Приложение А (справочное). Предпосылки определения некоторых параметров снеговой нагрузки

Приложение А
(справочное)

Предпосылки определения некоторых параметров снеговой нагрузки

А.1 Карты районирования веса снегового покрова

В нормативных документах следует применять характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова s₀ с ежегодной вероятностью превышения 0,02 или иные значения, учитывающие уровень ответственности сооружения и рассматриваемое предельное состояние*.

------------------------------

* Характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова S₀ с ежегодной вероятностью превышения 0,02 принимают по таблице 10.1 СП 20.13330.2011 "СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия" с коэффициентом надежности по снеговой нагрузке 1,4. Районирование территории РФ по весу снегового покрова принимается по карте 1 приложения Ж. (прим. пер.)

Вследствие изменчивого характера снеговой нагрузки предпочтительнее построение карт районирования веса снегового покрова с базовыми значениями для каждой зоны, обычно относящимися к фиксированной высоте над уровнем моря, а не использование непрерывного поля изолиний. Такой подход рекомендуется еще и потому, что в пределах климатологически заданных районов нередко может наблюдаться особое изменение снеговой нагрузки в зависимости от высоты.

Исследования показали, что в прибрежных зонах снеговая нагрузка зависит не только от высоты, но и от расстояния до береговой черты.

Примечание 1 - Если это более целесообразно, то ежегодную вероятность превышения допускается принимать меньше, чем 0,02.

Примечание 2 - Важные исследования, которые были выполнены по определению характеристических значений веса снегового покрова, описаны в работах [3], [4], [5], [6], [7]. Об обработке статистических данных см. А.3.

Районирование территории страны по характеристическим (нормативным) значениям веса снегового покрова s₀ следует осуществлять через определенные интервалы. Рекомендуемые интервальные значения в килоньютонах на квадратный метр следующие: 0,5 - 1,0 - 1,5 - 2,0 - 2,5 - 3,0 - 3,5 - 4,0.

А.2 Использование базовых метеорологических данных

Для определения веса снегового покрова s₀ используют ряд максимальных ежегодных значений. Параметр s₀ может определяться на основе базовых регистрационных записей о запасах воды в снеговом покрове, о высоте снегового покрова, количестве осадков и т.п. Для регионов, в которых снег выпадает ежегодно, рекомендуется использовать записи за 20 лет. Для регионов с большей изменчивостью рекомендуется использовать значения за более длительный период. Оборудование для взятия проб снега и методика наблюдений должны соответствовать рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО) [8]. Предпочтительно использовать записи о запасах воды в снеговом покрове на участках снегосъемки. Однако в случае недостаточности сведений о запасах воды в снеговом покрове допускается использовать данные о высоте снегового покрова.

А.2.1 Соотношение между весом снегового покрова и его высотой

В США [9] используют следующую функциональную зависимость между весом снегового покрова и его высотой:

,

(А.1)

где - вес снегового покрова, кН/м², с периодом повторяемости 50 лет;

- высота снегового покрова земли, м, с периодом повторяемости 50 лет.

В формуле (А.1) учтен факт того, что максимальный вес снегового покрова необязательно имеет место в тот же день, что и максимальная высота снегового покрова.

А.2.2 Плотность снега

Средняя плотность снегового покрова по-прежнему остается важным параметром для определения снеговой нагрузки, так как на многих метеостанциях предпочитают регистрировать высоту снегового покрова, а не значения запасов воды в снеговом покрове.

При определении ежегодных максимумов веса снегового покрова посредством высоты снегового покрова и его плотности следует учитывать, что два этих параметра обычно имеют значительную положительную корреляцию. До образования максимальной ежегодной высоты снегового покрова она положительна, а после этого события - отрицательна. В регионах с обильными снегопадами, как правило, наблюдается существенный временной сдвиг между максимальным ежегодным значением высоты снегового покрова и ежегодным максимумом веса снегового покрова. Эта разница возникает по причине уплотнения снежных слоев. Вследствие этого для определения s₀ по данным о максимальной ежегодной высоте снегового покрова необходимо использовать эквивалентную плотность снега [11].

Для различных климатических условий разных стран было предложено множество формул. При отсутствии сведений следует использовать плотность  = 300 кг/м³.

В России и бывшем СССР [10] была предложена формула (А.2):

,

(А.2)

где - плотность снега, кг/м³;

d - высота снегового покрова, м;

Т - средняя температура, °С, за период снегонакопления (предположительно не ниже минус 25 °С);

v - средняя скорость ветра, м/с, за тот же период.

В Японии [11] используют формулу для эквивалентной плотности снегового покрова земли с периодом повторяемости 100 лет:

,

(А.3)

где - эквивалентная плотность снега, кг/м³;

d - высота снегового покрова, м;

- нормативная плотность снегового покрова высотой 1 м.

В США для выражения плотности снега используется формула (А.4), связывающая плотность снега в определенный момент времени с весом снегового покрова в тот же момент времени:

,

(А.4)

где - плотность снега, кг/м³;

- вес снегового покрова, кН/м².

Формула (А.4), выраженная через высоту снегового покрова, примет вид:

,

(А.5)

где - плотность снега, кг/м³;

d - высота снегового покрова, м.

В Германии на основе наблюдений Германской службы погоды (Deutscher Wetterdienst DWD) [12] была разработана следующая формула:

,

(А.6)

где d - высота снегового покрова, м;

- плотность снега на поверхности, кг/м³;

- верхняя допустимая граница плотности снега;

- нормативная плотность снегового покрова высотой 1 м.

