Страница не найдена
Страница не найдена
|
|
К вопросу о региональном и локальном уровне загрязнения атмосферы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»
Вестник Челябинского государственного университета.
2010. № 8 (189).
Экология. Природопользование. Вып. 4. С. 5-10.
общие вопросы экологии и природопользования
С. М. Абдуллаев, И. В. Грачёва, Ю. А. Сапельцева, С. Г. Агеев
к вопросу о региональном и локальном уровне загрязнения атмосферы
Данные о химическом составе осадков в Уральском регионе (1970-2000) и снеговом покрове г. Касли (1992-1993) используются для оценки регионального и локального уровня загрязнения атмосферы. Показано, что в последние десятилетия в регионе наблюдается рост минерализации и рН атмосферных осадков, сопровождающийся изменением вклада отдельных макрокомпонент, а локальный уровень загрязнения снега г. Касли растворимыми компонентами является промежуточным между промышленными и сельскохозяйственными районами. Обсуждаются вопросы о связи минерализации и рН осадков.
Ключевые слова: загрязнение среды, химический состав атмосферных осадков, мониторинг загрязнения снежного покрова.
Южно-Уральский регион характеризуется высоким уровнем загрязнения воздушной среды, обусловленным развитием чёрной и цветной металлургии, горнодобывающей отрасли промышленности и энергетики.
В то же время регулярный мониторинг загрязнения воздуха ведётся лишь в трёх городах области: Челябинске, Магнитогорске и Златоусте. В остальных промышленных городах наблюдения носят в лучшем случае эпизодический характер. В целом можно сказать о том, что сеть локального мониторинга области явно не достаточна, а региональный мониторинг загрязнения воздуха не ведётся. Одним из возможных способов оценки изменения уровня и пространственных масштабов локального загрязнения в городах является исследование химического состава снегового покрова. Однако в такого рода работах всегда возникают вопросы, касающиеся уровня фонового регионального загрязнения атмосферных осадков, дороговизны химических анализов, количественного сопоставления уровней загрязнения различных территорий, необходимого для оценки воздействия крупных объектов на среду, например, Южно-Уральской АЭС. Как будет показано ниже, частичным решением этой проблемы является оценка минерализации, кислотности и основных ионов в снеговом покрове и атмосферных осадках на отдельных метеостанциях.
Работа состоит из двух частей. В первой части на основе обработки данных мониторинга химического состава атмосферных осадков, выпадавших на Южном Урале и сопредельных территориях в 1970-1975 и 1993-2006 гг., обнаружена
зависимость показателей минерализации и кислотности осадков от природных условий и антропогенной нагрузки в пунктах наблюдений. Во второй части по данным мониторинга снегового покрова в г. Касли и Кыштым в 1992-1993 г. показано, что аналогичные зависимости наблюдаются в локальных масштабах.
химический состав осадков Уральского региона. Рассматриваемые нами метеостанции расположены как в крупных городах (Челябинск, Курган, Уфа) и районах интенсивного промышленного освоения (ст. Богданович, В. Дуброво, Невьянск, Краснотурьинск, Кудымкар и др.) с чётко выраженным техногенным влиянием на атмосферу, так и в удалённых от них районах преимущественно сельскохозяйственного освоения (ст. Мирный, Варна, Шатрово, Лебяжье, Памятная, Усть-Чёрная, Вая и др.).
Результаты исследования выявили три основных фактора пространственно-временной изменчивости химического состава атмосферных выпадений.
Во-первых, обнаружена взаимосвязь минерализации и кислотности атмосферных осадков с характером техногенного освоения исследуемого региона. Минерализация дождевых и снеговых осадков в зонах размещения крупных промышленных предприятий составляет в среднем 30-45 мг/л (рис. 1), что в 1,5-2 раза больше, чем в слабо освоенных районах (20-27 мг/л).
