Влияние снеговой нагрузки на многоскатные крыши при одновременном воздействии ветра и снега

Инженерные катастрофы становятся все более распространенными. Многие здания обрушились под тяжестью чрезмерных снежных заносов

"Численные исследования влияния снеговой нагрузки на многоскатные крыши при одновременном воздействии ветра и снега", Гуолонг Чжан (Guolong Zhang), Кингвен Чжан (Qingwen Zhang), Хуамеи Мо (Huamei Mo), Донг Гуо (Dong Guo), Худонг Зхи (Xudong Zhi), Фенг Фан (Feng Fan), Харбинский технологический институт, Китай, Харбинский технологический институт, Китай, "Прикладные науки" (Applied Sciences), 15(23), 2025.

Введение
Инженерные катастрофы становятся все более распространенными. Многие здания обрушились под тяжестью чрезмерных снежных заносов. Например, в 2008 году крупномасштабная снежная катастрофа на юге Китая привела к повреждению почти 2 миллионов зданий. В 2016 году снежная катастрофа в провинции Синьцзян разрушила почти 900 домов. В 2018 году сильные снегопады в нескольких регионах центрального и восточного Китая привели к обрушению почти 600 домов в 5 провинциях. Среди различных архитектурных форм арочные здания, характеризующиеся криволинейной геометрией, сталкиваются с более сложными условиями напряжений под снеговыми нагрузками. Такие конструкции делают их крайне восприимчивыми к повреждениям от снежных заносов, таким образом, становясь одним из наиболее уязвимых типов сооружений во время снежных катастроф.

Между тем, в условиях плотной городской застройки аэродинамическое взаимодействие между зданиями становится более значительным. Наличие соседних зданий резко изменяет поле потока вокруг целевого арочного здания и приводит к более сложным снежным заносам на крышах, значительно увеличивая риск разрушения конструкций нескольких сооружений. Поэтому крайне важно изучить эффекты взаимодействия между арочными зданиями в городской среде на снежные заносы, вызванные ветром, обобщить закономерности распределения снега и повысить устойчивость арочных конструкций к снеговым катастрофам.

Благодаря преимуществам низкой стоимости и быстрой постройки, арочные здания нашли широкое применение в различных складских помещениях, коммерческих предприятиях и промышленных объектах и т. д. Однако уязвимость арочных крыш к снеговым нагрузкам становится все более выраженной, что вызывает всплеск научного интереса, направленного на выяснение характеристик перераспределения снега на таких конструкциях.

Следует отметить, что арочные крыши обладают присущей им уязвимостью в сопротивлении неравномерно распределенным снеговым нагрузкам из-за своих отличительных структурных характеристик, что делает их более чувствительными к изменениям в распределении снеговой нагрузки. Между тем, взаимные эффекты интерференции между группами арочных конструкций усугубляют неравномерное распределение снега.

Учитывая слабую основу в существующих нормах и научных исследованиях, касающихся расчета неравномерных снеговых нагрузок на арочные крыши, данное исследование направлено на изучение влияния интерференции на снеговые нагрузки на арочные крыши в пределах групп зданий, выяснение влияния различных конфигураций зданий на характеристики распределения снеговых нагрузок и, наконец, предоставление коэффициента усиления для расчета неравномерной снеговой нагрузки.

Механизмы взаимодействия снежных заносов на арочных крышах
В застроенных районах арочные крыши обычно строятся группами (парными или многосекционными блоками), а отдельно стоящие конструкции встречаются редко. Такое расположение неизбежно вызывает эффекты взаимодействия снеговых нагрузок между соседними зданиями. Однако действующие нормы нагрузок рассматривают такие взаимодействия только путем умножения коэффициента воздействия на снеговые нагрузки на отдельных крышах, игнорируя их влияние на характер распределения снеговых нагрузок. В этом разделе систематически исследуются основные механизмы образования, определяющие накопление снега на обычных многоарочных крышах в условиях взаимного взаимодействия.

В качестве объектов выбраны 2 полномасштабных здания с арочными крышами, расположенные тандемно по направлению ветра. Обе конструкции имели одинаковые плоские размеры 20м (Д) х 30м (Ш) в проекции, с соотношением высоты к пролету 1:4. Здание, расположенное выше по потоку и создающее помехи, имело высоту карниза 10м (H1), в то время как здание, расположенное ниже по потоку и создающее помехи, имело уменьшенную высоту карниза 5 м (H2). Между задней кромкой верхней конструкции и передней кромкой нижней конструкции поддерживалось продольное расстояние (dL) 10 м. Такая конфигурация создает защищенную зону вихревого следа между двумя зданиями, что позволяет исследовать механизмы взаимодействия ветра и снега в сложных полях потока, создаваемых эффектами помех от зданий. Расчетная область была создана с размерами 16L x 11W x 6H1 (исходя из размеров зданий).

