CC BY
21
УДК624.014.072
А.З. Манапов - кандидат технических наук, доцент
Д.М. Хусаинов - кандидат технических наук, доцент
М.В. Козлов - инженер
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
О СИЛЕ И ПОСЛЕДСТВИЯХ УРАГАНА 8 ИЮЛЯ 2007 ГОДА
АННОТАЦИЯ
В г. Казани 8 июля 2007 года наблюдалось сильнейшее для здешних мест движение воздушных масс, которое вызвало повреждения и разрушения сооружений городской застройки, преимущественно малых форм (рекламных конструкций, элементов оформления зданий, флагштоков, ограждающих заборов, крыш малоэтажных зданий) и зеленых насаждений (отдельно стоящие деревья и часть лесополосы). Зарегистрированная метеорологической службой скорость ветра составила 30 м/с, что больше нормативной скорости ветра для г. Казани, соответствующей II ветровому району (w=30 кг/м2, V=22,2 м/с) на 30%.
В статье рассматриваются последствия прошедшего урагана, проводится анализ повреждений конструкций на примере рекламных конструкций - рекламных щитов. Приводится сравнение данных о разрушениях при зарегистрированной и нормативной скорости ветра для г. Казани.
A.Z. Manapov - candidate of technical science, associate professor D.M. Khusainov - candidate of technical science, associate professor M.V. Kozlov - engineer
Kazan State University of Architecture and Engineering (KSUAE)
FORCE AND CONSEQUENCES OF THE HURRICANE ON JULY 8, 2007
ABSTRACT
The most massive movement of air masses took place in Kazan on July 8, 2007. It has inflicted multiple damages and destruction of housing zone buildings, mainly of small sizes (e.g. advertisement constructions, building decoration elements, flagpoles, protecting fences, and low-rise building roofs), and green plantations (single trees and part of the forest belt). The meteorological service registered the wind speed at 30 meters per second, which is 30% higher than the normative wind speed for Kazan, corresponding to the second wind area (w= 30 kg/m2, V= 22.2 m/sec).
The consequences of this hurricane are considered in this article; the structural damages of such advertisement structures as advertisement hoardings (shields) are analyzed. The comparison of the structure collapse data at the actually registered wind speed and that at the normative wind speed in Kazan is given.
8 июля 2007 года на части территории города Казани наблюдалось сильнейшее для здешних мест движение воздушных масс, которое привело к значительным разрушениям. По официальным данным ГУ УМГС Республики Татарстан, средняя скорость ветра в ночь с 8 по 9 июля по городу составила 22-30 м/с, шквалистые усиления ветра на территории аэропорта достигали 30 м/с, а в городской черте скорость ветра была зафиксирована на показателе 28 м/с (пресс-релиз от 9.07.2007 г. Отдела по связям с общественностью и средствами массовой информации аппарата Казанской городской думы). В соответствии с данными ГУ «УМГС Республики Татарстан» 8 июля до 19.00 ветер имел западное направление, а в районе 19.00 сменил направление на юго-западное. Наиболее разрушительные последствия наблюдались в северовосточной части города, в Ново-Савиновском и
Советском районах. В соответствии с классификацией ветер скоростью 5-8 м/с считается умеренным, выше 14 м/с - сильным; выше 20-25 м/с - штормом, а выше 30-35 м/с - ураганом. Сильный маломасштабный вихрь с приблизительно вертикальной, но часто изогнутой осью называют смерчем. Давление воздуха в середине смерча понижено. Смерч имеет вид темного облачного столба диаметром в несколько десятков метров; он опускается в виде воронки из низкого основания кучево-дождевого облака, навстречу которой с земной поверхности может подниматься другая воронка из брызг и пыли, соединяющаяся с первой. Наиболее узкая часть столба - в середине. Скорость ветра в смерче достигает 50-100 м/с при сильной восходящей составляющей. Вращательное движение в смерче может происходить по часовой и против часовой стрелки. Возникновение смерчей связано с особо
Таблица 1
Нормативное значение ветрового давления 30 кгс/м2
Расчетное значение ветрового давления 42 кгс/м2
Нормативное значение ветрового давления на высоте до 5 м для типа местности В 15 кгс/м2
Расчетное значение ветрового давления на высоте до 5 м для типа местности В 21 кгс/м2
Скорость ветра, соответствующая нормативному значению ветрового давления на высоте до 5 м для типа местности В при аэродинамическом коэффициенте 1,2 16,97 м/с
Скорость ветра, соответствующая расчетному значению ветрового давления на высоте до 5 м для типа местности В при аэродинамическом коэффициенте 1,2 20,1 м/с
сильной неустойчивостью стратификации атмосферы в нижних слоях. Над сушей оно характерно для жаркого времени года. Наблюдавшееся явление было по своему уникальным, даже старожилы не помнят таких обширных разрушений, вызванных ветровой нагрузкой.
