
неопределенностей и по этой причине логично его представлять также в интервальных оценках.
Для проверки предлагаемых параметров для статистического моделирования снеговой нагрузки на территории Республики Татарстан было выполнено проверочное моделирование годовых максимумов снеговой нагрузки в течение 40 лет для территории города Казани (таблица 4).
Полученные результаты свидетельствуют о хорошей сходимости смоделированных минимальных и максимальных значений годовых максимумов запасов воды в снежном покрове и их фактических результатов наблюдений на территории РТ
Литература
1. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции») // ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. - М: ЦИТП Госстроя СССР, 1989.
2. ТСН 20-302-2002 Краснодарского края. Нагрузки и воздействия. Ветровая и снеговая нагрузки.
