Ветровая нагрузка на кровлю

Что такое ветровая нагрузка

Эта статья по своему строению и порядку изложения будет во многом похожа на статью о снеговой нагрузке. На наш взгляд это логично – мы хотим помочь тем, кто ведет строительство дома своими руками без проекта. Для этого в популярной форме приводятся теоретические выкладки, необходимые для правильного и технически грамотного монтажа крыши своими руками.

Снеговая нагрузка

Снежный покров, образующийся в зимние периоды на крыше дома, оказывает на нее определенное давление. Чем севернее район, тем больше снега. Кажется, что и угроза поломок выше, но стоит быть более осторожным при проектировании дома в районе, где происходит периодическая смена температур, способная вызвать таяние снега и последующее его промерзание. Средний вес снега 100 кг/м3, а вот в сыром состоянии он может достигать 300 кг/м3. В таких случаях снеговая масса может стать причиной деформации стропильной системы, гидро- и теплоизоляции, что повлечёт за собой протечки кровли. Такие погодные условия скажутся и на быстром и неравномерном сходе снегового покрова с крыши, что может быть опасным для человека.

Чем больше уклон кровли, тем меньше снеговых отложений на ней будет задерживаться. Но если ваша кровля имеет сложную форму, то в местах стыка кровли, где образуются внутренние углы, может собираться снег, что будет способствовать образованию неравномерной нагрузки. Лучше устанавливать снегозадержатели в районах, где количество осадков достаточно велико, чтобы снег, собравшийся возле края карниза, не мог повредить систему водостока. Уборку снега можно осуществлять самостоятельно, но этот процесс нельзя назвать стопроцентно безопасным.

Для того, чтобы обеспечить безопасный сход снега и предотвратить образование сосулек, применяют систему кабельного обогрева. Ей можно управлять автоматически или вручную. Зависит от вашего желания и выбора. Нагревательные элементы такой системы располагают по всему краю крыши перед водосточным желобом.

Для России значение снеговой нагрузки будет зависеть от района строительства. Определить, какой вес снегового покрова будет в вашем районе, поможет специальная карта.

Технология расчета снеговой нагрузки: S=Sg*m, где Sg — расчётное значение веса снегового покрова на 1м2 горизонтальной поверхности земли, принимаемое по таблице, а m – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.

Расчётное значение веса снегового покрытия Sg принимается в зависимости от снегового района Российской Федерации.

Дополнительные меры безопасности для кровельных конструкций

Учитывая, что сильные потоки ветра опасны, как крутым, так и пологим крышам, во время проектирования и строительства необходимо особое внимание уделить закреплению стропил.

Наряду с подсчетом ветровой нагрузки на здание, предотвратить последствия сильных порывистых потоков воздуха поможет дополнительное закрепление стропильных ног скруткой из проволоки. Проволока наматывается на «ерши» – металлические штыри с насечками, предотвращающими выдергивание, вбитые в стену. Если направление основной ветровой нагрузки на здание неизвестно – таким образом следует закрепить стропильные ноги через одну по периметру всего дома.

Еще один способ укрепления стропил – закладка концов проволоки, держащей стропильную ногу, в укладку стен.

Что нам ветер

Ветровой нагрузкой называют давление ветра на здание или отдельный его элемент. Немного физики: воздушный поток, ударяясь о стену здания, создает завихрения. Первая часть потока направляется к фундаменту здания, вторая – наверх, в сторону крыши, и огибает её.

Так же на кровельное покрытие действует давление внутри здания, которое может быть увеличено, например, при постоянно открытых грузовых воротах здания.

Ветровая нагрузка на здание

В результате образуется подъемная сила, которая стремится оторвать кровельное покрытие. И чем меньше угол наклона кровли, тем больше будет значение этой силы.

Воздействие ветровой нагрузки на механически закреплённый кровельный ковёр из полимерной мембраны

Пример ветрового воздействия на кровлю

Чтобы обезопасить крышу здания от подобных ситуаций, важно:

1. выполнить грамотный ветровой расчет,
2. выбрать правильный кровельный материал и крепёжную систему.

