Экспериментальное исследование распределения снеговых нагрузок на покрытии Большой спортивной арены «Лужники»

Введение

Уникальное покрытие Большой спортивной арены (БСА) олимпийского комплекса «Лужники» в Москве имеет самый большой в мире безопорный пролет, равный 310 м, для покрытия в форме купола, выполненного из стальных конструкций. Покрытие состоит из наружного опорного и внутреннего контуров, криволинейных радиальных балок и кольцевых ферм. Между радиальными балками смонтирована кровля из поликарбоната, имеющего небольшой коэффициент трения. Покрытие было возведено в 1997 году (рис. 1) [5][8][10] и реконструировано к чемпионату мира по футболу 2018 г., проведенного в России, в результате которого площадь покрытия была увеличена (рис. 2) [4][7].

В настоящей статье предпринята одна из первых в нашей стране попыток произвести анализ и выявить закономерности снегонакопления и снегопереноса по покрытию уникального сооружения – Большой спортивной арены (БСА) «Лужники», расположенной в Москве, на основе результатов проведения многолетних натурных наблюдений и прямого измерения веса снегового покрова на покрытии в зимний и весенний периоды. Измерения проводились на эксплуатируемом покрытии сооружения до проведения его реконструкции с 1998 по 2015 год (рис. 1). После реконструкции добавился внутренний козырек, и мониторинг снеговых нагрузок проводился с 2016 по 2019 год (рис. 2) [4] с использованием весового снегомера в различных частях покрытия с последующим составлением схем распределения снеговой нагрузки по данным проведенных экспериментальных исследований.

Для оценки и анализа результатов наблюдений и выявления закономерностей формирования снегоотложений на покрытии под действием ветра использовались данные гидрометеорологических наблюдений о запасах воды в снеговом покрове, скоростях и направлениях ветра в зимний период на метеостанциях Росгидромета, соответствующие времени проведения натурных измерений высоты и веса снега на покрытии БСА, а также данные о максимальных запасах воды в снеговом покрове, полученные на основе декадных снегосъемок на Метеорологической обсерватории РГАУ МСХА им. В. А. Михельсона.

Выполнено сравнение с результатами модельных аэродинамических испытаний сооружения, проведенных фирмой «УНИКОН», г. Новосибирск, 2014 год.

Методика проведения натурных измерений на покрытии

Измерение веса снегового покрова выполнялось как на различных участках покрытия БСА, так и на земле, на площадке с неповрежденным снеговым покровом вблизи сооружения. Измерения проводились в нескольких точках с помощью весового снегомера, позволяющего непосредственно установить значение веса снегового покрова и его плотность, с последующим осреднением полученных результатов.

Для измерения снеговой нагрузки с 1998 по 2015 год (до проведения реконструкции) покрытие условно разбито на три зоны: I – зона покрытия, примыкающая к наружному контуру; II – зона светопрозрачного покрытия; III – зона верхнего пояса внутреннего контура (рис. 3).

После реконструкции стадиона, которая была осуществлена в 2015 году, к внутреннему контуру добавилась также зона IV – козырек. Характерный разрез сооружения до проведения реконструкции и фрагмент разреза по покрытию после нее показаны на рис. 4 [3][8] и рис. 5 [4][7] соответственно.

Экспериментальное определение распределения снеговых нагрузок по покрытию БСА «Лужники» проводилось в зимний период, а также в начале весеннего периода с 1998 по 2019 год. Даты проведения измерений выбирались так, чтобы отразить характерные этапы снегонакопления, период максимальных снегоотложений на различных частях покрытия, а также последующего сползания и таяния снега с уменьшением снеговой нагрузки. Результаты исследований регистрировались в журнале наблюдений и наносились на схему покрытия, представленную на рис. 3.

Анализ результатов экспериментальных исследований

Максимальная плотность и объем неравномерных снеговых отложений во все годы наблюдались в нижней зоне покрытия I, примыкающей к светопрозрачной части покрытия и образующей с ней перепады высот.

