Проблема мониторинга опасных ветровых нагрузок на сооружения и пути ее решения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

/44 Civil SecurityTechnology, Vol. 9, 2012, No. 4 (34)

УДК 614.8.01

Проблема мониторинга опасных ветровых нагрузок на сооружения и пути ее решения

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2012

В.И. Пчелкин

Аннотация

В настоящее время существующие нормативные методические документы, регулирующие расчеты ветровых нагрузок на территории, объекты и акватории России, частично устарели или не всегда используют современные возможности измерений и мониторинга этих нагрузок (например, дистанционного зондирования из космоса системой ГЛОНАСС). Предлагается провести пересмотр всей проблемы опасных ветровых нагрузок, а также разработать содержание нового показателя и его параметров — «длительность периода ветрового напора» на объекты, территории и акватории. Необходимы испытания ветровых нагрузок для всех типов и видов сооружений.

Ключевые слова: ветер; ветровая нагрузка; ветровой напор; шторм; ураган; тайфун; длительность воздействия ветровых нагрузок; космический мониторинг

Approaches to the Problem of Monitoting of Critical Wind Load on Structures

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2012

V. Pchelkin

Abstract

The current official guidelines on calculation of wind exposures for facilities, land and water areas of Russia are somewhat out-of-date or do not use the opportunities provided by modern technologies (e.g., remote sensing from space by the GLONASS system) to measure and monitor such loads. It is proposed that the whole problem of critical wind loads should be reviewed, and a new index, "duration of the period of wind pressure" on facilities, land and water areas should be introduced. Wind load tests are necessary for all types of structures.

Key words: wind; wind load; wind pressure; storm; hurricane; typhoon; the duration of exposure to wind load; space monitoring.

Из школьной географии всем известно, что ветер — это движение (перемещение) воздушных масс относительно земной поверхности, обусловленное различиями величин атмосферного давления, а также отклонениями силы Кориолиоса. Основные показатели ветра — скорость и направление. Средние скорости у земной поверхности близки к 5—10 м/с. Особенностью ветра является его турбулентность вследствие различных скоростей ветра в смежных слоях воздуха. Особенно велик сдвиг скоростей ветра в нижних слоях атмосферы, где воздух испытывает трение о неровности земной поверхности. Чем больше турбулентность воздушных масс, тем больше порывистость ветра, которая выражается в колебаниях его скоростей. Размах скоростей ветра — от 0 м/с (штиль), до 50—70 м/с и более у поверхности земли (при ураганах) и до 70—100 м/с в верхних слоях атмосферы (в струйных течениях); в отдельных периодах и зонах ураганов и смерчей она может достигать и даже превышать скорость звука — 331,8 м/с.

Для человечества неблагоприятной особенностью ветра является его опасность при определенных критериях и показателях.

В соответствии с Руководящим документом Росгидромета РД 52.04.563-2002 (Критерии опасных гидрометеорологических явлений и порядок подачи штормового предупреждения), перечень опасных ме-теоро- и гидрометеорологических явлений, их определения и критерии приведены в табл. 1 [1].

Указанный перечень оказался неполным. В него не вошли такие опасные явления (и понятия), как буря, циклон, тропический шторм, внетропический ураган, торнадо. Раздел «определение» слишком краткий и неполный. Критерии этих явлений ограничены только скоростью ветра. Кроме того в этой таблице не определяются критерии опасности и воз-

можные ветровые нагрузки для зданий, сооружений, транспорта и людей.

Наиболее содержательным и основным документом, регламентирующим воздействие ветровых нагрузок на сооружения, безусловно, является СНиП 2.01.07-85* (раздел нагрузки и воздействия). Приказом Минрегиона России от 27 декабря 2010 г. № 787 утверждена и введена в действие с 20 мая 2011 года актуализированная редакция настоящего документа с новым шифром СП 20.13330.2011 [2].

В рассматриваемом СНиПе, казалось бы, все учтено: ветровые районы СССР (России) с их коэффициентами, типы местности, высоты, трение о рельеф, лобовое сопротивление, 18 типов сооружений из разных строительных материалов, а также районирование страны по давлению и скорости ветра.

