Расчет гололедной нагрузки

1. Описание физики явления

Гололедная нагрузка – это нагрузка от ледяной корки, возникающей в результате замерзания переохлажденных капель влаги, которые попадают на поверхность сооружения. Осаждение капель может происходить как при наличии ветра, ускоряющего процесс обледенения, так и под действием только сил гравитации. Для сооружений высотой менее 100 м наиболее вероятными условиями возникновения гололедных нагрузок является «ледяной дождь» — выпадение крупных дождевых капель при отрицательной температуре воздуха. В этом случае капли осадков растекаются по поверхности сооружения и формируют внушительную ледяную корку плотностью порядка 900 кг/м³. Изморозевые отложения, возникающие при намерзании в результате фазового перехода водяного пара или в результате намерзания из облака, характеризуются значениями плотности в 5-8 раз ниже, чем плотность гололедных образований.

В общем случае образование гололеда возможно при следующих условиях:

• при осаждении и замерзании переохлажденных капель воды (осадки, облачность, туман и пр.) при отрицательных температурах окружающего воздуха;
• при фазовом переходе водяного пара;
• при замерзании оседающего мокрого снега.

 

Региональная и местная топография изменяет вертикальные потоки воздушных масс, влияя на интенсивность осадков облачной структуры и, соответственно, на условия обледенения. Зачастую для корректного определения гололедных нагрузок необходимо учитывать расстояние от побережья, высоту над уровнем моря, преимущественные направления ветров и их интенсивность и т.п.

Образование гололеда является наиболее вероятным при одновременном выполнении следующих условий:

• облачность 8 баллов и выше;
• высота нижней границы облачности (в том числе и туман) располагается ниже, чем рассматриваемый высотный уровень;
• отрицательные температуры воздуха в течение достаточно продолжительного периода времени;
• наличие жидких осадков на данном высотном уровне.

 

2. Гололедные нагрузки на мосту на о. Русский

Одним из многочисленных примеров образования гололедных нагрузок является мост на о. Русский, который после ледяного дождя 19 ноября 2020 года покрылся увесистой ледяной коркой. Ледяная корка образовалась на всех элементах моста: опорах, пролетных строениях, барьерных и перильных ограждениях, вантах и пилонах.

Рисунок-1. Мост на о. Русский после ледяного дождя

Для удаления гололедных отложений были задействованы промышленные альпинисты, за 2 недели они демонтировали ледяные образования со 134 вант и обоих пилонов. Общий объем работ по очистке пилонов и вант на высоте составил более 25 тыс. кв. м. Все это время мост был закрыт, так как сохранялась опасность падения льдин на проезжающие автомобили.

Рисунок-2. Альпинисты удаляют гололед с вант моста на о. Русский

 

3. Расчет гололедных нагрузок. Примеры проведенных исследований.

В соответствии с п. 12.1 СП 20.13330.2016 «гололедные нагрузки необходимо учитывать для воздушных линий электропередачи и связи, контактных сетей электрифицированного транспорта, антенно-мачтовых устройств, канатов, решетчатых конструкций, шпилей и подобных сооружений, а также для вентилируемых фасадов зданий, металлических ограждений балконов, элементов стен и покрытий высотных зданий, расположенных на высоте более 100 м».

В п. 12.2 СП 20.13330.2016 приводятся только две зависимости для расчета гололедной нагрузки:

• для элементов кругового сечения диаметром до 70 мм включительно,
• и для остальных конструкций (без дополнительных описаний, комментариев и пояснений как этой формулой пользоваться).

 

Кроме того, подход СП 20.13330.2016 не дает возможность учесть:

• частоту наступления условий формирования гололедных отложений для конкретного места установки конструкции.
• влияния формы сооружения и его элементов на формирование гололедных отложений.

По этой причине для корректного определения гололедной нагрузки наши специалисты проводят исследования с использованием расширенного физико-математического аппарата, который основан на решении задачи взаимодействия потока гетерогенной (фазово-неоднородной) среды с исследуемой конструкцией. Решение задачи обледенения таким образом состоит из двух этапов:

1. Создание климатической модели для местности расположения исследуемого объекта. Метеорологические параметры принимаются на основании данных ближайших метеостанций;
2. Моделирование процесса осаждения капель на поверхности объекта под действием воздушного потока. При моделировании воспроизводятся как характеристики ветра в периоды гололедообразования (скорость, температура, наиболее вероятное направление), так и параметры жидкой фазы (диаметр капель, их инерция и сопротивление движению).

 

В результате проведенного исследования мы получаем следующие результаты для характерного участка ванты и характерного участка пилона моста:

• Толщина стенки гололеда
• Форма образования гололедных отложений
• Гололедную нагрузку (кг на погонный метра, если объект протяженный и кг на квадратный метр для фасадов зданий)

На рисунках 3-5 приведены результаты расчета обледенения характерного участка ванты моста при обтекании ветра содержащего переохлажденные жидку фазу (ледяной дождь).

Рисунок-3. Визуализация обтекания ванты ветровым потоком

Рисунок-4. Визуализация обтекания характерного участка ванты ветровым потоком

Рисунок-5. Результат математического моделирования: получены форма и толщина стенки гололеда, а также гололедная нагрузка на ванте

 

На рисунках 6-8 приведены результаты расчета обледенения характерного участка пилона моста при обтекании ветра содержащего переохлажденные жидку фазу (ледяной дождь).

Рисунок-6. Визуализация обтекания пилона ветровым потоком

 

Рисунок-7. Визуализация обтекания характерного участка пилона ветровым потоком

Рисунок-8. Результат математического моделирования: получены форма и толщина стенки гололеда, а также гололедная нагрузка на пилоне моста