книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий) учеб. пособие

материалов ограждающих конструкций на этой территории позво­ ляет широко применять для зданий с сухим внутренним режимом саман, сырец и другие материалы, недостаточно стойкие при систе­ матических воздействиях влаги.

Выяснение условий атмосферного увлажнения ограждающих конструкций позволило отнести к устойчиво-сухим районам также некоторые территории Восточной Сибири, в частности, города Якутск и Верхоянск.

Длительная суровая зима .и кратковременное, но тепл'ое лето (при малом количестве осадков за год) обеспечивают здесь сухое состояние ограждающих конструкций, что способствует повышению долговечности древесины и применению органических утеплителей в капитальных зданиях.

Развитие грибов-разрушителей древесины почти неизвестно в устойчиво-сухих районах. При малом количестве осадков возмож­ ной конструкцией зданий являются крыши-ванны, что особенно ценно в условиях многолетнемерзлого состояния грунтов, посколь­ ку это исключает необходимость отвода воды с крыш, не только сложного но даже опасного в таких геологических условиях.

Районы Центральной Сибири и южные территории Западной Сибири в основном относятся к сухим, что позволяет учитывать при проектировании пониженные коэффициенты теплопроводности строительных материалов и соответственное повышение теплоза­ шиты ограждающих конструкций; это обстоятельство в условиях суровой зимы имеет большое практическое значение.

Однако особенности рельефа и их влияние на количество выпа­ дающих осадков имеют большое значение; близко расположенные пункты оказываются существенно различающимися по влажности климата: таковы, например, умеренно-сухой климат Кузнецка и влажный прилегающей части Горной Шории.

Наиболее значительные территории влажных и устойчиво-влаж­ ных районов располагаются преимущественно на прибрежных тер­ риториях океанов и их морей. Таковы Кольский полуостров, побе­ режье Эстонской и частично Латвийской ССР, Дальневосточное Побережье, Сахалин и особенно Курильские острова, а на юге—- Западная Грузия.

В этих районах целесообразно применение для капитального строительства стойких каменных материалов, например, обжиго­ вых керамических и, в частности, пустотелой керамики, обладающей преимуществами в отношении быстрого высыхания и ограничения перемещений атмосферной влаги внутри стен.

При этом в устойчиво влажных районах с частой повторяемо­ стью штормовых ветров (в частности, побережье Приморского Края, Сахалина, Камчатки и тем более Курильские острова) необ­ ходимы специальные конструктивные мероприятия по защите стен от увлажнения косыми дождями (вибрированные фактурные слои, специальные облицовки и т. д.).

Кроме того, нельзя рекомендовать применение во влажных и особенно в устойчиво влажных районах конструкций сплошных

80

стен из медленно высыхающих материалов, например, таких как шлакобетон и золобетон. Типичным является хроническое переув­ лажнение таких стен, что связано с потерей ими теплозащитных свойств, сыростью и холодом в отапливаемых помещениях. Средняя влажность шлакобетонных стен во Владивостоке достигает 18% по весу, тогда как в Ленинграде и Москве она близка к 7—8%, а в го­ родах южного Урала (сухой климат) уменьшается до 3—4%.

Особенности проектирования и строительства в различных кли­ матических условиях достаточно очевидны, взаимосвязь этих осо­ бенностей с влажностным состоянием конструкций подтверждает

целесообразность и практическое значение описанного выше зони­ рования.

§ 6. ПЕРЕНОС СНЕГА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА ЗДАНИЙ

Возможные в умеренно-климатических'условиях планировочные решения жилых кварталов и промышленных предприятий в виде отдельно стоящих зданий различного назначения с разрывами меж­ ду ними становятся нецелесообразными в условиях Крайнего Се­ вера и других территорий с интенсивным переносом снега; в этих условиях требуется соединение отдельных зданий, нуждающихся в функциональной связи, теплыми переходами, не вызывающими дополнительных скоплений снега * или объединение в одном здании производственных и общественно-бытовых процессов различного назначения.

На территориях с интенсивным переносом снега недопустимо также решение одноэтажных промышленных зданий с многоряд­ ным расположением высоких и близко расположенных друг от дру­ га фонарей верхнего света.

Накопление отложений снега в межфонарных пространствах может привести к резкому снижению естественной освещенности в производственных помещениях, существенным осложнениям экс­ плуатации зданий и даже к авариям несущих конструкций покры­ тий, в результате их перегрузок отложениями снега. Различные гра­ дации возможных конструктивно-планировочных вариантов зданий или соответствующие коррективы обычных решений, широко при­ меняемых в умеренном климате, могут быть установлены только на основе изучения физико-климатических особенностей процессов переноса снега.

