Проектиране спрямо стихиите: Цялостно ръководство за проектиране на сгради при натоварване от сняг

Снегът, макар и красив, може да представлява сериозна заплаха за конструктивната цялост на сградите. Натрупаният сняг оказва значително тегло, което потенциално може да доведе до срутване на покриви или други конструктивни повреди. Проектирането на сгради, които да издържат на натоварвания от сняг, е решаващ аспект на строителното инженерство, особено в райони, предразположени към обилен снеговалеж. Това ръководство предоставя цялостен преглед на принципите, съображенията и най-добрите практики в проектирането на сгради при натоварване от сняг, приложими в цял свят.

Разбиране на натоварванията от сняг

Преди да се задълбочим в съображенията при проектиране, е важно да разберем факторите, които влияят върху натоварванията от сняг върху сградите. Тези фактори варират значително в зависимост от географското местоположение, геометрията на сградата и местните условия на околната среда. Точната оценка на тези фактори е основата на безопасна и дълготрайна конструкция.

Фактори, влияещи върху натоварванията от сняг:

• Земно натоварване от сняг (Pg): Това е основното проектно натоварване от сняг за дадено място, обикновено базирано на исторически данни за снеговалежите. Картите за земно натоварване от сняг, често предоставяни от националните или регионалните строителни норми, се използват за определяне на подходящата стойност за конкретен обект. Например, стандартът ASCE 7 в Съединените щати предоставя карти за земно натоварване от сняг, докато Еврокод 1 предоставя подобни данни за европейските страни. Страните без подробни карти разчитат на метеорологични данни и местен опит.
• Коефициент на излагане (Ce): Този коефициент отчита излагането на сградата на вятър. Сградите в открити зони, изложени на вятър, изпитват по-малко натрупване на сняг в сравнение с тези, които са защитени от дървета или други сгради. Коефициентът на излагане обикновено е по-нисък за изложени обекти и по-висок за защитени обекти.
• Термичен коефициент (Ct): Термичният коефициент отчита вътрешната температура на сградата. Отопляемите сгради с добре изолирани покриви могат да изпитат повече топене на снега, което намалява общото натоварване от сняг. Обратно, неотопляемите сгради задържат повече сняг.
• Коефициент на важност (I): Този коефициент отразява заетостта и важността на сградата. Съоръжения от първостепенно значение, като болници и аварийни убежища, изискват по-висок коефициент на важност, което води до по-консервативно проектиране.
• Коефициент за геометрия на покрива (Cs): Този коефициент отчита формата и наклона на покрива. Плоските покриви са склонни да натрупват повече сняг от стръмните покриви, тъй като снегът може да се плъзга по-лесно от по-стръмни повърхности. Сложните геометрии на покривите, като улами и парапети, също могат да доведат до неравномерно разпределение на снега и увеличени натоварвания от сняг. Навяванията от сняг са значително съображение при сложни форми на покриви.
• Снежни навявания: Снежните навявания се получават, когато вятърът пренася сняг от една област в друга, причинявайки локализирано натрупване. Зоните зад парапети, в близост до съседни сгради и в уламите на покрива са особено податливи на снежни навявания.

Методи за изчисляване на натоварване от сняг

Използват се няколко метода за изчисляване на натоварванията от сняг върху сградите, всеки с различна степен на сложност и точност. Изборът на метод зависи от размера, сложността на сградата и изискванията на местните строителни норми.

Опростено изчисляване на натоварване от сняг:

Този метод е подходящ за прости, нискоетажни сгради с правилна геометрия на покрива. Той включва използването на опростена формула, която включва земното натоварване от сняг, коефициента на излагане, термичния коефициент, коефициента на важност и коефициента за геометрия на покрива.

Ps = Ce * Ct * I * Pg

Където:

• Ps = Проектно натоварване от сняг
• Ce = Коефициент на излагане
• Ct = Термичен коефициент
• I = Коефициент на важност
• Pg = Земно натоварване от сняг

Изчисляване на небалансирано натоварване от сняг:

Изчисленията на небалансирано натоварване от сняг са необходими за покриви със значителни наклони или сложни геометрии. Тези изчисления отчитат неравномерното разпределение на снега върху покрива, което може да създаде допълнително напрежение върху конструкцията. Например, наветрените склонове могат да изпитат значително по-малко натрупване на сняг от подветрените склонове.

Изчисляване на натоварване от снежни навявания:

Изчисленията на натоварването от снежни навявания са от решаващо значение за зони, където е вероятно да се появят такива. Тези изчисления оценяват допълнителното натоварване от сняг, причинено от натрупване на сняг, пренесен от вятъра. Факторите, които трябва да се вземат предвид, включват височината и дължината на съседните конструкции или парапети, посоката на вятъра и плътността на снега.

