Перенос снега и эксплуатационные качества зданий

Возможные в умеренно-климатических условиях планировочные решения жилых кварталов и промышленных предприятий в виде отдельно стоящих зданий различного назначения с разрывами между ними становятся нецелесообразными в условиях Крайнего Севера и других территорий с интенсивным переносом снега; в этих условиях требуется соединение отдельных зданий, нуждающихся в функциональной связи, теплыми переходами, не вызывающими дополнительных скоплений снега¹ или объединение в одном здании производственных и общественно-бытовых процессов различного назначения.

На территориях с интенсивным переносом снега недопустимо также решение одноэтажных промышленных зданий с многорядным расположением высоких и близко расположенных друг от друга фонарей верхнего света.

Накопление отложений снега в межфонарных пространствах может привести к резкому снижению естественной освещенности в производственных помещениях, существенным осложнениям эксплуатации зданий и даже к авариям несущих конструкций покрытий, в результате их перегрузок отложениями снега. Различные градации возможных конструктивно-планировочных вариантов зданий или соответствующие коррективы обычных решений, широко применяемых в умеренном климате, могут быть установлены только на основе изучения физико-климатических особенностей процессов переноса снега.

Применительно к этим особенностям различают три вида метеорологических явлений:

• 1) снегопады при относительном безветрии;
• 2) снегопады с ветром, приводящие к так называемым верховым метелям;
• 3) сильные зимние ветры, вызывающие (даже при отсутствии снегопадов) перемещения снега вблизи поверхности снежного покрова (низовые метели или поземки).

Однако при метелях любого вида общая интенсивность переноса снега в местности с плоским рельефом наиболее значительна у поверхности снежного покрова или на близком к ней уровне; вблизи этой поверхности суммируется перенос снега, выпадающего при снегопадах и выпавшего ранее, но увлекаемого ветром.

Наиболее опасны для одноэтажных зданий верховые метели, вызывающие снежные заносы не только на территории, прилегающей к зданиям, но и на кровлях. Количество снега, переносимого этими метелями, начиная с высоты порядка 0,5—1,0 м от поверхности снежного покрова и выше, остается примерно постоянным и зависит от интенсивности снегопада и скорости ветра. При этом, в открытых равнинных местностях поток снега, переносимого в горизонтальном направлении, может в несколько раз превосходить количество снежных осадков, выпадающих на поверхность почвы при безветрии.

Перенос снега при низовых метелях существенно отличается от верховых в отношении особенностей распределения потока снега по высоте.

Основная масса снега перемещается в пределах высоты 1 м над поверхностью снежного покрова; на большей высоте перенос снега при поземках незначителен, в связи с чем кратковременные низовые метели обычно не вызывают нежелательных снегоотложений на кровлях зданий. При длительно продолжающихся низовых метелях отложения снега у зданий достигают значительной высоты и создают возможность распространения процессов переноса на кровли малоэтажных зданий.

Непродолжительные или редко повторяющиеся поземки чаще всего приводят к заносам территории, прилегающей к зданиям; этот вид переноса снега наиболее опасен для дорог и путевых сооружений. Препятствиями для поземок служат любые складки местности, выемки, насыпи, древесные насаждения, в зоне которых отлагается часть переносимого снега.

При снежном покрове, состоящем из сухого мелкокристаллического снега, низовой перенос возникает уже при скорости ветра у поверхности снежного покрова порядка 5—6 м/сек, а при 10 м/сек явления переноса становятся массовыми.

Если поверхность снежного покрова скована настом, что неизбежно, например, при морозах после оттепелей, передувание снега почти исключается. Поэтому низовые метели (поземки) более редки в районах с неустойчивой зимой и частыми оттепелями.

Наибольшая вероятность возникновения поземок отмечается на равнинных территориях, покрытых сухим пылевидным снегом; это особенно характерно для районов с суровой или, по крайней мере, устойчивой зимой, свойственной континентальному климату².