Применительно к этим особенностям различают три вида метео­ рологических явлений: 1) снегопады при относительном безветрии; 2) снегопады с ветром, приводящие к так называемым верховым метелям; 3) сильные зимние ветры, вызывающие (даже при отсут­ ствии снегопадов) перемещения снега вблизи поверхности снеж­ ного покрова (низовые метели или поземки).

Однако при метелях любого вида общая интенсивность перено­ са снега в местности с плоским рельефом наиболее значительна у

* Например, расположенными на уровне пола 2-го этажа.

81

поверхности снежного покрова или на близком к ней уровне; вбли­ зи этой поверхности суммируется перенос снега, выпадающего при снегопадах и выпавшего ранее, но увлекаемого ветром.

Наиболее опасны для одноэтажных зданий верховые метели, вызывающие снежные заносы не только на территории, прилегаю­ щей к зданиям, но и на кровлях. Количество снега, переносимого этими метелями, начиная с высоты порядка 0,5—1,0 м от поверх­ ности снежного покрова и выше, остается примерно постоянным и зависит от интенсивности снегопада и скорости ветра. При этом, в открытых равнинных местностях поток снега, переносимого в гори­ зонтальном направлении, может в несколько раз превосходить ко­ личество снежных осадков, выпадающих на поверхность почвы при безветрии.

Перенос снега при низовых метелях существенно отличается от верховых в отношении особенностей распределения потока снега по высоте.

Основная масса снега перемещается в пределах высоты 1 м над поверхностью снежного покрова; на большей высоте перенос снега при поземках незначителен, в связи с чем кратковременные низо­ вые метели обычно не вызывают нежелательных снегоотложений на кровлях зданий. При длительно продолжающихся низовых ме­ телях отложения снега у зданий достигают значительной высоты и создают возможность распространения процессов переноса на кровли малоэтажных зданий.

Непродолжительные или редко повторяющиеся поземки чаще всего приводят к заносам территории, прилегающей к зданиям; этот вид переноса снега наиболее опасен для дорог и путевых со­ оружений. 'Препятствиями для поземок служат любые складки местности, выемки, насыпи, древесные насаждения, в зоне которых отлагается часть переносимого снега.

При снежном покрове, состоящем из сухого мелкокристалличе­ ского снега, низовой перенос возникает уже при скорости ветра у поверхности снежного покрова порядка 5—6 м/сек, а при 10 м/сек явления переноса становятся массовыми.

Если поверхность снежного покрова скована настом, что неиз­ бежно, например, при морозах после оттепелей, передувание снега почти исключается. Поэтому низовые метели (поземки) более ред­ ки в районах с неустойчивой зимой и частыми оттепелями.

Наибольшая вероятность возникновения поземок отмечается на равнинных территориях, покрытых сухим пылевидным снегом; это особенно характерно для районов с суровой или, по крайней мере, устойчивой зимой, свойственной континентальному климату *.

* Закономерности образования кристаллов снега из переохлажденной воды такие же, как и для возникновения кристаллов любого вещества при пересыще­ нии водных растворов, связанном с понижением температуры. Размеры кристал­ лов зависят от величины такого пересыщения, достигающего наибольших значе­ ний при низких температурах наружного воздуха. Чем больше пересыщение, тем меньше образующиеся кристаллы, т. е. имеет место обратная пропорциональность, описываемая экспоненциальным уравнением Кельвина, связывающим величины

82

Таковы, в частности, южные территории Западной Сибири, Приуралья, Северного Казахстана, где для зимних условий харак­ терна относительная сухость воздуха и сочетание устойчивых низ­ ких температур с часто повторяющимися сильными ветрами. Для этих и аналогичных им по зимним условиям, климатических районов характерно преобладание низовых метелей, по сравнению с повто­ ряемостью других метеорологических процессов, вызывающих пе­ ренос снега.

Эмпирическую зависимость интенсивности переноса q от скоро­ сти ветра, обычно выражаемую в м3/м-ч, многие исследователи ус­ танавливают в виде кубической параболы, т. е.:

где к — некоторый эмпирический коэффициент; ѵ— скорость ветра,

м/сек [34].

Всвязи с недостаточной изученностью особенностей переноса можно считать вероятным, что значения эмпирического коэффици­ ента, входящего в кубическую зависимость, могут изменяться в свя­ зи с характером метелей, рельефом местности, физико-механиче­ скими свойствами снега и другими местными причинами.