Пример: Сграда в Сапоро, Япония, в близост до по-висока сграда. Проектът трябва да вземе предвид навяването на сняг от по-високата сграда върху покрива на по-ниската, което добавя значително тегло и изисква по-здрава конструктивна разработка.

Конструктивни съображения при проектиране

След като натоварванията от сняг са изчислени, конструктивният проект трябва да отчете тези натоварвания, за да се гарантира безопасността и стабилността на сградата. Това включва избор на подходящи материали, проектиране на конструктивни елементи, които да издържат на приложените натоварвания, и отчитане на потенциалните начини на разрушение.

Избор на материали:

Изборът на материали играе решаваща роля в способността на сградата да издържа на натоварвания от сняг. Стомана, стоманобетон и инженерни дървесни продукти се използват често за конструктивни елементи поради високата им якост и коравина. Важно е обаче да се вземат предвид свойствата на материала при ниски температури, тъй като някои материали могат да станат крехки в студен климат.

Проектиране на покрива:

Покривът е основният елемент, подложен на натоварване от сняг, така че неговото проектиране е от критично значение. Покривната конструкция трябва да бъде достатъчно здрава, за да понесе изчислените натоварвания от сняг без прекомерни провисвания или напрежения. Обмислете следните точки:

• Наклон на покрива: По-стръмните склонове са склонни да изхвърлят снега по-ефективно, намалявайки натоварването от сняг. Въпреки това, много стръмните склонове могат също да създадат небалансирани натоварвания от сняг от подветрената страна на покрива.
• Покривна конструкция: Системата на покривната конструкция трябва да бъде проектирана така, че да разпределя равномерно натоварването от сняг върху носещите стени и колони. Често използвани системи на конструкция включват ферми, греди и столици.
• Отвеждане на водата от покрива: Правилното отводняване е от съществено значение за предотвратяване на натрупването на вода от топящия се сняг. Това включва осигуряване на адекватни покривни сифони, улуци и водосточни тръби.

Проектиране на стени:

Стените също трябва да бъдат проектирани така, че да устояват на страничните натоварвания, наложени от снежни навявания и небалансирани натоварвания от сняг върху покрива. Могат да се използват противоземетръсни шайби и укрепващи връзки, за да се осигури странична стабилност.

Проектиране на основи:

Основите трябва да могат да поемат увеличените вертикални натоварвания, произтичащи от натрупването на сняг върху покрива и стените. Правилният анализ на почвата и проектирането на основите са от съществено значение за предотвратяване на слягане или разрушение.

Строителни норми и стандарти

Строителните норми и стандарти предоставят специфични изисквания за проектиране при натоварване от сняг. Тези норми варират според региона и държавата, но обикновено се позовават на утвърдени стандарти като ASCE 7 (САЩ), Еврокод 1 (Европа) и Националния строителен кодекс на Канада (NBC). От решаващо значение е да се консултирате с местните строителни норми, за да определите специфичните изисквания за проектиране при натоварване от сняг на конкретно място.

Международен строителен кодекс (IBC):

IBC е модел на строителен кодекс, използван в много страни. Той се позовава на ASCE 7 за изискванията за проектиране при натоварване от сняг.

Еврокод 1:

Еврокод 1 предоставя цялостна рамка за определяне на натоварванията от сняг върху конструкции в европейските страни. Той включва подробни карти на земните натоварвания от сняг и насоки за изчисляване на натоварванията от снежни навявания.

Национален строителен кодекс на Канада (NBC):

NBC предоставя специфични изисквания за проектиране при натоварване от сняг в Канада, включително подробни карти на земните натоварвания от сняг и насоки за изчисляване на небалансирани натоварвания от сняг.

Най-добри практики при проектиране на сгради за натоварване от сняг

В допълнение към спазването на строителните норми и стандарти, няколко добри практики могат да подобрят устойчивостта на сградите в райони със снеговалеж.

Проведете задълбочен анализ на обекта:

Преди да започнете процеса на проектиране, проведете задълбочен анализ на обекта, за да оцените местния климат, топография и околните структури. Това ще помогне за идентифициране на потенциални опасности от снежни навявания и други специфични за обекта съображения.

Вземете предвид микроклимата на сградата:

Микроклиматът на сградата може значително да повлияе на натрупването на сняг. Фактори като посока на вятъра, засенчване и близост до други сгради могат да повлияят на количеството сняг, който се натрупва върху покрива.

Проектирайте с мисъл за снегопочистване:

В някои случаи може да се наложи да се проектира сградата така, че да улеснява снегопочистването. Това може да включва осигуряване на достъп до покрива за снегопочистваща техника или вграждане на системи за топене на сняг. Например, отопляемите покривни панели могат да предотвратят натрупването на сняг в критични зони.