На каждый из этих пунктов компания ТехноНИКОЛЬ предусмотрела решение, но обо всем по порядку.

Первым делом – ветровой расчет.

Являясь экспертом не только в области производства строительных материалов, но и сервиса, компания ТехноНИКОЛЬ первой и единственной в России разработала новую глобальную платформу Roof Calculator ТехноНИКОЛЬ для своих клиентов. Программа предназначена для расчета кровельных систем с применением полимерных мембран LOGICROOF и ECOPLAST. Программа способна выполнять расчет ветровых зон для различных кровельных систем – системы с механическим креплением (в том числе индукционные), балластные или клеевые. Благодаря CAD-модулю можно строить кровли различной конфигурации, выставлять конструкции на крыше и выбирать тип ската.

Пример построения кровли в программе Roof Calculator ТехноНИКОЛЬ

При выполнении ветрового расчета условно выделяют три зоны кровли: парапетную (или краевую), угловую и центральную, при этом первые две испытывают наибольшее ветровое давление. Для повышения сопротивляемости ветровой нагрузке на этих участках увеличивают количество крепежей на квадратный метр. Как правило, в системах с механическим креплением основанием выступает профилированный лист. Поскольку шаг установки крепежа зависит от расстояния между гофрами, количество крепежа увеличивают путём применения рулонов меньшей ширины материала – 1 м или менее. Например, на кровле аэропорта Курумоч в Самаре ширина полотен мембраны в угловых и краевых зонах составила 0,5 м.

Выполнение парапетной зоны из рулонов меньшей ширины

Зачастую ввиду неправильного ветрового расчета, его отсутствия или применения не рекомендованного крепежа (не прошедшего испытания на вырыв) шаг крепежа может составлять 1-1,5 м! Не стоит сомневаться, что такая кровля в районе с повышенной ветровой нагрузкой, увы, обречена! Но исправить подобную ситуацию возможно. Решение – правильный ветровой расчет и последующая реконструкция кровельного пирога. Примером такой работы над ошибками стала крыша второй очереди торгово-развлекательного комплекса центра «Сургут Сити Молл», открытого в мае 2014 года.

Работа над ошибками

Первая очередь комплекса, задуманного как «город в городе» — формата весьма актуального для холодного климата, заработала еще в ноябре 2012 года. Общая площадь «Сургут Сити Молла» составляет 154 000 м 2 . За годы своего существования ТРЦ стал любимым местом досуга жителей региона благодаря наличию большого количества магазинов ведущих брендов, многозального кинотеатра и парка развлечений для всей семьи.

В результате экспертизы на крыше второй очереди «Сургут Сити Молла», которая была смонтирована по системе ТН-КРОВЛЯ Смарт с полимерной мембраной LOGICROOF толщиной 1,8 мм, инженеры Службы Качества ТехноНИКОЛЬ обнаружили превышение шага крепежа в 5 (!) раз. Решением стал точечный ремонт гидроизоляционного пирога с усилением ветровых зон.

Приступая к работе над ошибками, первым делом был проведен ветровой расчет, по которому согласно европейской методике EN 1991-1-4 для угловой зоны ширина рулонов составила 1 м с крепежным шагом 187 мм (при монтаже мембраны в каждую гофру профнастила).

Как мы писали ранее, выбор кровельного материала и крепежа также важен с точки зрения надежности и долговечности конструкции, ведь каждый элемент системы испытывает воздействие ветровой нагрузки и должен эффективно ей сопротивляться! Система ТН-КРОВЛЯ Смарт с крепёжной системой ТехноНИКОЛЬ — это готовое решение, разработанное специалистами компании ТехноНИКОЛЬ. В нем все элементы — минераловатный утеплитель ТЕХНОРУФ в качестве нижнего слоя и утеплитель XPS ТЕХНОНИКОЛЬ CARBON PROF в качестве верхнего, стеклохост, крепежная система, полимерная мембрана LOGICROOF — тщательно подобраны и испытаны, что гарантирует конструкции:

• высокие изоляционные свойства и сопротивление ветровым нагрузкам;
• малый вес кровельного пирога;
• устойчивость к пешеходным нагрузкам;
• высокую пожаробезопасность (K0) и предел огнестойкости (RE 15).

