Определение и методы расчета снеговой и ветровой нагрузки на крышу

Одна из особенностей климата в большинстве российских регионов – высокая снеговая нагрузка на крышу, которая может превышать вес всей кровли. Как следствие, при ошибках проектирования происходят аварийные ситуации, когда стропильная система обрушивается зимой при большом количестве осадков.

В ходе выполнения расчетов учитываются климатические особенности местности. Средние показатели ветровой и снеговой нагрузки на крышу в Москве будут кардинально отличаться от аналогичных параметров в Норильске или Сургуте. Исходя из этих данных определяют тип стропильной системы, параметры используемых для строительства материалов, конструкцию обрешетки, кровельное покрытие.

Типы нагрузок на кровлю

Значимое воздействие на крышу в ходе ее эксплуатации оказывает снег и ветер. Характер воздействия на строительные конструкции отличается. Снеговая нагрузка на кровлю по большей части статична. Ее изменение происходит плавно, если речь не идет о резком сходе сугроба, что нередко происходит при использовании металлических покрытий.

Ветровые нагрузки крыши испытывают вне зависимости от сезона. Они неравномерны, носят эпизодический характер. Но средние показатели, интенсивность порывов, характерных для региона и конкретной местности, определены метеорологами. Кровельщики их учитывают в ходе проектирования, чтобы не допускать аварийных ситуаций независимо от погоды.

В зависимости от длительности воздействия на крышу и здание в целом различают:

• кратковременные (к ним относят климатические нагрузки, обслуживание конструкций, их ремонт);
• длительные (влияние снега, ветра, температур, если интенсивность ниже нормативных показателей);
• особые (сейсмическая активность, экстремальные погодные условия).

Зависимость нагрузок от угла наклона кровли

При расчете снеговой или ветровой нагрузки на крышу учитывается угол наклона кровельной конструкции. Вертикально расположенный по отношению к земной поверхности объект всегда воспринимается воздушным потоком как преграда. Чем больше угол наклона, тем выше ветровая нагрузка на кровлю.

Когда речь идет о снеговой нагрузке, ситуация обратна: расчеты показывают, что на плоскую кровлю приходится максимальное давление, на крутых скатах оно значительно снижается. Оптимальную конфигурацию крыши выбирают, учитывая региональные особенности местности, частоту шквалов, интенсивность осадков.

Снеговая нагрузка на крышу – определение, в чем опасность, особенности распределения

Снеговая нагрузка на кровлю – это вес, осадков на 1 м² поверхности. Она опасна для здания по следующим причинам:

• высокое давление на стропильную систему, кровельное покрытие, на которое не были рассчитаны при проектировании материалы и конструкции, приводит к нарушению герметичности, прогибам, разрушениям несущих элементов, обвалам;
• снежные массы создают дополнительное давление на стены, фундамент, что нужно учитывать при выборе технологии строительства;
• в период чередования оттепелей и заморозков снег уплотняется, образуется лед, который при толщине 5 см на 20 м² весит около 1 тонны, общая нагрузка растет;
• из-за ветра, особенностей геометрии крыши нагрузка при скоплении снежных масс неравномерна, при строительстве кровли нестандартной конфигурации этот факт нужно учитывать.

Когда весной тяжелые снежные массы со слоем льда скатываются с кровли, возможны механические повреждения ее конструктивных элементов, водостоков.

Строители рекомендуют действовать в нескольких направлениях, чтобы не допускать аварийных ситуаций. Стоит периодически очищать поверхность крыш от скоплений снега (по возможности) и использовать конструктивные решения, не допускающие образования высоких сугробов.

Чтобы не допускать большого скопления снега, на карнизах можно установить систему подогрева. Нагревательный кабель, проложенный по кромке, предотвратит образование ледяной корки, снеговая нагрузка на скатную кровлю значительно снизится. Управлять такой системой можно вручную или автоматически.

Определяющее значение имеет и угол наклона. На двух- или односкатной крыше снеговая нагрузка будет минимальна, если угол наклона стропил составит 45-60 °. Осадки на поверхности практически не будут задерживаться. Но такое решение применимо, при небольших ветровых нагрузках в регионе.

Значение расчета

Правильно рассчитывать снеговую нагрузку на крышу важно, как при проектировании фундамента, так и в ходе разработки конструкции самой кровли. Учитывается в основном вес осадков. Желательно указанный в нормативных документах показатель увеличить на 15-20 %, чтобы не допускать эксплуатации материалов с перегрузками в случае экстремальных погодных условий.

Непосредственно на кровельную конструкцию приходится основная нагрузка от снежных масс. При этом она может в разы увеличиваться после потепления и последующих заморозков. Ошибки в расчете снеговой нагрузки на кровлю могут привести к деформациям конструкций и материалов, нарушению их герметичности, целостности.