Таковы, в частности, южные территории Западной Сибири, Приуралья, Северного Казахстана, где для зимних условий характерна относительная сухость воздуха и сочетание устойчивых низких температур с часто повторяющимися сильными ветрами. Для этих и аналогичных им по зимним условиям климатических районов характерно преобладание низовых метелей по сравнению с повторяемостью других метеорологических процессов, вызывающих перенос снега.

Эмпирическую зависимость интенсивности переноса q от скорости ветра, обычно выражаемую в м³/м·ч, многие исследователи устанавливают в виде кубической параболы, т. е.:

где к — некоторый эмпирический коэффициент; v — скорость ветра, м/сек [34].

В связи с недостаточной изученностью особенностей переноса можно считать вероятным, что значения эмпирического коэффициента, входящего в кубическую зависимость, могут изменяться в связи с характером метелей, рельефом местности, физико-механическими свойствами снега и другими местными причинами.

В соответствии с имеющимися экспериментальными данными для восточных районов европейской части СССР и Западной Сибири величина этого коэффициента близка к 0,00046. Однако экспериментальные данные по Крайнему Северу (Норильск) показывают, что в этих районах величина эмпирического коэффициента существенно выше, что по-видимому, может быть объяснено преобладанием верховых метелей над низовыми и плоским рельефом громадных территорий тундры, являющихся снегосборными площадями.

Экспериментальные данные показывают, что до определенной скорости ветра рост действительной интенсивности переноса несколько превосходит величины, вычисленные по указанной приближенной формуле, а при дальнейшем повышении скорости отмечается существенное отклонение от этой ориентировочной зависимости в меньшую сторону, что может быть объяснено, в частности, процессами турбулизации ветровых струй.

Для практических целей весьма важно суммарное количество снега, переносимого или отлагаемого у препятствий в течение всего холодного периода года. Для расчетов такого количества снега необходимо знать продолжительность метелей т в течение всей зимы.

Объем снега Q, переносимого за суммарную продолжительность метелей (?, ч), в течение всего холодного периода года может быть вычислен по формуле:

где q_ср — средняя приведенная интенсивность переноса.

Приближенно считают, что если такой общий объем снега, переносимого за зиму, превышает 200 м³/пог.м, условия переноса становятся неблагоприятными для эксплуатации дорог и территории, прилегающей к зданиям, в связи с чем возникает необходимость применения специальных мероприятий по ограничению отложений снега.

На территории СССР Главной геофизической обсерваторией установлены районы с различной интенсивностью переноса, изменяющейся от 200 до 1500 м³/пог.м·год [33].

Величины переноса 200 м³/пог.м·год и более отмечаются для Севера европейской части СССР (севернее 60° географической широты), достигая величины 600—1000 м³/пог.м·год в крайних северных и северо-восточных районах (Кольский полуостров, Архангельск, Воркута и другие местности).

Перенос снега порядка 200 м³/пог.м·год (по-видимому происходящий преимущественно за счет низовых метелей) характерен для Калмыцких степей и Среднего Заволжья.

Южный Урал, Северный Казахстан, южная часть Западной Сибири, районы, прилегающие к Алтаю, характеризуются переносом снега от 200 до 600 м³/пог.м·год.

Такие объемы переноса снега характерны, например, для Барнаула, где они приводят к повторяющимся заносам межфонарных пространств на кровлях одноэтажных производственных зданий, в частности, шедовых фонарей здания текстильного комбината.

В районах Крайнего Севера азиатской части СССР отмечается интенсивность переноса от 600 до 1000 м³/пог.м·год и более.

При таких объемах переносимого снега процессы его переноса приобретают характер часто повторяющихся стихийных бедствий и требуют больших усилий и затрат для возможного предупреждения и ограничения их нежелательных результатов.

Вообще вся громадная территория азиатской части СССР (за исключением штилевых районов Центральной и Восточной Сибири) неблагополучна в отношении процессов переноса снега, суммарная интенсивность которых превосходит 200 м³/пог.м·год, а в отдельных районах (Северный Сахалин, Камчатский полуостров и т. д.) достигает величины до 1000 м³/пог.м·год и более.

