<Общие сведения о внешних воздействующих факторах.

Климат, климатические зоны эксплуатации.

 

Основные аббревиатуры

В — обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в любом районе на поверхности земли

Вл — относительная влажность

ГВР — гололедно-ветровой район

ГИО — гололедно-изморозевые отложения

ИИ — ионизирующие излучения ИС — интегральная микросхема М — морской умеренно-холодный

климат

МФ — метеорологические факторы

О — обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации н любом (кроме морей и озер) районе на поверхности земли

ОМ — обозначения РЭА, пригодной для эксплуатации на судах с неограниченным районом плавания

ПДИ — поглощенная доза излучения

ПИЧ — перенос ионизирующих частиц

PC — солнечная радиация

СНВ — скоростной напор ветра

Т — обозначение РЭА, пригодной для эксплуатации в сухом и влажном тропическом климате

ТВ — тропический влажный климат

ГС — тропический сухой климат

ТМ — тропический морской климат

У — умеренный климат

ХЛ — холодный климат

ЭГ — эквивалентный гололед (толщина)

В зависимости от размещения РЭЛ на поверхности земли (в том числе в горных местностях), в атмосфере или в толще вол рек, морей и океанов, характер и интенсивность внешних естественных дестабилизирующих факторов будут различными. Их влияние может быть как усилено, так и ослаблено при размещении РЭА на или внутри различных объектов. Освоение космического пространства требует учета дестабилизирующих факторов космического пространства и знаний условий работы РЭЛ на поверхности планет и других космических тел. Для земной РЭА определяющими естественными дестабилизирующими факторами являются климатические: воздействие тепла (холода) (характеризуемое температурой в ^с С или К), относительная влажность Вл (в процентах), роса и обледенение (гололед), морской туман (солевой), пыль и песок, солнечная радиация (инсоляция) PC и плесневые грибы Нормальные климатические условия.: t = 25 ± 10°С (288...308 К), Влажность составляет 45 ... 80%, атмосферное давление р = (8,36 ... 10,6)∙ 10⁴ Па (630 ... 800 мм рт. ст.). Если t ≥ 30°С (303 К), то Вл ≤ 70%.

 

Климат, климатические зоны и характерные группы эксплуатации.

Климат — характерная для данной области (региона) па поверхности земли совокупность типичных изменении атмосферных процессов, обусловливаемых географическими координатами, уровнем солнечной радиации, строением земном (подстилающей) поверхности, вертикальным теплообменом и другими определяющими метеорологическими факторами за длительное (обычно 20 ... 30 лет) время. В зависимости от размеров пространства земной поверхности различают макро-, мезо- и микро-климат.

Макроклимат определяется географическими координатами, положением по отношению к океану, большими горными массивами и регулярными циркуляциями воздуха; местные условия при оценке макроклимата не учитываются Мезоклимат определяется только местными влияниями (местные изменения рельефа поверхностности, влияние реки или озера и т. п.). Параметры макро-и (частично) мезоклимата учитываются при конструировании РЭА. Параметры микроклимата (сухой или сырой участок земной поверхности) весьма локальны, характерны для малых объемов (десятки м³) и практически не учитываются. Большая динамичность факторов окружающей среды требует не только их дифференцированного учета, но и четких определений.

Основными климатическими факторами внешней среды являются: солнечная радиация, температура, относительная влажность воздуха, его плотность, движение, наличие твердых и газообразных примесей, образование снега, тумана, инея, плесневых грибков. Динамичность этих параметров заставляет рассматривать нормальные, номинальные, рабочие и предельные значения.

Предельные значения климатических факторов проявляются чрезвычайно редко, в течение не более 6 ч, и допускают в этих условиях только сохранение работоспособности РЭА (без соблюдения номинальных значений параметров, отклонения которых оговариваются в ТУ). Рабочие значения характеризуют области сохранения номинальных параметров при экономически целесообразных сроках службы РЭА. Записанные в ТЗ, ТУ или стандарты рабочие значения являются номинальными значениями параметров, при которых обеспечивается нормальная эксплуатация. Нормальными называют уточненные при проектировании значения климатических факторов в пре делах данной географической зоны с учетом места расположения изделия

Солнечная радиация PC (интегральная плотность теплового потока для высот от 15 000 м включительно) равна 1125 Вт/м² (из них 42 Вт/м² падает на ультрафиолетовую часть спектра 280 ... 400 им). Ее колебания и свойства среды в данном месте определяют температуру. Если за счет PC дополнительное повышение температуры < 3 К, то говорят о практическом отсутствии влияния PC.

