Ветровая нагрузка на крышу в Московской области

Снег давит на крышу сверху вниз, а ветер нагружает её по-разному: на одни участки кровли давит, а другие тянет вверх — на скатах и у краёв возникает отсос. Поэтому ветер учитывают дважды: когда считают стропила и крепление крыши к стенам и когда выбирают схему крепежа покрытия. Как считают снег, рассказано в статье о снеговой нагрузке, а здесь — о ветре по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».

Из чего складывается ветровая нагрузка

По СП 20 (п. 11.1.2) ветровая нагрузка складывается из средней и пульсационной составляющих. Средняя — это напор ветра, осреднённый по времени, пульсационная учитывает порывы. Среднюю составляющую находят по формуле 11.2:

wm = w₀ × k(ze) × c

• w₀ — нормативное давление ветра. Его берут по ветровому району места строительства.
• k(ze) — коэффициент, который учитывает, как давление ветра меняется с высотой. Он зависит от типа местности вокруг дома.
• ze — высота, для которой берут коэффициент. Для дома, высота которого не больше его размера поперёк ветра, это высота дома (п. 11.1.5).
• c — аэродинамический коэффициент. Он зависит от формы дома и от того, о каком участке стены или кровли идёт речь.

Для покрытия и узлов его крепления СП 20 отдельно задаёт пиковую нагрузку — о ней рассказано ниже. Расчётное значение и основной, и пиковой ветровой нагрузки получают умножением нормативного на коэффициент надёжности по нагрузке 1,4 (п. 11.4).

Ветровой район Московской области

Нормативное давление ветра w₀ берут по таблице 11.1 СП 20, а ветровой район — по карте 2 приложения Е. Москва и Московская область относятся к I ветровому району: w₀ = 0,23 кПа, это около 23 кгс/м².

Давление 0,23 кПа — ещё не нагрузка на крышу. Его умножают на коэффициент высоты и аэродинамический коэффициент, а для крепежа покрытия — ещё и на коэффициент пульсаций.

СП 20 допускает уточнять w₀ в установленном порядке по данным местных метеостанций (п. 11.1.4). Ветровой район и тип местности для конкретного участка определяет проектировщик. Снеговой район находят по другой карте — карте 1 приложения Е, поэтому у одного участка номера снегового и ветрового районов могут не совпадать.

Тип местности и высота дома

Коэффициент k(ze) зависит от высоты и от того, что окружает дом. СП 20 (п. 11.1.6) выделяет три типа местности:

• A — открытые побережья морей, озёр и водохранилищ, сельские местности, в том числе с постройками высотой менее 10 м, пустыни, степи, лесостепи, тундра;
• B — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;
• C — городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м.

Дом относят к типу местности, если такая местность тянется с наветренной стороны на расстояние 30 высот дома — для зданий высотой до 60 м. Например, для дома высотой 8 м это 240 м. Для разных направлений ветра тип местности может быть разным: у дома на краю посёлка со стороны поля тип A, а со стороны леса — B, если лес с деревьями выше 10 м тянется на те же 240 м. Дачный посёлок с домами ниже 10 м по СП 20 — тоже тип A, как и открытое поле.

Условный пример для дома высотой до 5 м: в типе местности A произведение w₀ × k равно 0,23 × 0,75 ≈ 0,17 кПа, в типе B — 0,23 × 0,5 ≈ 0,12 кПа. Средняя ветровая нагрузка на открытом месте в полтора раза больше.

Давление и отсос на скатах

Аэродинамический коэффициент c берут по приложению В.1 СП 20. Знак «плюс» означает, что ветер давит на поверхность, «минус» — отсос: сила направлена от поверхности, и ветер тянет кровлю вверх (п. 11.1.7).

Для стен прямоугольного в плане дома с двускатной крышей коэффициенты даёт таблица В.2: наветренная стена получает давление +0,8, подветренная — отсос −0,5, боковые стены — отсос от −1,0 до −0,5 на разных участках.

Коэффициенты для двускатной крыши зависят от уклона и от направления ветра. СП 20 делит кровлю на участки (рисунок В.4) и даёт значения для ветра поперёк конька (таблица В.3а) и вдоль него (таблица В.3б). При ветре поперёк конька:

Что видно из таблицы:

• на пологих скатах преобладает отсос, причём на одном скате коэффициент различается в разы — при уклоне 15° от −0,9 до −0,3;
• при уклонах от 15 до 30° наветренный скат ветер может и отрывать, и прижимать, поэтому СП 20 требует рассмотреть два варианта распределения нагрузки;
• с 45° и круче наветренный скат ветер прижимает, а подветренный по-прежнему тянет вверх.

На плоской кровле (уклон 0° в таблице В.3а) отсос на всех участках — от −1,8 до −0,5. При ветре вдоль конька (таблица В.3б) все участки кровли тоже работают на отсос: на скатах от 15 до 75° — от −1,4 до −0,5.

Чем легче покрытие, тем меньше его собственный вес противостоит отсосу и тем больше работы достаётся креплениям.