Всоответствии с имеющимися экспериментальными данными для восточных районов европейской части СССР и Западной Си-

(г0/г). При характерных для атмосферных условий невысоких пересыщениях все­

Эта зависимость показывает, что при переохлаждениях и пересыщениях, харак­ терных для низких зимних температур северных и восточных районов С С С Р , образуются кристаллы снега, размеры которых выражаются в микронах. Снежин­ ки утрачивают внешний вид, обычный для умеренных климатических условий, и превращаются в снежную пыль, еще более измельчаемую ветром, легко перено­ симую и проникающую сквозь мельчайшие трещины, зазоры и неплотности в ограждающих конструкциях зданий.

83

бири величина этого коэффициента близка к 0,00046. Однако экс­ периментальные данные по Крайнему Северу (Норильск) показы­ вают, что в этих районах величина эмпирического коэффициента существенно выше, что по-видимому, может быть объяснено преоб­ ладанием верховых метелей над низовыми и плоским рельефом громадных территорий тундры, являющихся снегосборными пло­ щадями.

Экспериментальные данные показывают, что до определенной скорости ветра рост действительной интенсивности переноса не­ сколько превосходит величины, вычисленные по указанной прибли­ женной формуле, а при дальнейшем повышении скорости отмечает­ ся существенное отклонение от этой ориентировочной зависимости в меньшую сторону, что может быть объяснено, в частности, про­ цессами турбулизации ветровых струй.

Для практических целей весьма важно суммарное количество снега, переносимого или отлагаемого у препятствий в течение всего холодного периода года. Для расчетов такого количества снега не­ обходимо знать продолжительность метелей т в течение всей зимы.

Объем снега Q, переносимого за суммарную продолжительность метелей (т, ч), в течение всего холодного периода года может быть вычислен по формуле:

реносимого за зиму, превышает 200 м3/пог.м, условия переноса ста­ новятся неблагоприятными для эксплуатации дорог и территории, прилегающей к зданиям, в связи с чем возникает необходимость применения специальных мероприятий по ограничению отложений снега.

На территории СССР Главной геофизической обсерваторией ус­ тановлены районы с различной интенсивностью переноса, изменяю­ щейся от 200 до 1500 м3/пог. м-год [33].

Величины переноса 200 м3/пог. м-год и более отмечаются для Севера европейской части СССР (севернее 60° географической ши­ роты), достигая величины 600—1000 м3/пог. м-год в крайних север­ ных и северо-восточных районах (Кольский полуостров, Архан­ гельск, Воркута и другие местности).

Перенос снега порядка 200 м3/пог. м-год (по-видимому происхо­ дящий преимущественно за счет низовых метелей) характерен для Калмыцких степей и Среднего Заволжья.

Южный Урал, Северный Казахстан, южная часть Западной Си­ бири, районы, прилегающие к Алтаю, характеризуются переносом снега от 200 до 600 м3/пог. м-год.

Такие объемы переноса снега характерны, например, для Бар­ наула, где они приводят к повторяющимся заносам межфонарных пространств на кровлях одноэтажных производственных зданий, в частности, шедовых фонарей здания текстильного комбината.

84

В районах Крайнего Севера азиатской части СССР отмечается интенсивность переноса от 600 до 1000 м3/пог. м-год и более.

При таких объемах переносимого снега процессы его переноса приобретают характер часто повторяющихся стихийных бедствий и требуют больших усилий и затрат для возможного предупрежде­ ния и ограничения их нежелательных результатов.

Вообще вся громадная территория азиатской части СССР (за исключением штилевых районов Центральной и Восточной Сибири) неблагополучна в отношении процессов переноса снега, суммарная интенсивность которых превосходит 200 м3/пог. м-год, а в отдель­ ных районах (Северный Сахалин, Камчатский полуостров и т.’д.) достигает величины до 1000 м3!пог. м-год и более.

Строительство, развивающееся из года в год на этой террито­ рии, нуждается в снегозащитных мероприятиях, осуществляемых путем устройства преград, ограничивающих интенсивность пере­ носа снега (лесозащитные полосы, решетчатые заборы и т. д.) пу­ тем применения специальных приемов планировки жилых кварта­ лов и промышленных территорий, а также повышения аэродинами­ ческих качеств зданий.

Такие мероприятия могут существенно влиять на особенности отложений снега на территории застройки и непосредственно у зда­ ний.

Основной причиной отложений снега у любых препятствий яв­ ляется потеря скорости снего-ветровым потоком, в связи с чем часть переносимых им взвешенных частиц выпадает.