Подобная закономерность характерна и для концентраций основных анионов НСО3 , $04 , С1- и катионов Са2+ и Mg2+. В осадках промышленных районов средневзвешенное по массе
Рис. 1. Средневзвешенные значения минерализации и концентраций ионов в атмосферных осадках
содержание сульфат-ионов составляет 9,816,4 мг/л, гидрокарбонат-ионов — 7,7-11,5 мг/л, ионов кальция — 3,8-6,4 мг/л, ионов магния — 1,3-1,8 мг/л, то есть в 1,5-2 раза больше, чем в районах с преобладающим сельским хозяйством. Разница в соотношении хлорид-ионов также наблюдается, хотя выражена слабее.
Во-вторых, дифференцированный анализ химического состава твёрдых и жидких выпадений выявил следующую закономерность.
Осадки холодного периода более минерализованы, нежели осадки тёплого периода (см. рис. 1). Таким образом, в процессах вымывания загрязняющих веществ из атмосферы важную роль играет фазовое состояние выпадающих осадков.
Кроме того, осадки в виде снега характеризуются высоким содержанием сульфат-ионов, определяя значительную долю ионов SO42 – в общей минерализации осадков именно в зимний период. Это обстоятельство, очевидно, объясняется увеличением серосодержащих выбросов топливно-энергетического комплекса вследствие сжигания топлива, что, в свою очередь, является результатом высокого потребления энергии в холодное время года.
В-третьих, при сопоставлении двух периодов — 1970-1975 и 1993-2001 гг.— обнаружена общая тенденция к повышению минерализации (в среднем на 7 мг/л) и изменению относительного содержания ионов (рис. 1, 2). Рост минерализации, как видим, обусловлен увеличением гидрокарбонатов в среднем на 3 мг/л и ионов кальция — на 1,5 мг/л. Как следствие, в 1990-х гг. значительно увеличилась доля гидрокарбонатов: с 21-26 до 24-40 %.
Содержание сульфат-ионов, напротив, снизилось. Это, очевидно, объясняется снижением выбросов серосодержащих загрязняющих веществ, что, в свою очередь, является результатом природоохранных мероприятий 1980-х гг. Причём снижение концентраций ионов SO4- отмечалось как в осадках, выпадавших в районах размещения крупных предприятий промышленности, так и в районах с меньшей техногенной нагрузкой. Таким образом, прослеживается влияние крупных источников выбросов на региональном уровне.
Результаты анализа кислотности выпадающих осадков также выявили взаимосвязь водородного показателя рН, подобно минерализации, со степенью техногенной нагрузки. Дождевые и снеговые осадки, выпадающие на метеостанциях, расположенных непосредственно в зоне влияния выбросов крупных промышленных предприятий, имеют более высокие значения и составляют порядка 5,8-6,0 единиц в 1970-1975 гг. и 6,4-6,5 единиц в 1993-2001 гг. В районах с меньшей техногенной нагрузкой значения рН находятся в пределах 5,7-5,9 единиц в 1970-х гг.
и 6,2-6,3 единиц в 1990-х. Хотя осадки рассматриваемых нами периодов относятся к слабокислым, в 1990-х гг. величина рН приблизилась к верхней границе данной категории, что особенно заметно для осадков промышленных городов. Основной вклад в процесс «подщелачивания» осадков, очевидно, вносят анионы НСО3 и катионы Са2+, Mg2+, нейтрализующие кислотную составляющую, представленную главным образом анионами SO4 -.
1970-1975 гг.
1993-2001 гг.
Г идрокарбонаты II Нитраты Сульфаты
Другие ионы
Рис. 2. Относительный вклад основных ионов в минерализацию атмосферных осадков тёплого (вверху)
и холодного (внизу) периодов 1970-1975 и 1993-2001 гг.: а) в районах интенсивного промышленного освоения; б) в слабо освоенных районах
Анализ химического состава атмосферных осадков, выпадавших на территории Южного Урала и сопредельных территорий, выявил значительную зависимость изменения показателя рН от их общей минерализации (коэффициент корреляции 0,61). С увеличением минерализации атмосферных выпадений происходит и рост величины рН (рис.
3).
