Оценка разрушающего воздействия снежной лавины на легкие инженерные сооружения

ОЦЕНКА РАЗРУШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СНЕЖНОЙ ЛАВИНЫ НА ЛЕГКИЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

С.Л. Карпов,

ФГБОУ ВПО Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

При компьютерном моделировании движения лавиноопасных снежных масс и последствий схода лавин необходимо учитывать широкий класс физических явлений, таких как динамика эволюции снежной массы, аккумуляция снега на склоне, а так же непосредственно сам процесс схода снежной лавины [1]. Предлагаемая модель учитывает влияние внешних факторов и воздействий на снежную массу, геометрию склонов, механическое движение отдельных элементов снежной массы, их упруго-пластичное взаимодействие, термодинамические процессы, протекающие в толще снежной массы, приводящие к модификации свойств отдельных элементов снега.

В данной модели здание рассматривается как единый недеформируемый объект, способный перемещаться в пространстве под действием снежной лавины. Двумерный вариант модели вполне адекватно описывает смещение здания вниз по склону и опрокидывание относительно одного из ребер здания в форме параллелепипеда. Форму и размеры здания можно изменять, что позволяет проверить в модели влияние геометрических параметров строения на величины смещения и опрокидывания здания [2].

Для унификации подхода к моделированию воздействия снежных лавин на различные объекты в данной модели предполагается, что легкое строение покоится на столбчатом фундаменте. Задавая различные пределы разрушения и силу трения в точках закрепления, можно воспроизвести в модели различные виды движения под действием лавины, например, только опрокидывание без смещения (при большом коэффициенте трения) или только смещение без опрокидывания (при малом коэффициенте трения).

Разработан алгоритм расчета разрушающего воздействия со стороны совокупности элементов снега на легкое строение. На основе этого алгоритма для выполнения необходимых для модели расчетов и исследования модели разработана компьютерная программа "Программа для моделирования смещения и опрокидывания здания под воздействием лавины".

Программа позволяет задать основные параметры здания, снежной массы, рельефа склона и рассчитать показатели смещения и опрокидывания здания, и энергетического воздействия на здание. В качестве рельефа поверхности так же, как и в предыдущей модели, выбран прямолинейный склон с насыпью, на которой расположено здание.

Из многочисленных параметров лавинообразующей снежной массы выбран один из наиболее важных параметров - начальная толщина снежного покрова Ис. Основным параметром рельефа местности является угол склона а. Из параметров, характеризующих здание, для исследования выбраны следующие: высота насыпи, на которой расположено здание, над склоном Нзд, масса здания тЗ; эффективный

57

коэффициент трения здания о поверхность &гр.эф., косвенно характеризующий прочность фундамента здания.

Среди показателей поражающего действия лавины на здание далее анализируются следующие: зависимость от времени смещения центра тяжести здания в горизонтальном направлении от начального положения под действием лавины £см(0; зависимость от времени угла наклона здания фн(0; максимальное смещение здания в горизонтальном направлении Ьсмм; максимальный угол наклона здания фн.м; максимальная сила, действующая на здание в горизонтальном направлении ^ок; максимальное давление на полувысоте стены здания Р05. По данному параметру можно судить о том, вызовет ли лавина разрушение окон, дверей, пролом стен.

Таким образом, дальнейшее исследование модели заключается в изменении параметров снежной массы, рельефа местности, здания и определении их влияния на показатели поражающего действия лавины.

а, град.

40

30

20

0,25 0,50 0,75 ¿сн, м

Р ис. 1. Номограмма для определения поражающего д ействия лавины на здание по известным толщине снежного покрова Нсн и углу склона а

В рамках данной модели поражающая способность лавины определяется двумя основными параметрами: толщиной снежного покрова ¿сн и углом склона а. Поэтому проведено двухфакторное исследование: серия из 16 компьютерных экспериментов, в которой ¿сн варьировали на четырех уровнях 0,25, 0,50, 0,75 и 1,00 м, а угол склона а - также на четырех уровнях 20, 30, 40, 50°. Для удобства восприятия результатов построена номограмма вариантов воздействия лавины на здание (рисунок 1). Данная номограмма может быть полезна для быстрого определения сотрудниками МЧС лавинной опасности для зданий и последующего принятия решений по проведению профилактических или защитных мероприятий.

Анализируя номограмму можно заключить, что наибольшая опасность для легких монолитных зданий, несущая высокий риск опрокидывания, будет в случае толщины снежного покрова более 0,8 м на углах склона более 30°. Существенное смещение зданий может происходить при всех рассматриваемых

58

\ срыв с \ фунда-\ мента \ увлечение здания \ лавиной опрокидывание здания

\ \

удар без смещения и опрокидывания здания \\ 4

углах склона, если толщина снежного покрова превышает величину от 0,5 м (для больших углов склона около 50°) до 0,7 м (для малых углов склона около 20°). Наиболее безопасный вариант воздействия на здание - без отрыва от фундамента - реализуется в случае углов склона менее 30-35° и толщины снежного покрова менее 0,45-0,55 м.

Обнаружено, что форма рельефа перед зданием существенно влияет на показатели поражающего действия лавины. Так, при толщине снежного покрова 0,6 м и угле склона 30° происходило гарантированное опрокидывание здание при всех значениях Изд менее или равных 1 м. Однако уже начиная с высоты Изд = 2 м действие лавины практически не вызывает смещения здания и его существенного наклона. Такая существенная зависимость поражающего действия от формы углубления или выступа рельефа перед зданием может быть объяснена следующим образом. Наибольшее поражающее воздействие оказывает нижняя часть лавины высотой до 0,6...1,2 м.

Если здание расположено на насыпи, нижняя часть лавины воздействует на насыпь и основная часть энергии лавины рассеивается в углублении перед зданием. Однако, если перед зданием нет углубления или даже здание «утоплено» в склон, нижняя часть лавины оказывает воздействие непосредственно на здание, что приводит к гораздо более выраженным смещению и углу наклона.

Таким образом, здания на горных склонах целесообразно размещать так, чтобы между зданием и склоном было углубление глубиной не менее 3 м, в котором будет рассеиваться основная часть энергии лавины. Высокую опасность представляет размещение зданий в углублениях рельефа, так как слой лавины, обладающий наибольшей энергией будет воздействовать непосредственно на здание.

Список использованной литературы

1. Александров К.В. Основные параметры снежных лавин и алгоритм их расчета [Текст] / К.В. Александров, Н.В. Северов // Технологии техносферной безопасности. - Вып. № 2 - 2008. - С. 1-6.

2. Соловьев А.С. Математическое моделирование поведения снежной массы на горном склоне/ А.С. Соловьев, О.М. Лебедев, А.В. Калач // Вестник ВГТУ. -2011. - Т.7. - №4. - С.115-117.