Как найти плотность снега формула

Снег представляет собой одну из форм осадков атмосферы, выпадающею на земную поверхность и состоит из мелких кристалликов льда. Это погодное явление является обязательным атрибутом каждого зимнего периода в наших климатических поясах.

Образуется снег при процессе притягивания капель воды микроскопического типа к пылевым частицам, которые в дальнейшем замерзают. Образуются кристаллики льда (не более 0.1 мм диаметром), которые падают вниз.

Чем же примечательно данное явление к строительству? Кроме того, что снег используется как строительный материал для возведения Иглу, жилища эскимосов, он выступает как важный фактор для строительства.

Например, на строительных площадках при кровельных работах малых объектов необходимо учитывать снег, как внешнее явление представляющее угрозу для крыши. Для этих работ важно рассчитать необходимую нагрузку, чтобы покрытие крыши послужило как можно дольше.

Удельный вес снега в зависимости от его характеристик

Даже свежевыпавший снег различается по характеристикам. Он бывает сухим или мокрым, в виде пушистых хлопьев или мелкой крупы. Сухой свежевыпавший снег, не уплотненный собственной массой, практически невесом. Со временем снежная масса уплотняется. Сугробы, образованные ветровыми переметами, тоже гораздо плотнее, чем недавно выпавший снег.

Мокрый снег гораздо тяжелее сухого. Вода вытесняет содержащийся между кристаллами льда воздух, что приводит к увеличению плотности. Причины увлажнения снега:

• снег сразу выпадает мокрым, в таком виде он быстрее уплотняется под действием силы собственной тяжести;
• дождь;
• подтаивание от внешнего тепла.

К концу зимы снежная масса настолько уплотняется от времени и оттепелей, что мелкие кристаллы льда слипаются в крупные гранулы. Такая субстанция называется фирн. Плотность мокрого фирна приближается к характеристикам льда.

Плотность снега с разными характеристиками в килограммах на м3:

1. Свежевыпавший пушистый сухой – от 30 до 60.
2. Свежевыпавший мокрый – от 60 до 150.
3. Свежевыпавший осевший – от 200 до 300.
4. Ветровой перенос – от 200 до 300.
5. Сухой осевший, выпавший более месяца назад – от 300 до 500.
6. Сухой фирн – от 500 до 600.
7. Мокрый старый фирн – от 600 до 800.
8. Очень увлажненный снег и глетчерный лед – до 960.

Среднюю плотность снега принимают за 300 кг/м3, так как в сугробе присутствует и плотный слежавшийся снег, и выпавший недавно.

Зависимость нагрузок от угла наклона крыши

Угол наклона крыши определяет площадь и мощность контакта кровли с ветром и снегом. При этом, снеговая масса имеет вертикально направленный вектор силы, а ветровое давление, вне зависимости от направления — горизонтальный.

Поэтому, принимая угол наклона более крутым, можно снизить давление снежных масс, а иногда и полностью исключить возникновение скоплений снега, но, при этом, увеличивается «парусность» крыши, ветровые напряжения возрастают.

Очевидно, что для снижения ветровых нагрузок идеальной была бы плоская кровля, тогда как именно она не позволит скатываться массам снега и поспособствует образованию больших сугробов, при таянии способных промочить всю постройку. Выходом из ситуации является выбор такого угла наклона, при котором максимально удовлетворяются требования как по снеговой, так и по ветровой нагрузкам, а они в разных регионах имеют индивидуальные значения.

Зависимость нагрузки от угла крыши

Расчет удельного веса

Понятие удельного веса сложнее, чем плотность. Удельный вес – это произведение плотности вещества на ускорение свободного падения. Последний показатель несколько отличается в разных частях планеты, но в большинстве расчетов применяют среднее значение 9,81 м/с2. Результат измеряют в ньютонах на кубометр или в килограмм-силе на кубометр (Н/м3, кгс/м3).

Общая формула расчета удельного веса: y=m*g/v, где y – удельный вес, m – масса, g – ускорение свободного падения, v – объем.

В быту и расчетах, где не обязательна высокая точность, вместо удельного веса достаточно применять плотность. Ее вычисляют по формуле p=m/v.

Иногда применяют относительную плотность. Она указывает на то, во сколько раз нужное вещество тяжелее воды. Относительная плотность снега меньше единицы, так как даже самый плотный снег и лед легче, чем вода.

От снежинки до льда

…Он лег на землю и на крыши, Всех белизною поразив. И был действительно он пышен, И был действительно красив… E. Евтушенко.

В 1611 году немецкий астроном И. Кеплер опубликовал сочинение «Новогодний подарок, или о шестиугольном снеге». Там он говорит о формах снежинок, задумывается над вопросом: «Отчего снег шестиуголен?» и отвечает сам: «Вещь эта мне еще не открыта». В наше время, хотя с тех пор прошло более чем три столетия, специалисты говорят, что им приходится повторять этот ответ Кеплера.