О связи между уровнем рН и твёрдыми выбросами говорят следующие факты. Значения рН осадков в пунктах, расположенных непосредственно в черте крупных городов (Челябинск и Курган), в отдельные периоды значительно превышали региональный фон, характерный для ст. Памятная, входящей в сеть фонового мониторинга Глобальной службы атмосферы
Водородный показатель pH
Сумма ионов, мг/л
Рис. 3. Зависимость величины рН от минерализации атмосферных осадков по данным станций Уральского региона в 1993-2001 гг.
Всемирной метеорологической организации. Средневзвешенные значения рН в городах по сезонам года достигали 7-8 единиц.
В течение 1996-2006 гг. произошло увеличение концентраций ионов водорода в атмосферных осадках Кургана практически на два порядка. Уменьшение рН объяснимо сменой используемого топлива с угля на газ в теплоэнергетике [1]. Коэффициент корреляции между массой выбросов твёрдых частиц и значениями рН достигает 0,81 в холодный период и 0,67 в тёплый.
В Челябинске с 2007 г. отмечено снижение щёлочности атмосферных осадков. Содержание Н+ повысилось на порядок, наметился переход осадков из категории щелочных в слабокислые. Кислотность атмосферных осадков Челябинска также определятся структурой выбросов промышленности [Там же].
Анализ загрязнения на локальном уровне. Для оценки загрязнения снегового покрова в г. Касли и Кыштым проведена обработка первичных данных химического анализа растворимых и нерастворимых компонентов проб снежного покрова, полученных посредством полевых изысканий НПП «Прогноз» в 1992-1993 гг. Здесь мы приводим только часть результатов, полученных в ходе разработки отчёта [2]. Среднее содержание пыли в снежном покрове города составляет 680-750 мг/л при минимальных значениях, характеризующих фон 40-80 мг/л и максимумов в 3000-4000 мг/л. На рис. 4 представлена концентрация запылённости снежного покрова в зимний период 1991-1992 и 1991-1993 гг.
Основной максимум запылённости со значениями более 1 г/л располагаются в центральной, административной части города, согласуясь также с положением машзавода и розой ветров.
Здесь же проходят основные транспортные линии. Запылённостью более 0,5 г/л характеризуются ближайшие окрестности ДРСУ, улицы к юго-востоку от машзавода, участок к юго-востоку от базы промкомбината и к востоку от коллективного сада им. Первого мая. Минералогический анализ показывает, что эти пыли на 90 % состоят из естественных минералов.
Около 10 % массы пылей можно определённо отнести к техногенным образованиям — это преимущественно углистые образования и примазки, содержащие токсичные металлы и мышьяк. Анализ химического состава инфильтрата установил, что, несмотря на очевидную изменчивость источников загрязнения и метеороло-
гических условий распространения примесей, в течение около 2 лет среднее относительное содержание ряда элементов (М, ТС) в пылях (мкг/ кг) практически не меняется. Относительное содержание других элементов, таких как медь и цинк, испытывает значительные колебания, что свидетельствует о нестационарном характере их источников.
При диапазонах изменений от 16 до 260 мг/л в среднем минерализация (сумма ионов) снежного покрова составляет 48 мг/л, что говорит об относительно малом массопотоке растворимых аэрозолей в г.
Касли по сравнению с нерастворимыми пылями (1:10-1:20). Поскольку это значение приблизительно равно среднему значению минерализации осадков в зонах промышленного освоения (47 мг/л, см. выше) и в два раза больше, чем в регионах преимущественно сельскохозяйственного освоения (27 мг/л), то можно было бы сделать вывод о том, что район г. Касли относится к районам высокого промышленного освоения. Однако следует учесть, что время экспозиции снега сухим выпадениям намного больше, чем проб осадков. Как показывает пространственное распределение суммы основных ионов (рис. 4), в локальных максимумах, приуроченных к объектам с наибольшими выбросами загрязняющих веществ (машзавод, промкомбинат, ул. Коммуны) и организующих полосу северо-западной ориентации, сухие выпадения могут превышать средние значения в два-три раза.