Премиум-класс на кровле

Отдельного упоминания заслуживает полимерная мембрана LOGICROOF премиум-класса. Прочность гидроизоляционного материала — один из важных показателей кровельной системы с механическим креплением. Ведь именно на самый верхний слой конструкции — мембрану — выпадает больше всего испытаний (механические воздействия, влияние внешней среды). Поэтому чтобы противостоять ветровым нагрузкам, гидроизоляционный материал должен обладать высокой прочностью.

Для ПВХ мембран этот показатель определяется на 95% качеством армирующей сетки и на 5% прочностью самого полимера. LOGICROOF имеет внутреннее армирование полиэстеровой сеткой специального плетения. Материал производится по самым передовым мировым технологиям, что гарантирует мембране LOGICROOF премиальное качество с однородным составом. Прочность на разрыв вдоль рулона составляет не менее 1100 Н (для полосы шириной 50 мм).

Высокая способность мембран LOGICROOF противостоять ветровым нагрузкам подтверждена авторитетным научным институтом BDA Keuringsinstituut B.V., свыше 30 лет специализирующемся на исследованиях строительных материалов и конструкций. Образцы LOGICROOF успешно прошли испытания, проведенные по самой жесткой европейской методике EN 16002:2010 (Flexible sheets for waterproofing. Determination of the resistance to wind load of mechanically fastened flexible sheets for roof waterproofing). Это в очередной раз доказывает: LOGICROOF можно смело применять на объектах, расположенных в зонах сильных ветровых нагрузок.

Чтобы сделать кровлю более долговечной, на объекте применена мембрана повышенной толщины LOGICROOF 1,8 мм. Прогнозируемый срок службы мембраны стандартной толщины 1,2 мм уже внушительный и равен 25-30 годам. Разница толщины на 0,6 мм позволяет говорить об увеличении срока эксплуатации мембраны еще на дополнительные десятилетия.

Выбирайте профессионалов

Надеемся, данная статья убедит вас в важности проведения и соблюдения при монтаже ветрового расчета. Приведенный пример реконструкции кровли ТРЦ «Сургут Сити Молл» убеждает нас в том, что ошибка, вовремя замеченная и исправленная, позволит избежать негативных последствий от срыва кровли. Чтобы каждый объект мог получить надежную и долговечную гидроизоляцию, ТехноНИКОЛЬ предусмотрела как сервисы (Служба Качества, кровельный калькулятор), так и качественные строительные материалы, подходящие для применения на объектах с сильными ветровыми нагрузками.
Доверяйте профессионалам!

Природа возникновения ветровых зон на кровле

Ветер представляет собой перетекание воздушных масс из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Точно также при обтекании сооружений ветром, движение воздушных масс создаёт зоны повышенного и пониженного давления. Поверхность, на которую непосредственно падает ветер, называют наветренной, а поверхность, скрытую от ветра массивом здания, называют подветренной. Это можно проиллюстрировать так:

Знак у буквы P означает направление давления: плюс, в случае, если давление направлено внутрь здания, и минус — если наружу. Отрицательное (выталкивающее) давление возникает из-за того, что вместе с ветром оттуда увлекаются статические воздушные массы, тем самым создавая область пониженного (по сравнению с давлением в здании) давления, тем самым создавая всасывание здания в эту область. Тоже происходит и на верхней поверхности сооружения. Однако, в случае верхней поверхности надо рассматривать процессы, происходящие на ней в больших деталях. Поскольку ветровая нагрузка носит динамический характер, она не может быть описана всего лишь числом, и даже некоторым вектором.

Для каждого конкретного ветрового района (здесь можно посмотреть подробную карту ), существует некоторая диаграмма, называемая розой ветров, которая строится на основании многолетних наблюдений, и содержит в себе информацию о повторяемости каждого направления ветра. Также существуют комплексные розы ветров, которые содержат в себе дополнительную информацию, такую как распределение скорости ветра в выбранном направлении.