Как же образуются снежинки? Первоначально вокруг ядер кристаллизации (мельчайших инородных частичек) возникают зародышевые ледяные кристаллы. Перемещаясь вверх-вниз, они попадают в слой воздуха с переохлажденными капельками воды.

Здесь будущая снежинка начинает интенсивно увеличиваться в размерах за счет сублимации (идет процесс непосредственного перехода водяного пара, содержащегося в воздухе, в твердую фазу – в снег). При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Так, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка. Сталкиваясь на своем пути с переохлажденными мелкими капельками, снежинка упрощается по форме. Если столкнется с крупной каплей, может превратиться в градинку.

Множество факторов влияет на образование и рост снежинок, потому так велико разнообразие их форм. В лучших коллекциях микрофотографий насчитывается более 5 тысяч снимков снежинок, отличных друг от друга. Однако даже специалисты лишь приближенно представляют, как форма и размер снежинки отражают историю ее жизни.

Известно, что еще в воздухе снежинки непрерывно изменяются. В зависимости oт погодных условий в разных местах выпадает «свой» снег. В Прибалтике и в центральных областях, например, часто идет снег в виде крупных, сложной формы разветвленных снежинок, иногда мохнатых хлопьев.

Весной 1944 года в Москве выпали хлопья размером до 10 сантиметров в поперечнике, они были похожи на небольшие медленно кружащиеся блюдца. Такая снежинка, упав на черный тротуар, давала большое белое пятно, словно брошенный снежок. В Сибири наблюдались снежные хлопья диаметром до 30 сантиметров. Они походили на медленно падающие с неба шапки из белого пушистого меха. Высокие, рыхлые сугробы росли просто на глазах.

Полнейшее безветрие – необходимое условие такого феномена. Снежинки долго кружатся в воздухе, то поднимаясь, то опускаясь. Чем дольше они путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются друг с другом. Малейший ветерок, а уж тем более порывистый ветер, разрывает такие хлопья на отдельные части. Поэтому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков. Случается, если мороз около 40°C, зарождающиеся в атмосфере кристаллики льда выпадают в виде «алмазной пыли». Так, в Центральной Якутии в ясную морозную погоду выпадают тоненькие ледяные иголки, образующие на земле слой пушистого снега.

Плотность его ничтожно мала – около 0,01 г/см3. Обычная плотность свежевыпавшего снега 0,05 г/см3 Плотность снега, выпавшего во время метели, доходит до 0,12…0,18 г/см3, а если ураган бушует многие сутки подряд, то и до 0,40…0,45 г/см3. Любой лыжник знает, что лесной снег отличается от снега на равнине. В сибирской тайге, где не бывает зимних оттепелей, средняя плотность метровой толщи снега местами не превышает 0,10 г/см3. В степях и в тундре метели сильно уплотняют снег, там высота снежного покрова значительно меньше, а плотность – в 2…4 раза больше.

На Крайнем Севере снег бывает настолько твердым, что топор при ударе по нему звенит, словно ударили по железу. Такой снег шлифует поверхность почвы, ранит растения. А в Антарктиде выпавший 3…4-метровый слой снега за несколько дней становится таким плотным, что его с трудом вспарывает тяжелый нож мощного бульдозера.

Очень быстро меняется плотность снега в период весеннего таяния: от 0,35 г/см3 в начале, 0,45 г/см3 в разгар, 0,5…0,6 г/см3 в конце снеготаяния.

Практически уже при так называемой первой критической плотности – 0,55 г/см3 снег перестает быть собственно снегом. Вторая критическая плотность (около 0,75 г/см3) наступает при таком близком расположении ледяных кристаллов, что происходит замыкание воздушных пор. При этом воздух уже не может вытесняться из снега, и он оказывает упругое сопротивление сжатию. Дальнейшее уплотнение возможно лишь при деформации ледяных частиц под давлением вплоть до слияния их в монолитную поликристаллическую породу – лед.

Если хотят создать особо прочные сооружения из снега, его искусственно уплотняют. При этом разрушаются связи между зернами снега и в самих зернах. Образуется более однородная масса из округлых зерен, которые даже без давления лучше «упаковываются».

Проект строительства снежного аэродрома на станции Молодежная в Антарктиде был разработан с использованием этого свойства снега.

Расчет снеговых нагрузок в соответствии строительным нормам ↑

Без учета климатических особенностей зим в данном регионе крыша может попросту не выдержать выпавшего количества снега, стропильные конструкции деформируются с дальнейшими разрушениями.

На заметку

Вес свежего выпавшего снега составляет порядка 100 килограмм на 1 кубометр объема, мокрый тяжелее – 300 кг/м³.