Различают эффективную температуру внешней среды: температуру для тепловых расчетов изделий; среднюю (из ежегодных максимумов иди минимумов) в виде среднеарифметического значения за многолетний период и температуру внешней среды при эксплуатации. Для изделий с естественным воздушным (водяным) охлаждением температура внешней среды — это температура газовой среды (воды) на уровне расположения РЭА, на расстоянии, при котором влиянием рассеивания тепла от РЭА можно пренебречь (оно оговаривается в ТУ). Для РЭА с принудительным газовым или вторичным водяным охлаждением за температуру внешней среды принимают температуру газа или жидкости на входе в систему охлаждения, а для РЭА, работающей в почве, — температуру почвы на уровне погружения в нее РЭА и на расстоянии, при котором влиянием тепла от РЭА можно пренебречь. Относительная влажность (Вл) воздуха—отношение количества невидимых глазу водяных паров при данной температуре в объеме воздуха к их максимальному количеству. Абсолютная влажность—количество водяных паров в граммах в 1 м³ воздуха; не зависит от температуры. Точка росы — температура, при которой наступает насыщение (100% Вл).

Осадки, жидкие (туман, дождь, роса) и твердые (град, снег, крупа, иней), возникают вследствие охлаждения влажного воздуха ниже точки росы. Капельки малых размеров (туман) висят в воздухе (при охлаждении у поверхности земли капли больших размеров образуют росу), больших размеров выпадают в виде дождя. Если температуря воздуха значительно ниже точки росы, то образуются твердые осадки в виде некристаллических концентрических округлых градин (размеры от горошины до голубиного яйца), снежинок, крупы (кристаллики льда) или различных видов инея. Интенсивность дождя для зон У, ХЛ. ТС 3 мм/мин, для остальных зон 5 мм/мин — верхнее рабочее значение.

При изменении высоты над уровнем моря происходит значительное изменение плотности и температуры воздуха, при постоянной высоте влияние температуры на плотность незначительное.

Ветер — горизонтальное движение воздуха (вертикальное — восходящий ветровой поток или термическая циркуляция) — характеризуется направлением, силой в баллах {или скоростью в м/с) и порывами.

Наличие твердых или газообразных примесей существенно влияет на характер воздействия воздушной среды на РЭА. Пыль характеризуется размерами частиц (тонкая <20мкм, грубая > 20 мкм), их числом или массой на единицу объема (0,02 ... ... 500 мг/м³). Специфические газообразные отходы промышленности могут обладать заметным разрушительным действием. Воздействие пыли и ее состав регламентируются ЧТУ.

Плесневые грибки способны разлагать высокомолекулярные естественные (древесина) и искусственные (пластмассы) соединения и нарушать работу РЭА.

В соответствии с ГОСТ 15150—69 различают 6 макроклиматических районов: умеренного У (t = + 40 ... ... - 45°С 313 .. 228 К), холодного ХЛ (— t > — 45° С), влажного тропического ТВ (t ≥ 20°G (293° К) при Вл ≥ 80% 12 или более часов в сутки непрерывно в течение 2 ... 12 мес. в году), сухого тропического ТС (+ t > + 40°G 313 К), умеренно холодного морского М и тропического морского ТМ климатов.

Климатические районы СССР и Земного шара (Приложение 6 ГОСТ 15150—69) следующие: У — основная часть территории СССР. Европа, США (кроме Аляски), юг Австралии. ХЛ — северо-восток СССР, Аляска, Антарктида и Арктика. ТВ — Панамский перешеек, север Южной Америки, средняя часть Африки, Индия, Индокитай, север Австралии. ТМ — полоса Мирового океана между 30° с. ш. и 30° ю. ш. Горные районы — Кордильеры (Южная Америка), Тибетское нагорье, отдельные районы Африки.

