Учет дополнительных характеристик климата для оценки трудозатрат при производстве строительных работ в холодный период года

Учет дополнительных характеристик климата для оценки

строительные науки трудозатрат при производстве строительных работ

строительная теплофизика в холодный период года

и энергосбережение Н.Г. Волкова

НИИСФ РААСН

В нормативных документах [1,2] дополнительные трудозатраты при производстве строительно-монтажных и ремонтно-строительных работ в зимнее время определяются посредством учета температурных отличии местности. Территория России подразделяется на температурные зоны с указанием продолжительности зимних периодов. При территориальном делении на зоны использованы температурные показатели устойчивого климатического периода.

Существующая практика нормирования не позволяет объективно оценивать климатические особенности строительных площадок, а следовательно рационально планировать производство работ и оценивать трудозатраты. Это послужило толчком к разработке дополнительных характеристик климата для учета увеличенного объема строительно-монтажных и строительно-ремонтных работ в холодный период года.

Разнообразие природно-климатических и технико-экономических условий территории РФ обусловливает различный технологический уровень производства строительных работ [3,4]. Вопрос о целесообразности пересмотра температурного зонирования (ТЗ) и совершенствования нормативной базы по оценке дополнительных затрат в зимнее время возник в связи с климатическими переменами.

Климатические различия регионов в большей степени наблюдаются в холодный период года. Исследования климатических перемен, проведенные в НИИСФ РААСН [5,6], позволили установить неравномерность температурных изменений на территории России. Температура воздуха в зимний период возросла на 0,2-1,0 оС. В последние десятилетия прошедшего столетия она была на 1—3оС (1981-1990 гг.) и на 1-5оС (1991-2000 гг.) выше нормы [7].

Исследования температурного режима ряда городов Московской области (МО) были проведены с целью пересмотра ТЗ. К рассмотрению были приняты средние значения отрицательных зимних температур 1980-2004 г. [7]. Результаты расчетов подтвердили прежнее территориальное деление. Влияние низких температур рассматриваемого периода сказалось более, нежели потепление [8].

Это позволило при оценке трудозатрат на территории РФ в зимнее время ориентироваться на устойчивый климатический период.

В данной работе представлены климатические параметры холодного периода года Центрального федерального округа России (ЦФО). Площадь территории которого составляет 650,7 тыс. км2 (3,7%). Округ состоит из 17 областей центра России и г. Москвы, в нем проживает более 38 млн. чел.

(25,8%) с наибольшей плотностью населения — 58,8 чел. на км2 . Для сравнения, Южный федеральный округ — 33,8 чел. на км2 , а Дальневосточный — 1,27 чел. на км2,

В дополнение к традиционному делению территории России по температурным зонам с указанием зимних периодов был разработан расширенный комплекс климатических параметров.

Холодный период года принимался с ноября по март, так как в ноябре заканчивается формирование азиатского антициклона и устанавливается климатический режим, характерный для зимних месяцев. К рассмотрению были приняты характеристики отдельных элементов климата: солнечного сияния, температуры воздуха, ветра, атмосферных осадков, промерзания почвы и др.

При проведении расчетов использовались данные опорных метеорологических таблиц из метеорологических ежемесячников и ежегодников, которые составили первый уровень обработки. Показателями отдельных метеорологических элементов являются: повторяемость различных значений элемента; накопленная повторяемость (обеспеченность); средние значения, крайние (максимальные и минимальные).

Повторяемость есть отношение числа случаев со значениями метеорологического элемента, входящими в данную градацию (интервал), к общему числу членов ряда (в долях единицы или процентах). Повторяемость, полученную на основании длинного ряда наблюдений, называют вероятностью. Накопленная повторяемость характеризует частоту появления значений метеорологического элемента, превышающих (или не превышающих) заранее заданное значение. Ее получают последовательным суммированием относительных или средних абсолютных частот соответствующих интервалов в ряду статистического распределения. Суммарную повторяемость, полученную на основании данного ряда наблюдений, принято называть интегральной вероятностью или обеспеченностью.

В расчетах использованы многолетние средние нормы по температуре воздуха однородного периода наблюдений. Крайние значения характеризуют те пределы, в которых заключены значения метеорологического элемента, отмеченные на данной станции за определенный период времени.