В связи с этим представляет интерес сопоставление наблюдавшихся скоростей ветра с нормируемыми показателями. В соответствии с [1] для г. Казани установлены следующие нормативные данные по ветровой нагрузке, которые следует использовать при выполнении прочностных расчетов строительных конструкций (таблица 1).
Фактическая скорость ветра может быть оценена также путем анализа вызванных ею разрушений. Многочисленные разрушения во время урагана получили типовые рекламные конструкции. Простота конструктивной формы и однозначный характер разрушения рекламных конструкций позволяет достаточно точно оценить величину разрушающего ветрового давления на щит и соответствующую ей скорость ветра во время урагана.
Рассмотрим наиболее характерные разрушения рекламных конструкций во время урагана с определением величины скорости ветра, необходимой для разрушения данной конструкции (таблицы 2-7).
Рис. 1. Рекламный щит, расположенный по проспекту Ямашева, 95
Таблица 2
Исходные данные (Ямашева, 95)
Площадь поверхности щита 18 м2
Ширина фундамента 2,4 м
Длина фундамента 2,4 м
Толщина фундамента 0,4 м
Расстояние от нижней кромки рекламного щита до верхней кромки фундамента 4 м
Общий вес фундамента и рекламного щита 5600 кг
Характер разрушения опрокидывание
Удерживающий момент 6720 кг X м
Ветровое давление на 1 м , необходимое для опрокидывания 67,87 кг/м2
Скорость ветра, вызвавшая опрокидывание 33 м/с
Рис. 2. Рекламный щит, расположенный по проспекту Ямашева, 92
Таблица 3
Исходные данные (Ямашева, 92)
Площадь поверхности щита 18 м2
Расстояние от нижней кромки рекламного щита до верхней кромки фундамента 4 м
Сечение стойки 2 швеллера № 16
Требуемое сечение стойки, определяемое при расчёте щита с учётом пульсационной составляющей ветровой нагрузки 2 швеллера № 24
Характер разрушения Пластическое разрушение стойки в месте заделки в фундамент
Момент сопротивления в направлении действия ветра 139,46 см3
Пластический момент сопротивления в направлении действия ветра 149,22 см3
Значение предела текучести для стали марки ВСт3пс2 (с обеспеченностью 50%) 3100 кг/см2
Изгибающий момент, соответствующий разрушению 4626 кг X м
Ветровое давление на 1 м2, необходимое для разрушения 38,9 кг/м2
Скорость ветра, вызвавшая разрушение с обеспеченностью 50 % 25 м/с
Рис. 3. Рекламный щит, расположенный по проспекту Ямашева, 94
Т аблица 4
Исходные данные (Ямашева, 94)
Площадь поверхности щита 18 м2
Расстояние от нижней кромки рекламного щита до верхней кромки фундамента 4 м
Сечение стойки ГСП 160 X 8
Характер разрушения Хрупкое разрушение стойки в месте крепления к фундаменту
Момент сопротивления в направлении действия ветра 217,5 см3
Сопротивление для стали класса С235, соответствующее временному сопротивлению 3700 кг/см2
Изгибающий момент, соответствующий разрушению 8047,5 кг X м
Ветровое давление на 1 м2, необходимое для создания разрушения 68 кг/м2
Скорость ветра, вызвавшая разрушение щита с фактическим сечением 33 м/с
Рис. 4. Рекламный щит, расположенный по проспекту Ямашева, 97
Таблица 5
Исходные данные (Ямашева, 9?)
