Воздействие ветра на сооружения

К недостаткам этой таблицы следует отнести отсутствие дифференциации данных по типам зданий, сооружений. Тем не менее, используя данные таблицы и принимая в качестве критериев поражения сооружений давление скоростного напора ветра, определяемое по формуле (6.5), по формулам (2,15) - (2,19) можно оценить вероятность поражения того или иного сооружения и согласно рекомендациям
§ 2.4. – математическое ожидание ущерба.

§ 6.5. Прогноз погоды. Защитные мероприятия против
ураганных ветров.

Важное значение для проведения эффективных предупредительных мер имеет своевременный и достоверный метеорологический прогноз. Существующая система прогнозов, как и при прогнозах наводнений, включает в себя краткосрочный, среднесрочный и долгосрочный прогнозы.

Краткосрочный и среднесрочный прогнозы основываются на наблюдениях за погодой, которые проводятся с помощью широкой сети стационарных метеостанций, самолетов, кораблей, а также искусственных спутников Земли. На основании полученных данных составляются синоптические карты. Прогноз погоды широко оповещается в средствах массовой информации: печати, радио, телевидении.

Долгосрочный прогноз основывается на многолетних наблюдениях за погодой в определенном районе с учетом данных наблюдений в других районах. На базе полученных данных выясняются закономерности погодных и климатических изменений, закономерности движения атмосферных вихрей, оцениваются риск ураганных ветров. В соответствии с долгосрочным прогнозом территория нашей страны по расчетным нормативным скоростным напорам ветра, (см. табл. 30) делится на семь районов (СНИП 11-А-6-74) [47]:

районы I и II – центральная область, север и северо-восток Европейской части страны, западная и центральная части Сибири;

район III – побережье Рижского и Финского заливов, Карпаты и Прикарпатье, юг Европейской части страны, Закавказье, Казахстан, район г. Норильска, Биробиджан;

район IV – побережье Балтийского моря, восточное побережье Каспийского моря, район г. Караганды, Северный Урал, район Обской губы, побережье нижнего течения р. Лены;

район V – северное побережье Кольского полуострова, побережье вблизи г. Новосибирска, Махачкалы, Дербента, Баку, Прикавказье (г. Ставрополь), полуостров Ямал, район г. Кокчетава, побережье Охотского моря, Приморский край;

район VI – полуостров Таймыр, устье р. Лены, побережье Карского моря;

район VII – Земля Франца Иосифа, остров Новая Земля, побережье залива Шелихова (Охотское море) и Берингова моря, восточный берег и юг Камчатки, юг и север острова Сахалин, северо-западное побережье Японского моря.

Таблица 30

Нормативный скоростной напор ветра для разных
географических районов

Скорость ветра. Скоростной напор.	Географические районы
I	II	III	IV	V	VI	VII
, м/с
, Па

Нормативный скоростной напор необходимо учитывать в гражданском и промышленном строительстве. Здания должны быть рассчитаны и построены так, чтобы они были устойчивыми по отношению к возможным ветрам.

Защита населения от ураганных ветров включает в себя укрытие в существующих защитных сооружениях: убежищах, подвальных помещениях, погребах, подпольях. При тайфунах в связи с возможностью штормовых приливов, крупных штормовых волн и наводнений основным способом защиты населения часто является его эвакуация из прибрежных районов.

§ 6.6. Пыльные бури. Снежные метели.

Пыльная буря – сильный продолжительный ветер, несущий в виде аэровзвеси большое количество пыли, песка. Пыльные бури возникают обычно в теплое время года (весной, летом, осенью) в пустынях, полупустынях и распаханных степях при пересыхании почвы, в условиях слабого развития растительности или ее отсутствия. При пересыхании и иссушении почвы происходит ее растрескивание с образованием большого числа мелких и мельчайших частиц пыли размером 10 …10 мм. Могут быть и более крупные частицы. Перенос пыли начинается уже при скорости ветра 4…5 м/с и усиливается с возрастанием скорости воздушного потока. Перенос пыли, песка происходит преимущественно в нижних слоя атмосферы, хотя мельчайшие пылинки могут подниматься до высоты 5…7 км. Пыльная буря развивается при скорости ветра ~20 м/с. Такой ветер в условиях засушливой погоды может снести поверхностный культурный слой почвы (нередко вместе с посевами) на значительной территории, перенести миллионы тонн пыли на расстояние до нескольких сотен и тысяч километров. Пыльные бури наносят огромные убытки сельскому хозяйству, уничтожая плодородный поверхностный слой почвы в одних районах и засыпая посевы в других, вызывая песчаные заносы на железнодорожных путях, образуя песчаные и пылевые отложения на шоссейных дорогах, улицах городов и поселков.

