При проектировании крыш зданий инженеры рассчитывают снеговые нагрузки. Стандартная нагрузка предполагает расчет балок, которые могут выдержать вес снега без деформации. Расчетная нагрузка учитывает любое отклонение от стандарта.
Сколько весит сухой и мокрый снег?
Время от времени в средствах массовой информации появляются сообщения об обрушении крыши здания в зимний период. Такие аварии происходят из-за неправильно рассчитанной снеговой нагрузки. Чтобы не допустить ошибок при проектировании крыши, необходимо учитывать удельный вес снега.
Даже свежевыпавший снег имеет разные свойства. Он может быть сухим или мокрым, в виде пушистых хлопьев или мелких зерен. Сухой свежевыпавший снег, не уплотненный собственной массой, практически невесом. Со временем снежная масса уплотняется. Сугробы, образованные ветром, также намного плотнее свежевыпавшего снега.
Мокрый снег намного тяжелее сухого. Вода вытесняет воздух, содержащийся между кристаллами льда, вызывая увеличение плотности. Причины смачивания снега:
- снег выпадает сразу мокрым; в таком виде он быстрее уплотняется под действием собственной силы тяжести;
- дождь;
- таяние под воздействием внешнего тепла.
В конце зимы масса снега настолько уплотняется под воздействием времени и оттепели, что мелкие кристаллы льда слипаются в крупные гранулы. Это вещество называется фирн. Плотность влажного фирна приближается к плотности льда.
Плотность снега с различными свойствами в килограммах на м 3 :
- Свежевыпавший пушистый сухой – от 30 до 60.
- Свежевыпавший мокрый – от 60 до 150.
- Свежевыпавший слежавшийся – от 200 до 300.
- Выдутый ветром – от 200 до 300.
- Сухой осевший, выпавший более месяца назад – от 300 до 500.
- Сухой ельник – от 500 до 600.
- Влажный старый пихт – от 600 до 800.
- Очень мокрый снег и ледниковый лед – до 960.
Средняя плотность снега составляет 300 кг/м3, поскольку сугроб содержит как плотный снег, так и недавно выпавший снег.
Понятие удельного веса более сложное, чем понятие плотности. Удельный вес – это произведение плотности вещества и гравитационного ускорения. Последнее значение немного варьируется от одной части планеты к другой, но для большинства расчетов используется среднее значение 9,81 м/с2. Результат измеряется в ньютонах на кубический метр или килограммах на кубический метр (Н/м3 , кгс/м3 ).
Общая формула для расчета удельного веса такова: y=m*g/v, где y – удельный вес, m – масса, g – гравитационное ускорение, v – объем.
В повседневной жизни и в расчетах, где не требуется высокая точность, вместо удельного веса достаточно использовать плотность. Она рассчитывается по формуле p=m/v.
Иногда используется относительная плотность. Она показывает, во сколько раз вещество тяжелее воды. Относительная плотность снега меньше единицы, поскольку даже самые плотные снег и лед легче воды.
Виды нагрузок на крышу
Основными нагрузками, действующими на кровлю, являются:
Они имеют различную степень и характер воздействия на кровлю и стропильную систему в целом. Снеговые нагрузки более статичны, все изменения происходят относительно медленно и постепенно. Исключение составляет лишь лавинообразный сход больших сугробов снега, что характерно для современных видов металлической кровли. Кроме того, снег сохраняется в течение многих месяцев, а летом нагрузка отсутствует.
В случае с ветром время года не имеет значения; он способен подниматься и зимой, и летом. Ветры опасны тем, что они непредсказуемы, их невозможно предсказать или как-то подготовиться к ним. В большинстве случаев сильные ветры длятся недолго, но их последствия могут быть очень катастрофическими. Однако сильные порывы, оказывающие заметное давление на конструкцию дома, случаются относительно редко.
В большинстве случаев ветровая нагрузка минимальна и не имеет длительного значения. Эпизодический характер и нерегулярность ветровых проявлений создают значительные трудности при определении фактической нагрузки на конструкцию дома, поэтому обычно учитываются максимальные табличные значения для данного региона.
Зависимость нагрузок от угла наклона крыши
Снеговая и ветровая нагрузки обратно пропорциональны углу наклона крыши. Ветер направлен параллельно поверхности земли и испытывает воздействие всех вертикальных объектов. Снег лежит на плоскости и прижимается к ней в направлении сверху вниз. Поэтому, чем больше угол наклона крыши, тем больше ветровая нагрузка и, наоборот, тем слабее давление снежных куч. Поэтому, чтобы уменьшить ветровую нагрузку, угол наклона должен быть уменьшен, а чтобы уменьшить снеговую нагрузку, угол наклона должен быть увеличен.
Такое несоответствие требует от проектировщика глубокого знания снежного покрова и силы преобладающих ветров в регионе, возможности и частоты порывов. В противном случае крыша может оказаться слишком крутой, создавая сильный парус, или слишком плоской, не позволяя снегу скатываться по наклонной плоскости.
Убирать снег с крыш или нет
Важно понять простую вещь – масса снега, лежащего на крыше, остается одинаковой независимо от его плотности при отсутствии снегопада. Это означает, что тот факт, что снег "стал тяжелее", не увеличил нагрузку на крышу.
Опасность заключается в том, что слой рыхлого снега может впитывать осадки, как губка. Тогда общая масса воды в различных формах на крыше резко возрастет – особенно если нет водоотвода, а это очень опасно.