Количество снега, выпадающего в зоне препятствия Аq, можно определить как разницу в интенсивностях переноса взвешенных частиц невозмущенным ветровым потоком (имеющим полевую ско­ рость Ѵі) и потоком, уменьшившим скорость в зоне препятствия до

не препятствия.

Таким образом, количество снега, выпадающего в зоне препят­ ствия, зависит от аэродинамических свойств последнего.

Здания обычной формы представляют собой параллелепипеды, аэродинамические свойства которых являются довольно определен­ ными и в некоторой мере претерпевают изменения только за счет различия геометрических размеров, т. е. высоты, длины и ширины. При направлении ветра, нормальном к фасаду здания (или близ­ ком к этому направлению), отложения снега возникают перед на­ ветренным фасадом, на некотором от него расстоянии (рис. 11.10).

Если перенос снега вызывается низовыми метелями, то такие снегообразования в начальный период их количественного форми­

85

рования являются основными, поскольку снег в незначительном количестве переносится через здание и отложения со стороны под­ ветренного фасада сравнительно невелики.

При верховых метелях они возрастают и, кроме того, возника­ ют отложения на кровле здания, становящиеся все более значитель­ ными по мере увеличения его ширины.

Наиболее нежелательны и опасны отложения снега на кровлях одноэтажных промышленных зданий с несколькими рядами фона­ рей верхнего света. Такие здания обладают плохой обтекаемостью для снего-ветрового потока; межфонарные пространства являются причиной вихреобразований, снижения скорости и отложений снега.

Наиболее устойчивы вихреобразования, а следовательно, наибо­ лее вероятны отложения снега в межфонарных пространствах при малом расстоянии между фонарями (когда средняя ширина ендо­ вы превышает высоту фонаря менее «ем в два раза).

Рис. 11.10. Снегоотложения у здания при переносе снега ветром

Непосредственно перед наветренным фасадом здания возника­ ет зона выдувания снега из-за образования вихревых перемещений воздуха, трансформирующихся в восходящий поток, обладающий значительной скоростью при большой высоте здания.

Ширина зоны выдувания Ь зависит от высоты здания Я и неко­ торые исследователи [35] оценивают ее, как 5=0,8 Я. Размеры зда­ ния в плане также влияют на особенности распределения отложе­ ний; при относительно малой длине фасадов, параллельных снего­ ветровому потоку, вся эта длина может быть занята отложениями снега; при относительно большей длине часть фасада свободна от отложений снега (рис. II.11) и достаточно удобна для расположе­ ния входов в здание. Располагать последние по наветренному фа­ саду (даже при наличии зоны выдувания снега) нецелесообразно, поскольку такое расположение связано с существенным увеличени­ ем теплопотерь здания.

Если аэродинамические свойства препятствия таковы, что непо­ средственно перед ним струи снего-ветрового потока сжимаются таким образом, что происходит увеличение скорости и лишь на последующих участках пути ее падение, то вблизи препятствия не возникает никаких отложений снега; он выпадает уже сравнитель­ но далеко за препятствием, там где скорость снего-ветрового пото­ ка уменьшается.

Преграды с такими аэродинамическими свойствами использу­ ются для защиты транспортных путей и дорог в районах с большой, интенсивностью переноса снега (рис. 11.12, а).

86

Выполнение зданий с отсутствием цокольного этажа или вы­ соким продуваемым подпольем может способствовать увеличению скорости снего-ветрового потока под зданием и удалению от него зоны отложений снега (рис. II. 12, б). Такое решение целесообраз­ но в районах Крайнего Севера с большой интенсивностью перено-

а_

6

Рис. 11.11. Характер отложений снега у зданий с различным соотношением длины и ширины:

1 — направление снего-ветрового потока; 2 — входы в здание

Рис. 11.12. Перемещение отложений снега в зоны, удаленные от преграды, увеличивающей скорость снего-ветрового потока:

потока

87

са снега и многолетнемерзлым состоянием грунтов, для сохранения которого, однако, требуется утепление поверхности грунта под зда­ нием и устройство проветривания с целью устранить оттаивание почвы вследствие притока тепла из отапливаемого здания.

устранению отложений снега

Описанный аэродинамический эффект характерен только для отдельно стоящих зданий и может быть существенно искажен в тех случаях, когда здание защищено окружающими его постройками, складками местности или древесными насаждениями.

В районах с значительной интенсивностью переноса снега важ­ на аэродинамическая обтекаемость проектируемых и возводимых зданий.

Крыши желательны простейшей формы с малыми уклонами без разжелобков, выступающих частей и парапетов (рис. 11.13, а). Це­

88