Аналогичные выводы можно сделать из анализа рН: в среднем по территории города фильтрат снега имеет более щелочную реакцию (6,48) нежели рН ~ 5,6 чистых атмосферных осадков и соответствуют средним значениям рН = 6,5 в снеге и дожде зон интенсивного промышленного освоения и несколько более щелочную, чем в сельскохозяйственных районах.
В то же время, как и для минерализации, наблюдаются значительные неоднородности распределения рН снега (рис. 5). Область со значениями рН больше 6,5 охватывает территорию, прилегающую к хлебозаводу,— ул. Орджоникидзе и Куйбышева, автовокзал, маш-завод, ул. Некрасова и 8 марта, ДРСУ, где локальные максимумы достигают 7,2-7,4 единиц. Очевидно, что эти локальные максимумы рН приурочены к областям повышенной минерализации (с коэффициентом корреляции более 0,5), подтверждая ранее сделанные предположения,
Рис. 4. Концентрация пыли (г/л, слева) и минерализация (мг/л, справа) в снежном покрове г. Касли
Рис. 5. Распределение рН (слева) и сульфат-ионов (мг/л, справа) в снежном покрове г. Касли
касающиеся геохимической обстановки городов Урала [1].
= 5,7 и северо-восточной и восточной окраине минимум рН = 5,9. Как видим из рис. 4, локаль-
С другой стороны, на окраинах города на- но высокие значения сульфат-ионов практиче-
блюдается область с рН ниже 6 единиц.
В по- ски совпадают с максимумами рН, что свиде-
лосе пониженных значений минерализации на тельствует об одновременном выбросе боль-
юго-западе города наблюдается минимум рН шого количества подщелачивающих примесей
от промпредпритий (схожие результаты получены и для г. Кыштыма).
Аналогично, значения концентраций сульфат-иона 12 мг/л (см. рис. 5), несколько меньше, чем в среднем в осадках промышленных центров (14 мг/л), а содержание гидрокарбонатов, азотсодержащих солей и концентрации щелочных металлов приближается к соответствующим значениям для промышленных районов. С учётом разностей в длительности экспозиции снега и проб осадков можно утверждать, что степень антропогенного воздействия в г. Касли занимает промежуточное положение между районами интенсивного и слабого промышленного освоения. Предварительно можно сказать, что сухие выпадения растворимых компонент в зимний период в среднем составляют около 20 мг/л, то есть не менее половины выпадает с осадками. На фоне умеренных значений минерализации и слабого подщелачивания (рН = 6,5) выделяются отдельные их максимумы, приуроченные к основным источникам загрязнения.
Таким образом, обработка данных химического состава осадков в Уральском регионе и снеговом покрове г. Касли показала, что снеговая съёмка, дополненная данными об уровне регионального загрязнения, может использоваться для оценки уровня локального загрязнения атмосферы и локализации источников выбросов.
Показано, что в последние десятилетия на региональном уровне наблюдается рост минерализации и рН атмосферных осадков, сопровождающийся изменением вклада отдельных макрокомпонент. Очевидна связь между высокими значениями минерализации и рН осадков.
Предварительно можно говорить о том, что локальный уровень загрязнения снега г. Касли растворимыми компонентами является промежуточным между промышленными и сельскохозяйственными районами. В ближайшее время нами будет представлен дополнительный анализ ситуации в г. Кыштыме и Челябинске.
Список литературы
1. Абдуллаев, С. М. Оценка жизненного цикла природно-антропогенных систем / С. М. Абдуллаев, Е. Г. Кораблёва, Ю. А.
Сапельцева, А. В. Егорова, В. А. Бабинцева, Е. А. Неверова // Вестн. Челяб. гос. ун-та. 2008. № 17. Экология. Вып. 3. С. 41-53.
2. Плохих, Н. А. Отчёт о результатах снеговой съёмки г. Касли в 1993 г. / Н. А. Плохих, И. В. Грачёва ; Челяб. обл. центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Челябинск, 1993. 64 с.