Следует отметить резко выраженную неоднородную структуру снега в зонах его сползания и падения с вышележащих участков покрытия и повышенную плотность снегоотложений (см. рис. 6 а, б), тогда как при снегопереносе по покрытию снеговой покров сохраняет более гладкую и однородную структуру, которая может быть слоистой (см. рис. 6 а). Измеренная плотность снега на верхней части покрытия ниже, но, как правило, несколько превышает аналогичную плотность снегового покрова земли.

В весенний период плотность снегоотложений существенно возрастает и может составлять примерно 300–500 кгс/м³. При этом снег принимает пористую структуру с включениями льда (рис. 7).

Зимы в Московском регионе характеризуются неустойчивым температурно-влажностным режимом с чередованием морозной погоды и оттепелей, а также переменным направлением ветра. При различных сочетаниях скорости и направления ветра со снегопадами в результате перераспределения снега по покрытию формируется сложная картина неравномерных снеговых нагрузок, постоянно изменяющаяся не только от зимы к зиме, но и в течение одного зимнего периода.

Следует отметить, что для Москвы характерно преобладание маловетреной погоды со средними скоростями ветра, не превышающими 2 м/с. При таких скоростях ветра снегопереноса практически не происходит, и наблюдается лишь сползание снега с центральной светопрозрачной части покрытия с низким коэффициентом трения снега о поверхность на нижнее опорное кольцо.

Однако в некоторые зимы наблюдаются дни с сильным, порывистым ветром и скоростями, превышающими в среднем 4 м/с, при которых может происходить более интенсивный перенос снега по покрытию. Направление снегопереноса может быть как радиальным (сверху вниз, либо снизу вверх), так и кольцевым (по нижнему опорному кольцу, ограниченному наружным парапетом и перепадом высот с центральной частью покрытия). При этом снег, который выпал ранее, чем за трое суток до возникновения сильных порывов ветра, кристаллизуется и, как правило, уже не переносится ветром.

Значения коэффициента формы µ получаются как отношение наблюдаемого значения снеговой нагрузки на покрытие к весу снегового покрова земли.

В табл. 1–4 представлены максимальные значения коэффициентов формы µ для каждой зоны покрытия, показанной на рис. 3, вычисленные как отношение снеговой нагрузки на покрытие к значениям веса снегового покрова (ВСП), измеренным:

• на земле с неповрежденным снеговым покровом в Лужниках, вблизи от стадиона, одновременно с измерениями, проведенными на покрытии;
• на Метеорологической обсерватории РГАУ МСХА им. В. А. Михельсона на ближайшую дату декадной снегосъемки;
• к расчетным значениям веса снегового покрова, превышаемым в среднем один раз в 50 лет, установленным в СП [1].

Для удобства представления экспериментальных данных все результаты измерения веса снегового покрова далее в настоящей статье приведены в кгс/м² (1 кН/м² = 100 кгс/м²).

Из приведенных таблиц следует, что на локальном участке покрытия в нижней зоне, примыкающей к наружному контуру, максимальное значение коэффициента формы составило µ = 2,66 к расчетному значению ВСП, для светопрозрачного покрытия – µ = 0,67, для внутреннего контура – µ = 1,53 к расчетному значению ВСП. На козырьке за период наблюдений существенных снеговых нагрузок не было зарегистрировано. Однако следует отметить, что локальные снеговые нагрузки возле наружного контура могут превышать соответствующие нагрузки на земле в 5–8 раз, а для внутреннего пологого участка в центральной зоне покрытия – в 2–4 раза, что свидетельствует о существенном различии процессов снегонакопления на земле и на покрытиях зданий и сооружений. Этот факт объясняется неравномерным метелевым переносом снега в верхней части покрытия, а также его сносом и сползанием с центральной светопрозрачной части на нижний контур, особенно в зоны перепадов высот, и его следует учитывать при проектировании.

Расчетные значения веса снегового покрова в соответствии с СП [1] принимаются по данным многолетних маршрутных снегосъемок на защищенных от действия ветра участках местности и устанавливаются как превышаемый в среднем один раз в 50 лет ежегодный максимум ВСП.