Наземная РЭА. годная для работы в районах ТВ и ТС («тропическое исполнение»), имеет обозначение Т, годная для работы во всех наземных районах — О РЭА, установленная на морских судах с неограниченным районом плавания, имеет обозначение ОМ, пригодная для всех районов на суше и на море — В.

Изделия, эксплуатируемые на открытом воздухе (категория 1 ГОСТ 15150—69), могут храниться в помещениях (категория 4). РЭА, размещенная в помещениях типа палаток, кузовов, прицепов, ангаров или под навесами и т. п., относятся к категории 2. Она соответствует категории 1 при отсутствии прямого воздействия PC и атмосферных осадков. Эксплуатация РЭА в закрытом помещении с естественной вентиляцией (без искусственного регулирования климатических условий) при существенном уменьшении воздействия PC, ветра, атмосферных осадков, при отсутствии росы, колебаний температуры и Вл, уменьшении воздействия плесневых грибков, по сравнению с их воздействием на открытом воздухе — категория 3

В закрытых наземных или подземных помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями (категория 4) выделяют помещения с кондиционированием воздуха и помещения лабораторного капитального, жилого и другого типа. Эксплуатация РЭА при повышенной Вл (неотапливаемые и невентилируемые помещения, в которых может быть влага или ее частая конденсация) — категория 5.

Рабочие значения температуры почвы па глубине 1 м равны: для У - 5 ... 25; ХЛ - 20 ... 10; ТС, ТВ, Т 10 ... 35 и О, В - 20 ... + 35° С (или 268 ... 290, 253 ... 283, 283 ... 308 и 253 ... 308 К). Температура окружающего воздуха за 8 ч может измениться для исполнений У. ХЛ, ТС, Т, О, В на 40°С, ТВ, ТМ на 10°С, М, ОМ на 30°С.

 

Воздействие ветра и гололеда

Специфическим видом климатических воздействий на элементы наземной РЭА, расположенные вне помещений и укрытий, является одновременное воздействие ветра и гололеда. При оледенении увеличиваются поперечные размеры и масса элементов, что приводит к росту аэродинамических и механических нагрузок Случайный характер метеорологических факторов МФ, формирующих гололедно-ветровой режим (гололедно-изморозевых отложений ГИО, изменение скоростей ветра и температур), требует вероятностного подхода к решению задачи, которая описывается следующими основными параметрами:

d₀ — диаметр цилиндрического элемента конструкции

δ_ЭГ — толщина стенки эквивалентного гололеда ЭГ;

δ_д — действительная толщина ГИО;

δ_ср — среднее значение тол-шины стенки ЭГ;

F_T — обеспеченность сочетаний интеисивностей МФ с периодом повторения T^мф_п.

F_х — обеспеченность интенсивности x;

F_{(х, у)} — обеспеченность сочетаний интенсивностей х и у;

f_(х) — плотность распределения вероятностей интенсивности х:

f_(x;y) — плотность распределения вероятностей сочетаний интенсивностей х и у;

h — высота над поверхностью земли;

K^гио_д — поправочный коэффициент, учитывающий действительную величину ГИО;

К^p_дин — коэффициент динамичности, учитывающий динамическое воздействие, вызываемое порывистостью скоростного напора ветра СНВ;

К^p_пр — коэффициент порывистости СНВ;

К^δ_d — поправочный коэффициент, учитывающий зависимость толщины стенки ЭГ от диаметра цилиндрического элемента;

K^p_h — поправочный коэффициент на возрастание СНВ в зависимости от высоты нал поверхностью земли;

k_xГ — параметр уравнения Гудрича, аппроксимирующего распределение вероятностей интенсивности x;

K^δ_h — поправочный коэффициент на возрастание толщины станки ЭГ в зависимости от высоты над поверхностью земли;

N — общее число наблюдений;

n^мф_i — абсолютная частота (число наблюдений) i-го интервала интенсивности МФ;

n_xГ — параметр уравнения Гудрича в виде показателя степени, аппроксимирующего распределение вероятностей интенсивности х;

Р(х < X) — вероятность интенсивности х;

p_v — нормативный ветровой напор;

p_δ — нормативная распределенная гололедная нагрузка;

р^мф_i — относительная частота t-ro интервала интенсивности МФ; 10Pv — СНВ на высоте до 10 м над поверхностью земли;

Т_С — период собственных колебаний конструкции;

Т^мф_п — период повторения интервалов интенсивности МФ;

t^мф_нп — непрерывная продолжительность действия интервала интенсивности МФ;

t^мф_Σ — суммарная продолжительность действий интервала интенсивности МФ;

Q(x) — повторяемость интенсивности х;

Q(x> y) — повторяемость сочетаний интенсивностей х и у;

q_δ — нормативная погонная гололедная нагрузка;

v — скорость ветра;

v_ср — среднее значение скорости ветра;

Х, х, У, у — интенсивности МФ;

р_δ — плотность ЭГ.