Крыши сложной формы при проектировании требуют особого внимания к расчетам. Такие конструкции отличаются большим количеством примыканий. Архитектура таких объектов, разные уклоны кровли становятся причиной локальных скоплений осадков, из-за чего снеговая нагрузка распределяется неравномерно. На отдельных участках показатель может отличаться в разы.

Нормативная документация

При проектировании стропильной системы рекомендовано брать нормы снеговой нагрузки на кровлю из СНиП 2.01.07-85 в редакции, учитывающей изменения, которые вступили в силу в 2008 году. В документе есть карты районирования, составленные с учетом европейских требований к строительным конструкциям. В них указан предельный вес снега на 1 м² крыши по регионам, поэтому можно проектировать конструкцию, уже закладывая в нее определенный запас прочности.

Методы расчета снеговой нагрузки на кровлю

Чтобы посчитать снеговую нагрузку на кровлю, применяют метод предельных состояний, при которых конструкции разрушаются под действием внешних факторов или с ними происходят недопустимые для нормальной эксплуатации деформации. Стропильная система проектируется по обоим параметрам.

В первом случае для объекта определяется полный вес снега, который должен выдерживать каркас крыши. Этот параметр должен быть ниже, чем предельно допустимые напряжения для спроектированной стропильной конструкции. Во втором — показатель рассчитывается с коэффициентом 0,7. Он считается нормативным для предельно допустимого прогиба для обрешетки, стропил, прогонов.

Снеговая нагрузка на 1 м² площади рассчитывается по формуле:

S = Sg*m, в которой

m — поправочный коэффициент, позволяющий учитывать угол наклона стропильной системы;

Sg — справочный региональный показатель снеговой нагрузки на кровлю по СНиП.

Показатель m определяется следующим образом:

• при наклоне более 60 ° m=0;
• при 25-60 ° – m=0,7;
• если угол наклона меньше 25 ° – m=1.

В первом случае снеговой нагрузкой на скат можно пренебречь. Это связано с тем, что осадки не будут задерживаться на поверхности крыши, падая под собственным весом. Чтобы не допускать падения больших объемов во время сильных снегопадов, устанавливают снегозадержатели.

В качестве примера рассмотрим расчет полной снеговой нагрузки на двускатную крышу с углом наклона 40 ° в Подмосковье. В соответствии с картой районирования в СНиП нормативный показатель для региона составляет 180 кг/м². Применяя формулу получаем 180*0,7 = 126 кг/м². Именно эту величину в дальнейшем нужно использовать для сравнения с предельными состояниями выбираемых для строительства материалов, чтобы они гарантированно смогли в ходе эксплуатации выдерживать вес осадков.

Можно упростить процесс расчета снеговых нагрузок на кровлю, используя онлайн-калькулятор. Большинство строителей при проектировании не рекомендуют применять подобный метод, так как алгоритм скрыт и доверять ему 100-процентно нельзя. Дополнительным аргументом в пользу самостоятельного проведения всех расчетов становится их предельная простота, не требующая особых знаний.

Определение коэффициентов

Объекты с крышей сложной ломаной формой проектируются инженерами-строителями. Это связано с необходимостью учитывать большое количество сопутствующих показателей, нормативных требований к конструкциям. Для крыш простой формы опытным путем были выведены поправочные коэффициенты, которые кровельщики считают объективно достоверным показателем.

В наиболее сложных условиях эксплуатируются из-за высокой снеговой нагрузки плоские крыши и конструкции с углом наклона до 25 °. На них задерживаются осадки практически в полном объеме. Снег с поверхности может сметать с крыши только ветром. Поэтому и поправочный коэффициент принимается равным 1.

С увеличением угла наклона ситуация упрощается, так как осадки самопроизвольно могут падать вниз, в меньшем объеме задерживаясь на скатах. Из-за этого для конструкций, расположенных под углом 25-60 ° вводится коэффициент 0,7. Для более крутых кровельных конструкций расчет снеговой нагрузки для двух- или односкатной крыши не проводится. Он не имеет смысла, так как осадки не способны удержаться на такой поверхности в значимом для стропильной системы количествах.

Нагрузка для плоских крыш

В климатических зонах, для которых зимой характерно большое количество осадков, строительство домов с плоскими кровлями практически не ведется. Исключение составляют только небольшие по площади хозяйственные постройки, подсобные помещения, гаражи. Но и они строятся с расчетом на регулярную уборку снега с поверхности крыш владельцами построек.

В регионах с теплым климатом снеговая нагрузка на плоскую кровлю существенно ниже, поэтому таких ограничений нет.

Но строительство ведется с соблюдением ряда условий:

• минимальный уклон поверхности должен составлять более 2 ° (оптимально 4-5 °);
• выполняется сплошная обрешетка для увеличения несущей способности конструкции;
• подогрев карниза упрощает задачу по удалению снега, не допускает его скопления вдоль края кровли.