Поскольку роза ветров даёт лишь информацию о преимущественном направлении ветра, необходимо допускать, что ветер может дуть на рассматриваемое сооружение в любом направлении. Более того, необходимо допускать, что ветер дует в любом направлении с максимальной скоростью. Важно понимать, что даже если вы знаете среднюю скорость ветра в выбранном направлении, знаете стандартное отклонение от средней скорости, то даже интервал +/- 2 стандартных отклонения от средней скорости ветра описывает лишь 95% процентов случаев; интервал в 6 стандартных отклонений описывает уже 97,5% — а это в свою очередь означает, что допустив лишь скорость ветра на 2 стандартных отклонения выше среднего, ваша кровля прослужит три недели, а на 4-ую улетит.

Расчет снеговой нагрузки на кровлю онлайн

Пример расчета снеговой нагрузки поможет наглядно продемонстрировать порядок действий, а также покажет возможную величину давления снега на конструкции дома.

Снеговая нагрузка на кровлю рассчитывается с помощью следующей формулы:

где S — давление снега на квадратный метр кровли.

Sg — нормативная величина снеговой нагрузки для данного региона.

µ — поправочный коэффициент, учитывающий изменение нагрузки на разных углах наклона кровли. От 0° до 25° значение µ принимается равным 1, от 25° до 60° — 0,7. При углах наклона кровли свыше 60° снеговая нагрузка не учитывается, хотя в реальности бывают скопления мокрого снега и на более крутых поверхностях.

Произведем подсчет нагрузки на кровлю площадью 50 кв.м, угол наклона — 28° (µ=0,7), регион — Московская область.

Тогда нормативная нагрузка составляет (по данным СНиП) 180 кг/кв.м.

Умножаем 180 на 0,7 — получаем реальную нагрузку 126 кг/кв.м.

Полное давление снега на кровлю составит: 126 умножаем на площадь кровли — 50 кв.м. Результат — 6300 кг. Таков расчетный вес снега на крыше.

Снеговое воздействие на кровлю

Расчёт ветровой нагрузки на крышу

Основные повреждения на здании при сильных порывах ветра связаны с кровелькой конструкцией. По телевизору и в интернете приведено достаточно много наглядных примеров, как не только отдельные элементы кровли, но полностью вся крыша срывается под воздействием ветровой нагрузки.

При фронтальном направлении ветра происходит столкновение с фасадной частью здания и крышей. У вертикальной поверхности поток создаёт вихревые разнонаправленные векторы, — происходит деление на нижнюю, боковую и вертикальную составляющие.

1. Нижнее направление – самое безопасное для здания, так как все усилия направлены в сторону фундамента, то есть одной из самой прочной и массивной части дома.
2. Боковые составляющие воздействуют на фасадные части здания, окна, двери.
3. Вертикальный поток направлен прямо на свес крыши и создаёт подъёмное усилие, стремящееся приподнять кровлю, сдвинуть её с места.

Воздушный поток, направленный на скат крыши, образует:

• касательное движение, скользящее вдоль кровли, огибающее конёк и уходящее прочь, — эта сила стремится сдвинуть крышу с места;
• перпендикулярное усилие, — нормаль, направленное внутрь кровли, создающее давление, могущее вдавить элементы крыши внутрь конструкции;
• с подветренной стороны ската крыши создаётся обратная сила, способствующая созданию подъёмной силы, — как у крыла самолёта.

Расчёт воздушной нагрузки на крышу, в зависимости от высоты её местонахождения над уровнем земли, определяется по формуле:

• W – нормативная величина усилия, создаваемого напором воздуха; определяется по картам в приложении к СП 20.133330.2011;
• k – коэффициент, показывающий зависимость давления от высоты над срезом верхнего уровня земли (таблица 3);
• C – аэродинамический коэффициент, учитывающий направление набегания воздушного потока на скат крыши (таблица 4 и 5).