Но в этом документе ни слова не сказано о временном факторе — о длительности ветрового давления (напора) на эти сооружения. Складывается впечатление, что разработчики СНиПа (Свода правил) рассчитывали мгновенное или ударное воздействие ветра (аэродинамический удар), от которого только начинается разрушение сооружения (как воздействуют шквалы). Не приводится методика расчета степени повреждения зданий и сооружений, а также транспорта с учетом их колебательного отклика (реакции) на воздействие динамических ветровых нагрузок.

Но ведь ветры воздействуют, как правило, длительное время — от нескольких минут, часов до нескольких суток. Они, очевидно, будут продолжать разрушения. То есть, размеры (масштабы) разрушения будут более значительными, чем указано в СНиПе. В связи с вышеизложенным автор полагает и даже считает, что длительность ветрового воздействия (или — временной фактор ветровых воздействий) крайне необходимо ввести в СНиП 2.01.07-

Таблица 1

Перечень опасных гидрометеорологических явлений

Название Определение Критерии

1. Опасные метеорологические явления и их критерии:

Очень сильный ветер Средняя скорость ветра не менее 20 м/с, на побережье морей и в горных районах не менее 25 м/с

Шквал Резкое кратковременное усиление ветра Мгновенная скорость ветра более 25 м/с в течение не менее 1 минуты

Смерч Сильный маломасштабный атмосферный вихрь в виде столба или воронки, направленный от облака к поверхности земли Любой смерч, отмеченный наблюдателем

2. Опасные морские гидрометеорологические явления и их критерии:

Шторм на море Сильный ветер в открытом море Средняя скорость ветра не менее 20 м/с и порывы не менее 25 м/с

Ураган (тайфун) на море Чрезвычайно сильный ветер в открытом море Средняя скорость ветра не менее 30 м/с и порывы не менее 35 м/с

Водяной смерч Атмосферный вихрь в виде вращающегося воздушного столба или воронки, наблюдаемый над поверхностью моря Скорость ветра не менее 20 м/с

См! Бесиг^ТесИпоЬду, Уо!. 9, 2012, N0. 4 (34)

85* (или СП 20.13330-2011). От этого фактора зависит степень разрушения сооружений.

Для получения реальных значений разрушений необходима испытательная проверка всех видов и типов сооружений в аэродинамических трубах. В виде допущений могут быть введены особые (расчетные) коэффициенты, учитывающие длительность ветрового воздействия.

В государственном стандарте РФ (ГОСТ Р 22.1.0496. БЧС. «Мониторинг аэрокосмический. Номенклатура контролируемых параметров чрезвычайных ситуаций» [3] приводится перечень таких параметров для тайфунов и смерчей, полученных способами видеосъемки, ИК (инфракрасной) и СВЧ радиометрии и радиолокационной съемки. Контролируемыми параметрами являются координаты и размеры зоны ЧС, скорость и направление перемещения тайфуна, скорости ветра на различных высотах, характер и размеры разрушений. Однако практически эту информацию очень трудно получать по многим причинам: облачность, плохая видимость, различные помехи и т.п.

В другом государственном стандарте РФ (ГОСТ Р 22.1.07-99 БЧС. Мониторинг и прогнозирование опасных метеорологических явлений и процессов) [4] приводятся общие требования к составу и содержанию работ по мониторингу и прогнозированию таких опасных метеорологических процессов и явлений, как сильный ветер, включая шторм, шквал, ураган, смерч, торнадо, тромб, тропический циклон, тайфун. Мониторинг включает визуальные, инструментальные, радиолокационные и аварийно-космические способы мониторинга и прогноза скорости ветров, наблюдение характера и размера разрушений (повреждений).

Следует отметить, что по оценкам специалистов МЧС России и ВНИИ ГОЧС в области космического мониторинга чрезвычайных ситуаций Епихина В.А. и Резникова В.М. [5,6], практическое состояние дистанционного зондирования Земли из космоса в настоящее время выглядит в следующем виде:

мониторинг сильных ветров-бурь ураганов, смерчей и тайфунов осуществляется методом сравнения двух последующих снимков, что не дает необходимой точности для уверенного определения территории потенциального прохождения указанных опасностей;

российская космическая система дистанционного зондирования Земли развита слабо и ориентирована пока на ограниченный перечень задач мониторинга ЧС;

и только к 2025 году [7] планируется иметь на орбитах разнообразные и современные космические системы и комплексы из 40—50 спутников с высоким разрешением и всепогодными наблюдениями за природными и техногенными ЧС.