Зная массу осадков, уже можно рассчитать воздействие снега на поверхность по толщине выпавшего покрова. Для чего в СНиПе (строительные нормы и правила 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» параграф 10) включены формулы, по которым можно произвести расчеты. Но, следует знать именно среднюю толщину снежного покрова для конкретного региона и соответственно создаваемые воздействия.

Скачать СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» (1,1 MiB, 3 106 hits)

Чтобы можно было сделать точный расчет, составлена карта страны, где территория разбита на 8 регионов с приблизительно одинаковыми условиями.

1. Например, для Москвы и Подмосковья нагрузка составляет приблизительно 180/126 кг/м³,
2. район Нижнего Новгорода – 240/168 кг/м³,
3. а в горных районах этот показатель может варьироваться 560/392 кг/м³.

С учетом таких данных проводится расчет полной снеговой нагрузки на кровлю с применением такой формулы:

S – это искомая полная снеговая нагрузка;

S расч – расчетная снеговая нагрузка (смотрим по карте, уточняем конкретно по своему региону);

µ – коэффициент, учитывающий угол наклона кровли.

Значение уклона кровли берут зависимо от следующих показателей:

• При наклоне скатов менее чем на 25 градусов – единица;
• Наклон от 25 до 60 градусов – коэффициент 0,7;
• При уклонах скатов более чем на 60 градусов, данный показатель не учитывается вообще.

То есть, имея такие данные довольно просто сделать расчеты. Например, для района Нижнего Новгорода расчетная снеговая нагрузка имеет показатель 240 кг, дом проектируется со скатами под углом в 30 градусов, значит, подсчет имеет следующий вид – 240×0,7=168 кг/м³. После чего можно подобрать соответствующие детали стропильной конструкции кровли.

Плоские типы крыш ↑

Подобные типы конструкций крыши неприемлемы для регионов с большим количеством осадков в холодное время года, так на такой поверхности будут накапливаться большие объемы снега. Результатом станет чрезмерное давление снега на конструкцию. В областях с теплым климатом, кровли подобного типа должны иметь запас прочности, а также сплошную обрешетку. Обязательным условием является монтаж подогрева карнизов, для удаления осадков со свесов через водосточные системы.

Совет

Уклон плоскостей скатов в сторону водосточных воронок при таких ситуациях должен превышать показатель в 2 градуса, что обеспечит полноценный сток осадков.

Проектируя строительство гаражей, хозяйственных построек или беседок с плоским накрытием, руководствуются такими же правилами и расчетами снеговых нагрузок, как и для обычных двухскатных (или более) типов крыш. Однако для плоских кровельных конструкций на таких постройках лучше подобрать стропила с более толстых материалов, а обрешетку монтировать сплошной.

Учет снеговых нагрузок на имеющихся кровлях ↑

Естественно лучше всего на стадии строительства учесть все факторы снеговых нагрузок и внести их в составляющийся проект. Но, что следует проверять или учитывать в варианте, когда дом уже построен?

• В готовом здании следует замерять угол наклона скатов. Оптимально если это значение будет составлять от 45 до 60 градусов, тогда снежный покров попросту не будет накапливаться на поверхности, сдвигаясь с кровельного настила.

Совет
Однако в таком случае нужно учесть еще один фактор – ветер. Чем больше угол наклона скатов, тем более высокой будет конструкция, а значит, возрастет влияние ветра.

Равномерно распределить по поверхности снеговые потоки помогут приспособления смонтированные на настил – снегозадержатели и снегорезы. Такие элементы «разобьют» всю массу на несколько частей, распределив их приблизительно равномерно на всей площади. Также в зависимости от обрешетки подбирается тип снегозадержателей, на сплошных вариантах возможен монтаж трубчатых барьерных типов устройств, в других вариантах лучше устанавливать снегорезы, разбивающие снежный поток на отдельные части.

Совет

Однако с установкой подобных приспособлений нужно соблюдать осторожность. Снегозадержатели целесообразно монтировать на скаты крыш с углом наклона более 5 градусов, в противном случае это может привести к накоплению значительных масс снега на поверхности настила.

• Во избежание накопления больших объемов снега на карнизах крыши, следует подумать о системе подогрева. Монтаж нагревательного кабеля по кромке кровельного настила поможет устранить намерзание глыб снега и льда. Управление системой можно осуществлять в автоматическом и ручном режимах.

Важно

Важно знать, что кроме непосредственных методов снижения и устранения снежного давления на кровельный настил стоит озаботиться гидроизоляцией. Образование даже незначительной наледи на поверхности создает препятствие для потока воды, в результате чего влага может попасть под материал крыши.

Кровли уже построенных зданий, как правило, уже рассчитаны под определенную снеговую нагрузку данного региона, однако дополнительные мероприятия и приспособления помогут устранить негативные последствия, как самого перегруза, так, и сопутствующих процессов (протечки, разрушения настила и прочих).