Разрушение крыш и других конструкций от ветра
В последнее время климатические факторы становятся все более изменчивыми. Увеличиваются перепады температур, больше осадков выпадает за один раз, сильнее порывы ветра. Сильные грозы и ураганы теперь обычные погодные явления и в условиях умеренного климата. В случае же комбинации неблагоприятных климатических воздействий и открытой местности ветер может являться причиной сильных повреждений и разрушения крыш.
На крыши и другие конструкции оболочек зданий действуют нагрузки от ветра (рис. 1), которые возрастают по мере увеличения его скорости. В настоящее время строительные конструкции, в том числе крыши, рассчитываются исходя из максимальной скорости ветра, равной примерно 100 км/час. Очевидно, эту расчетную скорость пора увеличить.
Ветер воздействует на кровельное покрытие, а в особенности на его верхний слой, за счет:
— давления (подсоса);
— разрежения (отсоса);
— трения;
— комбинации вышеуказанных силовых факторов.
Самым худшим вариантом ветрового воздействия является сочетание отсоса и поддувания воздуха под водоизоляционный ковер, или, иначе говоря, комбинация отрывающей этот ковер силы ветра и парусного эффекта. Методы расчета конструкций на действие ветровых нагрузок должны в настоящее время соответствовать европейским и, разумеется, местным строительным нормам. Конечно, здесь можно привести нормативные методики по расчету кровель на воздействие ветровых нагрузок. Однако в рамках данной статьи поставлена задача разобраться с основными безрасчетными вещами, связанными с ветровыми воздействиями на здания. Ветер способен сорвать с крыши (далее в списке самый опасный вариант указан первым, наименее опасный — последним):
— все элементы, в том числе и несущие конструкции;
— водоизоляционную систему (кровельный ковер, теплоизоляцию, крепежные детали и другие элементы);
— кровельный ковер и элементы покрытия парапетов (в частности, металлические фартуки);
— только дополнительные металлические и иные элементы с поверхности крыши.
В результате ветровых воздействий происходит также ослабление креплений и соединений частей кровельной конструкции, что рано или поздно может привести к ее разрушению. Следует отметить, что существуют определенные моменты, способствующие возникновению нежелательных явлений, которые и ведут к ухудшению состояния кровельной конструкции и в конечном итоге к ее отказу. Естественно, такие моменты необходимо внимательно учитывать при проектировании, устройстве и эксплуатации кровли. Но, говоря о крышах, не нужно забывать и о фасадах в целом. Соответствующий отсос влияет не только на кровельное покрытие, но и, безусловно, на выступающие элементы фасада. Очень опасно сочетание ветрового давления и отсоса, тем более, когда величины этих силовых факторов значительны. Все «летающие» крыши и другие конструкции, которые за последние годы прошли через руки автора этой статьи, стали таковыми по причине наличия слабого места — своеобразного «центра взлета», находившегося в той или иной конструктивной детали.
Причем в большинстве случаев в полет отправлялись элементы жестяницкой работы (например, парапетные фартуки), которые или не были изначально правильно закреплены, или имели механически нарушенные в ходе эксплуатации соединения, или работали в условиях прогрессирующей коррозии. В том случае, когда водоизоляционное обустройство парапета является самостоятельным, водоизоляция тоже работает самостоятельно и с жестяницкими элементами указанного обустройства не взаимодействует (рис. 2, слева). Значит, при таком решении разрушение изоляции парапетной стенки к разрушению кровельного ковра привести не может. Если же изоляция парапета и кровельное покрытие конструктивно взаимосвязаны, то при разрушении парапетных элементов произойдет и разрушение кровельной гидроизоляции (рис. 2, справа). То же касается места сопряжения водоизоляции с жестяницким обустройством края кровли, когда имеет место наружный водоотвод (рис. 6). Различные варианты разрушений, описанных в этом абзаце, показаны на рис. 3-5 и 7.
