ГОСТ Р ИСО 4355-2016 Основы проектирования строительных конструкций. Определение снеговых нагрузок на покрытия.

ГОСТ Р ИСО 4355-2016

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Определение снеговых нагрузок на покрытия

Bases for design of structures. Determination of snow loads on roofs

ОКС 91.080.01

Дата введения 2017-07-01

 Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Акционерным обществом "Научно-исследовательский центр "Строительство" (АО "НИЦ "Строительство"), Центральным научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом им.В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко) на основе официального перевода на русский язык англоязычной версии указанного в пункте 4 международного стандарта, который выполнен Федеральным государственным унитарным предприятием "Российский научно-исследовательский центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия" (ФГУП "СТАНДАРТИНФОРМ")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2016 г. N 2013-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 4355:2013* "Основы строительных конструкций. Метод определения снеговых нагрузок на крыши" (ISO 4355:2013 "Bases for design of structures - Determination of snow loads on roofs", IDT).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного европейского стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных европейских стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

 Введение

Интенсивность и распределение снеговой нагрузки на покрытия могут быть описаны как функции климатических условий, топографических особенностей, формы сооружения, материала кровли, потока тепла через покрытие и времени. В настоящее время для определения таких функций имеется весьма ограниченный набор данных локального характера, вследствие чего в рамках настоящего стандарта было принято решение о рассмотрении вышеуказанной задачи в полувероятностной постановке.

Характеристическое (нормативное) значение снеговой нагрузки на площадь покрытия или на любую другую площадку над землей, подверженную накоплению снега, определено в настоящем стандарте как функция характеристического (нормативного) значения веса снегового покрова s

для заданного района и коэффициента формы, описываемого мультипликативной функцией, в которой различные физические параметры представлены номинальными коэффициентами.

Значения коэффициентов формы будут зависеть от климатических условий, в особенности от продолжительности снегового сезона, от ветра, топографии местности, геометрии рассматриваемого сооружения и окружающих зданий, материала кровли, изоляции здания и т.п. Снег может перераспределяться под действием ветра, талая вода может стекать на отдельные участки и снова замерзать; снег может сползать или перемещаться.

Для обеспечения возможности применения ИСО 4355 в каждой стране должны быть установлены национальные данные о географическом распределении веса снегового покрова на ее территории в виде карт и/или другой информации. Процедуры статистической обработки метеорологических данных описаны в приложении А.

      1 Область применения

В настоящем стандарте устанавливаются методы определения снеговой нагрузки на покрытия.

ИСО 4355 может служить основой для разработки национальных стандартов по определению снеговых нагрузок на покрытия.

Статистические данные по весу снегового покрова в виде карт районирования, таблиц или формул следует принимать по национальным стандартам.

Коэффициенты формы, представленные в настоящем стандарте, предназначены для применения при проектировании и поэтому могут использоваться непосредственно в тех случаях, когда отсутствует обоснование применения иных значений.

Для определения снеговых нагрузок на покрытия нестандартной формы или форм, не охватываемых настоящим стандартом, рекомендуется проводить специальные исследования. Такие исследования могут включать в себя испытания на масштабных моделях в аэродинамической трубе или в водяном лотке, специально оборудованных для воспроизведения явления снегонакопления, и должны включать в себя методы учета местных метеорологических статистических данных.

Примеры использования численных методов, исследований на масштабных моделях и сопутствующих методов статистического анализа описаны в приложении G.

Приложения, в которых описаны методы определения характеристического значения веса снегового покрова, коэффициента защищенности, термического коэффициента и нагрузок на снегозадерживающие преграды, являются справочными ввиду ограниченного количества документальных источников и доступных научных результатов.

В некоторых регионах в отдельные зимы с аномальными погодными условиями могут быть жесткие условия нагружения, не предусмотренные настоящим стандартом.

Указание стандартных процедур и средств измерений не входит в задачи настоящего стандарта.

      2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт*, целиком или по частям, который является обязательным к применению. Для датированной ссылки применяют только указанное издание. Для недатированной ссылки применяют последнее издание документа, на который имеется ссылка (включая все поправки).

ISO 2394

, General principles on reliability for structures (Общие принципы надежности конструкций)

_______________

На момент подготовки к печати ИСО 2394:1998 находился на стадии пересмотра. В настоящее время действует ИСО 2394:2015.

