Крыша представляет собой верхнюю конструкцию дома, обеспечивающая его защиту от различных воздействий окружающей среды. Крыша возлагает на себя огромное количество нагрузок по снеговому покрову, ветровой нагрузке, таких явлений природы как дождь, перепады температуры и иные физико-механические факторы. Рассмотрим два основополагающих фактора, воздействующие на долговечность и прочность крыш:
Строительными нормами при проектировании и постройке крыш, обязательно учитывается расчет снеговой нагрузки на крышу. Расчет воздействия веса снегового покрова производится с учетом особенностей региона места строительства.
Эта информация предоставляется районными строительными организациями или устанавливается по СНиП 2.01.07-85c с заголовком «Нагрузки и воздействия», а точнее по картам с изменениями «Изменения к СНиП 2.01.07-85». В данных изменениях переизданы ряд карт, в их числе и карты районирования снегового покрова.
Использованные иллюстрации карт Украины в статье приведены c нагрузками снегового покрова, а далее и ветровой нагрузки, в единицах измерения давления Па. Чтобы выявить практическое значение измерения, математическое значение Па умножается на коэффициент 0,102 килограмм силы на метр квадратный, получаем искомое значение. Например, 400 Па*0,102=40,8 кг/кв. м, получаем вес нагрузки снегового покрова в килограммах на метр квадратный покрытия конструкции.
Проектные расчеты несущих конструкций строений производятся методом расчета по предельным состояниям. Это метод расчета по разрушающим усилиям, при которых конструкция теряет способность сопротивляться воздействиям внешних факторов.
Существуют расчеты предельных состояний двух групп: первая – характеризует собой несущую способность; вторая – пригодность к общей эксплуатации.
В первой группе расчеты по предельным состояниям выполняются для предотвращения потери устойчивости формы (расчет устойчивости тонкостенных сооружений и т.п.), положения (расчет на скольжение и опрокидывание и т.п.) и разрушения от неблагоприятного воздействия внешней среды. Эти условия записываются формулами такого вида: ? ? R или ? ? R, которые обозначают, что напряжения при приложенной нагрузке не положено превышать предельно допустимых.
Вторая группа расчетов предотвращает чрезмерные деформации от нагрузок. Допустимы раскрывающиеся узлы сочленений, прогибы, однако, в целом не происходит разрушений, эксплуатация в дальнейшем возможна, но после ремонта. Формула этого условия: f ? fнор, означающая предельность допустимого прогиба при появляющейся нагрузке в конструкции. Прогиб балки L/200 см.
Оба предельные состояния участвуют в расчетах стропильных систем скатных крыш. Целью расчетов является недопустимость разрушения конструкции или прогиба, что выше допустимых пределов.
Для снеговой нагрузки, действующей на несущую конструкцию крыши, каркас рассчитывают согласно 1-й группе состояний – на полный снеговой вес сплошного покрова Q. Данный случай говорит только о весе покрова, обозначим эту нагрузку Qр.сн.. Вторая группа состояний ведет расчет на снеговую нагрузку с коэффициентом 0,7Q, нормативную нагрузку веса снега обозначим Qн.сн..
Преобладающее направление ветров и уклон крыши дает разный снеговой покров, иногда больший, чем на плоской крыше. При возникновении снежного бурана или небольшой метели, подхваченные снежинки ветром, перемещаются на подветренную сторону. Проходя конек, как препятствие крыши, снижается скорость движения снежинок в нижних потоках воздуха, и они оседают на покрытие. Результат этого явления — снега меньше с одной стороны крыши, а больше лежит с другой.
Увеличение и снижение снеговых нагрузок на крышу, которые зависят от угла наклона и направления ветра, обозначаются коэффициентом µ. Приведем пример двухскатной крыши с углами скатов между 20° и 30°. В этом случае со стороны наветренной лежит 75% снега, который мог бы лежать на плоской крыше, а с подветренной стороны обнаружится 125% снега.
Другие значения коэффициентов µ приведено на рис. и в СНиП 2.01.07-85.
Снеговым «мешком» назван скапливающийся слой снега, превышающий толщину среднего нормативного показателя. Места высокой вероятности возникновения снегового «мешка», укрепляют спаренными стропильными ногами и сплошной обрешеткой. Также, вне зависимости основного покровного материала, делают подкровельную подложку, чаще из оцинкованной стали.
Снеговой «мешок» имеет свойство сползать на свес кровли, что может обломить его, поэтому при расчете конструкции размеры свеса соблюдают согласно рекомендациям изготовителя кровельного материала. Как пример шиферной кровли – свес относят к равным 10 см.
Направление ветра, что преобладает в данном регионе, определяют по розе ветров. Согласно проведенным расчетам с подветренной стороны устанавливаются спаренные стропила, с наветренной – одиночные. Если же данные не установлены, в расчетах следует учитывать максимальную нагрузку, так если бы все скаты подвержены большим давлениям покрова с подветренной стороны.
При увеличении угла наклона скатов снеговой покров уходит вниз с крыши под своим давлением. Углы ската превышающие 60° совсем не оставляют на крыше снега. В этом случае коэффициент µ равняется нулю. Промежуточное значение углов ската µ находится методом усреднения. Как пример, для скатов с 50° углом наклона коэффициент µ равен 0,33, для 40° — 0,66.