Сложившаяся ситуация требует проведения комплексных научно-исследовательских работ с участи-

ем (привлечением) специалистов и ученых многих министерств, ведомств и организаций, в том числе институтов РАН, Роскосмоса, Росприроды, Росгидромета, МЧС России и других.

В нашем институте ВНИИ ГОЧС в 1993—1994 годах проводились научные исследования по определению параметров поражающих факторов ураганных ветров для наземных зданий и сооружений. В результате была разработана «Методика оценки последствий ураганов» (инв. 973 — библиотеки института) [8]. Ее авторами являются к.т.н., с.н.с Митрофанов В.Ф. (научный руководитель), к.т.н., с.н.с. Елохин А.Н. (ответственный исполнитель), к.т.н., с.н.с. Рязанцев Б.В., к.т.н., с.н.с Ульянов С.В., к.т.н., с.н.с. Коряжин С.П. и Шевченко А.С.

Методика предназначена для работников РСЧС и гражданской обороны с целями решения следующих задач:

оценки и прогнозирования разрушений зданий и сооружений на территории населенного пункта от воздействия ураганных ветров;

определения характеристик степеней разрушения зданий и сооружений;

оперативного определения максимальной скорости ветра в зависимости от частоты повторяемости для конкретных городов (населенных пунктов);

оценки и прогнозирования потерь населения в разрушенных зданиях.

Однако при внимательном анализе этой методики выяснилось следующее:

Сила давления (напора) ветра на сооружения не выражена в физических единицах (кг/см.кв или паскалях).

Ссылка на шкалу Бофорта не правомерна (в ней рассматриваются «доураганные» ветры скоростью от 0 до 30 м/сек). А разрушения сооружений происходят при ураганных ветрах со скоростью 35—80 м/сек.

Не рассмотрено воздействие ураганных ветров на акваториях России (моря, озера, крупные водохранилища).

Не рассмотрено воздействие «струйных течений» в атмосфере — тропосфере, где совершают полеты пассажирские самолеты.

Не рассмотрена продолжительность ветрового напора на сооружения. То есть не учитывается временной фактор воздействия ветра.

Не охвачена вся территория Российской Федерации.

Не указан метод определения потерь населения.

Не приводятся ветровые нагрузки, при которых наступает та или иная степень повреждения сооружений транспорта.

Таким образом, проведенный анализ основных руководящих и методических документов показал существование проблемы определения и мониторинга опасных ветровых нагрузок на сооружения, на территории и на акватории.

В связи с появлением новых конструктивных решений зданий и сооружений, а также в связи с появлением новых расчетно-экспериментальных методов при определении устойчивости напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов сооружений, при воздействии ветровых нагрузок возникает необходимость новых нормативно-методических подходов при оценке воздействия ветровых нагрузок на здания, сооружения и другие объекты на территории и акваториях нашей страны.

Предлагается научному сообществу инженеров-строителей, метеорологов, специалистов Роскосмоса, МЧС России и других заинтересованных ведомств включиться в обсуждение, а затем — и в решение возникшей проблемы. Полагаю, что это можно вести на страницах нашего научного журнала ВНИИ ГОЧС МЧС России — «Технологии гражданской безопасности».

Литература

РД 52.04.563-2002. Критерии опасных гидрометеорологических явлений и порядок их подачи в штормовом предупреждении. СНиП — 2.01.07-85* (с 20 мая 2011 г — новый шифр — СП 20.13330.2011). Раздел «Нагрузки и воздействия». ГОСТ Р 22.1.04-96. БЧС. Мониторинг аэрокосмический. Номенклатура контролируемых параметров ЧС. ГОСТ Р 22.1.07-99. БЧС. Мониторинг и прогнозирование опасных метеорологических явлений и процессов. Епихин В.А. Космический мониторинг / Ст. в энциклопедии МЧС России «Гражданская защита».В 4 т. 2-е изд. М., 2009. Т. 2. С. 73—75.

Резников В.М. Аэрокосмический мониторинг: состояние, проблемы, перспективы: Монография. М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2007.

Концепция развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года. М., 2006.

Методика оценки последствий ураганов. М.: ВНИИ ГОЧС, 1994. Инв. 973.

Сведения об авторе

Пчелкин Валентин Иванович: к. воен. н., доц., действит. член Русского Географ. общества РАН, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),вед. н. с.

121352, г. Москва, ул. Давыдковская, д. 7. Тел.: (499) 233-25-68.

3.