Осадки и снежный покров

К этой группе метеорологических явлений относятся дождь, снег, смешанные осадки, морось, снежная крупа, обильная роса и туман, гололедные явления. Все перечисленные выше разновидности осадков требуют учета при проектировании территорий и зданий, а также при их эксплуатации. Опыт проектирования и эксплуатации зданий показывает, что учет осадков идет, в основном, по следующим направлениям: - проектирование ливневой канализации; - проектирование водоотвода с кровли; - увлажнение стен зданий косыми дождями; - учет гололедных нагрузок; - учет снеговых нагрузок; - учет снегозаносов территории при метелях. Для разных целей требуются различные данные об осадках. Ошибки в проектировании или неправильно выбранные характеристики осадков могут привести к серьезным нарушениям в эксплуатации зданий или к авариям. Известно множество случаев, когда невнимание к осадкам приводило к регулярному замачиванию, а, следовательно, к преждевременному износу несущих и ограждающих конструкций. Здесь имели место как ошибки проектирования водоотвода с кровли, так и некачественное производство работ. Известен случай обрушения кровли одноэтажного гаража с внутренним водоотводом после нескольких часов интенсивного дождя. Сечение водоотводных труб не было рассчитано на интенсивный дождь, в результате чего за парапетом кровли скопились многие тонны воды. Этот перегруз и вызвал обрушение конструкций. На отечественном строительном рынке появилось множество зарубежных технологий. Далеко не все из них могут быть использованы в наших климатических условиях. Архитекторы и проектировщики зданий часто забывают об этом. Так, в средней полосе часто используют конструкцию

металлической кровли с подвесными водосборными лотками. В весенний или осенний период при оттепелях и заморозках указанные лотки заполняются льдом и не выполняют функции сбора воды с кровли и отвода ее до приемных воронок. В силу этого, на лотках образуются мощные сосульки, масса которых приводит к обрыву водосборных лотков. (В традиционных «русских» кровлях водосборные лотки являются частью металлической кровли и прочно закреплены на карнизе). Эти примеры можно продолжить. Для решения задачи водоотвода с кровли требуется информация об интенсивных осадках за небольшой отрезок времени или информация о так называемом расчетном дожде. Через расчетный дождь определяются схема водоотвода, площади водосбора, конструкция водоприемных воронок и сечение водоотводящих труб (стояков). Водосборные площади и конструкция водоотвода должны обеспечивать удаление воды с кровли без переполнения системы и без накопления воды. Другой вопрос, который должен учитываться при проектировании зданий и конструировании ограждающих конструкций, – предотвращение замачивания стен при дождях и выбор водостойких материалов. Даже при небольшом ветре капли дождя отклоняются от вертикали и попадают на стены. Метеорологические наблюдения по этим процессам не носят систематического характера, однако существуют методики, позволяющие расчетным путем оценить количество осадков, выпадающих на стены зданий различной ориентации на основе известных многолетних климатических данных об осадках на горизонтальные поверхности и данных по скоростям и повторяемости ветра по различным румбам.

Снежный покров учитывается, прежде всего, как снеговая нагрузка. В СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» приводится методика учета снеговой нагрузки. Учитывается масса снегового покрова, вводится перевод этой массы к снеговой нагрузке на здание, учитывается снеговой район, приводятся схемы снеговых нагрузок на покрытия зданий, в том числе с учетом скорости ветра за три зимних месяца. Именно ветер и перемещение по кровле снеговой массы приводит к неравномерности снеговой нагрузки на покрытие. Пластика объема здания вносит свои коррективы в неравномерность снеговой нагрузки, что требует учета при проектировании. Характер снеговой нагрузки на зданиях с различным сечением покрытий. Характерной особенностью зимнего периода являются метели, сопровождающиеся снегопереносом. Направление снегопереноса совпадает с направлением господствующих ветров за зимние месяцы, а объемы снегопереноса (м3/м) и объемы отложения снега (сугробы) зависят от аэродинамических характеристик местности, микрорайона, здания. В зависимости от плотности снега, метели