Таким образом видим, что для выбора сечения стропил, шага установки их, расчетная нагрузка, также нормативная расчетная нагрузка от веса учитывающая углы наклонов скатов (Qн.сн и Qр.сн), рассчитывают так — полную нагрузку от веса (Q) умножают на коэффициента µ:
Qр.сн = Q?µ — для первой группы предельного состояния (прочность);
Qн.сн = 0,7Q?µ — для второй группы предельного состояния (прогиб).
В регионах застройки, где средняя скорость ветра зимних всех трех месяцев более 4 м/с, на крышах с уклоном 12 — 20% (примерно 7 — 12°), случается частично снос покрова с крыши. В данном случае величина расчетной нагрузки от веса должна быть приуменьшена при применении коэффициента c = 0,85. В других случаях расчетов для скатных крыш применяют коэффициент c = 1. Конечные формулы выявления расчетной нагрузки, также и расчетной нормативной нагрузки от веса покрова, которые учитывают ветровой снос снега и наклон скатов, выглядят так:
Qр.сн = Q?µ?c — формула под первое предельное состояние (прочность);
Qн.сн = 0,7Q?µ?c — под второе предельное состояние (прогиб)
Уменьшение снеговой расчетной нагрузки c=0,85 не находит распространения: на крыши конструкций в районах со средней температурой воздуха в зимнем месяце январь более -5°С, так как образующаяся периодами наледь дает препятствия сносу покрова снега ветром; на крыши сооружений, которые защищены от прямого действия ветра соседствующими более высокими конструкциями или лесополосой, удаленной меньше чем на 10h, где h — подразумевается различность высот соседствующего и проектируемого зданий. Среднесуточную температуру января и скорость ветра можно определить по картам с изменениями «Изменения к СНиП 2.01.07-85» либо узнать лично в том районе в котором вы реши строить деревянный дом.
Ветровая нагрузка на крышу при боковом давлении воздушного потока несет столкновение с крышей и со стеной здания. Завихрение потока, происходящее у стены, частично уходит к фундаменту, другая часть потока по касательной стены производит удар о свес крыши. Атака ветрового потока огибает касательно конек крыши с захватом спокойных молекул воздуха со стороны подветренной и уходит прочь. Исходя из этого, сил способных сорвать кровлю или опрокинуть ее, возникает сразу три. Одна – сила подъема, которая образуется при разности давления воздуха со стороны подветренной, и две другие силы – касательные со стороны наветренной.
Возникает еще одна сила, способная вдавить склон крыши, действующая перпендикулярно скату. Касательные и нормальные силы могут изменять свое значение в зависимости от угла наклона ската. Понятно, что чем больше величина угла наклона кровли, тем большее влияние принимают силы нормальные и меньше касательные. На крышах пологих принимают большое значение касательные силы, увеличиваясь в своей подъемной силе со стороны подветренной, таким образом, уменьшается нормальная сила со стороны наветренной.
А теперь давайте посмотрим, как происходит расчет нагрузки. Кстати, на карте Украины вам вновь придется переводит Паскали в килограммы, как мы это делали при расчете снеговой нагрузки.
Расчет ветровой нагрузки w, зависящей от высоты z над землей, определяется по такой формуле: Wр = W?k(z)?c, в которой W – расчетное значение давления ветра, определяемое по карте «Изменениях к СНиП 2.01.07-85»; а коэффициент k учитывает изменения ветрового давления для z, определим по таблице; коэффициент c – учитывает изменения всех направлений давления нормальных сил, в зависимости от расположения ската к наветренной или подветренной сторон.
Аэродинамические коэффициенты со знаком «плюс» определяют направление создаваемого давления ветра на поверхность (давление активное), «минус» — от соответствующей поверхности (отсос). Линейной интерполяцией находятся промежуточные значения нагрузок. При затрудненном использовании таблиц 3, 4 на рисунке про аэродинамические коэффициенты ветровой нагрузки, практикуют выбор наибольшего значения коэффициентов для определенных углов наклона крыш.
Крыши с крутым углом наклона, ветер разрушает опрокидыванием, пологие крыши – срываются. Для избегания разрушения, строители нижние концы стропильных ног прикрепляют скруткой из проволоки к ершу, который вбит в стену. Ерш представляет собой штырь из металла с насечками предотвращающие выдергивание, изготавливают способом ковки. Если неизвестен факт стороны, с которой ожидается сильный ветер, то лучше стропильные ноги прикрутить через одну по периметру всего здания – стороны с умеренным ветром, и каждую ногу – в районе с сильным воздушным давлением. Укрепление стропил можно произвести другим образом – концы проволоки заложить в укладку стен во время строительства. Чтобы не испортить внешний фасад, концы проволоки выпустить внутрь чердачного помещения. Удобна в таком использовании отожженная стальная проволока, с диаметрами начиная от 4 мм и до 8 мм.
Общую устойчивость каркаса крыши обеспечивают подкосами, раскосами и связками по диагонали. Способствует стропильной системе использование устройства обрешетки.
Вот таким образом и происходит расчет ветровой нагрузки на крышу.
Если вы внимательно читали, то должны были понять, что вообще их себя представляют ветровая и снеговая нагрузка для вашего будущего дома. Если отнесетесь не серьезно к этому делу, то может произойти беда. Это еще не все виды нагрузок. Оставшиеся виды описываются в другой статье.
