Výpočet budov na zatížení sněhem – INFARS

Je nemožné si představit ruskou zimu bez sněhových čepiček na stromech a střechách. V některých regionech sníh taje až na jaře, což vytváří další problémy nejen pro městské komunální služby, ale také pro majitele soukromých domů, kteří se mohou spolehnout jen sami na sebe. A jen ti z nich, kteří na zimu mysleli ve fázi projektování a stavby domu, se nebojí žádných rozmarů počasí.

Sníh v Rusku je charakteristickým znakem zimy, takže střecha každé chaty musí být navržena pro značné zatížení sněhem. „Parametry střechy, které umožňují unést váhu sněhu, jsou stanoveny ve fázi stavby domu,“ říká Vasily Desyatun, vedoucí oddělení střešních systémů skupiny Metal Profile Group of Companies, předního výrobce střešních a fasádních systémů. v Rusku. – Krokvový systém, stejně jako stěny domu, na kterých spočívá, musí odolat nejen váze samotné opláštěné střechy a osob, které budou na střechu lézt, aby zkontrolovali její stav a opravili, ale také váhu sníh v zimě, stejně jako zatížení způsobené nárazovým větrem.”

Vše, co bylo řečeno, je více než vážné, proto byste nikdy neměli stavět střechu „na oko“: důsledky takového přístupu mohou být smutné. Výpočet systému krokví a celé střešní konstrukce je nejlepší svěřit odborníkům. Zaměříme se na některé obecné body, které jsou užitečné pro každého majitele domu, aby o nich měl představu.

Inženýrské triky

Na rozdíl od všeobecného přesvědčení mezi obyčejnými lidmi nejsou střešní svahy dělané „pro krásu“. „Střecha našeho domu je plochá, takže po každém sněžení se musí vyčistit, jinak nemusí vydržet,“ sdílí své zkušenosti majitel domu Vladimir Kharitonov (Vladikavkaz).

Zvýšení sklonu střechy pomáhá výrazně snížit zatížení sněhem. Například pro sedlovou střechu se sklonem 45° je zatížení sněhem na severu moskevské oblasti 130 kgf/m2, což je poloviční zatížení střechy se sklonem 30°. U sklonů větších než 60° se zatížení sněhem vůbec nebere v úvahu. Nesmíme však zapomínat na zatížení větrem: s rostoucím sklonem se naopak zvyšuje. V oblastech se silným a nárazovým větrem bude muset krokvový systém vydržet periodické trhavé zatížení v horizontální rovině. Takže docela nedávno, na konci prosince 2011, ve Stavropolu vítr strhl střechy mnoha domů, často i s opláštěním. Proto musíme pro každý region hledat „zlatý střed“.

Kromě toho, pokud je úhel příliš velký, střecha bude „zlatá“ kvůli zvýšené spotřebě materiálů. Například plocha střechy se sklonem 60° je 1,7krát větší než plocha podobné střechy se sklonem 30°.

Důležitý je také typ střešní krytiny. Pokud je úhel pro daný typ materiálu příliš malý, může prosakovat voda přes spoje jeho jednotlivých úlomků. Obecně se sklon může velmi lišit – od 5° do 60°. Pro nejběžnější sedlové střechy se doporučuje volit úhel v rozmezí od 20° do 45°. Pokud se použije povlak z tenkého ocelového plechu (například kovové dlaždice), pak by měl být úhel alespoň 12°.

Obecně platí, že kovové dlaždice jsou preferovanou možností pro regiony s dlouhými zimami a hustými sněhovými srážkami. Tato střešní krytina se vyznačuje nulovou hygroskopicitou (schopností pohlcovat vlhkost) a na rozdíl od nátěrů na bitumenové bázi skvěle odolává nízkým teplotám. Proto je oblíbený ve skandinávských zemích, kde klima není tak mírné jako ve střední a jižní Evropě. Obavy některých majitelů domů z netěsností mezi pláty kovových dlaždic jsou neopodstatněné. „Správně namontované střešní plechy k sobě těsně přiléhají, takže mezi nimi neprosakuje vlhkost. Kromě toho je hydroizolace pod střešní krytinou položena překrývající se, vysvětluje Vasily Desyatun (GK Metal Profile). – A použití speciálních samořezných šroubů s lakovanou hlavou a hydroizolačním EPDM těsněním zcela eliminuje pronikání vlhkosti přes montážní otvory. Správně namontovaná střecha se proto nebojí zatékání.“

Pokud má střecha složitou konfiguraci, musí se to také vzít v úvahu ve výpočtech. To je zvláště důležité, pokud je na střeše mnoho takzvaných „sněhových pytlů“. „Takové plochy jsou po celou zimu nejvíce zatěžovány, proto je třeba v těchto místech věnovat zvláštní pozornost pevnosti nosných konstrukcí,“ říká specialista. – Hydroizolace je neméně důležitá: obvykle se v úžlabích provede dodatečné překrytí membrány a její spoje se přelepí montážní páskou. Totéž se provádí pod spojovacími prvky. Během tání a jara se pak nebudete muset potýkat s neustálými úniky.”