Для аппроксимации полученных данных используются различные теоретические законы распределения, выбор которых определяется наилучшим соответствием аппроксимирующей функции наблюденным значениям случайной величины, которое оценивается с помощью различных критериев согласия.

В нормативных документах различных стран мира, в том числе в стандартах США [11], Канады [12], в международных стандартах ИСО [9], а также в Еврокодах при нормировании расчетных значений веса снегового покрова наиболее широко применяется распределение экстремальных значений типа I (распределение Гумбеля). При этом принимается превышаемое в среднем один раз в 50 лет значение ежегодных максимумов ВСП (с вероятностью превышения 2 %). Для аппроксимации данных наблюдений допускается использовать также логнормальный закон распределения и распределение Вейбулла (см., например, [11]). Прогнозируемые оценки ВСП заданной обеспеченности, получаемые с применением этих распределений, имеют несущественные различия.

Методика определения расчетных значений веса снегового покрова на территории Российской Федерации приведена в [14][15]. Как было установлено из проведенных исследований, для большинства метеорологических станций на территории России наилучшее согласие с зарегистрированными данными о ежегодных максимумах ВСП дает их аппроксимация распределением Гумбеля с поправками на длину рядов наблюдений, которое предназначено для описания распределения экстремальных значений климатических параметров нагрузок [12]:

(1)

 – среднее арифметическое из наибольших ежегодных значений веса снегового покрова;

σ – среднеквадратическое (стандартное) отклонение;

и  – коэффициенты редукции среднего и стандартного отклонений (в функции от количества лет наблюдений).

Для получения расчетных значений ВСП S_g,m, превышаемых в среднем один раз в T лет, формула (1) преобразуется к виду

(2)

где m = 1–1/T, где T, лет – средний период повторяемости.

В последние десятилетия методика непосредственного измерения ВСП с помощью весового снегомера широко применяется во многих странах Европы, США и Канаде (см. [10][11]).

Для уточнения расчетного значения ВСП использован ряд наблюдений на Метеорологической обсерватории РГАУ МСХА им. В. А. Михельсона, расположенной в Москве, за период более 100 лет, до 2019 года включительно. Установленное расчетное значение ВСП соответствует принятому в приложении К СП [1] для Москвы и составляет 2,03 кПа (203 кгс/м²).

Некоторые из полученных характерных результатов измерений веса снегового покрова на покрытии приведены на рис. 8–10. До проведения реконструкции БСА все измерения проводились для трех зон покрытия, начиная с 2016 года – для четырех зон, включая внутренний козырек, построенный в 2015 году (см. рис. 4).

Во внутреннем пространстве на рис. 8–10 показаны соответствующие графики повторяемости направлений ветра за месяц, по румбам, для шестнадцати направлений, в процентах, построенные по данным метеостанции МГУ, ближайшей к месту расположения сооружения.

На диаграммах (рис. 11) показаны средние значения повторяемостей за зимний период, построенные по данным метеостанции МГУ за те месяцы, в которые проводились измерения ВСП на покрытии БСА «Лужники». В СП [2] необходимые данные о повторяемостях направлений ветра по румбам в настоящее время отсутствуют.

Из рис. 10 видно, что преобладающими для места расположения БСА являются ветры юго-западного, южного, западного и юго-восточного направлений. Из рис. 11 видно, что в феврале к ним добавляются также ветры северо-западного направления.

Следует отметить, что в отдельные годы повторяемость направлений ветра в зимний период существенно отличается от приведенных осредненных значений, что существенно влияет на картину неравномерного распределения снега по покрытию (см. рис. 12).

Из рис. 8–12 видно, что преобладающие направления ветра в зимний период меняются от зимы к зиме, как и направления ветра при метелях и снегопадах. Изменчивость скоростей ветра и направлений снегопереноса способствуют формированию различных картин снегоотложений на покрытии БСА в зимний период. К примеру, если в 2012 году в зимний период преобладали ветры восточных – юго-восточных направлений, то в 2015 году – южных – юго-западных. Соответствующие распределения снеговой нагрузки по покрытию в разные годы также существенно различаются.