Весьма опасен случай, приведенный на рис. 8. Здесь мы видим кровельное покрытие, уложенное на разреженную обрешетку из досок. Такое решение приводит к усилению давления на кровельное покрытие со стороны подкровельного (чердачного) пространства. В результате сложения всех сил, отрывающих водоизоляцию от обрешетки, весьма высока вероятность разрушения кровли. На рис. 11 и 12 показано то опасное состояние, когда кровельная водоизоляция подвергается действию не только ветрового отсоса, но и парусного эффекта. Вышеуказанные явления происходят, если ветер получает возможность дуть под кровлю.
На рис. 13 зафиксировано разрушение силой ветра выступающей наружу конструкции здания. Часто такие конструкции на ветровые воздействия не рассчитываются, но представляется, что соответствующие расчеты все же следует выполнять в обязательном порядке. При ликвидации последствий разрушений кровель необходимо не только заменять поврежденные и разрушенные конструктивные элементы. Следует также непременно проверять, нет ли с виду неповрежденных, но ослабленных деталей. Их, конечно, необходимо ремонтировать или, если это невозможно, заменять. Все показанные в статье разрушения и повреждения произошли при скорости ветра более 120 км/час.
Марек НОВОТНЫ, авторизованный инженер и судебный эксперт в области строительной изоляции и строительной физики
Фото: Л. НОВАК, Я. ЛИНХАРТ. Графика: K. ГОУДОВ. Перевод: В. КОРНЕШКОВ. Использованы материалы компании A.W.A.L. s.r.o. Чешская Республика
Рис. 1. Общая схема ветровых воздействий на здание.
Рис. 2. Схемы воздействия ветра на парапет: в случае фартука, не соединенного с водоизоляцией (рисунок слева); в случае фартука, соединенного с водоизоляцией через специальный угловой изоляционный элемент.
Рис. 3. Фото разрушенной конструкции парапета вследствие комбинации ветрового отсоса и давления.
Рис. 4. Фото оторванного кровельного покрытия; разрушены также и элементы жестяницкого обустройства парапета, в результате чего и произошел отрыв водоизоляции.
Рис. 5. Фото оторванной водоизоляции; в этом случае процесс ее отрыва тоже (см. рис. 4) начался после разрушения жестяницких элементов парапета.
Рис. 6. Схема разрушения кровли у жестяницкого элемента (фартука) ее края в месте его соединения с кровельным ковром.
Рис. 7. Фото последствий реализации схемы разрушения, показанной на рис. 6.
Рис. 8. Схема силовых воздействий на кровельную водоизоляцию, когда не обеспечена воздухонепроницаемость несущей конструкции крыши.
Рис. 11. Фото вздутия кровельного ковра.
Рис. 12. Фото волн на кровельном ковре; он готов взлететь.
Рис. 13. Фото разрушения выступающей конструкции силой ветра.
Подготовил к печати Дмитрий ЖУКОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 46 за 2007 год в рубрике материалы и технологии
Источник
Ветровая нагрузка.Нагрузки, действующие на несущую конструкцию скатных крыш
При боковом давлении ветра воздушный поток сталкивается со стеной и крышей здания (рис. 1). У стены дома происходит завихрение потока, часть его уходит вниз к фундаменту, другая по касательной к стене ударяет в карнизный свес крыши. Ветровой поток, атакующий скат крыши, огибает по касательной конек кровли, захватывает спокойные молекулы воздуха с подветренной стороны и устремляется прочь.
Таким образом, на крыше возникают сразу три силы, способные сорвать ее и опрокинуть — две касательные с наветренной стороны и подъемная сила, образующаяся от разности давлений воздуха, с подветренной стороны. Еще одна сила, возникающая от давления ветра, действует перпендикулярно склону (нормаль) и старается вдавить скат крыши внутрь и сломать его.
В зависимости от крутизны скатов нормальные и касательные силы изменяют свое значение. Чем больше угол наклона ската кровли, тем большее значение принимают нормальные силы и меньшее касательные, и наоборот, на пологих крышах большее значения принимают касательные, увеличивая подъемную силу с подветренной и уменьшая нормальную с наветренной стороны.