начинаются, как правило, при скорости ветра 5-6 м/с. Метеорологические наблюдения учитывают три вида метелей: общую, низовую и поземку. Вклад каждого вида метели в процесс снегопереноса различен, так как они наблюдаются при различных скоростях ветра и в различных слоях над поверхностью земли. Общая метель сопровождается выпадением снега, низовая наблюдается без снегопада при сильном ветре в слое не менее 2м над поверхностью земли, поземкой называют перенос снега только у поверхности земли в слое менее 2м. Объем переносимого за зиму снега более 200м³/м, является неблагоприятным и требует специальных проектных решений по снижению снегозаносов территорий застройки. Определение общих объемов снегопереноса за зимний период еще не означает определения места его отложения во время метелей и образования сугробов. Объемы снегопереноса, методика подсчета которого разработана метеорологами, - это первая часть проблемы. Вторая часть – определение мест его отложения и образования сугробов - связана с аэродинамикой микрорайонов, групп зданий, отдельных зданий и их частей, малых форм, заборов и т.п Отложение переносимого при метелях снега у препятствий связано с частичной потерей скорости ветра и возникновением вихревых потоков воздуха. Реальный характер снегоотложений может видоизменяться в зависимости от скорости ветра, от величины которой зависит отрыв струи от препятствия и образование вихрей.

 

Ветер

Ветровой режим городов и поселений находился во внимании древних зодчих, беспокоит он и современных строителей. Гиппократ предсказывал виды заболеваний у горожан в зависимости от преобладающих в городе ветров. Витрувий предостерегал от ветров в переулках города: холодные ветры неприятны, знойные нездоровы, влажные вредны. Аристотель обращал внимание при выборе месторасположения города: города, обращенные к востоку и в сторону восточных ветров, наиболее удовлетворяют санитарным условиям. В национальных типах жилья и застройках поселений учету ветрового режима уделяется серьезное внимание. Так, в Японии жилище строилось так, чтобы потоки воздуха могли свободно проходить сквозь дом с севера на юг и наоборот за счет легких раздвижных перегородок. В Индонезии дома поднимают на столбы от раскаленной почвы, а стены делают легкопроницаемыми для малейшего дуновения ветра. Улицы сибирских сел располагаются вдоль зимних господствующих ветров с целью защиты от снегозаносов. Известны конструкции эффективного воздухообмена в тканевых навесах и шатрах, используемых народами Ближнего Востока. Воздухообмен обеспечивается при малейших ветерках любого направления и даже в штили за счет гравитационного давления (удаления через шахту перегретого воздуха и вовлечения в сооружение менее нагретого воздуха). Ветровая «ловушка» (с использованием гравитационного давления) Еще Палладио предостерегал от строительства в долинах: ветра там яростны вследствие узких расселин, через которые они вырываются, а без ветра воздух становится тяжелым и нездоровым. Эти предостережения архитекторов эпохи Возрождения не были учтены при проектировании городов Кузбасса (Кемерово, Кузнецк и др.). В Кузбассе в зимний период наблюдается большое количество штилей, а рельеф местности характеризуется замкнутыми котловинами и плохо проветриваемыми долинами. Падение скорости ветра в котловинах и большое количество штилей привели к сильнейшему загрязнению жилых районов выбросами производства, хотя размещение предприятий было правильным – по розе ветров. Ветровой режим в строительной климатологии характеризуют скоростью и повторяемостью ветра по румбам. Скорость ветра измеряется в м/с, а направление – в % (без учета штилей). В соответствии со странами света, различают 8 румбов: северный (С), северо-восточный (СВ), восточный (В), юго-восточный (ЮВ), южный (Ю), юго-западный (ЮЗ), западный (З), северо-западный (СЗ). Данные о ветровом режиме какой-либо местности представляют в табличный форме или графически в виде так называемый розы ветров. В зависимости от задачи проектирования, используют годовую, сезонную или месячную розу ветров. Надежность проектного решения будет тем выше, чем точнее соответствуют решаемым задачам параметры ветрового режима. В современных условиях учет ветрового режима идет по четырем направлениям:

1) учет ветрового режима при планировке и застройке городов и территорий

2) учет охлаждающего действия ветра на людей и здания;

3) учет ветра при проектировании воздухообмена в зданиях;

4) учет ветра как нагрузки.