ICC Code Load Duration Factors
ICC CODE COUNTS СТАТЬЯ: ИЮНЬ 2017
HED: ОБЪЯСНЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРУЗКИ Должностные лица, которые какое-то время занимались деревянным каркасным строительством, вероятно, знают о коэффициентах продолжительности нагрузки, официально обозначенных как C
D . Например, если здание рассчитано на снеговые нагрузки, они, вероятно, знают, что фермы крыши могут быть рассчитаны с коэффициентом продолжительности нагрузки 1,15. С другой стороны, если решающим фактором является ветер, они знают, что стропильные фермы могут быть спроектированы с классом прочности C 9.0009 D = 1,6.
Но на этом, наверное, понимание длительности загрузки заканчивается. Действительно, несмотря на то, что они постоянно видят факторы C D , подавляющее большинство тех, кто работает в строительной отрасли, могут не до конца понимать, как они определяются, какие особые качества древесины позволяют использовать их, и присущую им эффективность проектирования. .
Коэффициенты продолжительности нагрузки для древесины не упоминаются напрямую в Международных строительных нормах (IBC) или Международных жилищных нормах (IRC). Они упоминаются в Национальной спецификации проектирования (NDS) для деревянных конструкций Американского совета по дереву, которая является эталонным стандартом в обоих кодексах (ANSI/AWC NDS-2015).
ПОНИМАНИЕ ФАКТОРОВ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРУЗКИ
Чтобы понять это явление, сравните свою руку с деревянной балкой. У обоих есть волокна (мышечные волокна в руке, целлюлозные волокна в древесине), и оба обладают «допустимой» силой, которую они могут безопасно поддерживать, не повреждаясь.
Как и деревянная балка, мышцы вашей руки (волокна) позволяют вам держать руку перпендикулярно телу (параллельно земле) в течение длительного периода времени.
Без дополнительного веса вы могли бы держать руку таким образом довольно долго. Но если вы добавите веса в руку, то время, в течение которого вы сможете ее удерживать, сократится. Чем больший вес вы добавили, тем меньше времени вы сможете удерживать его прямо.
Если вас попросят поднять «тяжелый» груз, вы сможете поднять его и удерживать параллельно земле, но только несколько секунд. С нашей мышцей руки существует «допустимая» нагрузка, которую мы можем выдержать, не повреждая мышечное волокно. Вы можете думать об этом как о факторе безопасности, который определяет максимально допустимую нагрузку, которую ваша рука может выдержать в течение определенного периода времени. Если вы слишком долго нагружаете руку слишком большим весом, этот фактор безопасности снижается, и мышечные волокна могут быть повреждены.
Только для наглядного ознакомления, вот как работает концепция продолжительности нагрузки с древесиной.
Благодаря многочисленным научным испытаниям, подтвержденным временем, общепризнанным фактом является то, что древесине присуща эффективность, которая позволяет «перегружать» ее на заданный процент без снижения коэффициента запаса прочности при условии, что общее время ее перегружена, не превышает заданного количества накопленного времени (ключевое слово: накопленное). Используя эти установленные коэффициенты продолжительности нагрузки, специалисты строительной отрасли могут быть уверены, что их здания спроектированы наиболее эффективно и могут выдерживать эти повышенные нагрузки без снижения коэффициента безопасности от повреждения пиломатериалов.
КАК ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРУЗКИ
Коэффициенты продолжительности нагрузки используются только в расчете допустимых напряжений (раздел 2306.1 IBC 2015 г.), который включает коэффициент безопасности, который отделяет допустимую нагрузку от предельной нагрузки. Расчет прочности, также называемый LRFD, также учитывает продолжительность нагрузки, но напрямую не использует коэффициент C D таким образом.
Коэффициенты продолжительности нагрузки были определены для различных строительных ситуаций, и первоначальные испытания начались в 19 веке.40с. Наиболее типичные факторы, используемые сегодня, получены из графика, подобного приведенному здесь.