рис. 1. Ветровые нагрузки, возникающие от давления воздушных масс
Расчетное значение средней составляющей ветровой нагрузки w в зависимости от высоты z над поверхностью земли следует определять по формуле: Wр = W×k(z)×c, где W — расчетное значение ветрового давления, определяется по карте приложения в «Изменениях к СНиП 2.01.07-85» (рис. 2); k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z, определяется по таблице 2; c — аэродинамический коэффициент, учитывающий изменение направления давления нормальных сил в зависимости от того с какой стороны находится скат по отношению к ветру, с подветренной или наветренной стороны (рис 3).
рис. 2. Районирование территории Российской Федерации по расчетному значению давления ветра
| Высота z, м | А | Б | В |
| не более 5 | 0,75 | 0,5 | 0,4 |
| 10 | 1,0 | 0,65 | 0,4 |
| 20 | 1,25 | 0,85 | 0,55 |
| Типы местности: А – открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра; Б – городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м; В – городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м | |||
рис. 3. Значения аэродинамических коэффициентов ветровой нагрузки
Знак «плюс» у аэродинамических коэффициентов определяет направление давления ветра на соответствующую поверхность (активное давление), знак «минус» — от поверхности (отсос). Промежуточные значения нагрузок следует находить линейной интерполяцией. При затруднении в использовании таблиц 3 и 4 изображенных на рисунке 10, нужно выбирать наибольшие значения коэффициентов для соответствующих углов наклона скатов крыш.
Крутые крыши ветер старается опрокинуть, а пологие — сорвать и унести. Для того чтобы этого не произошло нижний конец стропильных ног крепят проволочной скруткой к ершу, забитому в стену (рис. 4). Ерш — это металлический штырь с насечкой против выдергивания, который изготавливают кузнечным способом. Поскольку достоверно неизвестно с какой стороны будет дуть сильный ветер, стропила прикручивают по всему периметру здания через одно, начиная с крайних, — в районах с умеренными ветрами и каждое — в районах с сильными ветрами. В некоторых случаях этот узел может быть упрощен: ерш не устанавливается, а проволока с выпущенными концами закладывается в кладку стен в период их возведения. Такое решение допустимо, если оба конца проволоки выпускается внутрь чердака и не портят внешний вид фасада здания. Обычно для крепления стропил используется стальная предварительно отожженная (мягкая) проволока диаметром от 4 до 8 мм.
рис. 4. Пример решения карнизного узла наслонных стропил скатной крыши/
Общая устойчивость стропильной системы обеспечивается раскосами, подкосами и диагональными связями (рис. 5). Устройство обрешетки также способствует общей устойчивости стропильной системы.
рис. 5. Пример обеспечения пространственной жесткости стропильной системы
Источник: «Конструкции крыш. Стропильные системы» Савельев А.А.
Оставляя комментарий Вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности
Источник
Каким должен быть наклон крыши частного дома
Уклон скатов нельзя просто сделать таким, каким хочется. Это важнейший параметр кровли, от которого зависит не только эстетика дома, но и требования к его конструкциям, вплоть до фундамента. Поэтому, чтобы правильно выбрать наклон крыши, нужно учесть сразу несколько факторов. Каких? Расскажем в статье.
Что влияет на угол наклона крыши
Уклон скатной кровли, в основном, зависит от четырех факторов:
- снеговой нагрузки;
- угрозы срыва ветром;
- выбранного кровельного покрытия;
- наличия жилого мансардного этажа в планах.
Есть еще и второстепенные параметры. Например, оптимальные углы наклона крыши зависят от того, как часто будут обслуживать кровлю, планируется ли ставить на ней оборудование или делать озеленение. Но они обычно не имеют решающего значения.