      3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1

характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова

(characteristic value of snow load on the ground) s

: Нагрузка с заданной ежегодной вероятностью ее превышения.

Примечание 1 - Ее значение выражается в килоньютонах на квадратный метр, кН/м

.

Примечание 2 - В метеорологии применяется также термин-эквивалент "вес снегового покрова земли" (weight of the ground snow cover).

3.2

коэффициент формы

(shape coefficient)

: Коэффициент, определяющий значение и распределение снеговой нагрузки на покрытие по поперечному сечению строительного объекта и зависящий в основном от геометрических свойств покрытия.

3.3

значение снеговой нагрузки на покрытия

(value of snow load on roofs) s: Функция характеристического (нормативного) значения веса снегового покрова s

и соответствующих коэффициентов формы.

Примечание 1 - Значение s зависит также от защищенности кровли и теплового режима здания.

Примечание 2 - Данное определение относится к площади горизонтальной проекции покрытия.

Примечание 3 - Данное значение выражается в килоньютонах на квадратный метр, кН/м

.

3.4

базовый коэффициент по нагрузке

(basic load coefficient)

: Коэффициент, определяющий снижение снеговой нагрузки на покрытие в зависимости от уклона кровли

и от коэффициента С

, характеризующего материал поверхности кровли.

3.5

коэффициент переноса нагрузки

(drift load coefficient)

: Коэффициент, определяющий значение и перераспределение дополнительной нагрузки на подветренную сторону или часть покрытия в зависимости от защищенности покрытия от ветра С

и от геометрического профиля покрытия.

3.6

коэффициент сползания нагрузки

(slide load coefficient)

: Коэффициент, определяющий значение и распределение нагрузки, сползающей на нижнюю часть покрытия или на кровлю нижнего уровня.

3.7

коэффициент защищенности

(exposure coefficient) C

: Коэффициент, учитывающий влияние открытости кровли воздействию ветра.

3.8

коэффициент защищенности для малых покрытий

(exposure coefficient for small roofs) C

: Коэффициент защищенности для покрытий длиной менее 50 м.

3.9

эффективная длина покрытия

(effective roof length)

: Длина покрытия, определяемая коэффициентом защищенности, заданным как функция размеров покрытия.

3.10

термический коэффициент

(thermal coefficient) C

: Коэффициент, определяющий изменение снеговой нагрузки на покрытие как функцию теплового потока через кровлю.

Примечание - В некоторых случаях C

может быть больше единицы. Порядок действий в этих случаях описывается в 6.2 и приложении D.

3.11

коэффициент по материалу поверхности кровли

(surface material coefficient) C

: Коэффициент, определяющий снижение снеговой нагрузки на наклонные покрытия из кровельных материалов с малой шероховатостью поверхности.

3.12

эквивалентная плотность снега

(equivalent snow density)

: Значение плотности при вычислении ежегодного максимума веса снегового покрова по ежегодному максимуму высоты снегового покрова.

3.13

плотность снега

(snow density)

: Отношение веса снегового покрова к высоте снегового покрова.

      4 Снеговые нагрузки на покрытия

4.1 Обобщенная функция, описывающая интенсивность и распределение снеговой нагрузки на покрытия

Формально снеговую нагрузку на покрытия можно определить как функцию

нескольких параметров:

,                                     (1)

где обозначения представлены в разделе 3.

Если параметры С

, C

и С

принимаются постоянными для покрытия или поверхности кровли, то

,

, и

обычно изменяются в пределах кровли.

4.2 Приближенные формы представления снеговой нагрузки на покрытия

В настоящем стандарте полная снеговая нагрузка на покрытие представлена комбинацией трех составляющих: базовой

, от переноса

и от сползания

. Таким образом, для наихудших условий (подветренная сторона нижней кровли):

s

=

"+"

"+"

,                                                     (2)

где "+" обозначает совместное действие.

Воздействие различных параметров упрощается при введении мультипликативных функций:

,                                                    (3)

,                                                          (4)

.                                                             (5)

Базовая снеговая нагрузка на покрытие

во всех случаях является равномерно распределенной, за исключением криволинейных покрытий, применительно к которым распределение меняется в зависимости от уклона

(см. В.4 приложения В).

Базовая нагрузка характеризует нагрузку на горизонтальное покрытие и нагрузку на наветренную сторону скатного покрытия. Поскольку ветер может иметь любое направление, в качестве базовой рассматривается симметричная нагрузка на симметричное покрытие и, следовательно, определяется также основная часть общей нагрузки на подветренную сторону покрытия.

