Влияние природно-климатических факторов на строительство зданий в Северных регионах России

Аннотация. В статье рассмотрены основные природно-климатические особенности районов крайнего Севера и их учет при строительстве зданий в условиях многолетней мерзлоты. Выполнен анализ основных приемов возведения зданий в зависимости от геологических, гидрогеологических и климатических условий. А также, проанализировано влияние природно-климатических факторов на строительство зданий в условиях Крайнего Севера и регионах, приравненных к ним, на примере Тюменской области.

Ключевые слова: районы крайнего Севера; природно-климатические особенности; многолетняя мерзлота; строительство; быстровозводимые здания.

Введение

На сегодняшний день основным приоритетом в строительной отрасли является поиск новых, наиболее эффективных, методов строительства быстровозводимых зданий. Это связано, в первую очередь, с тем, что ежедневно совершенствуется уже существующие или же создаются новые методы и технологии строительства, с учетом особенностей и климатических условий тех или иных регионов.

Цель и постановка задачи исследования

Целью исследования является изучение и анализ влияния природно-климатических факторов на строительство зданий в Северных регионах России, на примере Тюменской области.

Задача: Выявить основные природно-климатические особенности районов Крайнего Севера и регионов, приравненных к ним, на примере Тюменской области. А так же, изучение методов строительства зданий и сооружений в условиях приближенным к вечной мерзлоте.

Основной раздел

Природно-климатические особенности напрямую влияют на методы, приемы и принципы строительства. Для районов Севера характерной особенностью являются значительно более низкие температурные условия, чем для районов Европейской части страны.

В Тюменской области к районам Крайнего севера относят весь Ямало-Ненецкий автономный округ, а к районам, приравненным к ним весь Ханты-Мансийский автономный округ – Югра и Уватский район (таблица 1) [2].

Таблица 1

Автономные округа Тюменской области относящиеся к районам Крайнего Севера и приравненных к ним

Климат Ханты-Мансийского автономного округа резко континентальный, характеризуется быстрой сменой погодных условий. Зима суровая и продолжительная с устойчивым снежным покровом, лето короткое и сравнительно теплое, переходные сезоны (весна, осень) с поздними весенними и ранними осенними заморозками.

Наиболее низкие температуры воздуха зимой регистрируются в долине реки Вах в Нижневартовском районе. Средняя температура января по округу от -18 до -24 градусов по Цельсию. Абсолютный минимум температуры воздуха – находится в пределах от -48º до -60º. 

При этом, одним из основных неблагоприятных факторов, является природно-климатический, который воздействует на организм человека в районах Крайнего Севера и приравненных к ним. В связи с особенностью организации производства в нефтегазовой отрасли происходит загрязнение воздушной среды мест по добыче углеводородов в первую очередь пылью, поскольку данные производства связаны с бурением, сернистым газом, формальдегидом, окислами азота, фенолом и его производными.

На территории России многолетняя мерзлота покрывает порядка 65 % всей поверхности территории (рисунок 1). Она включает небольшую часть Кольского полуострова, постепенно расширяясь к Уральским горам, область нижнего течения Оби, а к востоку от Енисея многолетняя мерзлота занимает всю оставшуюся площадь страны, за исключением (частично) Приморского края, восточной части Хабаровского края, Сахалина и Южной Камчатки [10,11].

Рисунок 1. Карта распространения многолетней мерзлоты на территории Российской Федерации

В условиях многолетней мерзлоты необходимо определить мощность её деятельного слоя. Она определяется в зависимости от типа деятельного слоя (рисунок 2) [10, c.69].

Рисунок 2.Типы деятельных слоёв

Примечание:  С– сезонная мерзлота; Т–талый грунт; М–многолетняя мерзлота

Значительная часть вечномерзлых грунтов находится в льдонасыщенном состоянии или же содержит в себе отдельные включения льда в виде линз, прожилок и прослоек. Нередко встречаются вечномерзлые просадочные грунты, которые, обладая высокой несущей способностью в мерзлом льдонасыщенном состоянии, при оттаивании резко ее теряют, что может привести к деформации и даже разрушению зданий и сооружений.

Например:

1. Обрушение моста на трассе Тюмень-Ханты-Мансийск, 2015г. (рисунок 3).

2. Высотный дом, давший крен при строительстве в Тюмени, 2015 г.

3. Обрушение дороги в г. Нижневартовске, 2018 г. (рисунок 4).

4. Просадка грунта в жилом районе г. Нижневартовск, 2019 г.

5. Обрушение перекрытия при строительстве школы в Тюмени, 2019 г.

Рисунок 3. Обрушение моста на трассе Тюмень - Ханты-Мансийск

На сегодняшний день, наибольшее количество случаев деформации просадочных грунтов при оттаивании приходится на дороги, трассы и автомагистрали. На 447 км федеральной автодороги Тюмень — Ханты-Мансийск (в районе села Демьянка) произошло проседание грунта, в результате чего было разрушено асфальтовое покрытие дорожного полотна по всей ширине дороги, длина разрушения около 12 метров (рисунок 3)

В 2018 году в г.Нижневартовске была разрушена дорога в связи с чем, образовался провал глубиной более 2,5 м (рисунок 4). А в 2019 году просел грунт уже в жилом районе города, в связи с чем, часть дороги была разрушена (рисунок 5).

Рисунок 4. Обрушение дороги в Нижневартовске, 2018 г.