Значения, близкие к абсолютным максимумам и минимумам, наблюдаются редко, поэтому для получения представления о более вероятных низких и высоких значениях определяют средние из экстремальных значений. Эти значения могут встречаться ежегодно. Средние максимумы и минимумы вычисляются как многолетние средние значения

строительная теплофизика и энергосбережение

Станция Температура воздуха О. °с Станция Температура воздуха О. °С

^МИН ах /о ^МИН ^мах

Брянск -5,4 -42 18 Смоленск -5,8 -41 15

Владимир -7,8 -48 14 Тула -6,7 -42 15

Иваново -8 -46 14 Ярославль -8,3 -46 14

Тверь -7,1 -50 14 Белгород -4,5 -37 20

Калуга -6,8 -46 15 Курск -5,5 -38 18

Кострома -8,3 -46 13 Воронеж -6,1 -38 18

Москва -6,9 -42 15 Липецк -6,6 -38 17

Орел -6,2 -39 17 Тамбов -7,2 -39 18

Рязань -7,5 -41 14

Таблица 1. Температуры холодного периода года.

ежедневных, ежемесячных или ежегодных максимумов и минимумов.

Результаты расчета позволяют судить о климатических особенностях территории. Для определения климатических характеристик ЦФО округа использованы метеорологические наблюдения устойчивого климатического периода за 70—80 лет [9]. Температуры воздуха холодного периода года городов, представлены в таблице 1.

Продолжительность солнечного сияния по отношению к возможному определяется в %. Это есть отношение фактически наблюдавшегося солнечного сияния к теоретически вычисленному для данного пункта. Необходимыми условиями расчета являются безоблачное небо от восхода до захода солнца и открытость горизонта. Указанные характеристики солнечного сияния дают представление о сравнительной ясности неба в дневные часы. С увеличением облачности продолжительность солнечного сияния сокращается. Графики продолжительности солнечного сияния показаны на рис. 1.

Чиспо ветреных дней со скоростью ветра > 15 м/с представлено на рис. 2.

Количество атмосферных осадков в мм. показано на рис. 3.

Производительность труда и качество строительно-монтажных и строительно-ремонтных работ в зимний период года в значительной степени зависит от сочетания нескольких метеорологических параметров, например, температуры воздуха со скоростью ветра или относительной влажностью. Пособие по строительной климатологии содержит банк данных комплексных климатических параметров в виде сочетаний температуры наружного воздуха с его относительной влажностью или скоростью ветра с указанием повторяемости их возможного одновременного воздействия на объект [5]. Комплексные климатические параметры включают в себя температуры наружного воздуха с градацией значений через 2 °С со скоростью ветра с градацией значений

40 30 20 10

Брянск

Ноябрь декабрь январь

февраль

март

Курск

ноябрь декабрь январь февраль март Тула

ноябрь декабрь январь февраль март

Калуга

ноябрь декабрь январь февраль март

Рисунок 1. Солнечное сияние (отношение наблюдавшейся продолжительности к возможной, %).

Форма кривой продолжительности солнечного сияния г. Калуги характерна также для городов: Костромы, Москвы, Смоленска. Форма кривой продолжительности солнечного сияния для г. Курска характерна также для городов Воронежа и Тамбова.

строительная теплофизика и энергосбережение

Брянск

III

Ноябрь декабрь январь феврагъ март

Владимир

1 1,5

0,5 0

I

Ноябрь декабрь январь февраль март

Иваново

1,5

0,5

Mill

Ноябрь декабрь январь февраль март

2,5 2 1,5 1

0,5

Тверь

I I

/ / /

Калуга

2,5 2

0,5 О

1.1

У

Г * S* Москва

I I   I

ноябрь декабрь январь сЬевраль март

Кострома

* «Г

Орел

-1---г

J"

2,5

1,5

0,5

Смоленск

I I I I III

ноябрь декабрь январь февраль март

Тупа

ноябрь декабрь январь феврагъ март

2,5 2 1,5 1

0,5 0

Воронеж

III

-1---Г

У J

Я Г

1

0,5 О

Тамбов

lili

ноябрь декабрь январь февраль март

Рисунок 2. Ветер (число дней со скоростью > 15 м/с).

Формы диаграмм — г. Рязани близка к г. Иваново, г.Курска — к г. Орлу, г. Ярославля к г.Тамбову.

строительная теплофизика и энергосбережение

Тверь

60 У

40

20

0 л

ноябрь

Г

январь

Тупа

март

40 У (—

30

20

10 0 л __

ноябрь январь март

Липецк

38 /

36

34

32

30

78 Л

Г

ноябрь

Орел

40 30 20 10 0

ноябрь

январь

Курск

март

60 40 20 0

ноябрь

январь Тамбов

март

40

20

[Л

ш

г

январь

март

ноябрь январь

март

Рисунок 3. Атмосферные осадки (количество, мм).