Таблица 3. Коэффициент k для типов местности:

Типы местности:

• A – открытые пространства на побережьях морей, озёр, водохранилищ, пустыня, степь, лесостепь, тундра;
• B – населённые пункты, лес, местность с равномерно распределёнными искусственными строениями с высотой больше 10 метров;
• C – территория города с плотным расположением строительных сооружений высотой более 25 метров.

Таблица 4. Значение коэффициента С для двускатной кровли при векторе потока в скат крыши:

Таблица 5. Значение коэффициента С для двускатной кровли при направлении потока во фронтон крыши:

Положительная величина аэродинамического коэффициента означает, что ветер давит на поверхность. Отрицательные показатели – поток создаёт разрежение у поверхности кровли, иными словами – «отсос» воздушной подушки.

Пример расчёта

Дано:

• здание находится на берегу большого внутреннего водоёма, местность относится к типу A;
• кровля расположена на высоте 10 метров, то есть коэффициент равен 1,25;
• преобладающие ветра направлены во фронтон крыши, отсюда аэродинамический показатель для крыши с наклоном ά = 30 равен C = -1,4;
• норматив для района Поволжья W = 53 кгс/м².

Расчётное значение ветрового усилия составит:

Wр = 0,7 * 53 кгс/м² * 1,25 * (-1,4) = -64,925 кгс/м².

Отрицательное значение показывает, что имеется усилие, стремящееся оторвать кровлю от всего здания.

При общих размерах кровли S = 30 м², общее усилие составит:

P = 30 м² * (-64,925 кгс/м²) = -1947,75 кгс, то есть почти две тонны.

Расчёты онлайн-калькулятором

Онлайн-калькулятор односкатной крыши – самый простой вариант проведения расчётов. Нельзя его назвать на все сто процентов точным, но погрешности у него незначительные. При этом всегда можно прибавить к конечному результату определённый процент (10–20%), чтобы быть уверенным в надёжности будущей конструкции.

Как и все калькуляторы, этот требует внесения в него некоторых вводных данных, на основе которых и производится расчёт системы. Как и в математических выкладках, основными вводными данными здесь будут:

• размеры дома (длина и ширина), они будут определять основную площадь крыши;
• угол наклона, во многих калькуляторах используется высота подъёма, то есть разница между нижним концом стропильной ноги и верхней, измеренной по вертикали;
• размеры выступов свеса, боковых карнизов, измерение производится по горизонтали.

Все параметры вводятся в сантиметрах. И обязательно указывается тип кровельного материала. Можно сказать, что последний и является основным параметром для расчёта стропильной системы односкатной крыши. В некоторых калькуляторах нужно обозначить сорт древесины, потому что от этого зависит несущая способность каждого элемента.

В результате калькулятор выдаст значения стропильной системы и обрешётки. А конкретнее: шаг установки стропильных ног, шаг монтажа элементов обрешётки, их сечение (толщину и ширину). А также основные параметры: длину и количество досок для стропил, минимальную нагрузку на ноги. Количество элементов обрешётки в метрах, штуках, в килограммах или в метрах кубических (пиломатериалы продаются кубами).

И, конечно, сервис даст точное значение трёх основных показателей кровельной конструкции:

• угол наклона ската;
• общую площадь покрытия;
• приблизительный вес кровельного материала из расчёта покрытия им вей площади крыши;
• если дело касается рулонных материалов, то их общее количество с учётом нахлеста.

Добавим, что в некоторых калькуляторах односкатных крыш вносят показатели нагрузок: снеговой и ветровой. Здесь все просто – в определённом окошке вносится регион, в котором происходит строительство дома. И сам сервис уже находит требуемые данные. Для определения ветровой нагрузки потребуются дополнительные данные: высота наклона кровли и тип местности строительства (открытая, закрытая, городской район).

Видео

Сбор нагрузок на кровлю и стропила

Вы сами собираетесь проектировать и строить дом? Тогда Вам без процедуры сбора нагрузок на кровлю (или другими словами, на несущие конструкции крыши) не обойтись. Ведь только зная нагрузки, которые будут действовать на кровлю, можно определить минимальную толщину железобетонной плиты покрытия, рассчитать шаг и сечение деревянных или металлических стропил, а также обрешетки.