Чтобы правильно ответить на вопрос об очистке крыши от снега, важно знать, на какую нагрузку была спроектирована и построена крыша построена. Вам необходимо знать, какое распределенное давление нагрузки – сколько килограммов на квадратный метр – реально может выдержать крыша. может реально выдержать до возникновения недопустимых деформаций.
Чтобы объективно ответить на этот вопрос, необходимо обследовать крышу, произвести новые или подтвержденные проектные расчеты, сделать новые расчеты или использовать результаты старых проектных расчетов. Затем необходимо экспериментально определить плотность снега, вырезав образец, взвесив его и рассчитав его объем, а затем удельный вес.
Если, например, рассчитано, что крыша выдерживает удельное давление 200 кг/м2 , плотность снега, определенная экспериментально, составляет 200 кг/м3 , это означает, что сугробы не могут быть более 1 м глубиной.
Если на крыше образовался сугроб глубиной более 0,2…0,3 м и существует высокая вероятность выпадения осадков с последующим похолоданием, необходимо принять меры по сгребанию снега.
Факторы, влияющие на снеговую нагрузку
При расчете снеговой нагрузки на скатные крыши необходимо учитывать, что в течение дня испаряется до 5% снежной массы. За это время снег может соскальзывать, сдуваться ветром и покрываться коркой. В результате этих преобразований возникают следующие негативные последствия :
- В случае резкого потепления с последующим обледенением нагрузка снежного слоя на несущую конструкцию крыши, как правило, увеличивается в несколько раз, что приводит к неоправданно высокой нагрузке; стропила, гидроизоляция и теплоизоляция при этом деформируются;
- крыши сложной формы с многочисленными стыками, фальцами и другими архитектурными элементами склонны к накоплению снега; это способствует неравномерной нагрузке, которая не всегда учитывается при расчетах;
- снег, сползающий на карниз, скапливается у краев и представляет опасность для людей; по этой причине в районах с большим количеством осадков рекомендуется заранее устанавливать снегозадержатели;
- сползающий с карниза снег может повредить водосточную систему крыши; чтобы избежать этого, необходимо своевременно очищать крышу от снега или использовать снегозадержатели.
Нормативная и расчетная снеговая нагрузка.
Что такое расчетная снеговая нагрузка? расчет снеговой нагрузки для проектирования и строительства зданий? Ответ на этот вопрос определен для специалистов в СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Пересмотренная редакция СНиП 2.01.07-85*. Мы не собираемся "отбирать хлеб" у строителей и углубляться в варианты геометрических типов крыш, углов наклона, коэффициентов снегозаноса и прочих тонкостей. Но общий алгоритм и написание программы для его реализации. Мы научимся определять нормативное и расчетное снеговое давление на проекцию поверхности для объектов в любой интересующей нас области России.
Вспомним некоторые "аксиомы". Если на простой односкатной или двухскатной крыше угол наклона поверхности больше 60˚ считается, что снега на такой крыше быть не может (μ=0). Он будет "скатываться". Если угол наклона крыши меньше 30˚ предполагается, что весь слой снега на такой крыше такой же, как и на земле (μ=1). Все остальные случаи представляют собой промежуточные значения, определяемые линейной интерполяцией. Например, под углом равном 45˚ только 50% падающего снега будет лежать на крыше (μ=0,5).
Проектировщики рассчитывают предельные состояния, которые делятся на две группы. Выход за предельные состояния первой группы означает разрушение и гибель объекта. Выход за предельные состояния второй группы означает, что прогибы превышают допустимые пределы и, как следствие, требуется ремонт, возможно, реконструкция конструкции. В первом случае применяется расчетная снеговая нагрузка, на 40% превышающая нормативную. Во втором случае расчетная снеговая нагрузка является нормативной снеговой нагрузкой.
Расчет снеговой нагрузки в Excel в соответствии с СП 20.13330.2011.
Если на вашем компьютере нет MS Excel, вы можете использовать свободно распространяемую и очень мощную альтернативу – OOo Calc из пакета Open Office.
Перед началом работы найдите в Интернете и скачайте СП 20.13330.2011 и все приложения к нему.
Некоторые из наиболее важных частей SP 20.13330.2011 доступны в файле, который можно скачать по ссылке в самом конце этой статьи.
Включите компьютер и начните расчет снеговой нагрузки покрытий в Excel.
В ячейки со светло-бирюзовой заливкой введите исходные данные, выбранные в соответствии с СП 20.13330.2011. В ячейках со светло-желтой заливкой подсчитаем результаты. В ячейки со светло-зеленым заполнением внесем исходные данные, которые не подлежат изменению.
В примечаниях ко всем ячейкам в столбце C разместим формулы и ссылки на пункты СП 20.13330.2011.
1. Открываем приложение Г в СП 20.13330.2011 и на карте "Зонирование территории Российской Федерации по весу снежного покрова" указываем номер снегового района для района, где строится (или будет строиться) здание. Например, для Москвы, Санкт-Петербурга и Омска это III снеговой район. Выберите соответствующую строку с записью III из выпадающего списка в верхней части ячейки D2: =INDEX.
ячейка D2: =INDEX(G4:G11;G2) =III
Более подробную информацию о работе функции ИНДЕКС в сочетании с полем списка можно найти здесь.
2. Чтение массы снежного покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли Sg в кг/м2 для выбранной территории
в ячейке D3: = ИНДЕКС(H4:H11;G2) =183