При скорости ветра 20…30 м/с и влажности воздуха 10%…15% наблюдаются “черные бури”, несущие еще большее количество пыли, в связи с чем прозрачность воздуха резко уменьшается. При этом дальность видимости составляет менее 50…100 м, а дневная освещенность ослабевает настолько, что приходится зажигать свет. Как отмечалось в § 6.1, черная буря на юге Украины в 1928 г. захватила территорию свыше 1 млн. км². Ветер поднял в воздух более 15 млн. тонн чернозема; высота пыльных облаков достигала 700…800 м. Эта масса пыли была перенесена на запад и осела в Прикарпатье и Румынии, а толщина черноземного слоя в пострадавших районах Украины уменьшилась примерно на 10 см [48].

Возникновению пыльных бурь способствует отсутствие растительности на больших площадях, бесструктурность и рыхлость почв, нерациональная распашка земель. Пыльные бури наблюдаются в США, Китае, Египте, СНГ (на юге Украины, в равнинных районах Казахстана и Средней Азии) и некоторых других странах.

Борьба с пыльными бурями проводится с помощью лесонасаждений и лесозащитных полос, закрепления песков растительностью, снего- и водозадержания и агротехнических мероприятий.

Вместе с зимой приходят снежные метели. Они оставляют после себя засыпанные снегом дороги, перегороженные сугробами улицы, поваленные столбы. Сильные ветры могут полностью снести снежный покров с полей, тем самым, обрекая их на вымерзание.

Характер и развитие метели зависят от скорости ветра, структуры снежного покрова [12].

При скорости ветра 6…8 м/с над поверхностью снега появляются тонкие непрерывно меняющиеся снежные струйки. Их высота до 20…30 см. Это поземок – самая слабая метель.

При скорости ветра 10..15 м/с снег поднимается до высоты в несколько метров – начинается так называемая низовая метель. При скорости ветра ~20 м/с и более снежные массы поднимаются до высот, измеряемых десятками метров. Следует отметить, что низовая метель развивается в отсутствие снегопада. Можно указать несколько районов на территории нашей страны, где низовые метели наблюдаются, довольно часто и достигают большой силы – степи Поволжья, Западная и Восточная Сибирь, север Казахстана. Особенно сильные низовые метели свирепствуют (и притом почти круглый год) в Антарктиде, где скорость ветра достигает 60 м/с и более.

Кроме скорости ветра на формирование низовой метели определенное влияние оказывает состояние снежного покрова. Нужно, чтобы поверхностный слой был относительно сухим и не слишком уплотненным (ветру трудно поднимать в воздух мокрый снег, разрушать плотную поверхностную корку). Эти условия чаще всего и выполняются в названных районах с их относительно сухим континентальным климатом, с холодными зимами, с редкими зимними оттепелями.

Особенно сильные снежные заносы образуются во время общей метели, когда одновременно имеют место и сильный ветер и сильный снегопад. В этом случае в приземных слоях воздуха перемещается снег, падающий сверху, и снег поднятый ветром с поверхности земли. Сильные снегопады, как правило, происходят при повышенной влажности воздуха. Общие метели характерны для приморских районов. Они наблюдаются на побережьях США, Канады, с ними знакомы жители нашего Дальнего Востока, Сахалина, Камчатки. Большие массы выпадающего при таких метелях снега представляют опасность для транспорта, систем связи и даже зданий (могут не выдержать крыши).

§ 6.7. Грозы. Защита от молний.

Гроза – наиболее распространенное опасное атмосферное явление. При грозе выпадает большое количество осадков, однако наибольшую опасность представляют электрические разряды – молнии. Удары молний нередко вызывают пожары, разрушают здания, портят линии электропередачи, нарушают движение электропоездов, могут поразить людей и животных. Молния – гигантский электрический разряд длиной до нескольких километров и продолжительностью в десятые доли секунды, сопровождаемый яркой вспышкой света и громом. Электрическая природа молний была раскрыта американским физиком В. Франклином.