Из рис. 8 г видно, что в марте 2012 года перенос снега ветром происходил с востока и юго-востока на запад – северо-запад, вдоль верхней части светопрозрачного покрытия и с центральной части в сторону внутреннего кольца. При этом снегоотложения максимальной плотности и интенсивности образовались на внутреннем контуре с юго-западной стороны (локально снеговая нагрузка втрое превысила ВСП земли); меньшей плотности – с северо-восточной и юго-восточной сторон (снеговая нагрузка на внутреннем контуре с наветренной стороны превысила ВСП земли более чем в полтора раза).

Остальная снеговая нагрузка, образовавшаяся на светопрозрачном покрытии, была снесена на наружный контур, что привело к ее возрастанию в этой зоне примерно вдвое по сравнению с весом снегового покрова земли на момент проведения наблюдений.

Из рис. 9 а видно, что в январе 2015 года перенос снега ветром по светопрозрачной части покрытия происходил с юго-запада на северо-восток, с накоплением добавочных снегоотложений в верхней центральной части вдоль внутреннего кольца, с подветренной стороны. При этом локально снеговая нагрузка примерно втрое превысила ВСП земли в верхней светопрозрачной части покрытия с подветренной стороны и в пять раз на локальном участке верхней светопрозрачной части покрытия с южной наветренной стороны.

На нижнем опорном контуре снеговая нагрузка примерно вдвое превысила ВСП земли и была распределена почти равномерно, с локальными отклонениями.

Сравнение натурных измерений снеговой нагрузки на покрытие с результатами модельных испытаний в аэродинамической трубе

Модельные испытания для изучения снегопереноса и образования неравномерных снегоотложений на покрытиях новых форм и уникальных зданий и сооружений проводятся в соответствии с требованиями п. 10.4 и приложения Ж СП 20.13330.2016 [1]. Опыт проведения подобных испытаний в нашей стране превышает 40 лет и за последние годы отражен в ряде публикаций (см., например, [16][17]).

Модельные испытания БСА для исследования перераспределения снеговых нагрузок по покрытию под действием ветрового потока проводились в аэродинамической трубе фирмы «УНИКОН», г. Новосибирск, в 2014 году (рис. 13). Продувка модели сооружения проводилась по круговой панораме с шагом 22,5°, для типов местности «А» и «В».

Полученные характерные схемы неравномерного распределения имитатора снега по покрытию модели сооружения при различных направлениях ветрового потока представлены на рис. 14.

Из фото на рис. 14 мы видим чередование зон повышенных снегоотложений с зонами, свободными от снега. Повышенные снегоотложения максимальной плотности наблюдаются с подветренной стороны покрытия, а также в зоне верхнего пояса внутреннего контура с наветренной стороны. Такое перераспределение снеговой нагрузки по модели сооружения в целом подтверждается результатами натурных наблюдений на покрытии БСА, однако имеются некоторые заметные отличия.

Следует отметить, что модель БСА была выполнена из материала, имеющего более шероховатую поверхность по сравнению с материалом натурного светопрозрачного покрытия. В связи с этим существенную роль в распределении снеговой нагрузки по натурному покрытию играет периодическое сползание снега с центральной части кровли на нижний опорный контур, что не могло быть учтено при проведении модельных испытаний. Поэтому результаты натурных наблюдений имеют в ряде случаев качественные отличия от результатов модельных аэродинамических испытаний.

В зоне верхнего пояса внутреннего контура натурные наблюдения показали, что снеговые отложения, как правило, сохраняются и даже накапливаются. При чередовании ветров различных направлений формируется локально неравномерная картина снегоотложений со сложным чередованием зон повышенных и пониженных снеговых нагрузок.

В некоторые годы наблюдался неравномерный перенос снега в направлении снизу вверх от центральной части к внутреннему контуру покрытия и одновременный перенос его в продольном направлении по пологим верхним участкам светопрозрачного покрытия с формированием локальных зон повышенных снегоотложений, которые превысили прогнозируемые значения снеговой нагрузки. Если максимальные рекомендуемые значения коэффициента формы µ в зоне верхнего пояса внутреннего контура были приняты равными 1,2, то наблюдаемые в отдельные годы на небольших участках покрытия значения составили 1,35–1,5 к расчетным значениям ВСП для Москвы (см. рис. 8 г; 9 а, г).