Учет ветрового режима городских территорий наиболее сложный. Каждое новое здание или подросшие деревья городского парка вносят свои коррективы в направление и скорость ветра, а, следовательно, в аэрацию городской территории. В г. Алма-Ата центральная часть города обеспечивалась свежим воздухом, стекающим с гор по городским магистралям, которые начинались у их основания. Впоследствии поперек указанных магистралей были выстроены крупные объекты. Архитектурный эффект был достигнут, но город потерял свежий воздух. В настоящее время отсутствует теория и методика расчета аэрации городских территорий, а наблюдения и эксперименты отдельных исследователей носят частный характер. В первом приближении можно использовать рекомендации для оценки планировочных решений застройки с учетом ветрового режима через коэффициент продуваемости (К). Коэффициент продуваемости численно равен отношению средней скорости ветра на территории застройки к скорости невозмущенного ветрового потока. Чем больше указанный коэффициент, тем выше скорость ветра в застройке и тем больший объем воздуха проходит через застройку. Рекомендуемые планировочные схемы объединены в две группы в зависимости от повторяемости ветра по направлениям. Как использовать данные о коэффициенте продуваемости? С одной стороны, это свежий воздух в застройке, с другой - увеличение скорости ветра за счет сложения потоков, возникновение ветрового дискомфорта и дополнительное охлаждение зданий, возможности образования сугробов при зимних метелях. В настоящее время проектная наука не располагает количественными методами оценки перечисленных выше проблем. Главным инструментом остается интуиция проектировщика. При учете охлаждающего действия ветра необходимо рассматривать его в сочетании с температурой. Комфортными условиями для человека является ветер со скоростью не более 2,5 м/с, условия комфортности сохраняются при температурах воздуха 16-28°С. При увеличении скорости ветра происходит сильное охлаждение, при увеличении температуры до 32°С ветер дает некоторое облегчение, а при температуре свыше 32°С ветер не дает облегчения. В зимних условиях при скорости ветра свыше 5 м/с происходит сильное охлаждение зданий. Наветренные стены зданий со стороны господствующих зимних ветров требуют повышенной воздухонепроницаемости и теплозащиты. Согласно нормативным документам, теплопотери в зданиях за счет инфильтрации и действия ветра составляют 5% для ограждений, защищенных от ветра и 10% - для ограждений, открытых ветрам. Фактически теплопотери от ветра могут достигать 30%. В зарубежных нормах теплопотери зданий от инфильтрации при ветре в зависимости от высоты зданий составляют: США – 30- 40%, Англия 15-50%, ФРГ 7-40%. Есть предложения учет теплопотерь при ветре проводить на основе так называемой температурной розы ветров, в которой объединены повторяемость, средняя температура и средняя скорость ветра каждого направления (румба). Пребывание человека на улице в условиях Севера определяется совместным воздействием отрицательных температур и скорости ветра. Данные рисунка предъявляют требования к проектированию зданий и комплексов в условиях Севера, исключающие или сводящие к минимуму переход между зданиями по открытому воздуху. Воздействие ветра и отрицательных температур на человека. Для решения третьей и четвертой задач требуется информация о ветровом напоре на здания, который, в свою очередь, зависит от скорости ветра и аэродинамических характеристиках зданий, комплексов или микрорайонов потоком, который определяет ветровой напор на наветренной стороне и откос на заветренной и других ограждениях здания.

В связи с ветровой нагрузкой, важное значение приобретает проектирование конструкций углов, карнизов, коньков и парапетов зданий, крепление ограждающих элементов в этих местах, поскольку эти участки испытывают повышенное отрицательное давление ветра (аэродинамический коэффициент равен – 2,0. Невнимание к вопросам конструирования указанных

элементов зданий может привести к серьезным авариям. Так, в зиму

1956/57гг. в Норильске во время сильного ветра была сорвана крыша пятиэтажного здания вместе с частью стояков отопления. и похожесть задач (оценка ветрового давления на здания), выбор значения скорости ветра для них принципиально различен. Для ветра как нагрузки следует выбирать скорость ветра, повторяющуюся достаточно редко - один раз за определенный период лет. Этот период зависит от решаемой задачи. При расчете ветровой нагрузки на здание в целом, принимается скорость ветра, случающаяся один раз за 20 или более лет. При расчете крепления элементов зданий, которые могут быть заменены в процессе эксплуатации, можно принять другое значение скорости ветра, повторяющееся один раз за 5 лет. Это значение будет ниже, ветровое давление будет также ниже, и крепежные элементы могут быть экономичнее. При оценке воздухообмена в зданиях, подход к величине скорости ветра принципиально другой. Воздухообмен в зданиях формирует санитарно-гигиенические условия помещений, а эти условия должны поддерживаться постоянно (зимой и летом, днем и ночью, сразу по завершении строительства здания и через десятки лет эксплуатации). Для решения этой задачи необходима информация о скорости ветра в любой момент времени или информация о скорости ветра за 37 определенные периоды времени: дневные, вечерние, сезонные, наличие штилей. В справочной литературе о климате в концентрированном виде эти данные отсутствуют. В СНиП 41-01-2003 при расчете воздухообмена за счет действия ветра для всех случаев установлено: скорость ветра - 1м/с. Безусловно, значение скорости ветра, принимаемое в расчетах, требует большего обоснования (теплый или холодный период года, объемно-планировочное решение квартир, их ориентация по странам света, направление ветра в разные сезоны, конструктивные решения систем естественной вентиляции и т.д.).

(Рисунок 1)