Статическая снеговая нагрузка
|
Статические снеговые нагрузки на здания с рамными конструкциями переменного сечения определяются в соответствии с действующими нормами. Необходимо отметить, что нормы содержат противоречивые требования, касающиеся характера распределения снеговой нагрузки по покрытию здания. Так, при уклонах кровли до 25°, согласно нормам, следует использовать схемы с равномерными снеговыми нагрузками (рис. 13 а). При больших уклонах следует учитывать возможную неравномерность снегового покрова и нагрузку принимать в соответствии с рисунком 13 б. В необходимых случаях, согласно нормам, следует производить расчеты «...при нагрузке на половине или четверти пролета...» (более правильно — ската кровли) (рис. 13 в, г, д). В то же время, именно для зданий с рамными конструкциями, нормами, независимо от уклона кровли, допускается применение упрощенных схем снеговой нагрузки в виде равномерно распределенной по всей кровле (по рис. 13 а). Рассмотрим ситуации, когда возможны неравномерные снеговые нагрузки на покрытие: 1. При неравномерном выпадении снега или его переносе ветром с одного ската на другой (рис. 13 б); 2. При очистке или сходе снега с одного ската (рис. 13 в); 3. При очистке или сходе снега полностью с одного ската и частично с другого (рис. 13 г); 4. При очистке или сходе снега полностью с одного ската и с половины другого при последующем сходе снега от конька этого ската до карниза (рис. 13 д). Возможность схода снега со всего ската покрытия или его части особенно высока в случаях, когда в качестве верхнего слоя кровли применяется профилированный лист, имеющий низкий коэффициент трения. Так, в соответствии с приведенными выше данными, сход снега для кровель из профлиста может происходить уже при уклонах порядка 5+7 %. Для кровель, выполненных из гладких сэндвич-панелей этот уклон будет еще меньше.  В тоже время, очистка снега с металлических кровель, особенно для широких зданий, производится только в исключительных случаях, связанных с чрезмерными снеговыми осадками, срочными ремонтами и т.д. Следует отметить, что при очистке кровель в соответствии с правилами эксплуатации здания, от снега, запрещается скопление снега на локальных участках покрытия и его неравномерная очистка по площади кровли и ее скатам. Отсюда можно сделать вывод, что основными причинами возникновения неравномерных снеговых нагрузок для зданий с гладкими покрытиями из профлиста (без фонарей, надстроек и т.п.) является либо неравномерное выпадение снега или его перенос ветром с одного ската на другой, либо сход снега по скату кровли. Допущение норм о возможности расчета рамных каркасов только на равномерную снеговую нагрузку оправдано при проектировании традиционных зданий с элементами постоянного сечения. Для рамных конструкций с элементами переменного, особенно моносимметричного двутаврового сечения, которые подбираются в соответствии с эпюрами усилий, принятие равномерной снеговой нагрузки может привести к опасным последствиям при эксплуатации здания из-за фактически неравномерных снеговых нагрузок. Здесь можно выделить два основных опасных фактора: 1. Увеличение усилий на отдельных участках рамы, что приводит к соответствующему увеличению напряжений в пролетных или опорных участках; 2. Изменение знаков изгибающих моментов. Для моносимметричных сечений элементов рам это может привести к перенапряжению или потере местной устойчивости ранее растянутых и соответственно менее развитых полок двутаврового сечения. Для элементов рамы, изменение знака усилий может привести также к потере общей устойчивости ранее растянутого пояса, который не был раскреплен поперечными связями. Для фланцевых соединений, изменение знака изгибающих моментов приводит к возникновению растяжения в ранее сжатой зоне и, либо к его разрушению по болтам или фланцам, либо к чрезмерным деформациям соединений и рамы в целом.  Влияние неравномерной снеговой нагрузки на усилия в рамах различных статических схем будет неодинаковым. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся симметричные шарнирно опертые одно-, двух и многопролетные рамы с шарнирными промежуточными стойками (рис. 14). При этом будем учитывать только случаи полного загружения покрытия здания и приложения снеговой нагрузки по одному из скатов. Для однопролетной рамы горизонтальные усилия распора Hs и изгибающие моменты в месте сопряжения ригеля со стойкой MCs, MDs и в середине ригеля MRs при симметричной снеговой нагрузке q найдем, используя формулы работы:  При загружении снегом одного ската однопролетной рамы эти усилия будут равны:  Эпюры изгибающих моментов для обоих случаев загружения приведены на рис. 15 а. Как видно из приведенных формул, при загружении однопролетных рам односторонней снеговой нагрузкой усилия в их элементах в два раза меньше, чем при полном загружении покрытия снегом. Таким образом, при расчете однопролетных рам следует учитывать только полную снеговую нагрузку по всему покрытию. Другие случаи снеговой нагрузки не являются определяющими и могут не рассматриваться.  