В зоне покрытия, примыкающей к наружному контуру, модельные аэродинамические испытания показали существенное возрастание плотности и интенсивности снегоотложений с подветренной стороны покрытия, тогда как с наветренной стороны возрастание плотности заметно только возле перепадов высот со светопрозрачной частью покрытия. Такой характер перераспределения снеговой нагрузки в целом согласуется с данными натурных наблюдений (см., например, рис. 9 г), однако в большинстве случаев, поскольку направления ветра в зимний период постоянно чередуются, картина распределения снеговой нагрузки становится гораздо более сложной.

Из рис. 8–10 мы видим, что плотность снегоотложений вдоль наружного контура меняется неравномерно с чередованием зон повышенных и пониженных значений снеговой нагрузки. При этом на некоторых локальных участках образуются снегоотложения максимальной интенсивности, которые могут быть оценены в отдельные годы коэффициентами формы 2,0–2,6 к расчетным значениям ВСП (см. рис. 9 г; 10 в, д). В целом распределение снеговой нагрузки в нижней зоне вдоль наружного контура согласуется с рекомендуемыми значениями.

На светопрозрачной части покрытия по данным натурных наблюдений можно выделить три характерных типа снеговой нагрузки:

• первый, близкий к равномерному, который наблюдается, как правило, в морозные маловетреные периоды зимы, а также непосредственно после снегопадов (см. рис. 8 а, б; 9 в; 10 а, б, г);
• второй – неравномерный с преобладанием повышенных снегоотложений на одной половине покрытия с подветренной стороны при сохранении зоны повышенных снегоотложений на нижнем участке с наветренной стороны либо при его отсутствии (см. рис. 8 в, 9 а);
• третий – сохранение локальных снегоотложений в разных частях кровли (см. рис. 8 г, 10 в).

Во многих случаях снеговая нагрузка на светопрозрачном покрытии полностью отсутствует ввиду сползания снега на наружный контур.

Полученные экспериментально коэффициенты формы снеговой нагрузки µ отличаются от принятых рекомендуемых значений тем, что для светопрозрачного покрытия не наблюдается степенной зависимости между нагрузкой в его верхней и нижней частях. Распределение нагрузок меняется ступенчато в пределах отдельных зон и близко к равномерному в пределах каждой зоны. Снег сохраняется и накапливается в течение зимнего периода в верхней пологой части покрытия возле внутреннего контура.

На козырьке за период наблюдений с 2016 по 2019 год повышенных снеговых нагрузок не установлено.

Выводы

1. Проведено натурное исследование веса снегового покрова на покрытии БСА «Лужники» за период с 1998 по 2019 год.
2. Выявлена сложная картина снегоотложений на покрытии, которая меняется не только от зимы к зиме, но и в пределах одного зимнего сезона.
3. Установлены основные закономерности распределения и перераспределения снеговой нагрузки по покрытию в зависимости от скоростей и направлений ветрового потока на сооружение в зимний период.
4. Выполнено сопоставление полученных результатов натурных измерений снеговой нагрузки на покрытие с данными проведенных модельных аэродинамических испытаний, которое показало в целом хорошее, но неполное подобие полученных результатов.
5. Выявлены качественные отличия снеговых нагрузок на светопрозрачной части покрытия БСА от результатов проведенных модельных испытаний вследствие применяемых материалов покрытия, обладающих малой шероховатостью и имеющих слабое сцепление со снегом, что способствует его более интенсивному переносу и сползанию.
6. Значения снеговых нагрузок на покрытие БСА за период наблюдений в целом не превысили установленных рекомендуемых значений, за исключением локальных зон возле внутреннего контура.
7. При выборе возможных неблагоприятных схем распределения снеговых нагрузок для проведения расчетов несущих конструкций уникальных сооружений необходимо одновременно учитывать несколько возможных направлений снегопереноса под действием ветрового потока, при которых формируется неравномерная картина снегоотложений на покрытии.