ВОТ НЕКОТОРЫЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СЛУЧАИ:
- Статическая нагрузка: Статическая нагрузка является постоянной и постоянной (Раздел 1606.1 IBC 2015). Под статической нагрузкой (без приложения какого-либо другого типа нагрузки) деревянная конструкция имеет снижение допустимого напряжения и использует C D 0,9. Это означает, что допустимое напряжение древесины должно быть уменьшено на 10 процентов.
- Полы: деревянные балки и фермы, используемые в полах, обычно имеют 1,0 C D , что означает, что они могут безопасно подвергаться нагрузке при 100 % допустимой расчетной нагрузки в течение 10 лет. Cd = 1,0 называется нормальной продолжительностью, поскольку допустимое напряжение не увеличивается и не уменьшается.
- Snow: 1.15 C D используется для крыш, рассчитанных на снеговые нагрузки. Испытания показали, что древесина может безопасно выдерживать 15-процентное увеличение максимально допустимой нагрузки, если общее накопленное время под этой нагрузкой не превышает двух месяцев.
- Ветер и сейсмостойкость: Здания, подверженные землетрясениям или ветру, используют 1.6 C D . Это означает, что деревянные компоненты могут безопасно выдерживать 60-процентное увеличение максимально допустимой нагрузки при условии, что общее накопленное время под этой нагрузкой не превышает 10 минут.
Здания рассчитаны на несколько вариантов нагрузки (постоянная нагрузка, статическая + динамическая, стационарная + динамическая + ветровая и т. д.). См. Раздел 1605.3 IBC 2015 для всех других комбинаций нагрузок. При проектировании для этих нескольких сценариев для этого конкретного случая нагрузки используется коэффициент продолжительности нагрузки, связанный с нагрузкой, имеющей самый короткий период времени.
В принципе, каждое загружение проверяется с использованием соответствующего C D , чтобы определить, какой из них управляет конструкцией этого конкретного компонента. Суть в следующем: если пиломатериал будет подвергаться перенапряжению за пределами коэффициентов его продолжительности нагрузки и в течение более длительного периода времени, чем разрешенный период времени, коэффициент запаса прочности от необратимого повреждения будет снижен. В крайнем случае, когда в течение длительного времени применяется высокая нагрузка, компонент может выйти из строя.
ЭЛЕМЕНТ ВРЕМЕНИ В КОЭФФИЦИЕНТАХ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРУЗКИ
В этот момент вы можете задаться вопросом о количестве времени, связанном с коэффициентами продолжительности нагрузки: кажется, что достаточно мало времени, прежде чем будет нарушена внутренняя безопасность. Есть ли 1.0 C D означает, что система пола прослужит только 10 лет, прежде чем она может выйти из строя, или что 1,15 C D для крыши означает, что она может продержаться только два месяца под снегом, прежде чем она рухнет? Ответ «Нет», по крайней мере, для подавляющего большинства структур.
Этот вопрос поднимает тонкую и иногда трудную для понимания концепцию факторов продолжительности нагрузки: Общее накопленное время ниже максимально допустимая расчетная нагрузка .
Пример поможет пояснить это. Предположим, что ферма деревянного перекрытия, соединенная металлическими пластинами, используется в коммерческом офисном полу с заданной расчетной нагрузкой 50 фунтов на квадратный фут в рабочем состоянии и 15 фунтов на квадратный фут в нерабочем состоянии. Кроме того, давайте предположим, что ферма была эффективно спроектирована для требуемого пролета и межосевого расстояния, и что изгибающий момент менее 65 фунтов на квадратный фут точно равен 100 процентам максимально допустимого изгибающего момента. Наконец, если мы предположим, что динамическая нагрузка 50 фунтов на квадратный фут была фактически приложена в обычные рабочие часы, у нас будут необходимые условия для того, чтобы деревянный элемент был нагружен до максимально допустимой расчетной нагрузки.
Будет 10-летний общий накопленный период времени для безопасного сопротивления этого пола 65 фунтов на квадратный фут.