Нагрузкой от переноса называется дополнительная нагрузка, которая может накапливаться на подветренной стороне покрытия вследствие перемещения снежной массы по покрытию.

Нагрузкой от сползания (скольжения) называется нагрузка, которая образуется в результате соскальзывания снега с верхнего покрытия на нижнее покрытие или на нижнюю часть покрытия.

4.3 Частичное загружение, вызванное таянием, сползанием, перераспределением и удалением снега

Всегда следует учитывать снеговую нагрузку, возникающую из-за значительной неравномерности вследствие удаления снега, его перераспределения, сползания, таяния и т.п. (например, отсутствие снеговой нагрузки на отдельных частях покрытия).

Учет этих факторов особенно важен для конструкций, чувствительных к неравномерному нагружению (например, криволинейные покрытия, арки, купола, ригельные покрытия, неразрезные балочные системы), которые рассматриваются в других разделах настоящего стандарта.

4.4 Неустойчивость при затоплении водой

Покрытия следует проектировать таким образом, чтобы предотвратить неустойчивость при затоплении водой. Для плоских покрытий (или покрытий с малым уклоном) необходимо исследовать их прогибы под действием снеговых нагрузок с оценкой вероятности неустойчивости при затоплении покрытия дождем поверх снега или образующейся талой водой.

      5 Характеристическое значение веса снегового покрова

Характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова

определяют путем статистической обработки данных по снегу.

Измерения веса снегового покрова следует проводить на ненарушенном участке, не подверженном локальному переносу.

Методы определения характеристического значения веса снегового покрова

описаны в приложении А.

При практическом применении характеристическое значение веса снегового покрова следует определять стандартными пошаговыми значениями, которые принимают в качестве базовых значений при составлении карт районирования, как описано в приложении А.

      6 Коэффициенты для задания снеговой нагрузки

6.1 Коэффициент защищенности

Коэффициент защищенности

следует использовать при определении снеговой нагрузки на покрытие. При выборе этого коэффициента следует учитывать будущую окружающую застройку площадки. Для регионов, по которым нет достаточного объема доступных климатологических данных в зимний период, рекомендуется установить

=1,0.

В большинстве случаев коэффициент защищенности

равен значению коэффициента защищенности для покрытий малого размера

, однако при очень больших размерах плоских покрытий влияние ветра на снос снега со всей площади кровли уменьшается. Чтобы это компенсировать, коэффициент защищенности для больших покрытий принимают выше, чем для малых покрытий.

,                             (6)

где

- эффективная длина покрытия, м, равная

;

- значение коэффициента защищенности для покрытий малого размера.

Методы определения

приведены в приложении С.

В математическом выражении для

параметр

W

- это более короткая сторона покрытия, а

L

- более длинная сторона (см. рисунок 1).

Для покрытий непрямоугольной формы в качестве размеров W и L могут приниматься меньшее и большее измерения по двум осям прямоугольной системы координат. Например, для эллиптической формы W измеряют по малой оси эллипса, a L - по его большой оси.

Общее представление о коэффициентах защищенности в графической форме приведено на рисунке 2.

Рисунок 1 - Прямоугольная форма покрытия

Рисунок 2 - Коэффициент С

как функция эффективной длины покрытия

6.2 Термический коэффициент

Термический коэффициент C

(см. 3.10) вводят в целях учета влияния теплопередачи покрытия на таяние снега.

Снеговая нагрузка на покрытия с высокой теплопередачей снижается благодаря таянию снега под влиянием тепловых потерь через покрытие. В таких случаях и, в частности, для остекленных покрытий коэффициент C

может принимать значения меньше единицы.

Для зданий, в которых намеренно поддерживают внутреннюю температуру ниже 0°С (например, в морозильных камерах и в помещениях ледовых арен), допускается использовать значение C

, равное 1,2; во всех остальных случаях используют C

=1,0.

Значение C

рассчитывают на основании учета коэффициента теплопередачи покрытия

U

, самой низкой ожидаемой температуры

подкровельного пространства и веса снегового покрова

.

Методы определения C

для покрытий, обладающих высокой теплопередачей, описаны в приложении D.