Площадь поверхности щита 18 м2
Расстояние от нижней кромки рекламного щита до верхней кромки фундамента 4 м
Сечение стойки 2 швеллера № 16
Требуемое сечение стойки, определяемое при расчёте щита с учётом пульсационной составляющей ветровой нагрузки 2 швеллера № 24
Характер разрушения Пластическое разрушение стойки в месте крепления к фундаменту
Момент сопротивления в направлении действия ветра 186,8 см3
Пластический момент сопротивления сечения стойки в направлении действия ветра 216,4 см3
Значение предела текучести для стали марки ВСт3пс2 с обеспеченностью 50 % 3100 кг/см2
Изгибающий момент, соответствующий разрушению 6708,4 кг X м
Ветровое давление на 1 м2, необходимое для создания разрушения (с обеспеченностью 50%) 56,5 кг/м2
Скорость ветра, вызвавшая разрушение щита с фактическим сечением с обеспеченностью 50 % 30 м/с
Рис. 5. Рекламный щит, расположенный по проспекту Ямашева
Таблица 6
Исходные данные (Ямашева)
Площадь поверхности щита 18 м2
Расстояние от нижней кромки рекламного щита до верхней кромки фундамента 4 м
Сечение стойки 2 трубы диаметром 102 X 4,5
Требуемое сечение стойки, определяемое при расчёте щита с учётом пульсационной составляющей ветровой нагрузки 2 трубы диаметром 219 X 6
Характер разрушения Пластическое разрушение стойки в месте крепления к фундаменту
Момент сопротивления в направлении действия ветра 64 см3
Пластический момент сопротивления в направлении действия ветра 88 см3
Значение предела текучести для стали марки ВСт3пс с обеспеченностью 50 % 3100 кг/см2
Изгибающий момент, соответствующий разрушению 2728 кг X м
Ветровое давление на 1 м2, необходимое для создания разрушения (с обеспеченностью 50 %) 23 кг/м2
Скорость ветра, вызвавшая разрушение щита с фактическим сечением (с обеспеченностью 50 %) 20 м/с
Рис. 6. Рекламный щит, расположенный по проспекту Ямашева, у 4-ой транспортной дамбы
Таблица 7
Исходные данные (Ямашева, у 4-ой транспортной дамбы)
Площадь поверхности щита 1В м2
Расстояние от нижней кромки рекламного щита до верхней кромки фундамента 4 м
Фактическое сечение стойки Труба 273 X 6
Требуемое сечение стойки, определяемое при расчёте щита с учётом пульсационной составляющей ветровой нагрузки Труба 325 X 5
Момент сопротивления в направлении действия ветра 32В см3
Пластический момент сопротивления сечения в направлении действия ветра 427,7 см3
Значение предела текучести для стали марки ВСт3пс с обеспеченностью 50% 3100 кг/см2
Изгибающий момент, соответствующий разрушению 1325В кг X м
Ветровое давление на і м2, необходимое для создания разрушения (с обеспеченностью 50 %) 111 кг/м2
Скорость ветра, вызвавшая разрушение с фактическим сечением (с обеспеченностью 50 %) 42 м/с
В таблице В приведены сравнительные данные по нормируемому расчетному значению скорости ветра со скоростями ветра, вызвавшими разрушение типовых рекламных конструкций.
Учёт пульсационной составляющей ветровой нагрузки при проектировании типовых рекламных конструкций приводит к увеличению сечений их опорных стоек, и для рассмотренных выше рекламных
щитов в зависимости от конструктивного решения, сечение опорных стоек могло бы быть одним из следующих: труба 325 X 5 мм, 2 швеллера № 24, сваренных в коробку, две трубы 2196 мм. При таких сечениях скорость ветра, которая могла бы вызвать их разрушение с обеспеченностью 50 %, находится в интервале от 46 м/с до 49 м/с.
Таблица В
Наименование объекта Скорость ветра, соответствующая расчетному значению ветрового давления на высоте до 5 м для типа местности В Скорость ветра, вызвавшая разрушение (с доверительной вероятностью 50%)
Щит по проспекту Ямашева, 95 20,4 м/с 33 м/с
Щит по проспекту Ямашева, 92 20,4 м/с 25 м/с
Щит по проспекту Ямашева, 94 20,4 м/с 33 м/с
Щит по проспекту Ямашева, 97 20,4 м/с 30 м/с
Щит по проспекту Ямашева 20,4 м/с 20 м/с
Щит по проспекту Ямашева, у моста 4-ой транспортной дамбы 20,4 м/с 42 м/с
Выводы:
1. Расчетный анализ разрушений металлических конструкций рекламных щитов, произошедших на территории г. Казани 8 июля 2007 года, показал, что скорость ветра в приземном слое в момент разрушения превышала 40 м/с. В соответствии со СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» для г. Казани скорость ветра, соответствующая расчетному значению ветрового давления на высоте до 5 м для типа местности В, составляет 20,4 м/с. Полученные данные свидетельствуют, что 8 июля 2007 года имело место превышение скорости ветра относительно расчетного значения, рекомендуемого для прочностных расчетов строительных конструкций на территории г. Казани, не менее чем в 2 раза.
2. Учет пульсационной составляющей ветровой нагрузки существенно повышает надежность рекламных конструкций. Анализ последствий прошедшего урагана показывает, что подобные стихийные явления практически не оставляют шансов для выживания рекламных конструкций, спроектированных без учета пульсационного воздействия ветра.
Литература
СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 2003. - 36 с.
