Расчет снеговой нагрузки на кровлю: как не наделать ошибок при проектировании и эксплуатации крыши

Если вы когда-нибудь разгребали снег, то хорошо знаете, каким тяжелым он может быть. И что говорить о крыше, на которой за первый месяц зимы собирается такая шапка, которая способна проломить даже довольно прочную конструкцию! И особенно актуальна тема грамотного обустройства крыши для жителей северных регионов России, где сугробы есть уже в сентябре.  Вот почему при строительстве дома все задаются вопросом: выдержит ли кровля всю массу снега, сбрасывать его каждые 2 недели, или нет.

Вот для этой цели и было разработано такое понятие, как нормативная снеговая нагрузка и совокупность ее с ветровой. Здесь действительно немало тонкостей и нюансов, и, если вы хотите разобраться – мы будем рады помочь!

Содержание

Принцип работы крыши: предельные состояния

Итак, расчет снеговой нагрузки на кровлю делают с учетом двух предельных состояний крыши – на разрушению и прогиб. Говоря простым языком, это именно та способность всей конструкции сопротивляться внешним воздействиям – до того момента, пока она не получит местное повреждение или недопустимую деформацию. Т.е. пока крыша не продавится или не повредится настолько, что ей понадобится ремонт.

Предел несущих способностей крыши

Как мы уже сказали, предельных состояний всего различают два. В первом случае речь идет о том моменте, когда стропильная конструкция исчерпала свои несущие способности, включая ее прочность, устойчивость и выносливость. Когда этот предел преодален, крыша начинает разрушаться.

Этот предел обозначают так: σ ≤ r или τ ≤ r. Благодаря этой формуле профессиональные кровельщики рассчитывают, какая нагрузка для конструкции будет еще предельно допустимой, и какая станет ее превышать. Другими словами, это – расчетная нагрузка.

Для такого вычисление вам нужны такие данные, как вес снега, угол наклона ската, ветровая нагрузка и собственный вес крыши. Также имеет значение, какая была использована стропильная система, обрешетка и даже теплоизоляция.

А вот нормативная нагрузка высчитывается исходя из таких данных, как высота здания и угол наклона скатов. И ваша задача вычислить и расчетную нагрузку, и нормативную, и перевести их в линейную. Для существует специальный документ – СП 20. 13330. 2011 в пунктах 4.2.10.12; 11.1.12.

Предел крыши на прогиб стропильной конструкции

Второе предельное состояние говорит о чрезмерном деформациях, статических или динамических нагрузках на крышу. В этот момент в конструкции происходят недопустимые прогибы, да так, что раскрываются сочинения. В итоге получается, что стропильная система как бы цела, не разрушена, но все-таки ей нужен ремонт, без которого она не сможет функционировать дальше.

Такой предел нагрузки вычисляют при помощи формулы f ≤ f. Она означает, что погиб стропил при нагрузке не должен превышать определенного предельного состояния. А для балки перекрытия есть своя формула – 1/200, что означает, что прогиб не должен быть больше, чем 1 на 200 от измеряемой длины балки.

И правильно вести расчет снеговой нагрузки сразу по обеим предельным состояниям. Т.е. ваша задача при расчете количества снега и его влияния на крышу не допустить прогиба больше, чем это возможно.

Вот ценный видео-урок для «терпеливых» на эту тему:

Нормативная снеговая нагрузка в вашей местности

Когда говорят о расчете снеговой нагрузки на крышу, то говорят о том, сколько килограмм снега может приходиться на каждый квадратный метр крыши, пока она реально может держать такой вес до начала деформации конструкции. Говоря простым языком, какой шапке снега можно позволить лежать на крыше каждую зиму без опасения того, что она проломит кровлю или расшатает всю стропильную систему.

Такой расчет делают еще на стадии проектирования дома. Для этого первым делом вам нужно изучить все данные по специальным таблицам и картам СП 20.3330.2011 «Нагрузки и воздействия». Исходя из этого узнайте, будет ли запланированная ваши конструкция надежной.

Например, если согласно расчетам она должна спокойно выдерживать слой снега в 200 килограмм на каждый квадратный метр, тогда нужно будет внимательно следить за тем, чтобы снежная шапка на крыше не была выше одного высоту. Но, если если снег на крыше уже превышает 20-30 см и вы знаете, что скоро пойдет дождь, то его лучше убрать.

Итак, чтобы узнать нормативную снеговую нагрузку в той местности, где вы строите дом, обратитесь к такой карте:

Кроме того, такой же коэффициент не используется для зданий, которые хорошо защищены от ветра другими зданиями или высоким лесом. Уравнение расчета у вас будет выглядеть вот так:

• для первого предельного состояния, где рассчитывается прочность, примените формулу qр. Сн = q×µ,
• для второго предельного состояния, где рассчитывается возможный прогиб крыши, применяйте такую формулу qн. Сн = 0,7q×µ.