Когда образуется мощное кучево-дождевое облако с крупными водяными каплями, сильные турбулентные восходящие потоки воздуха начинают дробить эти капли. Отделившиеся наружные частички капель несут в себе отрицательный заряд, а оставшиеся ядра капель оказываются заряженными положительно. Средняя продолжительность одного грозового цикла составляет примерно 30 минут, а электрический заряд каждой вспышки молнии соответствует 5…20 Кл. и может образовываться на участке грозового облака радиусом до двух километров.

Для оценки последствий от удара молнии важным является разряд между грозовым облаком и землей. На равнинной местности направление движения молнии обычно от облака к земле. Предельное напряжение пробоя, вызывающее образование ионизированного канала, составляет около 3·10 В/м. Лавинный заряд движется вниз ступенями по 50…100 м, пока не достигает земли (ступенчатый лидер). Когда до земной поверхности остается примерно 100 м, молния “нацеливается” на какой-либо предмет. Разряды могут достигать 80 Кл. и иметь силу тока от нескольких единиц до 200 кА. Обычно сила тока быстро нарастает за первые 10..20 мс, в следующие 200 мс происходит медленное ее снижение до 20% от максимальной величины [11,14].

Температура в ионизированном канале может достигать 20000К. Внезапный нагрев воздуха в этом канале приводит к его мгновенному расширению и затем сжатию от охлаждения – происходит своего рода взрыв, сопровождаемый раскатами грома.

Обычно, ступенчатый лидер переносит отрицательный заряд. Иногда он переносит положительный заряд; при этом время нарастания, а затем уменьшения тока более продолжительно, а максимальные значения заряда и силы тока достигают 200 Кл. и силы тока 218 кА соответственно [11].

Следует отметить, что в горах ступенчатые лидеры могут зарождаться на вершинах гор и двигаться от вершины вверх.

Поражение, наносимое молниями, обусловлено высоким напряжением, большой силой тока в канале молнии и высокой температурой. Сильный ток, прошедший через тело человека от удара молнии, вызывает остановку сердца (сопротивление тела человека от головы до ног составляет ~500 Ом).

Оценка опасности воздействия молний основана на статистике частоты гроз с опасными молниями в данном конкретном районе. Повторяемость опасных молний относят к единице площади, что дает возможность получить величину риска по соотношению, аналогичному (2.40.)

Молнии играют и положительную роль. Установлено, что ежегодно в результате грозовых разрядов в атмосфере образуется около 100 млн. тонн связанных соединений азота, которые вместе с дождями поступают в почву, что существенно улучшает плодородие земли [1].

Остановимся отдельно на время от времени наблюдаемом загадочном природном явлении, связанном с атмосферным электричеством – шаровой молнии. Природа такого явления до конца не установлена. Это круглое светящееся образование. Диаметр шаровых молний находится в диапазоне от долей сантиметра до нескольких метров. Яркость света молнии сравнивают с яркостью света 100-ватной лампочки. Чаще всего, примерно в 60% случаев, она имеет желтый, оранжевый или красноватый цвет; в 20% случаев – это белый шар; в 20% случаев - синий или голубой. Наличие четкой границы говорит о том, что вещество молнии находится в особом фазовом состоянии. В отдельных случаях на поверхности пляшут язычки пламени, из нее выбрасываются снопы искр. Обычно шаровая молния движется бесшумно; но может издавать шипение или жужжание – особенно, когда она искрит. Шаровая молния чутко реагирует на электрическое поле вблизи поверхности земли. Так, например, она стремится переместиться в те области пространства, где напряженность поля меньше; этим можно объяснить частое ее появление внутри помещений.

Шаровая молния обычно обходит груду металла, огибает наблюдателя, копирует в своем движении рельеф местности – во всех этих случаях она движется вдоль эквипотенциальной поверхности. Во время грозы земля и объекты на ней заряжаются положительно. Значит, шаровая молния тоже заряжена положительно. С течением времени заряд молнии может изменится, и тогда меняется и характер ее движения.