 

Расчет интенсивности метеорологических факторов.

Для получения расчетных значений интенсивности МФ используются в основном графоаналитические методы обработки климатологических данных [1, 3]. Данные многолетних наблюдений группируются по интервалам интенсивности МФ, после чего подсчитываются абсолютная частота n^мф_i и относительная частота i-го интервала р^мф_i = n^мф/N (здесь N — общее число наблюдений). Совокупность интервалов группирования и их относительных частот называют дифференциальным распределением (плотностью распределения вероятностей) Последовательно суммируя относительные частоты интервалов, получают накопленные относительные частоты: повторяемость Q (х) и обеспеченность F (х) = 1 — Q (х). Совокупности интервалов группирования и накопленных относительных частот называют интегральными распределениями.

Для расчета интенсивности х параметров гололедно-ветрового режима широко используют формулу распределения Гудрича

F(x)=ехр(-kxГ*x^nxГ). (2.1)

Откладывая па одной оси двойные логарифмы дроби 1/F(x) или 1/Q(x), а на другой — логарифмы x, получают функциональные шкалы сетчатки, на которой кривая (2.1) спрямляется.

Повторяемость сочетаний интенсивностей х и у двух МФ определяется по формуле

 

где f (х, у) — плотность распределения вероятностей сочетаний интенсивностей МФ.

Если интенсивности х и у являются независимыми случайными величинами, то

f(х, у) = f (х) f(у),  (2.2)

где f (х) и f (у) — плотности распределений вероятностей интенсивностей х и у двух МФ в отдельности. ГИО, плотность которых изменяется в пределах от 20 до 900 кг/м³, приводится к чистому гололеду с плотностью р_δ = 900 кг/м³ как эквивалентному [3]. При этом рассчитывается толщина стенки ЭГ δ, равномерно охватывающая цилиндр диаметром d0 = 10 мм, расположенный на высоте h = 10 м над поверхностью земли.

Расчеты коэффициентов корреляции и значимостей [5], характеризующих статистические связи между толщинами стенки ЭГ и максимальными скоростями ветра при ГИО v, выполненные по большому числу метеостанций, показывают, что связь между этими переменными незначительна, а коэффициенты корреляции близки к нулю Это позволяет пользоваться для определения плотности распределения вероятностей со-сочетаний δ и v выражением (2 2), для определения аппроксимации распределении толщин стенок ГИО и максимальных скоростей ветра при ГИО — формулой (2,1). Уравнение поверхности двумерного распределения накопленных относительных частот сочетаний δ и v имеет вид [6]:

 

где kδГ, nδг, kvT, nvT — пара

метры уравнений Гудрича, характеризующие режимы ЭГ и ветра при ГИО соответственно; δср и vсp — средние значения толщины стенки ЭГ и скорости ветра при ГИО соответственно.

В пересечении поверхности F (δ; v) с плоскостями, параллельными плоскости δv, получают изолинии равной обеспеченности сочетаний δ и v, характеризующие гололедно-ветровой режим метеостанции при соответствующем периоде повторения Т^мф_п

Гололедно-ветровое районирование

 

Таблица 1

ГВР	Тмфп, лет
	1	5	10	15	20
I	20,5	24,0	25,5	26,0	26,5
II	18,0	21,0	22,0	23,0	23,5
III	20,5	24,0	25,5	26,0	26,5
IV	26,5	30,0	32,0	32,5	33,0
V	28,5	33,5	36,0	36,5	37,0
VI	35,5	40,0	43,0	44,0	45,0

 Нормативные сочетания скоростей ветра, действующих на высоте 10 м над поверхностью земли, с толщинами стенок ЭГ, соответствующими диаметру цилиндрических элементов конструкций 10 мм, расположенных на той же высоте, принимаются в зависимости от периодов их повторения Т^мф_п. Карта-схема гололедно-ветровых районов (ГВР) на территории бывшего СССР показана на рис. 2.2. Нумерация ГВР принята с учетом возрастания интенсивности гололедно-ветрового воздействия при увеличении номера ГВР.