Однако ключевое слово — «накопленное время». Если бы пол загружался по восемь часов в день в течение 260 рабочих дней в году, он израсходовал бы 2080 часов из этого 10-летнего периода. Это всего лишь 2,4 процента от «общего накопленного периода» за первый год, и при таких темпах потребуется более 41 года, чтобы полностью израсходовать весь 10-летний период. Также маловероятно, что динамическая нагрузка 50 фунтов на квадратный фут будет применяться каждый рабочий день в течение 41 года, и как только фактическая приложенная нагрузка упадет ниже максимально допустимой нагрузки, «часы» перестанут тикать. Наконец, и это важно, если бы ферма перекрытия была сконструирована таким образом, что максимальный изгибающий момент при приложении общей нагрузки 65 фунтов на квадратный фут был бы меньше максимально допустимого момента, часы никогда бы не начали тикать.
Этот последний сценарий имеет место во многих проектах.
Wood имеет своего рода внутренние часы, и каждый C D безопасно использует их преимущества на основе кривой времени продолжительности нагрузки. Эти часы начинают тикать только тогда, когда приложенная нагрузка достигает максимально допустимой нагрузки, умноженной на C D . Для снега, если расчетная снеговая нагрузка на крышу составляет 30 фунтов на квадратный фут, а максимальный комбинированный индекс напряжения равен 0,93 для фермы крыши, двухмесячные внутренние часы даже не запустятся.
Таким образом, половые или кровельные системы лишь в редких случаях могут испытывать 100-процентную расчетную нагрузку в течение десятилетий эксплуатации, но даже если они это делают, они все равно сохраняют предполагаемый коэффициент запаса прочности.
ПОЧЕМУ ВАЖНЫ ФАКТОРЫ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ НАГРУЗКИ
Так почему все это имеет значение? Одним словом эффективность. Архитекторы и инженеры используют коэффициенты продолжительности нагрузки для создания более эффективных деревянных конструкций.
Это связано с тем, что коэффициенты C D позволяют безопасно перенапрягать древесные волокна, что приводит к более эффективной конструкции.
Например, используя Cd = 1,15, проектировщик ферм может спроектировать систему крыши, чтобы безопасно выдерживать предусмотренную нормами снеговую нагрузку, более экономично, чем при Cd = 1,0. Оба были бы безопасными, но один стоил бы дороже, чем другой, при прочих равных условиях.
Без факторов продолжительности нагрузки деревянные каркасные дома все еще были бы безопасными, но они были бы излишне перепроектированы и менее экономичны. Коэффициенты продолжительности нагрузки учитывают перенапряжение пиломатериала без снижения коэффициента запаса прочности, связанного с конструктивными свойствами пиломатериала.
Следует отметить, что C D не применяется к модулю упругости E (жесткость при изгибе) или к перпендикулярному зерну несущему усилию F cperp .
Неудивительно, что все конструкции из дерева сегодня основаны на факторах продолжительности нагрузки – независимо от того, полностью ли они изучены или нет.
{Заявление о раскрытии информации}
Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, принадлежат MiTek USA, Inc. и не обязательно отражают точку зрения Международного совета по кодексам или Hanley Wood.
Продолжительность нагрузки — это традиция деревянного дизайна
Что это такое, откуда взялось и как используется?
Древесина имеет уникальную структурную характеристику: ее способность выдерживать более высокие нагрузки за более короткие периоды времени. Эта характеристика учитывается во время проектирования с помощью так называемого коэффициента продолжительности нагрузки (LDF). Обычно он применяется за кулисами, и проектировщику ферм не нужно ничего о нем знать, потому что он привязан к условиям нагрузки на ферму, а отраслевое программное обеспечение автоматически использует коэффициенты LDF для проектирования фермы. Учитывая, что это свойство является уникальным для дерева, проектировщикам ферм и строительных конструкций в отрасли, в значительной степени основанной на древесине, стоит полностью понять, что это за фактор и как он может повлиять на их проекты.