Obecně je kvalita izolační hydroizolace velmi důležitým faktorem. Fólie a membrány musí být instalovány s vůlí, protože mohou se vlivem teplotní deformace natáhnout a znesnadnit tak odtok vody. Levné fólie s mikroperforací však mají tendenci při kontaktu s izolací vlhnout a vzhledem k tomu, že mezera mezi ní a krytinou je malá, je téměř nemožné dodržet rozestup po celé ploše střechy, takže dochází k netěsnostem. nevyhnutelný. Lze je překonat použitím hydroizolačních membrán, které nemají výše popsanou nevýhodu: například Tyvek, které mají také dobrou paropropustnost.

„Navrhnout zesílenou střešní konstrukci, která zohledňuje zatížení sněhem podél systému krokví, není problém,“ dodává soukromý architekt Nikolaj Vasenev. – Existují technické požadavky, existují příslušné znalosti. Navíc v mnoha architektonických stylech je sníh na střeše další ozdobou. Například chaty jsou navrženy tak, aby sníh zůstal na střeše, protože to je také dodatečná izolace a zimy v Rusku jsou kruté.“

Sníh na hlavě

Takže na střeše bude sníh. Pokud ho však vypadne příliš mnoho, pak může celá hmota sklouznout ze střechy. A hmotnost, jak si pamatujeme, není vůbec malá. Proto je nutné předem při stavbě střechy dbát na bezpečnost osob a bezpečnost majetku: například o auta zaparkovaná v blízkosti domu. K tomuto účelu se používají trubkové přidržovače sněhu, které odřezávají sněhovou hmotu. V tomto případě nepadá ze střechy jako lavina, ale odchází rovnoměrně, po malých částech.

Trubkové sněhové zádržné prvky se montují po obvodu střechy nad převisem okapu (aby se zatížení sněhem rozložilo nad okap), dále nad vikýři (k tomu se používají speciální sněhové zádrže o délce 1 m) a u každého úroveň víceúrovňových střech. Pokud je svah dlouhý, je připojena další řada sněhových držáků, protože jedna řada nemusí vydržet velké zatížení sněhem. Můžete také nainstalovat lištu pro udržení sněhu, která zabraňuje pádu jemného ledu a sněhových třísek. „Podrobné pokyny k instalaci sněhových zábran a dalších bezpečnostních prvků naleznete na našich webových stránkách,“ dodává Vasilij Desjatun.

Nejen sníh

Jak víte, období chladného počasí někdy vystřídá teplé počasí a pak se sníh nahromaděný na střeše začne postupně měnit ve vodu. Pokud je střešní krytina vysoce hygroskopická (např. jako cementopískové tašky oblíbené v Evropě), absorbuje vlhkost, která při příštím mrazu zmrzne a zničí křehký materiál. Výsledek tohoto jevu se samozřejmě neprojeví okamžitě, ale po určitém počtu cyklů zmrazování-rozmrazování je to nutné.

K přípravě střechy na ruskou zimu je tedy nutné ji nejen správně vypočítat, ale také správně vybrat střešní krytinu, která se nebude bát chladu a vysokého zatížení v zimě a vlhkosti na jaře. . „Střecha je systém, kde jsou všechny prvky propojeny. Životnost krytiny přímo ovlivňuje životnost celé střechy. V podmínkách ruské zimy musí být povlak odolný a chráněný před atmosférickými vlivy, zejména korozí. V minulosti populární galvanizace bohužel nesplňuje druhý požadavek. Jeho schopnost odolávat korozi nepřesahuje 10 let. Proto je dnes galvanizace nahrazena ocelí s moderními polymerními povlaky, ze kterých se vyrábí profilované plechy a kovové dlaždice,“ říká Vasily Desyatun.

Moderní technologie umožňují vytvářet materiály, na které výrobce poskytuje prodlouženou záruku. Například na kovové dlaždice NormanMP se vztahuje 10letá záruka a díky standardizovaným charakteristikám a přísné kontrole kvality lze jejich skutečnou životnost počítat na desítky let. Existují také možnosti pro majitele domů, kteří chtějí autentickou střechu, jako jsou kovové tašky s povlakem Granite Cloudy, který imituje přírodní šindele.