Но даже при сравнительно небольшом объеме снежных масс периодическая чистка крыши зимой потребуется.

Нагрузка на различных участках кровли

Частные мастера в ходе строительства не учитывают неравномерность нагрузки, которую создают снежные массы на крышу. Высоту сугроба можно не учитывать только, если речь идет о герметичной кровле. Угол наклона такой крыши должен превышать 25 °, снеговая нагрузка в таких случаях распределяется равномерно.

Если условия не соблюдаются, уже через сутки результат воздействия осадков на кровлю будет отражаться на состоянии строительных конструкций. Постепенно масса начинает смещаться под собственным весом к краю, на него будет воздействовать повышенная нагрузка.

В центральной части поверхности стропила прогибаются, меняя угол наклона ската, направленность нагрузки. Снег постепенно уплотняется, его вес увеличивается, поэтому со временем ситуация усложняется. Решением может стать система подогрева для таяния льда. Нагревательный кабель укладывают в центральной части кровли и на ее свесах.

Ветровая нагрузка на крышу – определение и особенности

Давление на кровлю воздушного потока называют ветровой нагрузкой. Величина является справочным показателем, прописанным в нормативных документах. Она определяется максимальной скоростью ветра для каждого из регионов. Нагрузка может отличаться в зависимости от особенностей строительных конструкций, на которые оказывается давление.

При перемещении воздушного потока происходит его столкновение с преградами, при котором происходит его разделение. Кровля в такой ситуации испытывает нагрузки с нескольких сторон:

• подъемную с подветренной стороны;
• касательные с наветренной;
• вдавливающую, направленную перпендикулярно скату.

Игнорирование при ведении расчетов ветровых нагрузок на крышу не допускается. Их воздействие не зависит от сезона, влияние в разной степени оказывается на конструкции любой формы.

Методика расчета ветровой нагрузки

Расчет ветровой нагрузки на кровлю выполняется по формуле:

W = Wo*k, где учтены следующие параметры

W – удельная ветровая нагрузка;

Wo – нормативный региональный показатель, определяемый по СП 20.133330.2016 п.11.;

k – поправочный коэффициент, который зависит от высоты конструкции.

Нормативные данные содержатся в СНиП. Показатель выбирают, учитывая особенности конкретной местности.

Их разделяют на группы:

• открытые участки;
• городская застройка, лесные массивы с высотой расположенных рядом объектов до 10 м;
• города со строениями высотой от 25 м, районы со сложным рельефом.

Ветровые и снеговые нагрузки — независимые показатели. Они рассчитываются отдельно. Результат суммируется, чтобы определить общую нагрузку на кровельную конструкцию.

Как противостоять повышенной ветровой нагрузке

Чтобы не допустить разрушительного воздействия ветровой нагрузки на крышу, инженеры-строители придерживаются следующих правил:

1. Правильно смонтированная стропильная система. Расчетные параметры учитываются при выборе материалов, схемы сборки каркаса. Обязательно конструкцией предусматривается наличие подкосов, раскосов, ребер жесткости. Для дополнительного усиления общей прочности стропильной системы, ее элементы связывают диагоналями. Уделяют внимание прочности обрешетки.
2. Правильно выбранный кровельный материал. Учитывается парусность покрытий. По этому параметру одним из худших вариантов станет металлочерепица, профнастил, шифер. Выбранный материал надежно закрепляют на подложке, что позволит выдерживать высокие внешние нагрузки. Ондулин — вариант, который обеспечит высокую надежность крепления, обладает минимальной парусностью.
3. Усиление действующих конструкций. Ошибки проектирования можно нивелировать за счет монтажа дополнительных креплений всех стропильных ног путем скрутки вязальной проволокой их нижней части к забитым в стену кованым металлическим штырям. Для надежности узла дополнительно на крепеже предусматриваются насечки, направленные в направлении забивания.

Нагрузка от ветра неравномерна, ее значения периодически сравнимы с весом кровли, поэтому значение показателя для конкретного строения не стоит игнорировать. Усиление эксплуатирующихся конструкций — действенное решение, но закладка нужных параметров еще на этапе проектирования здания станет вариантом, учитывающим все тонкости ситуации, конкретного объекта, особенности местности.

Независимо от особенностей конструкции крыши, параметров здания, к проектированию кровли стоит привлечь инженера, который специализируется на этом направлении. Ошибки в расчетах приводят к необходимости ремонта, дополнительных вложений в строительство дома для приведения показателей к действующим эксплуатационным и строительным нормам.

Максимальная снеговая и ветровая нагрузка на метр кровли — показатели, которые учитывают при проектировании обязательно, чтобы правильно определить требуемую несущую способность стен здания, его фундамента. Рисковать, используя примерные цифры не имеет смысла. Устранить последствия технически и финансово будет на несколько порядков сложнее.