Для Германии поверхностная плотность снега обычно находится в диапазоне от 170 до 190 кг/м³, а верхняя граница плотности - в пределах от 400 до 600 кг/м³; последнее значение справедливо для влажного климата.

На рисунке А.1 представлены в графической форме для сравнения формулы плотности снега (А.1), (А.2), (А.3), (А.5) и (А.6) [14].

Примечание 1 - Для формулы (А.2) показаны два варианта: а) для средней температуры Т = минус 10 °С при средней скорости ветра v = 4 м/с; b) для средней температуры Т = минус 20 °С при средней скорости ветра v = 4 м/с.

Примечание 2 - Для формулы (А.6): а) сухой климат, поверхностная плотность снега 170 кг/м³ и верхняя граница плотности 400 кг/м³; b) влажный климат, поверхностная плотность снега 190 кг/м³ и верхняя граница плотности 600 кг/м³.

Рисунок А.1 - Плотность снега как функция высоты снегового покрова d в формулах (А.1), (А.2), (А.3), (А.5) и (А.6)

А.2.3 Интенсивность снегопада за короткие периоды времени

Для корректного проектирования покрытий с высокими тепловыми потерями определенный интерес может представлять информация об интенсивности снегопада за короткие периоды времени (24 ч и менее).

Обычно в таких случаях доступны только показания дождемеров различного типа. Однако подобные показания применительно к снегопаду никогда не следует использовать без поправок на ветер, который воздействует на измерительный прибор. Рекомендации по корректировке указанных данных, разработанные на основе наблюдений в странах Северной Европы, приведены в [15].

А.2.4 Добавочная нагрузка от дождевых осадков поверх снегового покрова

Для регионов, в которых 0 < s₀ < 1 кН/м², все скатные покрытия с уклоном меньше W/15,2 (в градусах) следует рассчитывать с учетом дополнительной нагрузки 0,25 кН/м² от дождевых осадков поверх снегового покрова. Такую добавочную расчетную нагрузку от дождя поверх снега применяют только к случаю базовой снеговой нагрузки и не используют в сочетании с нагрузками от переноса, сползания (скольжения), неравномерными или местными нагрузками.

Примечание - Этот пункт заимствован из нормативных документов Американского общества инженеров гражданского строительства ASCE 7-10.

А.2.5 Учет климатических изменений

При разработке национальных карт районирования по весу снегового покрова важно отметить, что некоторая совокупность ежегодных экстремальных или пиковых значений, превышающих определенный порог, может содержать случайный позитивный или негативный тренд. Оценка возможного влияния климатических изменений призвана учесть эту случайность, для чего могут быть разработаны различные сценарии климатических изменений, позволяющие получить информацию об основных формах трендов, подлежащих анализу.

А.3 Статистическая обработка исходных данных

При использовании статистических методов обработки исходных данных об измерении веса снегового покрова следует иметь в виду, что значимость таких региональных данных во многом зависит от метода наблюдений и защищенности площадки наблюдений. Поэтому при расчете снеговой нагрузки необходимо обращать особое внимание на то, является ли метеорологическая станция типичной для данного региона.

А.3.1 Статистические распределения

Для климатических регионов с постоянным снеговым покровом в течение зимнего сезона наиболее подходящую основу для обработки данных о ежегодных максимумах веса снегового покрова представляет статистика экстремальных значений. Для климатических регионов, в которых наблюдается более одного независимого периода с постоянным снеговым покровом за зимний сезон, статистическая устойчивость оцениваемых параметров может быть улучшена за счет использования пиковых значений, превышающих определенный порог. Так как ограниченные наборы параметров неизбежно несут в себе и случайную информацию, бывает крайне трудно выявить "истинное" вероятностное распределение и соответствующие ему "истинные" параметры. Поэтому для оценки ежегодных вероятностей непревышения рекомендуется использовать распределение экстремальных значений типа 1 (распределение Гумбеля). Для климатических регионов, в которых снеговой покров образуется не каждый год, при обработке данных следует использовать только ненулевые значения веса снегового покрова. При этом особое внимание нужно обращать на данные тех наблюдений, в которых зафиксированы аномально большие значения, причисляемые к статистическим выбросам.

А.3.2 Возможная климатическая зависимость при выборе распределений

Исследования показывают, что наилучшее соответствие местных данных логарифмически нормальному распределению или распределению типа 1 обусловлено определенными климатическими условиями региона [4].

Если детальный сравнительный анализ различных распределений оказывается невозможным, то для регионов, в которых ежегодные экстремальные значения веса снегового покрова формируются путем снегонакопления на протяжении длительного периода зимнего сезона, рекомендуется выбирать распределение типа 1. Для регионов, в которых экстремальные снеговые нагрузки являются результатом только одного или нескольких снегопадов, целесообразно использовать логарифмически нормальное распределение.

Консерватизм обоих указанных распределений зависит от значений коэффициента вариации, т.е. при вычислении значений веса снегового покрова с большим периодом повторяемости при низких значениях коэффициента вариации более консервативным является распределение типа 1, а при высоких значениях - логарифмически нормальное распределение.

При сравнении различных методов параметрической оценки для рассматриваемого периода повторяемости может быть использована стандартная ошибка вычислений.

Часто рассматриваемый период повторяемости превышает длину имеющегося ряда наблюдений для максимумов веса снегового покрова. Хорошая степень соответствия теоретического распределения выборочным данным при этом не всегда будет основана на экстраполированных значениях, соответствующих большим периодам повторяемости. При принятии решений рекомендуется также учитывать и реальные климатические условия.