Шаровая молния способна проникать в помещения сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше размеров самой молнии. Так, молния диаметром 40 см. может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько мм.

Живет шаровая молния от 10 с до 1 мин. Наиболее долго живут молнии диаметром 10…40 см. Известны три способа прекращения ее существования. Чаще всего, в 55% случаев, молния взрывается; в 30% случаев спокойно угасает (из-за нехватки запасенной в ней энергии); в 15% случаев внутри молнии развиваются неустойчивости и она распадается на части, которые быстро угасают («сгорают»).

Согласно одной из гипотез шаровая молния возникает под воздействием разряда обычной линейной молнии, когда в воздушной среде происходят ионизация* и диссоциация** некоторого объема воздуха. Оба эти процесса сопровождаются поглощением энергии. Сгусток заряженного электрической энергией воздуха постепенно отдает запасенную энергию свободным электронам окружающего слоя воздуха. Если шар свою энергию отдает на свечение, то он просто исчезает – превращается снова в обыкновенный воздух. Когда же он на своем пути встречает какие-либо вещества, действующие как возбудители, то взрывается. Такими возбудителями могут быть окиси азота и углерода в виде испарений, пыли, сажи и т.д. Несомненно, исследования по объяснению природы шаровой молнии должны быть продолжены.

Энергия шаровой молнии в зависимости от ее размеров составляет от нескольких килоджоулей до нескольких сот килоджоулей, а плотность энергии примерно 1…10 Дж/см³ [11,14]. Известны отдельные случаи гибели людей от шаровых молний, хотя чаще всего она обходит человека стороной. Страх перед такой молнией основан на невозможности предвидеть, как она поведет себя через секунду, две, три.

Как показывает практика, более опасна обыкновенная линейная молния. Защита зданий и сооружений от молний состоит в безопасном заземлении электрических импульсов, то есть в применении громоотводов. Считают, что громоотвод притягивает приближающегося ступенчатого лидера, образуя защитный конус с углом 90° ниже верхушки громоотвода. С целью большей наглядности, ударное расстояние h для ударов молнии от головной части лидера к точке заземления представляют как функцию от высоты грозового облака H и величины заряда Q. Удар происходит, если напряженность поля между головой лидера и заземленной точкой превысит пробивное напряжение поля, равное в воздухе ~3 кВ/см.

Практический интерес представляет зависимость h от максимальной силы тока J. При средней продолжительности разряда молнии 0,1 с величину J оценивают по соотношению [11,14]

, (6.6)

где - сила тока, А;

- заряд, Кл.

Значения ударного расстояния h представлены на рис. 44. Данные этого рисунка могут быть использованы при проектировании защиты от молний, позволяя установить зону, в которой молния с определенной величиной разряда будет притянута.

Для защиты человека от молний на открытом месте нельзя становиться под высокими деревьями, особенно одиноко стоящими, так как молния часто ударяет в них. Очень опасен в этом отношении дуб, потому что его корни глубоко уходят в грунт. Такое дерево действует как громоотвод, и существует опасность возникновения короткого замыкания между деревом и человеком, так как сопротивление у дерева больше, чем у человека. Никогда не нужно укрываться в стогах сена и кладках снопов (скирдах). В поле, особенно на возвышенных местах, при сильной грозе идущий человек подвергается большой опасности поражения молнией. В таких случаях рекомендуется сесть на землю и переждать грозу.

Грозу лучше всего переждать в защищенном помещении. Перед началом грозы необходимо уничтожить сквозняки в помещении и закрыть все дымоходы.

Если случится несчастье – кто-либо будет контужен молнией, необходимо немедленно оказать пострадавшему первую медицинскую помощь (искусственное дыхание). Следует отметить, кое-где существует предрассудок, что пораженному молнией можно помочь, закопав его тело в землю. Этого ни в коем случае нельзя делать: человек, пострадавший от молнии, особенно нуждается в усиленном притоке воздуха к телу.

Пример. Определить ударное расстояние для молнии, если электрический заряд лидера составляет 5 Кл, высота грозового облака 3 км.

Решение. 1. По формуле (6.6) находим силу тока

J = 2·10 ·5 = 10 A = 100 кА.

2. По графику рис. 44 для значений H = 3 км, J = 100 кА снимаем величину искомого расстояния

h = 750 м.