Приложете стратегии за управление на снега:

Стратегиите за управление на снега могат да помогнат за намаляване на риска от конструктивни повреди, свързани със сняг. Тези стратегии включват:

• Редовно снегопочистване: Редовното премахване на снега от покрива може да предотврати прекомерно натрупване и да намали риска от срутване.
• Снегозащитни огради: Снегозащитни огради могат да се използват за пренасочване на вятъра и предотвратяване на навяване на сняг върху покрива.
• Управление на растителността: Управлението на растителността около сградата може да помогне за намаляване на количеството сняг, който се натрупва върху покрива.

Редовни инспекции и поддръжка:

Редовните инспекции и поддръжка са от съществено значение за идентифициране и отстраняване на потенциални проблеми, преди те да доведат до конструктивна повреда. Това включва инспектиране на покрива за признаци на повреда, проверка на дренажната система за запушвания и следене на нивата на натрупване на сняг.

Казуси

Разглеждането на реални примери за конструктивни повреди, свързани със сняг, може да предостави ценни прозрения за важността на правилното проектиране при натоварване от сняг.

Срутването на Hartford Civic Center (1978):

Покривът на Hartford Civic Center в Кънектикът се срутва през 1978 г. поради прекомерно натрупване на сняг. Срутването се дължи на проектен дефект, който не е отчел потенциала за натоварвания от снежни навявания.

Разрушението на покрива на Rosemont Horizon (1979):

Покривът на Rosemont Horizon (сега Allstate Arena) в Илинойс частично се срутва през 1979 г. поради обилен сняг. Повредата се дължи на комбинация от проектни недостатъци и неадекватно снегопочистване.

Срутването на театър Knickerbocker (1922):

Един от най-трагичните примери, срутването на театър Knickerbocker във Вашингтон през 1922 г., води до близо 100 смъртни случая. Тази катастрофа подчертава критичната необходимост от точни изчисления на натоварването от сняг и здрава конструктивна разработка в райони, предразположени към обилен снеговалеж. Плоският покрив, в комбинация с необичайно обилен снеговалеж, е надхвърлил конструктивния капацитет на сградата.

Тези случаи подчертават важността на щателните изчисления на натоварването от сняг, спазването на строителните норми и редовната поддръжка за предотвратяване на катастрофални разрушения.

Нововъзникващи технологии и бъдещи тенденции

Областта на проектирането на сгради при натоварване от сняг непрекъснато се развива, като се появяват нови технологии и подходи за подобряване на устойчивостта и безопасността на сградите.

Сензори за сняг:

Сензори за сняг могат да бъдат инсталирани на покривите за наблюдение на нивата на натрупване на сняг в реално време. Тези данни могат да се използват за задействане на аларми, когато натоварванията от сняг достигнат критични нива, което позволява навременно снегопочистване.

Умни сгради:

Технологиите за умни сгради могат да се използват за оптимизиране на производителността на сградата и намаляване на риска от повреди, свързани със сняг. Това включва интегриране на сензори за сняг със системите за управление на сгради за автоматично регулиране на отоплителните и вентилационните системи за стопяване на снега на покрива.

Усъвършенствани техники за моделиране:

Усъвършенствани техники за моделиране, като изчислителна флуидна динамика (CFD), могат да се използват за симулиране на модели на снежни навявания и прогнозиране на натрупването на сняг върху сложни геометрии на покриви. Това позволява на инженерите да проектират сгради, които са по-устойчиви на натоварвания от сняг.

Устойчиво проектиране:

Принципите на устойчивото проектиране могат да бъдат интегрирани в проектирането на сгради при натоварване от сняг, за да се намали въздействието върху околната среда от строителството и експлоатацията. Това включва използване на устойчиви материали, проектиране за енергийна ефективност и включване на системи за събиране на сняг за опазване на водата.

Заключение

Проектирането на сгради, които да издържат на натоварвания от сняг, е критичен аспект на строителното инженерство, особено в райони със снеговалеж. Чрез разбиране на факторите, влияещи върху натоварванията от сняг, прилагане на подходящи методи за изчисление, отчитане на конструктивните последици и спазване на строителните норми и стандарти, инженерите могат да гарантират безопасността и дълготрайността на сградите в студени климатични условия. Възприемането на най-добрите практики, прилагането на стратегии за управление на снега и използването на нововъзникващи технологии могат допълнително да подобрят устойчивостта на сградите и да смекчат рисковете, свързани с натрупването на сняг. От снежните върхове на Алпите до градските пейзажи на Северна Америка и предизвикателните климати на Скандинавия, разбирането и справянето с натоварването от сняг е от първостепенно значение за осигуряването на безопасна и устойчива инфраструктура. Това ръководство предоставя основно разбиране на принципите и практиките, необходими за ефективното проектиране на сгради при натоварване от сняг, насърчавайки по-безопасна и по-устойчива застроена среда в цял свят.