Расчеты нормативных сочетаний δ и v произведены с учетом их значений, установленных в [15]. Используя метод графической интерполяции [1, 3], получаем кривые Q (δ) и вычисляем F (δ) Аналогичные построения производим для максимальных скоростей ветра при ГИО. Определяем обеспеченность сочетаний δ и v для заданных Т^мф_п по формуле F_T=1/Т^мф_п (выборка состоит из годовых максимумов ГИО). С учетом (2.2) F (v) = F_T/F (δ), что позволяет определить скорости ветра при ГИО, соответствующие заданным Т^мф_п, по кривой Q (v). Построенные таким образом нормативные изолинии сочетаний δ и v показаны на рис. 2.3, а

Скорости ветра, действующие в различных ГВР в гололедный период года (с октября по апрель) при отсутствии ГИО на высоте 10 м над поверхностью земли приведены в таблице 1.

При анализе результатов расчетов параметров гололедно-ветрового режима преимущественно учтены данные метеостанций, расположенных на наветренных склонах возвышенностей и крутых берегах больших рек, вершинах возвышенностей и водораздельных плато с относитель ной высотой более 50 м, а также на островах и открытых побережьях морей Это позволяет оценить воз можные отклонения параметров гололедно-ветрового режима от нормативных значений. Для I ... V ГВР эти отклонения невелики, и, с учетом принципа равновероятного пребывания РЭА на территории характеризуемого района и понятия об изделии общего применения [12], допустимы В горных местностях VI ГВР следует считаться с возможностью превышения нормативных значений скоростей ветра в 1,6 раза, а толщин стенок ЭГ в 2 раза [7].

При оценке работоспособности РЭА эксплуатируемой в условиях гололедно-ветровых воздействий, необходимы сведения не только об интенсивности МФ, но и о непрерывной продолжительности их действия t^мф_нп. Зависимости средней непрерывной продолжительности действия ветра в гололедный период года и ЭГ от их интенсивностей представлены на рис. 2.3, б и в.

При расчете прочности элементов РЭА широко используется метод эквивалентных нагрузок, основанный на обработке графиков загрузки этих элементов во времени Для построения этих графиков необходимы сведения о суммарной продолжительности ветра и ЭГ t^мф_S Значения суммарных продолжительностей скоростей ветра за гололедный и теплый периоды одного года указаны в табл. 2, а огибающие кривые суммарных продолжительностей ЭГ за год представлены на рис. 2.3, г (продолжительность гололедного периода принимается равной 5110 ч).

Температура воздуха при ГИО в высокогорных местностях с отметками более 1000 м над уровнем моря и на территории к востоку от Енисея (очень холодный район [2]), за исключением береговой полосы океанов и морей (ширина береговой полосы принимается равной 100 км, но не более, чем до ближайшего горного хребта), принимается равной 253 К, а на остальной территории страны — равной 288 К. Абсолютный минимум температуры при ГИО в очень холодном районе принимается равным 233 К, а на остальной территории страны 238 К. В высокогорных местностях с отметками более 1000 м над уровнем моря и в очень холодном районе в гололедный период следует считаться с возможностью абсолютного минимума температуры, равного 208 К, а на остальной территории страны — рав-ного 233 К,

Нормативные ветровая и гололедная нагрузки. Гололедно-ветро вая нагрузка определяется как геометрическая сумма ветровой (горизонтальной) и гололедной (вертикальной) нагрузок.

Нормативный ветровой напор pV, действующий на наветренную поверхность конструкции в рассматриваемой зоне ее протяженности по высоте, рассчитывается по формуле:

 (2.3) ,

где 10pv = 0,612v² — скоростной напор ветра на высоте до 10 м над поверхностью земли, Па; Кh^р — поправочный коэффициент на возрастание СНВ в зависимости от высоты над поверхностью земли; K^p_пр — Коэффициент порывистости СНВ; К^pдин — коэффициент динамичности, учитывающий динамическое воздействие, вызываемое порывистостью СНВ.