Для двухпролетных рам усилия в элементах от полной снеговой нагрузки определятся аналогично (рис. 16 а)  При одностороннем загружении эти усилия найдутся как  Эпюры усилий показаны на рис. 16 б. Как видно для двухпролетных рам изгибающие моменты вблизи средней и крайних опор при одностороннем загружении уменьшаются в два раза, и поэтому эти сечения должны быть рассчитаны при снеговой нагрузке по всему ригелю. Наиболее опасным для двухпролетных рам является увеличение усилий в загруженном пролете и изменение знака изгибающих усилий в ненагруженном. Здесь реализуются все опасные факторы, описанные выше: увеличение напряжений в загруженном пролете; возможность потери общей и местной устойчивости элементов рамы в ненагруженном пролете; изменение знаков изгибающих моментов во фланцевых соединениях. Вообще, двухпролетные рамы являются наиболее чувствительными к неравномерной загрузке пролетов и поэтому их расчету на несимметричные загружения от снега и других нагрузок, например, от подвесных кранов, должно быть уделено особое внимание.  Для многопролетных рам влияние односторонней снеговой нагрузки уменьшается с увеличением числа пролетов и, при числе пролетов более 4+5, им можно пренебречь. Тем не менее, следование рекомендациям норм о допущении расчета рамных каркасов на равномерную снеговую нагрузку для многопролетных рам переменного сечения может привести к негативными последствиям в случае схода или очистки снега с одного из скатов. С другой стороны, схемы с односторонней снеговой нагрузкой, заложенные в нормах, реализуются в довольно редких случаях и приводят к чрезмерному расходу стали на несущие конструкции каркаса. Для предотвращения самопроизвольного схода снега с покрытия следует устанавливать снегоутерживающие преграды, которые в данном случае будут выполнять одновременно две функции: препятствовать движению снега по скату, приводящему к появлению соответствующих динамических нагрузок и способствовать более равномерному распределению снега по всему покрытию. Принятие равномерной снеговой нагрузки по всему покрытию здания, как это рекомендуется в нормах при угле наклона ската менее 25°, по наблюдениям автора, может быть принято только для нешироких зданий с плоской кровлей, расположенных в районах с малой скоростью ветра за зимний период. Для других случаев должна приниматься неравномерная нагрузка. В качестве примера на рис. 17 приведена схема фактической снеговой нагрузки на двухпролетное здание шириной 60 м с уклоном двускатной кровли около 6°, обрушившееся в Кемеровской области в 1997 г. вследствие ряда причин, одной из которых была именно неравномерная снеговая нагрузка. Снеговой район площадки строительства — VI, расчетная скорость ветра за зимний период — 3 м/сек. Средняя высота снежного покрова на противоположных скатах этого здания составляла 1,23 и 0,81 м; что приблизительно соответствует рекомендациям по определению снеговых нагрузок для зданий с уклонами кровли более 25° (1,25 (μ и 0,75 μ). Аналогичная картина наблюдается и для других зданий.  Обобщая вышесказанное, можно сделать некоторые выводы и предложения, часть из которых требует дополнительной проверки: 1. Рекомендации норм о допущении расчета рамных конструкций переменного, в том числе моносимметричного сечения, на равномерно распределенную по всему покрытию снеговую нагрузку могут быть применимы только для однопролетных рам или при числе пролетов более 4-5. В остальных случаях следует учитывать возможную неравномерность снеговой нагрузки на покрытии. 2. В наиболее опасной форме несимметричные снеговые нагрузки проявляются для двухпролетных рам. С увеличением числа пролетов рам отрицательное влияние односторонних снеговых нагрузок уменьшается. 3. Односторонние снеговые нагрузки на покрытие возникают либо при сходе снега с одного из скатов, либо при его уборке. Для предотвращения возникновения односторонних снеговых нагрузок, следует применять специальные снегоудерживающие преграды, удерживающие снег от самопроизвольного схода и специальные мероприятия, связанные с правильной организацией уборки снега с кровли. 4. При расчете относительно широких зданий, расположенных в районах со скоростью ветра за зимний период более 3 м/сек, определение снеговых нагрузок на покрытие рекомендуется производить в соответствии с нормами как для равномерной (μ = 1), так и для неравномерной (μ = 1,25 и μ = 0,75) снеговой нагрузки независимо от уклона кровли. В этих случаях, при выполнении условий п. 3, расчет на одностороннюю снеговую нагрузку может не проводится. Это предложение требует дополнительных проверок, связанных с накоплением и обработкой статистических данных по отложениям снега на кровлях относительно плоских зданий. |