Когда снега — много
Каждая кровля может выдержать только строго определенную максимальную нагрузку. Эта нагрузка прямо зависит от параметров стропильной системы, опосредованно — от несущей способности стен и фундамента. Превышение максимальной нагрузки приведет к обрушению крыши со всеми вытекающими из этого последствиями. Как это связано с тем, какой уклон должен быть у крыши? Все просто: с его помощью можно влиять на нагрузку.
При небольшом уклоне на крыше может нарасти большая снеговая шапка
Дело в том, что общая нагрузка на кровлю — это сумма двух составляющих в пересчете на 1 м 2 :
- Постоянные нагрузки. Это суммарный вес кровельного пирога и всех элементов крыши, включая, например, вес стропильной системы, внутренней отделки, обрешетки.
- Переменные нагрузки. Сюда входит вес человека, который будет перемещаться по кровле при обслуживании, а также давление ветра и масса выпавшего снега.
Именно снеговая нагрузка и, в меньшей степени, ветровая интересуют нас, когда мы определяем, какой уклон крыши нужно сделать.
Снеговая нагрузка, согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия», вычисляется по формуле S0 =Sg·μ. Значение Sg — это нормативный вес снегового покрова в районе строительства и его изменить нельзя. А вот μ — поправочный коэффициент, на который прямо влияет угол наклона кровли. Рассчитывается он по-разному для разных видов крыш, но общий принцип прост: чем больше наклон кровли, тем меньше снеговая нагрузка.
Например, для односкатных и двускатных кровель μ=1, если угол ската крыши меньше 30°, и μ=0, если наклон больше 60°. Для промежуточных значений углов поправочный коэффициент вычисляют по формуле: μ = (60°−α)/(60°−30°), где α — это как раз угол наклона кровли.
Это означает, что пологая крыша с уклоном 20 градусов будет держать на себе полный вес снежного покрова, в то время как для крутой кровли, наклоненной под 65°, снеговую нагрузку можно вообще не учитывать. Все, что между крайними вариантами — наше пространство для маневра.
То есть, меняя угол ската кровли в диапазоне от 30° до 60°, мы уменьшаем или увеличиваем снеговую нагрузку. Угол, при котором сумма снеговой и постоянной нагрузки равна несущей способности стропильной системы, и есть минимально допустимый уклон кровли.
Ветер, ветер, ты могуч…
Нормативное ветровое давление, которое рассчитывают по тому же своду правил, что и снеговую нагрузку, от наклона ската крыши не зависит. От ее вида, формы, высоты и других параметров — да. Но не от уклона. Поэтому здесь — не об этом расчетном значении, а о том, как давление ветра в принципе влияет на кровлю.
Если упростить, то чем больше площадь ската и чем ближе к вертикальному его положение, тем больше парусность. То есть на рекламные щиты ветер «давит» с максимально возможной силой, на крыши с крутыми скатами — слабее, но все равно очень существенно. Поэтому в местах с высокой ветровой нагрузкой рекомендуют делать пологие кровли. Так, если уклон крыши 10 градусов, она защищена от «опрокидывания» даже очень сильным ветром. Но, к сожалению, не от срыва.
Если на кровлю с крутыми скатами ветер давит, стремясь опрокинуть ее, то пологую пытается поднять. А когда угол склона крыши небольшой, воздушные массы, обтекающие скаты, создают подъемную силу. И если эта сила станет слишком большой, крышу унесет.
Частично компенсировать этот эффект помогают слуховые окна. Только не люкарны или «кукушки», а небольшие вентиляционные окошки в верхней части фронтона или ската, закрытые решетками-жалюзи. В отличие от обычных окон, слуховые всегда открыты и выравнивают давление снаружи и внутри кровли.
Чтобы избежать избыточного ветрового давления и подъемной силы, в регионах с нормальной ветровой нагрузкой оптимален средний наклон крыши — 30-45°.
Чем кровлю крыть будем?