Таблица 2

v,м/с	Гололёдный период				Тёплый период
	I-III	IV	V	VI	I-III	IV	V	VI
5…10	3000	3000	2785	2400	2750	2570	2050	1700
10…15	500	1000	1300	1450	900	1000	1200	1100
15…20	100	200	650	650	-	80	365	600
20…25	-	50	280	370	-	-	35	175
25…30	-	-	95	160	-	-	-	50
30	-	-	-	80	-	-	-	25

 

Для цилиндрических элементов конструкций нормативная погонная гололедная нагрузка q_δ определяется по формуле:

где Кh — поправочный коэффициент на возрастание толщины стенки ЭГ в зависимости от высоты над поверхностью земли; К^δ_d — поправочный коэффициент, учитывающий зависимость толщины стенки ЭГ от диаметра цилиндрического элемента. Для остальных элементов конструкций нормативная распределенная по площади гололедная нагрузка р_δ определяется по формуле:

(2.4)             

При расчете степени заполнения проницаемых конструкций (решеток, сеток, ферм и т.п.) ГИО действительная толщина стенки отложения δд определяется по формуле:

δ_д=K^ГИО_Дδ,

где K^ГИО_д — поправочный коэффициент, учитывающий действительную величину ГИО (табл. 3) Для промежуточных значений периода повторения K^ГИО_д определяется линейной интерполяцией.

 

 

Таблица 3

Tмфп, лет	ГВР
	I	II	Ill	IV	V	VI
Cкорость от 0 до 8 м/с
1	5,0	3,0	3,0	3,0	3,5	4,0
10	4,0	2,0	2,0	2,0	2,5	3,0
20	3,5	2,0	2,0	2,0	2,0	2,5
Скорость свыше 8 до 16 м/с
1	6,5	5,0	4,0	4,0	5,5	4,0
10	6,0	3,0	2,5	2,5	3,0	3,0
20	5,0	2,5	2,0	2,5	3,0	3,0
Скорость свыше 16 м/с
1	—	4,3	2,5	3,5	4,0	5,0
10	6,0	4,0	4,5	4,0	5,0	4,0
20	6,5	3,5	4,0	3,5	4,0	4,0

 

Пример расчета. Требуется определить нормативные ветровые и гололедные нагрузки, действующие на сплошной отражатель, установленный на высоте 50 м над поверхностью земли в VI ГВР при периоде повторения воздействия T^мф_п = 20 лет и периоде собственных колебаний системы отражатель—опора Тс ≈ 1 с, 1. По изолинии δ—v (рис. 2.3, а) при Т^мфп = 20 лет определяем сочетания б и v и заносим их значения в табл. 4.

2. По кривым рис. 2.3,д при h=50м и ТС ≈ 1 с получаем К^ph =1,85 и

К^pдин =2,0. Формула (2.3) преобразуется к виду

(2.5)                .

 

Таблица 4

v, М/С	δ, мм	Kpпр	pv, Па	pδ, Па
5	31	0,37	49	268
10	30	0,37	197	259
15	29	0,34	439	251
20	26	0,34	761	225
25	17	0,31	1145	147
27	5	0,31	1345	43

 

По кривым рис. 2.3, д получаем значение K^рпр, соответствующие скоростям о. и заносим их в табл. 4. Используя пары значений v и К^pпр, рассчитываем по формуле (2.5) pv и заносим в табл. 4. В случае, когда б = 0, скорость ветра при Т^мфп=20 лет принимается равной 45 м/с по табл 1, чему на основании кривых рис. 2.3, е соответствует К^рпр = 0,29, и тогда рассчитанный по формуле (2.5) нормативный ветровой напор рv=1,13- 45² (1+2 * 0,29) = 3610 Па.

3. По кривым рис. 2.3, д при h = 50 м получаем K^бh = 1,6. и тогда формула (2.4) приобретает вид

.  (2.6)

Используя указанные в табл. 4 значения о, рассчитываем по формуле (2.6) соответствующие им величины р_δ и заносим их в табл. 4.

Воздействие влаги, пыли, солнечной радиации и биологических факторов>