При этом, как вы уже заметили, для второй группы предельных состояний вес снега следует учитывать с коэффициентом 0,7, т.е. сама формула будет выглядеть вот так: 0,7q.

Удельный вес: такой легкий и тяжелый снег

А теперь перейдем к практике. Если вы живете в России, а не на южном континенте без зимы, то знаете, каким на самом деле бывает снег: невероятно легким и неимоверно тяжелым. Например, тот же пушистый снежок в морозную и сухую погоду при температуре -10°С будет иметь плотность около 10 кг на кубический метр. А вот снег под конец осени и в начале зимы, который долго лежал на горизонтальных и наклонных поверхностях и «слежался», уже имеет массу куда больше – от 60 килограмм на кубический метр. К слову, узнать плотность снега не сложно – достаточно зимой вырезать большой лопатой образец снега в один кубический метр и взвесить его.

Если мы говорим о рыхлом снеге, который, по идее, легок и не доставляет проблем, то знайте, что здесь таится некая опасность. Рыхлый снег как ни какой другой быстро вбирает в себя все осадки в виде дождя и становится уже мокрым снегом. А его нахождение на крыше, где нет грамотно организованного стока, чревато большими проблемами.

Далее, весной в процессе длительной оттепели удельный вес снега также значительно растет. У сухого уплотненного снега среднестатистическая плотность находится в пределах от 200 до 400 кг на кубический метр. Не упускайте также такой важный момент, когда снег долго оставался лежать на крыше и не было нового снегопада, а вы его не убирали. Тогда независимо от его плотности, он будет иметь всю ту же массу, хотя визуально сама «шапка» стала меньше в два раза. В особо влажном климате весной удельный вес снега достигает 700 кг на кубический метр!

Снеговой мешок и температура воздуха

«Cнеговым мешком» называет тот снег на крыше, который превышают средние нормативы на толщину, характерные для конкретной местности. Или более просто: если выше 50 см на глаз.

Обычно снеговые мешки скапливается на не ветреной стороне крыши и в местах, где расположены слуховые окна и другие элементы крыши. Как раз в таких местах и ставят сдвоенные и усиленные стропильные ноги, либо вообще делают сплошную обрешетку. Кроме того, здесь по всем правилам должна быть специальная подкровельная подложка, чтобы избежать протечек.

Поэтому в более теплых регионах России плотность снега получается всегда больше, чем в холодных. Ведь в таких местностях зимой снег уплотняется под действием солнца, верхние слои сугроба давят на нижние. Учитывайте также, что снег, который перебрасывает с места на место увеличивает свой удельный вес минимум в два раза. Благодаря всему этому средний удельный вес обычно равен посреди зимы 280 + — 70 кг на кубический метр.

А весной в период обильного таяния мокрый снег способен весить почти тонну! Можете ли вы себе представить, что на вашей крыше находится одновременно сразу несколько тонн снега? Вот почему тот факт, что в процессе строительства крыши на стропильной системе висят сразу несколько рабочих и это якобы говорит о ее прочности, во внимание брать не стоит. Ведь пару человек точно не весят сразу несколько тонн.

Учитывайте, что в расчете нормативной нагрузки также принимается во внимание средняя температура воздуха в январе. Какая именно у вас, смотрите уже по карте СП 20.13330.2011:

Если окажется, что у вас средняя температура в январе меньше, чем 5 градусов по Цельсию, то коэффициент снижения снеговой нагрузки 0,85 тогда не применяется. Ведь из-за такой температуры снег зимой постоянно будет подтаивать снизу, образовывая наледь и задерживаясь на крыше.

И, наконец, чем больше угол ската, тем меньше на нем всегда остается снега, ведь тот постепенно сползает под собственным весом. А на тех крышах, у которых угол наклона больше или равен 60 градусов, снега не остается вообще. Поэтому в таком случае коэффициент µ должен быть равен нулю. В это же время для ската с углом 40° µ равен 0,66, 15° – 0,33 и для 45° градусов – 0,5.

Ветер и распределение снега на двух скатах

В тех регионах, где средняя скорость ветра все три зимних месяца превышает 4 м/сек, на пологих крышах и с уклоном от 7 до 12 градусов снег частично сносится и здесь его нормативное количество следует слегка уменьшить, умножив на 0,85. В остальных случаях он должен быть равен единице, либо его можно не использовать, что вполне логично.

В таком случае ваша формулу теперь будет иметь такой вид:

• расчет на прочность Q_р.cн = q×µ×c;
• расчет на прогиб Q_н.cн = 0,7q×µ×c.