Сходство диаграмм осадков наблюдается у г. Твери с городами: Брянском, Иваново, Москвой и Калугой; у г. Тулы с городами: Белгородом и Смоленском; у г.Курска с городами: Владимиром, Рязанью и Воронежем; у г. Липецка — с городом Ярославлем; у Тамбова с Костромой.

Иваново

Рязань

ноябрь декабрь январь февраль март Тула

ноябрь декабрь январь февраль март

Ярославль

ноябрь декабрь январь февраль март

ноябрь декабрь январь февраль март

Рисунок 4. Число дней с осадками > 0,1 мм.

Форма кривой числа дней с осадками г. Иваново характерна для городов Брянска, Владимира, Калуги, Костромы, Орла, Липецка и Белгорода. Форма кривой числа дней с осадками г. Рязани характерна для городов Москвы, Смоленска и Тамбова. Форма кривой числа дней с осадками г. Тулы характерна для города Воронежа. Форма кривой числа дней с осадками г. Ярославля характерна для городов Твери и Курска.

> Ъ Ъ А Я V V ъ ъ'

-Ф— Москва

^

Курск

Рисунок 5. Повторяемость скорости ветра за зимний период, %.

^ У />

'Ь4 ^ ьч Ьч А4 «Й4 —♦—Москва ——Курск Рисунок 6. Интервалы относительной влажности, %.

строительная теплофизика и энергосбережение

через 2 м/с, или относительной влажностью воздуха с градациями значений через 5%.

Комплексные климатические параметры учитывают интегральные повторяемости их элементов. Для обработки двух метеорологических параметров как двумерных случайных величин использован аппарат математической статистики. В данной работе показаны интегральные повторяемости скорости ветра и относительной влажности трех зимних месяцев: декабрь, январь и февраль, представленные в графической форме. Графики построены для двух городов, расположенных в ЦФО — Москвы и Курска. Результаты исследований приведены на рисунках 5 и 6.

При работах, связанных с нулевым циклом и прокладкой инженерных коммуникаций, востребованы знания глубины промерзания грунтов. Промерзание почвы на территории ЦФО определялось двумя способами [10-12]. Один из них по цементации почвы и наличию в ней кристаллов льда, путем вырубки монолитов для бурения почвы на определенных участках сельскохозяйственных полей, ежемесячно с ноября по март. Этот способ можно считать более точным, но он и более трудоемок. В последние годы промерзание почвы оценивается в основном по мерзлотомеру Данилина, в котором замеряется длина замерзшего столбика воды в резиновой трубке. Эта трубка входит в защитную трубу, устанавливаемую в почве, и вытягиваемую из нее при наблюдениях. В данной работе результаты наблюдений по мерзлотомеру не использованы из-за значительных отличий от данных, полученных методом вырубки монолитов или бурения почвы. Отличие обусловлено тем, что в резиновой трубке мерзлотомера наполняемой дистиллированной водой, вода замерзает при 0°. Замерзание же

почвы происходит при более низкой температуре, так как в ней имеются растворы солей.

Глубина и характер промерзания почвы, как и глубина проникновения температуры 0о в почву, зависит от многих причин от степени увлажненности ее, высоты снежного покрова, типа и почвы и ее состава, рельефа местности, от температуры поверхности и глубоких слоев почвы.

На участках с выпуклой формой рельефа, глубина промерзания почвы больше, чем на участках с вогнутой поверхностью. Это объясняется тем, что с высоких мест снег сдувается в более защищенные низкие места и высота снежного покрова там больше. Влагосодержание в вогнутых формах рельефа также больше.

В работе использованы данные Московской и Курской гидрометеорологических обсерваторий [10, 11 ] и — по Ивановской области [12 ].

Средняя глубина промерзания почвы, по данным Московской гидрометеорологической обсерватории, получена непосредственным подсчетом ежегодных данных из рядов наблюдений различной длительности, но не менее 10—12 лет. Исследования осуществлялись в пределах периода 1940—1962 гг. Наблюдения за промерзанием почвы проводили с ноября по март, в конце третьей декады, до конца 1957 г. Начиная с 1958 г. — только два раза за зиму: в третьей декаде января и февраля. Поэтому только для января и февраля имеются ряды наблюдений длительностью в 20-21 год. Наибольшая же глубина промерзания иногда наблюдается в марте.