Zázraky počasí nelze předvídat. A aby každý příchod chladného počasí a sněžení nevypadal jako nečekaná přírodní katastrofa, je třeba na nadcházející zimy myslet už ve fázi stavby domu. Vyhnutí se případným problémům spojeným se sněhem na střeše vám umožní správně vypočítat systém krokví, zvolit správnou střešní krytinu a konfiguraci střechy a také použití bezpečnostních prvků.

Tiskový servis skupiny společností Metal Profile

Jako malé cvičení si ověřte, zda je zatížení střechy sněhem a větrem skutečně tak vysoké. Za tímto účelem jej vypočítáme v přepočtu na metr čtvereční „klasické“ sedlové střechy domu na severu Moskevské oblasti, jehož svahy mají sklon α = 30° k horizontu. Praxe ukazuje, že u sedlových střech s takovým sklonem hraje významnou roli zvýšení zatížení sněhem vlivem práce větru, který přenáší značné masy sněhu na závětrnou stranu střechy. Výpočet nám tedy umožní získat maximální odhad zatížení sněhem na sedlové střeše s plechovou střechou, odpovídající doporučenému rozsahu úhlů sklonu

SNiP 2.01.07-85 „Zatížení a dopady“ předepisuje výpočet hodnoty zatížení sněhem vynásobením odhadované hmotnosti S sněhové pokrývky na čtvereční metr vodorovného povrchu země koeficientem μ, který vám umožňuje pohybovat se od od vodorovné plochy k nakloněné ploše ve výpočtech. Pro střechy různých konfigurací se koeficient μ počítá odlišně. To je způsobeno skutečností, že sníh obecně netvoří stejnou tloušťku krytu po celém povrchu střechy: má tendenci se ze střechy odvalovat, hromadit se ve sněhových pytlích nad údolími, ve výklencích, výklencích, v blízkosti dekorativní a funkční prvky, stejně jako na závětrných střechách. Tam, kde jsou další závěje, bude docházet ke zvýšenému zatížení nosných konstrukcí, s čímž je nutné počítat při výstavbě. Podrobné vysvětlení metodiky výpočtu naleznete v odstavcích. 5.3-5.6 a povinný dodatek 3 k SNiP 2.01.07-85.

V našem nejjednodušším případě se sedlovou střechou je způsob výpočtu následující. Pro sklony menší než 25° je akceptováno μ=1. Pro sklony větší než 60° je akceptováno μ=0. Pro střední hodnoty 25°

Pro sklon 30° dostaneme:

Mimochodem, je dobře vidět, že to zhruba odpovídá výsledku získanému jednoduchým způsobem ze školní učebnice fyziky pro 7. ročník, kde μ=Sin(90°-α)?0,86 (viz obrázek).

To však není vše. Jak jsme si již řekli, sníh má tendenci se hromadit na závětrné straně a tam vytváří výraznější zatížení střechy. A SNiP 2.01.07-85 předpokládá zavedení změn v tomto ohledu. V našem případě (20°<α<30°) bude zatížení střechy rozloženo následovně:

Protože potřebujeme odhadnout maximální zatížení, vezmeme největší hodnotu:

Odhadovanou hodnotu hmotnosti sněhové pokrývky na vodorovném povrchu lze určit pomocí mapy z Přílohy 5 SNiP 2.01.07-85:

Sněhové oblasti Ruské federace (vypočtená hodnota hmotnosti sněhové pokrývky Sg na 1 m2 vodorovného povrchu země):

Každá z osmi sněhových oblastí zvýrazněných na mapě odpovídá určité standardní hmotnosti sněhové pokrývky. Pro náš případ (severní Moskevská oblast, region IV) se rovná 240 kgf/m2. A to s přihlédnutím ke koeficientu μ

Výsledné číslo odpovídá tlaku, kterým by na střešní konstrukci působila malá litinová vana naplněná vodou (o hmotnosti cca 90 kg a objemu cca 150–170 litrů). Nyní si představte, že po několik zimních měsíců je na závětrné straně vašeho domu jedna taková „vana“ instalována na každý čtvereční metr střešní krytiny!

Zatížení sněhem je třeba vzít v úvahu společně se zatížením větrem, jehož výpočetní metodu lze nalézt v části 5 SNiP 2.01.07-85. Zde se této problematice nebudeme podrobně věnovat, protože. pro naši zeměpisnou oblast bude hodnota ve srovnání s tlakem sněhu malá: pouze 15 kgf/m2 oproti 260 kgf/m2, tzn. méně než 5,5 % z celkového zatížení. Neměli byste však polevovat, protože. pro jiné regiony se hodnoty mohou lišit. Například pro jihozápad Stavropolského území to bude 48 (vítr) versus 128 (sníh), tzn. asi 30 % intenzity celkového dopadu na střechu bude mít na svědomí vítr.