Накопление снега на крыше также напрямую зависит от ветра. Значение имеет форма крыши, как она расположена относительно преобладающих ветров и какой угол наклона ее скатов (не в плане того, как легко съезжает снег, а в плане того, легко ли ветру его сносит).

Из-за всего этого снега на крыше может быть как меньше, чем на плоской поверхности земли, так и больше. Плюс на обоих скатах одной крыши может быть абсолютно разная высота снежной шапки.

Поясним подробнее последнее утверждение. Например такое нередкое явление, как метель, постоянно переносит снежинки на подветренных сторону. И этому препятствует конек крыши, который, задерживая ветер, уменьшает скорость движения снежных потоков и снежинки оседают больше на одном скате, чем на другом.

Получается, что с одной стороны крыши снега может лежать меньше, чем в норме, а с другой – намного больше. И это тоже нужно учитывать, ведь получается, что в таком случае на одном из скатов собирается почти вдвое больше снега, чем на земле!

Для расчета такой снеговой нагрузки применяется такая формула: для двускатных крыш с углом наклона 20 градусов, но меньше 30, процент накопления снега будет равен 75% с наветренной стороны и 125% – с подветренной. Этот процент высчитывается от количества снежного покрова, который лежит на плоской земле. Значение всех этих коэффициентов указано в нормативном документе СНиР 2.01.07-85.

И, если вы определили, что ветер в вашем регионе будет создавать ощутимую разницу снежного покроя на разных скатах, то с подветренной стороны нужно будет устроить спаренные стропил:

Если же у вас вообще нет данных по розе ветров местности, или они не точны, тогда отдайте предпочтение максимальной нагрузке, чтобы подстраховаться – так, как-будто оба ската вашей крыши находятся с подветренной стороны и на них всегда будет больше снега, чем на земле.

Так что происходит потом со снеговым мешком с подветренной стороны? Он постепенно сползает и давит уже на свес кровли, пытаясь его сломать. Вот почему по правилам свес кровли должен быть равен укреплен, в зависимости от кровельного его покрытия.

К слову, если ваша крыша еще и имеет перепад высот, вам будет полезно посмотреть этот видео-урок:

Формула фактической снеговой нагрузки на кровлю

Следующий важный момент. Часто снеговая нагрузка рассчитывается с таким простым и понятным конечным результатом, как n-е количества килограмм на квадратный метр кровли. Но стропильная система сама по себе намного сложнее, и оценивать давление только на ее сплошное покрытие не совсем верно.

Дело в том, что каждый элемент стропильной системы крыши берет на себя определенную нагрузку, которая была изначально рассчитана только на него одного, а не на всю крышу сразу. А поэтому необходимо перевести единицы измерения кг/м² в единицу измерения кг/м, т.е. килограммы на метры.

Это значит измерить линейное давление на стропила, или обрешетку, свесы и прогоны. А все это – линейные конструкции, нагрузки действуют вдоль продольной оси каждого:

Если мы возьмем отдельное стропило, на нее действует та нагрузка, которая будет расположена прямо над ним. И чтобы изменить площадь общей нагрузки на крышу, нужно изменить ширину шага установки стропил.

Итог: учет совокупности всех нагрузок

И, наконец, подведем итог и отметим самую распространенную ошибку при расчете снеговых нагрузок на крышу. Это – опущение того момента, что все нагрузки действуют в совокупности. Сама крыша имеет вес, стоящий на ней человек, утеплители и много чего другого!

Поэтому все нагрузки, которые воздействуют на крышу, нужно суммировать и множить на коэффициент 1,1. Вот тогда вы получите уже какое-то реальное значение. Почему на 1,1? Чтобы учесть дополнительные неожиданные факторы, вы ведь не хотите, чтобы стропильная система работала на пределе? Ремонт обычно бывает сложным и дорогостоящим.

В зависимости от полученного значения, вам теперь нужно рассчитать шаг установки стропил. Во внимание также нужно будет взять длину стены здания и удобство размещения на ней целого числа стабильных ног при одинаковом расстоянии: например, 90 см, 1,5 метра, 1,2 метра.

Довольно часто решающий критерий выбора шага стропил – экономический, хотя свои условия также диктует выбранное кровельное покрытие. Но помните о том, что при обустройстве крыши все просчитывают так, чтобы стропила легко могли выдерживать возлагаемые на них давление. А для этого прикиньте несколько вариантов установки стропил и определите для каждого этого варианта сечение досок и расход материала.

Правильно выбранным шагом считается такой, где материалоемкость самая меньшая при том, что итоговые свойства остаются такими же. И учитывайте при этом, что, кроме стропил, обрешетки и прогонов еще в конструкции крыши всегда есть такие дополнительные несущие элементы, как стойки.

---