У всех кровельных материалов, за исключением тех, которые предназначены для укладки на плоскую крышу, есть требования к минимальному углу наклона кровли. А у некоторых ограничен и максимальный уклон ската. Вот, какой уклон крыши должен быть, в зависимости от вида кровельного покрытия:
| Кровельное покрытие | Минимальный наклон | Максимальный наклон |
| Керамическая черепица | классическая — 22°; бобровый хвост — 30°. | 60° |
| Цементно-песчаная черепица | 22-30° | 60° |
| Металлочерепица | 9° | нет |
| Профнастил | 8-10° | нет |
| Фальцевая кровля | 7° | нет |
| Шифер | 25° | 45° |
| Ондулин | 5° | нет |
| Битумная черепица | 6° | нет |
Но не стоит воспринимать числа из этой таблицы, как запрет использовать кровельное покрытие, если угол наклона крыши меньше минимального. Просто, если вы не впишитесь в эти нормы, кровля может потечь. А если скат наклонен под намного меньшим углом, чем допустимо, вероятность протечки близка к 100%.
Впрочем, этого можно избежать. Нужно принять дополнительные меры по герметизации кровли, которые сделают ее практически водонепроницаемой:
- нахлесты между листовыми материалами увеличивают в два раза;
- все стыки уплотняют специальной герметизирующей лентой и тщательно промазывают герметиком;
- под кровельным материалом укладывают рулонную битумно-полимерную гидроизоляцию по сплошной обрешетке или монтируют качественную гидроизоляционную мембрану, стыки которой тщательно проклеивают.
Это все сильно увеличивает цену устройства крыши здания — у дома фактически будет два кровельных покрытия. Нижнее — рабочее, которое и защищает кровлю от протекания. А верхнее покрытие будет закрывать нижний гидроизоляционный слой от ультрафиолета и выполнять декоративную функцию.
Поэтому при расчете, сколько должен быть уклон крыши, минимальные углы монтажа кровельного покрытия нужно учитывать, в первую очередь, ради экономии на устройстве кровли. Кроме того, укладка кровельного материала на скат, уклон которого меньше минимального, часто лишает гарантии производителя.
А вот максимальный угол монтажа кровельного покрытия игнорировать нельзя. Если превысить его, то крыша рискует остаться «раздетой» при сильном ветре.
Чердак или мансарда?
Как вы собираетесь использовать подкровельное пространство?
Если планируете просто сделать на нем чердак, тогда уклон кровли значения не имеет — для хранения вещей места хватит. Другое дело, если под скатами будет мансарда. Тогда на угол наклона крыши стоит обратить внимание.
Полезная площадь под односкатной крышей зависит от угла ее наклона больше всего. Этот тип кровли опирается на две стены или подпорки возле них. Следовательно, если крыша очень пологая, то полезная площадь мансарды получается почти такой же, как у нижних этажей. За исключением небольшого участка у стены под нижней частью ската.
Для двускатной, вальмовой, шатровой крыши угол наклона ската имеет значение, если стены дома не заканчиваются в полуметре от перекрытия, а выгнаны на высоту 1,5 м, лучше 2 м. В этом случае пологая кровля не увеличивает доступное пространство — оно и так большое, — а сильно снижает расходы на отопление.
Подведем итоги
Какой должен быть уклон крыши? Зависит от четырех факторов:
- снеговой нагрузки;
- парусности;
- вида кровельного материала;
- назначения подкровельного пространства.
Для уменьшения снеговой нагрузки скаты лучше сделать крутыми — при угле 60° и более она равна нулю. Но такую кровлю делают редко, поэтому минимально возможный уклон крыши рассчитывают, исходя из допустимой нагрузки на конструкции.
Так как для снижения парусности правильно сделать уклон крыши небольшим, этот параметр вступает в противоречие с предыдущим. Поэтому в регионах с нормальной ветровой нагрузкой оптимально делать уклон кровли 30-45°.
Кроме того, у многих видов кровельных материалов есть минимально и максимально допустимые углы монтажа. Влияет на уклон и то, что будет под кровлей: чердак или мансарда.
Источник