Zatížení sněhem je jedním z hlavních zatížení působících na stavební konstrukci. Zatížení je již dlouho studováno konzultačními organizacemi, jsou vypracovávány schémata zatížení střech různých tvarů, nicméně případy zřícení konstrukcí pod obrovskou tíhou sněhu nejsou neobvyklé:

Příčinou zřícení může být buď nesprávný výpočet zatížení sněhem na střeše, nebo nesprávně vypočítaná únosnost konstrukčního prvku. Obtížnost se zachycením zatížení spočívá především ve sněhových vacích, méně často v nelineárním tvaru střešní konstrukce. Tvary sněhových vaků popisují vývojáři norem, ale vzhledem ke složitosti tvarů konstrukce může být velmi obtížné správně aplikovat zatížení na schéma. Například se setkáte s hranolovou konstrukcí umístěnou na střeše, která způsobuje sněhový vak. Podle GOST R ISO 4355-2016 „Základy navrhování stavebních konstrukcí. Stanovení zatížení sněhem na střechách“ musí být zatížení v blízkosti rohu konstrukce aplikováno takto:

Většinu výpočtových schémat sestavují inženýři v programech využívajících metodu konečných prvků. Ti, kteří se již setkali s programy MKP, mi nyní pochopí: nastavení tohoto druhu zatížení na deskové (nebo ještě spíše na prutové) konečné prvky je velmi složitý a pracný úkol. Zde musí inženýr řešit složitý prostorový geometrický problém, na který často není dostatek času. Program LIRA 10.6 pro výpočet stavebních konstrukcí má ve své sadě funkcí „zatížení na výpočtovém schématu“ (zatížení – razítko), což výrazně zjednodušuje proces nastavení tohoto druhu zatížení.

Program LIRA 10.6 nabízí uživateli možnost zadat „nepravidelné“ (plošně nerovnoměrné) zatížení. Poté program transformuje zadané zatížení na samostatné lichoběžníkové pro každý konečný prvek.

Tímto způsobem bude pro inženýry mnohem snazší aplikovat komplexní sněhové pytle. Ještě efektivnější je vypočítat buňku nosníku pro působení komplexního sněhového pytle. Zatížení na pruty se zpravidla zadává jako lineární zatížení po předchozím výpočtu plochy zatížení. Stanovení lineárního zatížení při různých roztečích nosníků pro působení lichoběžníkového zatížení nutí inženýra vypočítat zatížení pro každý nosník zvlášť. Pokud lichoběžníkové zatížení působí ve dvou směrech, je velmi obtížné vypočítat hodnoty zatížení i pro jeden nosník. Plošné zatížení tento problém řeší. Uživatel programu LIRA 10.6 může nastavit zatížení na skupinu prutových prvků s konturou a v důsledku toho získat správné působení zatížení na každý prutový konečný prvek s barevným zvýrazněním ploch zatížení.

Při změně rozteče nosníků nebo změny počtu nosníků se zatížení automaticky přepočítá.

Podívejme se na další třídu problémů, které způsobují potíže při práci se sněhovými pytli – zatížení sněhem na kulových a kuželových plochách. Problém spočívá v tom, že zatížení by podle požadavků norem mělo být aplikováno proměnlivě, tj. na každý konečný prvek by mělo být aplikováno zatížení určité hodnoty.

Příkaz pro zatížení plochy zde nebude fungovat (práce se provádí pouze v jedné rovině). Uživatel programu LIRA 10.6 by pro takový úkol měl použít funkci zatížení: program načte souřadnice uzlů, desek a prutů ve směrech xy-z.

V našem případě je zatížení kužele dáno vzorcem:

Pokud jsou tedy proměnné z, r, a vyjádřeny pomocí funkce xyz, lze zatížení aplikovat tak, jak je předepsáno v předpisu. Problém zde bude pouze ve správném předepsání vzorce (text je vnímán podle pravidel Excelu). Důležité bude také uspořádat schéma na poli souřadnic programu. Vývojáři slíbili, že v dalších verzích do knihovny zatížení zapíší typické vzorce pro sníh a vítr, zbývá už jen vybrat konstrukci, zvolit požadovanou funkci a zatížení se aplikuje.

V článku jsme se tedy zabývali hlavními obtížemi při výpočtu zatížení sněhem na modelu konečných prvků. Program LIRA 10.6 má ve své sadě funkcí, které vám umožní zvládnout úkol přiřazení zatížení bez větší námahy. Všechny popsané funkce jsou k dispozici pro výpočet i v demo verzi programu s omezeným počtem uzlů nebo prvků (500 uzlů nebo prvků).

Nenechte si ujít nic důležitého!

Přihlaste se k odběru našeho zpravodaje
a získejte novinky jako první