Примечание - Интенсивность кратковременного снегопада (примерно от одного до пяти дней) часто является для покрытий с существенными тепловыми потерями более значимым параметром, чем

, поскольку таяние в этом случае происходит очень быстро, препятствуя накоплению снега в течение зимнего периода. Однако в связи с тем, что имеется только значение

, оно используется с некоторыми модификациями, описанными в приложении D.

6.3 Коэффициент по материалу поверхности кровли

Количество снега, сползающего с покрытия, зависит в определенной мере от свойств материала кровли (см. 6.4.2).

Коэффициент по материалу поверхности кровли С

(см. 3.11) определяется в диапазоне между единицей и 1,333 и принимает следующие фиксированные значения:

- С

=1,333 для скользких свободных поверхностей с коэффициентом теплопередачи C

<0,9 (например, для стеклянных покрытий);

- С

=1,2 для скользких свободных поверхностей с коэффициентом теплопередачи C

>0,9 (например, для стеклянных покрытий, расположенных частично над пространством с кондиционированием воздуха, металлических покрытий и т.п.);

- С

=1,0 для всех других поверхностей.

Примечание - Допускается принимать С

=1,2 и при C

<0,9, если это более целесообразно.

6.4 Коэффициенты формы

6.4.1 Общие принципы

Коэффициенты формы определяют распределение снеговой нагрузки по поперечному сечению строительного объекта и зависят главным образом от геометрических свойств покрытия.

Для зданий, имеющих в плане прямоугольную форму, распределение снеговой нагрузки в направлении, параллельном карнизам, считается равномерным, что соответствует предполагаемому направлению ветра перпендикулярно карнизам.

Представленные в приложении В коэффициенты формы для отдельных типов покрытий иллюстрируются применительно к определенному направлению ветра. Так как преобладающие направления ветра могут не совпадать с направлениями ветра во время сильных снегопадов, все покрытия следует проектировать исходя из предположения, что ветер при снегопадах может иметь любое направление по отношению к расположению покрытия.

6.4.2 Базовый коэффициент по нагрузке

В тех случаях, когда снег может беспрепятственно соскальзывать с покрытий, имеющих уклоны, снеговая нагрузка на покрытие будет снижаться. Уменьшение снеговой нагрузки на покрытие вследствие уклона покрытия

и коэффициента по материалу поверхности кровли С

определено коэффициентом формы

(см. 3.4), который рассчитывают по формуле

.                       (7)

.                       (7)

Базовый коэффициент по нагрузке представлен графически на рисунке 3.

Рисунок 3 - Базовый коэффициент по нагрузке

как функция коэффициента по материалу поверхности кровли С

6.4.3 Коэффициент переноса нагрузки

Коэффициент переноса нагрузки

(см. 3.5), зависящий от геометрии покрытия и от коэффициента защищенности С

, описан в приложении В.

6.4.4 Коэффициент сползания нагрузки

Нагрузка от снега, сползающего с верхней части покрытия на его нижнюю часть или на нижнюю часть многоуровневой кровли, будет зависеть от массы снега, которая может соскользнуть вниз, и от геометрии кровли.

Распределение нагрузки от сползания (скольжения) и ее распространение по покрытию будет зависеть помимо геометрической формы покрытия также от свойств сползающего снега и от силы трения на верхней поверхности кровли, с которой он сползает.

Значение нагрузки от сползания (скольжения) и ее распределение отображены в коэффициенте сползания нагрузки

(см. 3.6).

Значения этого коэффициента для разных случаев, в которых должна быть учтена нагрузка от сползания, приведены в приложении В.

Одновременно с нагрузкой от сползания (скольжения) следует принимать во внимание и ударное воздействие от сползающей 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

с ежегодной вероятностью превышения 0,02 или иные значения, учитывающие уровень ответственности сооружения и рассматриваемое предельное состояние

.

_______________

Характеристическое (нормативное) значение веса снегового покрова

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

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

используют ряд максимальных ежегодных значений. Параметр

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/м

, 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

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/м

.

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

,                                (A.2)

где

- плотность снега, кг/м

;

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/м

;

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:

,                                          (A.4)

где

- плотность снега, кг/м

;

- вес снегового покрова, кН/м

.

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

,                               (А.5)

,                               (А.5)

где

- плотность снега, кг/м

;

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/м

;

- 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/м

, а верхняя граница плотности - в пределах от 400 до 600 кг/м

; 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/м

и верхняя граница плотности 400 кг/м

; b) влажный климат, поверхностная плотность снега 190 кг/м

и верхняя граница плотности 600 кг/м

.