Наблюдения над промерзанием почвы по данным Курской гидрометеорологической обсерваторией производились ежемесячно с ноября по март в середине третьей декады (25-го числа каждого месяца). Средняя глубина промерзания почвы по-

Из максимальных — Из максимальных —

за зиму за зиму

Пункт сред- мини- макси- Пункт сред- мини- макси-

няя маль- маль- няя маль- маль-

ная ная ная ная

Брянск 82 27 128 Смоленск 62 38 115

Владимир 79 44 114 Тула 72 26 142

Иваново 56 Ярославль 68 35 114

Тверь 75 33 158 Белгород 68 10 116

Калуга 64 25 100 Курск 73 35 120

Кострома 99 160 21 Воронеж 62 20 89

Москва 63 29 118 Липецк 56 37 70

Орел 92 59 142 Тамбов 76 34 132

Рязань 77 30 125

Таблица 2. Глубина промерзания почвы (см).

строительная теплофизика и энергосбережение

лучена непосредственным подсчетом ежегодных данных из рядов наблюдений различной длительности, но не менее 12—15 лет в пределах периода 1936-1960 гг.

В таблице также приведены наибольшая и наименьшая глубина промерзания за зиму, но вследствие короткости рядов наблюдений они являются приближенными. Глубина промерзания почвы за зиму для городской территории получена по данным ближайших метеорологических постов.

Следует учитывать, что наблюдения проводились в естественных условиях при наличии снежного покрова. Для этих условий почва обычно за зиму промерзает на 70-90 см, на отдельных станциях промерзание превышает и 100 см. В аномально холодные и малоснежные зимы (при высоте снега менее 10 см) промерзание может быть до 180-200 см.

Данные по глубине промерзания почвы могут быть использованы при работах нулевого цикла, а также для практических целей (при проектировании различных видов сооружений, прокладке труб и др.), когда необходимо знать хотя бы ориентировочную максимальную глубину промерзания.

Выводы

Впервые для оценки трудозатрат территории при производстве строительно-монтажных и строительно-ремонтных работ в зимнее время, в дополнение к традиционному делению территории России по температурным зонам с указанием зимних периодов, разработан широкий комплекс климатических параметров, устойчивого климатического периода.

При проведении исследований основное внимание уделено климатическим особенностям ЦФО территории РФ. В работе представлены характеристики отдельных элементов климата: солнечного сияния, температуры воздуха, ветра, атмосферных осадков и промерзания почвы. Материалы по глубине промерзания почвы могут быть использованы при работах нулевого цикла.

Реальная климатическая оценка территории застройки позволит улучшить условия труда, а следовательно, и повысить его производительность, при сокращении трудозатрат, что может привести к сокращению финансовых вложений в производство строительных работ. Существующие климатические отличия в системе нормирования трудозатрат могут быть учтены в соответствии с особенностями

проведения строительно-монтажных работ, а также технологии производства строительных работ.

Список литературы

1. ГСН- 81-05-02-2001 Сборник сметных норм до-

полнительных затрат при производстве строительно-монтажных работ в зимнее время.

2. ГСНр- 81-05-02-2001 Сборник сметных норм до-

полнительных затрат при производстве ремонтно-строительных работ в зимнее время.

3. Н.Г. Волкова. О связи строительства с изменени-

ем климата. Проблемы управления качеством городской среды. VII Международная научно-практическая конференция. М., Издательство Прима-Пресс. 2003 год.

4. СНиП 23-01-99* Строительная климатология. Гос-

строй России. 2003.

5. Строительная климатология. Справочное пособие к СНиП. М., 2006 г.

6. Научно-прикладной справочник по климату СССР.

Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Выпуски 1-34, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1990 г.

7. Метеорологический ежемесячник. Вып. 8. Часть

II. №1-12. 1980-2004 гг.

8. Н.Г. Волкова. Температурное зонирование тер-

ритории России по зимним условиям. М., НИ-ИСФ РААСН, 2006 г.

9. Л.Г. Конюхова, В.В. Орлова, Ц.А. Швер. Клима-

тические характеристики СССР по месяцам. Под ред. Н.В.Смирновой. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.

10. Справочник по климату СССР. Выпуск 8. Ярославская, Тверская, Московская, Владимирская, Смоленская, Калужская, Рязанская и Тульская области. Ч. II Температура воздуха и почвы. Гидрометеорологическое издательство. Л. 1965 г.

11. Справочник по климату СССР. Выпуск 28. Тамбовская, Брянская, Липецкая, Орловская, Курская, Воронежская и Белгородская. Ч. II. Температура воздуха и почвы. Гидрометеорологическое издательство. Л. 1965 г.

12. Справочник по климату СССР. Выпуск 29. Ивановская, Костромская, Кировская, Горьковская области, Марийская, Удмуртская, Чувашская, Мордовская АССР. Ч. П. Температура воздуха и почвы. Гидрометеорологическое издательство. Л. 1964 г.