Пиковая нагрузка на крепёж покрытия

Для элементов ограждения и узлов их креплений СП 20 требует учитывать пиковые ветровые воздействия — положительные и отрицательные (п. 11.2). Кровельное покрытие и его крепёж относятся к таким элементам: на фальцевой кровле, например, число кляммеров считают на пиковую ветровую нагрузку — с учётом усилия, которое кляммер выдерживает на выдёргивание. Нормативное значение пиковой нагрузки находят по формуле 11.10:

w± = w₀ × k(ze) × [1 + ζ(ze)] × cp± × ν±

• ζ(ze) — коэффициент пульсаций давления ветра (таблица 11.4): на высоте до 5 м — 0,85 в типе местности A и 1,22 в типе B, на высоте 10 м — 0,76 и 1,06.
• cp± — пиковые аэродинамические коэффициенты давления (+) и отсоса (−).
• ν± — коэффициенты корреляции ветровой нагрузки. Они зависят от площади, с которой нагрузка собирается на элемент или узел.

Порыв ветра не накрывает с полной силой сразу большую площадь, поэтому для больших площадей нагрузку снижают. Саморез, гвоздь или кляммер держит небольшой кусок кровли, и для него коэффициент равен 1,0 — нагрузку не снижают.

Пиковые коэффициенты СП 20 приводит для отдельно стоящих прямоугольных в плане зданий (п. В.1.17): для стен давление +1,2, а отсос для стен и плоских покрытий — от −1,2 до −3,4 на разных участках (таблица В.12). В остальных случаях, как сказано в п. 11.2, коэффициенты определяют по результатам испытаний моделей в аэродинамических трубах или с учётом опубликованных данных.

Условный пример для дома высотой до 5 м: множитель w₀ × k × (1 + ζ) в типе местности A равен 0,23 × 0,75 × 1,85 ≈ 0,32 кПа, в типе B — 0,23 × 0,5 × 2,22 ≈ 0,26 кПа. Его умножают на пиковый коэффициент участка и на коэффициент корреляции. Средняя нагрузка в типе B в полтора раза меньше, чем в типе A, а множитель для пиковой — меньше только на пятую часть: среди препятствий ветер порывистее.

Схему и расход крепежа задаёт производитель покрытия в инструкции.

Края и стыки кровли

На краях крыши поток ветра срывается с кровли, и отсос там сильнее, чем в середине ската. Поэтому карниз, фронтонные свесы и конёк крепят плотнее, а стыки листов закрывают так, чтобы ветер не завернул край. Как это делают на разных покрытиях:

• Профнастил. На карнизной доске саморезы ставят в каждую волну. Боковой нахлёст листов стягивают саморезами по верху перекрывающей волны с шагом не больше 500 мм — так стык не раскроет боковой ветер. Подробнее — в статье о кровле из профнастила.
• Металлочерепица. На фронтонном свесе по СП 17 ставят торцевую доску выше обрешётки на высоту металлочерепицы, а сверху — металлическую ветровую планку. Подробнее — в статье об обрешётке под металлочерепицу.
• Фальцевая кровля. На коньке, карнизе, фронтоне и примыканиях кляммеров ставят вдвое больше. Подробнее — в статье о фальцевой кровле.

Стропила и мауэрлат на ветру

Отсос тянет вверх не только покрытие, но и всю крышу. Поэтому мауэрлат не просто лежит на стене, а прикреплён к ней, а стропила прикреплены к мауэрлату — подробнее в статье о мауэрлате. Сечение и шаг стропил подбирают с учётом веса покрытия и пирога, снеговой и ветровой нагрузки — об этом в статье о стропильной системе.

Когда на старом доме меняют кровлю, ветер учитывают заново. Если тяжёлое покрытие меняют на лёгкое, вес крыши, который противостоит отсосу, становится меньше, и крепления стропил к мауэрлату и мауэрлата к стенам проверяют особенно внимательно. Как переходят на другое покрытие, рассказано в статье о замене кровли, а как усиливают стропила, если их сечения не хватает, — в статье об усилении и замене стропил.

Ошибки при учёте ветра

• считать, что ветер только давит на крышу, и не проверять отсос;
• брать ветровой район и не учитывать тип местности: участок у поля, водохранилища или в посёлке с домами ниже 10 м — это тип A;
• определять тип местности по одной стороне участка, хотя для разных направлений ветра он бывает разным;
• при уклоне от 15 до 30° проверять скат только на один вариант распределения нагрузки;
• считать крепёж покрытия на среднюю нагрузку вместо пиковой;
• крепить карниз, фронтон и конёк так же, как середину ската;
• ставить крепёж не по инструкции производителя покрытия;
• менять тяжёлое покрытие на лёгкое и не проверять, как стропила прикреплены к мауэрлату, а мауэрлат — к стенам.

Чек-лист по ветровой нагрузке

1. Ветровой район взят по карте 2 приложения Е СП 20: для Московской области — I, w₀ = 0,23 кПа.
2. Тип местности определён для разных направлений ветра — по тому, что тянется с наветренной стороны на 30 высот дома.
3. Скаты проверены и на давление, и на отсос, а при уклоне от 15 до 30° — на два варианта распределения нагрузки.
4. Крепёж покрытия рассчитан на пиковую нагрузку по п. 11.2 СП 20.
5. Крепёж стоит по инструкции производителя покрытия, а карниз, фронтоны и конёк закреплены плотнее середины ската.
6. На фронтонных свесах стоят ветровые планки, боковые нахлёсты листов стянуты саморезами.
7. Мауэрлат прикреплён к стенам, стропила — к мауэрлату.
8. Расчётные значения ветровой нагрузки получены с коэффициентом надёжности 1,4.