Для воспроизведения реалистичных условий снегопада область притока и верхняя граница расчетной области были обозначены как граничные условия скорости на входе. Скорость ветра на входе была установлена на уровне 5 м/с на высоте карниза, при этом показатель степенного закона был принят равным 0,15. Объемная доля поступающего снега была определена как 1,3 x 10^-5, что соответствует полевым измерениям исторических снежных катастроф на северо-востоке Китая. Свойства снежных частиц были параметризованы на основе наблюдений в Харбине и предыдущих исследований. Падающие/дрейфующие снежные частицы моделировались с плотностью 250 кг/м3 и репрезентативным диаметром 0,5 мм. Слой сальтации характеризовался скоростью осаждения частиц 0,2 м/с и пороговой скоростью трения 0,18 м/с. Для пространственной дискретизации использовалась структурированная сеточная система, при этом высота сетки первого слоя была оптимизирована до 0,01 м. Кроме того, было проведено моделирование снежного заноса на отдельно стоящем здании с арочной крышей и высотой карниза 5 м для сравнения изменений распределения снега до и после интерференции потока.

Выводы
В данном исследовании изучаются характеристики снеговой нагрузки на несколько арочных крыш при взаимном воздействии. Численная методология сначала проверена на экспериментальных данных для обеспечения точности прогнозирования. Затем проведены комплексные моделирования для исследования поведения накопления снега в различных конфигурациях арочных крыш. Анализ выявил основные механизмы взаимодействия, определяющие распределение снега на смежных арочных конструкциях, систематически охарактеризовал нарушенные схемы снеговой нагрузки и разработал подход к расчету для определения снеговых нагрузок на арочные крыши, подверженные воздействию взаимодействия. Основные результаты данного исследования можно резюмировать следующим образом:

1. Для зданий с арочными крышами, расположенных тандемом, вихревые следы, образующиеся вдоль боковых кромок здания, расположенного выше по потоку, формируют подковообразную зону низкой скорости трения внутри изначально области высокой скорости трения на наветренной поверхности арочной крыши, расположенной ниже по потоку. Это изменение потока оставляет лишь ограниченную область высокой скорости трения вблизи вершины арки. В результате реконструкции поля потока образуется характерное U-образное скопление снега на наветренной поверхности крыши, расположенной ниже по потоку, что наглядно демонстрирует значительные интерференционные эффекты между соседними конструкциями на характер снежных заносов.

2. Распределение снега на подветренной стороне нарушенных арочных крыш демонстрирует замечательную стабильность, показывая высокую устойчивость к интерференционным колебаниям поля потока. В отличие от этого, наветренные снежные заносы демонстрируют отчетливую трехэтапную эволюцию с увеличением расстояния между зданиями, а именно: стадия сильной интерференции (dL < 5м), стадия колебаний платформы (5м < dL < 20м) и стадия восстановления (dL > 20м). Для обычно встречающегося в городских условиях диапазона расстояний от 5 до 20 м, нагрузка от нарушенного снега на арочных крышах стабилизируется примерно в 1,4 раза выше, чем в ненарушенных условиях. Полное восстановление до изолированного состояния происходит, когда расстояние превышает 30м. Эти результаты подчеркивают необходимость включения большего коэффициента усиления для снеговой нагрузки на несколько арочных крыш, учитывая эффекты интерференции от соседних конструкций.

11.08.2026

Комментарий:

Шнобелевская премия 2015 экономика

Генерал-майор Адул Наронгсак поставил задачу разобраться с неправильно припаркованными автомобилями на улицах Бангкока (Таиланд). С 2015 года полицейский, задержавший водителя при попытке дачи взятки, будет получать денежный бонус в размере 10 000 бат
подробнее

Шнобелевская премия 2024 по демографии

Если бы фальшивые данные были обнаружены в любой другой области - например, 17% галактик, обнаруженных телескопом Хаббл, оказались воображаемыми, - последовал бы крупный скандал. Однако в демографии такие разоблачения, едва ли заслуживают даже цитирования
подробнее

Источник - пресса

Шнобель Процедура Пресса Анналы Архив Статьи Шнобелист