Подумайте о нагрузках, которые вы обычно видите в здании. Вес материалов, из которых состоит здание, или фактическая статическая нагрузка присутствуют в здании со дня постройки здания до его сноса. Фактическая статическая нагрузка и расчетная статическая нагрузка могут (и часто бывают) разными, при этом расчетная статическая нагрузка больше, чем фактическая статическая нагрузка. Строительные проекты всегда могут быть выполнены с фактическими статическими нагрузками, если они хорошо известны.
Временные нагрузки меньше воздействуют на здание, но часть их все же приходится на весь срок службы здания. Временная нагрузка на крышу возникает редко, а если и случается, то в течение очень короткого промежутка времени. Типичная динамическая нагрузка на крышу (не снег, который также считается динамической нагрузкой) — это хождение по крыше во время ремонта, просмотр с крыши фейерверка 4 июля и время от времени падение дерева на вашу крышу. Каждое из этих событий по праву считается кратковременным нагружением.
Нажмите, чтобы увеличить.
Все это относится к идее продолжительности нагрузки, которая представляет собой накопленное количество времени в течение срока службы здания, в течение которого будут прилагаться нагрузки. Все эти нагрузки относятся к «нормальной» нагрузке, которая определяется как «10-летняя продолжительность нагрузки».
Для справки, динамические нагрузки считаются нормальными нагрузками. В таблице 2.3.2 из НСР 2018 года показаны коэффициенты продолжительности нагрузки для различной продолжительности нагрузки (эту таблицу также можно найти в таблице 6.4-1 в TPI 1-2014). Концепция LDF основана на концепции упругости инженерной механики. Упругость означает, что при приложении нагрузки к дереву оно деформируется, а при снятии нагрузки с дерева возвращается в исходное положение. Давным-давно в Лаборатории лесных товаров были проведены испытания, чтобы придать древесине особую характеристику, называемую LDF, для учета двух вещей: 1) древесина очень эластична; и 2) чем больше нагрузка на древесину, тем больше деформация ползучести происходит с течением времени.
Хорошим примером является сгибание критерия. Его можно часто сгибать и возвращать в исходное положение. Однако если вы поместите груз на аршин между двумя стульями, который заставит его сгибаться на шесть дюймов, и оставите его в этом положении на шесть месяцев, как будет выглядеть аршин? Это, чтобы упростить фундаментальную концепцию, эффект, который LDF пытается уловить при проектировании для дерева.
Руководство по загрузке SBCA содержит дополнительную полезную информацию о концепциях загрузки, включая LDF.
LDF является частью расчета допустимых напряжений (ASD), метода анализа, используемого при проектировании деревянных конструкций с 1940-х гг. TPI-62 для проектирования ферм и с тех пор с нами.
В другом методе анализа, расчете коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD), используется аналогичный подход для учета времени. Этот фактор называется фактором эффекта времени. Кривая коэффициента продолжительности нагрузки, также известная как кривая Мэдисона, показана ниже.
Нажмите, чтобы увеличить.
Показанная кривая Мэдисона взята из Приложения B NDS, где можно найти дополнительную информацию о LDF.
Коэффициент применяется так же, как и другие коэффициенты нагрузки, в том смысле, что расчетное значение, указанное в NDS, умножается на коэффициент продолжительности нагрузки для определения допустимого напряжения. Этот коэффициент применим к изгибу, растяжению, сдвигу и сжатию параллельно эталонным расчетным значениям зерна, указанным в Приложении 4 к NDS.
Что произойдет, если в одном загружении имеется несколько длительностей нагрузки, например, D+L? Постоянная нагрузка имеет коэффициент продолжительности нагрузки 0,9, тогда как динамическая нагрузка нормальной продолжительности (например, мебель, кровати, люди в комнате и т. д.) имеет коэффициент LDF 1,0. NDS дает следующие рекомендации по применению коэффициента продолжительности нагрузки:
Хотя это не тот фактор, который проектировщики ферм или зданий должны использовать в ручных расчетах, его стоит знать.