§ 6.8. Парниковый эффект. Потепление климата.

Парниковый эффект – свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение, и тем самым способствовать аккумуляции тепла Земли.

Лучистый перенос тепла в атмосфере осуществляется видимым и инфракрасным излучением. Молекулы основных газов, образующих постоянную составную часть атмосферы (азота, кислорода, аргона) практически не поглощают этих видов излучения. Поглощательные свойства атмосферы определяются ее переменной частью: водяным паром, углекислым газом, озоном, а также взвешенными в воздухе каплями воды и кристаллами льда. Молекулы газов, образующих переменную часть атмосферы, слабо поглощают коротковолновое солнечное излучение, которое затем почти полностью поглощается земной поверхностью, так как альбедо, то есть отражающая способность этой поверхности, в общем мало. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном, длинноволнового излучения, которое поглощается и одновременно излучается переменной частью атмосферы. Часть излучения, направленная к земле, создает противоизлучение атмосферы. Оно является основной причиной обогревающего действия атмосферы. Даже в ясные ночи противоизлучение атмосферы составляет более 70% величины излучения земной поверхности, а в пасмурные ночи оно достигает 100%. Дневное противоизлучение подобно ночному. Противоизлучение уменьшает потери лучистого тепла Земли в среднем до 80%, в результате потери составляют не более 20% излучения Земли. Установлено, что если бы наша планета была лишена атмосферы, то при прочих равных условиях средняя температура ее поверхности составляла бы минус 3º. В действительности температура »+15º. Таким образом парниковый эффект повышает температуру на Земле [49].

В последние десятилетия индустриальная деятельность человека привела к возрастанию содержащегося в воздушной среде углекислого газа, промышленных газов и аэрозольных примесей. Это влияет на поглощение радиации в атмосфере и тем самым на температуру воздуха. Изменения температуры уже заметны в больших городах. В масштабе планеты они еще незначительны, хотя отдельные нарушения климатических процессов уже наблюдаются: экстремальные осадки в Западной Европе и ураганные ветры, теплые и влажные аномалии на Дальнем Востоке и др. В ближайшем будущем можно ожидать их значительное возрастание. По выводам М.И. Будыко даже небольшое повышение средней температуры земной поверхности и атмосферы может привести к уменьшению полярных оледенений, а проистекающее отсюда изменение отражающей способности Земли - к дальнейшему потеплению и сокращению льдов до их полного исчезновения. Одновременно произойдет подъем уровня воды Мирового океана, что приведет к затоплению значительных территорий [49].

Пример. Оценить подъем уровня океана, если в результате потепления климата растают льды Гренландии и Антарктиды. Площадь поверхности Земли ~510·10 км², поверхность суши – 148,6·10 км². Площадь Гренландии 2,176·10 км², Антарктиды –13,975·10 км². Объем льда Гренландии 2,6·10 км³, Антарктиды - 24·10 км³. При проведении расчетов изменение площади Мирового океана вследствие затопления части территории суши допускается не учитывать.

Решение. 1. Определяем площадь Мирового океана

S = 510·10 -148,6·10 = 361,4·10 км²

2. Находим суммарный объем льда в Гренландии и Антарктиде

V = 2,6·10 + 24·10 =26,6·10 км³

3. Вычисляем подъем уровня Мирового океана (без учета затопления части суши)

H = V:S = 26,6·10 :361,4·10 = 0,073 км =73 м

С учетом затопления части суши подъем уровня воды будет меньше и может составить ~60 м.

Известны и другие оценки. Согласно данным [50], несмотря на отмеченное повышение температуры воздуха, глобальное потепление климата вследствие антропогенного воздействия на атмосферу, способное полностью растопить льды Гренландии и Антарктиды, более чем проблематично. Антропогенное воздействие на атмосферу оценивается величиной ~240·10⁶ т. СО₂, что почти на четыре порядка меньше содержания природного СО₂ в атмосфере (~700·10⁹ т.). Выбросы значительных количеств СО₂, СО, SО₂, NО₂, паров воды в атмосферу наблюдались и прежде, например, при извержении вулканов Томборо в 1815 г. и Кракатау в 1883 г., однако таяния льдов не происходило.