Строительство, развивающееся из года в год на этой территории, нуждается в снегозащитных мероприятиях, осуществляемых путем устройства преград, ограничивающих интенсивность переноса снега (лесозащитные полосы, решетчатые заборы и т. д.) путем применения специальных приемов планировки жилых кварталов и промышленных территорий, а также повышения аэродинамических качеств зданий.

Такие мероприятия могут существенно влиять на особенности отложений снега на территории застройки и непосредственно у зданий.

Основной причиной отложений снега у любых препятствий является потеря скорости снего-ветровым потоком, в связи с чем часть переносимых им взвешенных частиц выпадает.

Количество снега, выпадающего в зоне препятствия ?q, можно определить как разницу в интенсивностях переноса взвешенных частиц невозмущенным ветровым потоком (имеющим полевую скорость v₁) и потоком, уменьшившим скорость в зоне препятствия до величины v₂, т. е.

где q₁, q₂ — интенсивности переноса до препятствия и в его зоне; v₁ — полевая скорость переноса; v₂ — скорость, уменьшенная в зоне препятствия.

Таким образом, количество снега, выпадающего в зоне препятствия, зависит от аэродинамических свойств последнего.

Здания обычной формы представляют собой параллелепипеды, аэродинамические свойства которых являются довольно определенными и в некоторой мере претерпевают изменения только за счет различия геометрических размеров, т. е. высоты, длины и ширины. При направлении ветра, нормальном к фасаду здания (или близком к этому направлению), отложения снега возникают перед наветренным фасадом, на некотором от него расстоянии (рис. II.10).

Если перенос снега вызывается низовыми метелями, то такие снегообразования в начальный период их количественного формирования являются основными, поскольку снег в незначительном количестве переносится через здание и отложения со стороны подветренного фасада сравнительно невелики.

При верховых метелях они возрастают и, кроме того, возникают отложения на кровле здания, становящиеся все более значительными по мере увеличения его ширины.

Наиболее нежелательны и опасны отложения снега на кровлях одноэтажных промышленных зданий с несколькими рядами фонарей верхнего света. Такие здания обладают плохой обтекаемостью для снего-ветрового потока; межфонарные пространства являются причиной вихреобразований, снижения скорости и отложений снега.

Наиболее устойчивы вихреобразования, а следовательно, наиболее вероятны отложения снега в межфонарных пространствах при малом расстоянии между фонарями (когда средняя ширина ендовы превышает высоту фонаря менее чем в два раза).

Непосредственно перед наветренным фасадом здания возникает зона выдувания снега из-за образования вихревых перемещений воздуха, трансформирующихся в восходящий поток, обладающий значительной скоростью при большой высоте здания.

Ширина зоны выдувания b зависит от высоты здания Н и некоторые исследователи [35] оценивают ее, как 6=0,8 Н. Размеры здания в плане также влияют на особенности распределения отложений; при относительно малой длине фасадов, параллельных снеговетровому потоку, вся эта длина может быть занята отложениями снега; при относительно большей длине часть фасада свободна от отложений снега (рис. II.11) и достаточно удобна для расположения входов в здание. Располагать последние по наветренному фасаду (даже при наличии зоны выдувания снега) нецелесообразно, поскольку такое расположение связано с существенным увеличением теплопотерь здания.

Если аэродинамические свойства препятствия таковы, что непосредственно перед ним струи снего-ветрового потока сжимаются таким образом, что происходит увеличение скорости и лишь на последующих участках пути ее падение, то вблизи препятствия не возникает никаких отложений снега; он выпадает уже сравнительно далеко за препятствием, там где скорость снего-ветрового потока уменьшается.

Преграды с такими аэродинамическими свойствами используются для защиты транспортных путей и дорог в районах с большой интенсивностью переноса снега (рис. II.12, a).

Выполнение зданий с отсутствием цокольного этажа или высоким продуваемым подпольем может способствовать увеличению скорости снего-ветрового потока под зданием и удалению от него зоны отложений снега (рис. II. 12, б). Такое решение целесообразно в районах Крайнего Севера с большой интенсивностью переноса снега и многолетнемерзлым состоянием грунтов, для сохранения которого, однако, требуется утепление поверхности грунта под зданием и устройство проветривания с целью устранить оттаивание почвы вследствие притока тепла из отапливаемого здания.

Описанный аэродинамический эффект характерен только для отдельно стоящих зданий и может быть существенно искажен в тех случаях, когда здание защищено окружающими его постройками, складками местности или древесными насаждениями.

В районах с значительной интенсивностью переноса снега важна аэродинамическая обтекаемость проектируемых и возводимых зданий.

Крыши желательны простейшей формы с малыми уклонами без разжелобков, выступающих частей и парапетов (рис. II.13, а). Целесообразны хорошо утепленные конструкции покрытий, обеспечивающие отсутствие подтаивания снега на отдельных участках конструкции.

В этом же смысле рациональны те виды остекления верхнего света, которые обладают достаточными теплозащитными свойствами, в результате чего на наружной поверхности стекла сохраняется отрицательная температура.

На таких крышах сухой мелкий снег, характерный для рассматриваемых районов, не задерживается и сносится ветром.

Профили зданий желательны наиболее обтекаемой формы, без перепадов высот и каких-либо выступающих элементов (см. рис. II. 13, б).

Фонари верхнего света нежелательны, а при многорядном их расположении — совершенно недопустимы, поскольку межфонарные пространства будут заноситься снегом, вровень с наиболее высокой частью фонарей.

Лоджии и другие впадины на фасадах зданий немедленно заносятся, превращаясь в бункера, заполненные уплотненным снегом.

Нецелесообразны кровли из штучных материалов (волнистых асбестоцементных листов, черепицы и т. д.) с значительными уклонами, приводящие к отложениям снега в чердачных пространствах и повышению ветровых нагрузок на конструкции крыш (рис. II.13, в).

Проветривание чердачных пространств целесообразно организовывать так, чтобы оно не вызывало существенных отложений снега (рис. II.13, г).

Примечания

1. Например, расположенными на уровне пола 2-го этажа.

2. Закономерности образования кристаллов снега из переохлажденной воды такие же, как и для возникновения кристаллов любого вещества при пересыщении водных растворов, связанном с понижением температуры. Размеры кристаллов зависят от величины такого пересыщения, достигающего наибольших значений при низких температурах наружного воздуха. Чем больше пересыщение, тем меньше образующиеся кристаллы, т. е. имеет место обратная пропорциональность, описываемая экспоненциальным уравнением Кельвина, связывающим величины пересыщения (p_r/p_s, где p_r — насыщающее давление на поверхности зародыша кристалла с радиусом r; р_s — насыщающее давление над плоской поверхностью) с радиусом возникающих кристаллов:

равна для воды около 10 А. Рассматриваемая экспоненциальная зависимость может быть выражена, по П. А. Ребиндеру, через два безразмерных критерия: пересыщение (p_r/p_s) и отношение предельного и действительного радиусов кристалла (г₀/r). При характерных для атмосферных условий невысоких пересыщениях всегда г>>r₀ и значение х экспоненциальной функции е^х никогда не превышает единицы. В этом случае значения е^x близки к 1+х, что позволяет привести экспоненциальную зависимость к зависимости гиперболического вида:

Эта зависимость показывает, что при переохлаждениях и пересыщениях, характерных для низких зимних температур северных и восточных районов СССР, образуются кристаллы снега, размеры которых выражаются в микронах. Снежинки утрачивают внешний вид, обычный для умеренных климатических условий, и превращаются в снежную пыль, еще более измельчаемую ветром, легко переносимую и проникающую сквозь мельчайшие трещины, зазоры и неплотности в ограждающих конструкциях зданий.