Рисунок 5. Просел грунт в жилом районе г.Нижневартовск, 2019

Еще одной особенностью строительства зданий на Крайнем Севере является цветовое оформление (рисунок 6). Выбор цветовой гаммы напрямую влияет на:

- видимость здания;

- окружающий ландшафт;

- разграничение пространства и выделение отдельных объектов.

Рисунок 6. Влияние цветовой гаммы

Такое решение обосновано тем, что в вечернее время и период полярных ночей серые, белые и светлые пастельные тона зачастую на фоне снежного покрова практически не видны. При этом использование таких цветов, как красный и оранжевый создает прямо противоположный эффект, в условиях плохой освещенности или низкого солнца такие цвета усиливают видимость зданий. Для выделения пространственных ориентиров используют желтые, красные и зеленые цвета. Еще одним фактором, обуславливающим выбор более яркой цветовой гаммы – это разнообразие цветового ландшафта, а также повышение положительного психологического состояния жителей Крайнего Севера и районов, приравненных к нему [6, с.8].

В связи с продолжительным периодом влияния низких температур в условиях Крайнего Севера, необходимо максимально ускорить процесс возведения зданий, без ухудшения качества строительных работ, обеспечивая надежность и безопасность возводимых объектов.

Одним из перспективных направлений развития малоэтажного домостроения является строительство быстровозводимых зданий.

Быстровозводимые здания – это сооружения, построенные из металлического каркаса для современной промышленности и гражданского назначения.

Зарубежный опыт строительства быстровозводимых зданий, в большей части, по своему функциональному назначению, схож с отечественными разработками. Быстровозводимые здания подразделяется на [4,7,8]:

• жилые здания экономического класса;
• временные жилые здания для рабочих на стройплощадках;
• временные жилые здания на случай ликвидации стихийных бедствий и техногенных катастроф;
• дома для военнослужащих на время проведения учений и военных операций.

В США, ежегодное увеличение строительства быстровозводимого жилья составляет от 18 до 23%, в Германии - от 29 до 43%.

В структуре конструктивных систем быстровозводимых зданий в разных странах сложились индивидуальные особенности (таблица 2) [7, с. 16].

Таблица 2

Типы быстровозводимых зданий за рубежом

Около 62% жителей Канады проживает в малоэтажных домах. Строительство быстровозводимых зданий в Канаде на 8% опережает многоквартирные. Однако малоэтажных индустриальных зданий в Канаде производится на 17% меньше, чем в Соединенных Штатах Америки [1, 3].

На быстровозводимые здания в строительном секторе Канады приходится: 9% – панельные здания; 8% – модульные, 83% – каркасные (таблица 3).

Работоспособность конструктивных материалов может варьироваться в зависимости от температуры окружающей среды: так, некоторые металлические сплавы становятся хрупкими при пониженной температуре [7, 8] и происходит разрушение конструкций, чего при нормальной температуре не наблюдается.

Отмеченные факторы должны учитываться при выборе компонентов для конструирования сэндвич-панелей. С учетом климата Крайнего Севера к материалам предъявляются следующие требования [5]:

- работоспособность и сохранение характеристик прочности и пластичности при температурах от -60 до -75 °С;

- работоспособность при колебаниях температур от минусовых до плюсовых (от -70 до +50 °С);

- стойкость к влаге и к воздействию тумана;

- технологичность, состоящая в возможности сварки, хорошей механической обрабатываемости и окрашиваемости;

- повышенные прочность, пластичность, износостойкость, антиадгезионность материалов при взаимодействии со снегом и льдом;

- сохранение свойств в условиях термоциклирования с переходом через точки росы и замерзания.

Рисунок 7. Диаграмма типов домов по конструктивным схемам

В предшествующие 6 лет в структуре жилищного строительства Ханты-Мансийского Автономного округа преобладали панельные и кирпичные здания. Их доля в общем объеме строительства жилья составляла от 34,6% в 2012 году со снижением до 30,5% в 2018 году (рисунок 7). Тенденция к снижению материалоемкости, сложившаяся в последние 6 лет, сохранится до 2025 года (таблица 3).

Таблица 3

Типы домов по конструктивным схемам

Таким образом, развитие наиболее эффективных методов, принципов и технологий строительства быстровозводимых зданий связано, с особыми условиями строительства не только Северных регионов, но и страны в целом.

Выводы

1. Примерно 65% территории России покрывает многолетняя мерзлота. Нередко встречаются вечномерзлые просадочные грунты, которые, обладая высокой несущей способностью в мерзлом льдонасыщенном состоянии, при оттаивании резко ее теряют, что может привести к деформации и даже разрушению зданий.

2. Природно-климатические особенности напрямую влияют на методы, приемы и принципы строительства. Для районов Крайнего Севера такой характерной особенностью являются значительно более низкие температурные условия, чем для районов Европейской части страны.

3. Одним из перспективных направлений развития малоэтажного домостроения является строительство быстровозводимых зданий. Для возведения, которых необходимо проводить полный технико-экономический и природно-климатический анализ, а также учитывать особенности региона строительства.

4. Не существует единой превалирующей конструктивной схемы, которая бы использовалась повсеместно. Выбор конструктивных решений зависит от воздействия природно-климатических факторов, необходимо учитывать, что в условиях вечной мерзлоты работоспособность конструктивных материалов может сильно варьироваться.

5. Наибольшее количество случаев деформации просадочных грунтов при оттаивании приходится на дороги, трассы и автомагистрали.