В истории Земли периоды ледниковых эпох (например, эпохи четверичного периода) чередовались с периодами глобальных потеплений. Ледниковые эпохи характеризовались распространением в северном полушарии ледового покрова, доходящего до 50º северной широты. В период глобальных потеплений (например, в начале кембрия) Мировой океан наступал на сушу и почти затопил территорию северного полушария. В меловой период, 65 млн. лет назад, из-за высокой температуры планета потеряла практически весь свой ледовой покров, который восстановился 15-20 млн. лет назад. Такие глобальные изменения обусловлены глубинными процессами синхронизации Солнечной системы и изменениями параметров земной орбиты и колебаниями положения ее оси вращения [50].

Тем не менее, опасность климатических изменений в XXI веке существует. Согласно данным МЧС РФ в течение ближайших 30 лет ожидается увеличение средней температуры атмосферы на 1º, при этом произойдет подъем уровня Мирового океана на 0,2 м. Уже такое небольшое изменение температуры атмосферы и уровня океана может привести к климатическим изменениям в отдельных районах [51]. По данным Главной геофизической обсерватории имени Воейкова (Росгидромет) в течении XXI века ожидается подъем Мирового океана на 0,49 м. [51].

Подъем уровня воды на несколько метров – настоящая катастрофа для ряда островных государств, таких как Индонезия, Япония, Англия. Но не только для них. Под угрозой окажутся прибрежные районы северо-западной Европы, Канады, Китая и др. А здесь проживает значительная часть населения Земли. Таким образом, отмеченное потепление может привести к тяжелым последствиям.

Как отмечалось, указанное потепление атмосферы связанно с выбросами СО₂ в воздушную среду в результате использования значительных количеств углеводородного топлива в автомобильном транспорте, энергетике, промышленности. Следовательно, нужна научно-обоснованная программа постепенного перехода на альтернативные виды топлива и энергосберегающие технологии. Нужно объединить усилия всех людей, чтобы возможной катастрофы не произошло.

Глава 7. Ландшафтные пожары.

§7.1 Опасность ландшафтных пожаров.

Ландшафтные пожары - это лесные, торфяные, степные, полевые (созревшие хлеба) пожары. Пожары представляют собой опасное стихийное бедствие, т.к. в огне пожаров уничтожаются большие материальные ценности: лес, хлеб, торф, сгорают постройки, гибнут животные, птицы. Ландшафтные пожары обладают серьезными поражающими факторами, основные из которых - высокая температура, вызывающая возгорание всего, что окажется в зоне горения; тепловое излучение из этой зоны способное привести к поражению людей и возрастанию горючих материалов за ее пределами; задымление больших районов, оказывающее раздражающее и отрицательное психологическое воздействие на людей, а в некоторых случаях и отравление их окисью углерода; ограничение видимости.

Лесные и торфяные пожары - наиболее частые ландшафтные пожары[1]. Ежегодно в летнее время в отдельных лесных районах страны создаются условия, способствующие возникновению и распространению таких пожаров. Количество пожаров и поражаемая ими площадь изменяются в широких пределах. Так, в 1915г в Западной Сибири пожарами была охвачена площадь лесов ~14^.10⁶ га. Дымовое облако над Сибирью простиралось над территорией, равной по площади всей Западной Европе. На территории нашей страны ежегодно возникают 10...30 тысяч лесных пожаров, охватывающих общую площадь от 0.5^.10⁶га до 2^.10⁶га.

Крупные пожары были в 1972г. и в 1984г. Пожары наносят огромный ущерб народному хозяйству и представляют угрозу для людей, населенных пунктов, промышленных и других объектов, расположенных в лесу. Например: в 1989г.-1992г.г. за три года огонь прошел более 4.8^.10⁶ га лесов, что нанесло ущерб более 40^.10⁹ руб. (в ценах 1992г.).

Основные причины пожаров в лесах нашей страны (по данным[1]):

от молний 8.1%

по вине местного населения 60%

по вине организаций и экспедиций 19.7%

по вине лесозаготовителей 3.5%

от сельскохозяйственных палов 6.7%

по другим причинам 2%

Таким образом, в большом количестве случаев(~90%) пожары в лесу происходят вследствие неосторожного обращения человека с огнем.

Поиск по сайту: