Защита крыши от ураганного ветра

Мы все чаще становимся свидетелями жестоких погодных явлений. Разрушительную силу сильных штормов можно было наблюдать в августе этого года, почти по всей стране. Силу стихии и масштаб ущерба, нанесенного ветром, можно проиллюстрировать статистикой. В результате сильных штормов были сорваны или повреждены крыши на 4804 зданиях. Только в Куявско-Поморском воеводстве, где был нанесен наибольший ущерб, было сорвано или повреждено 2945 крыш.

Все, наверное, уже взвесили тот факт, что экстремальные погодные явления усиливаются год от года. Оставьте анализ причин изменения климата ученым, а решения по противодействию или ограничению этих изменений — политикам. Похоже, что пока нам придется смириться с изменением климата и его последствиями. Наша задача — строить здания, и в частности крыши, таким образом, чтобы они были максимально защищены от разрушительной силы ветра.

Рисунок 1. Схема нагрузки на стропильную ферму.

Чтобы знать, как защитить ферму от повреждений, необходимо понять, какие нагрузки на конструкцию могут быть вызваны ветром. На схеме, представленной на рисунке 1 показаны возможные направления нагрузок, вызванных ветром, которые могут привести к повреждению или разрушению кровли. Это обобщенные силы, действующие на тело крыши. Индивидуальные нагрузки для конкретной крыши могут отсутствовать. На потенциальные разрушительные силы влияют форма тела крыши, уклон ската, площадь ската, тип покрытия и т.д. Например, малоуклонная крыша с легким кровельным покрытием особенно уязвима к подъему вызванному всасыванием ветра. Высокоскатные крыши подвержены сильному давлению ветра, что приводит к смещению или даже опрокидыванию массы крыши.

Следует отметить, что при анализе последствий повреждений, вызванных ураганными ветрами, очень редко можно увидеть сломанные основные элементы ферм. Как правило, именно соединения между элементами оказываются самым слабым звеном. Понимая, какую решающую роль играют соединения во время урагана, трудно понять, как возможно, что часто во время возведения ферм вопрос о правильности соединений отходит на второй план. На мой взгляд, это связано с рядом факторов и является результатом ошибок со стороны проектирования и исполнения, а нередко вина лежит и на строителе. Строительное законодательство также не способствует проектированию и созданию правильных соединений. В строительный проект, на основании которого обычно осуществляется строительство, не обязательно включать проработку таких деталей, как соединения элементов фермы.

Решение о выборе соединений часто ложится на подрядчика, иногда после согласования с инвестором, обычно без участия проектировщика. Инвестор ищет экономию — если (строительный) проект этого не предусматривает, зачем устанавливать дополнительные элементы в соединениях. Подрядчик будет выполнять ту работу, за которую получит деньги, поэтому нет времени на дополнительную, благотворительную работу, за которую инвестор не заплатит. Все эти элементы складываются в довольно странную ситуацию. За соединения, которые являются ответственным элементом конструкции, практически никто не отвечает. Ответственность размывается между всеми участниками строительного процесса.

Фотография 2. Фрагмент стропила с вырванными стропилами

Защита крыши от разрыва (рис. 1 — 1)

Вертикальные нагрузки, направленные вверх возникают в результате всасывания ветра или отрыва карнизов крыши. Обеспечение безопасности крыши от подъема на практике сводится к правильному выполнению двух соединений. Первое — это соединение стропил с балками. В течение многих лет это соединение выполнялось одним стропильным гвоздем, к счастью, такое решение встречается все реже и реже. Чтобы понять, насколько мала несущая способность такого соединения, достаточно посмотреть на рисунки 1 и 2. На рисунке 2 хорошо видно, что гвоздь выскользнул из элемента, в который он был вбит, без какого-либо сопротивления. В настоящее время стропильные гвозди все больше уступают место столярным шурупам. Это безусловно, лучшее решение, однако, несущая способность соединения с использованием одного столярного винта не так высока, как можно подумать. Это зависит конечно от типа винта, его диаметра, длины, но, как правило, в данном соединении грузоподъемность составляет около 5-7 кН (500-700 кг). Это еще не та несущая способность, которая может обеспечить защиту конструкции крыши при максимально встречающихся ветровых нагрузках.

Рисунок 2. Примеры применения швов

Для обеспечения максимальной несущей способности в этом соединении используйте столярные швы (рис. 2). Сопротивление подъему достигаемое различными плотницкими соединениями в соединении стропила с кладкой, варьируется от значений 10 кН (1 тонна) до 30 кН  (3 тонны). Эти значения в несколько раз выше чем несущая способность, полученная при использовании других решений (гвозди, шурупы).При защите крыши от разрыва, помимо соединения стропил с кирпичной кладкой, важно помнить о правильном проектировании и выполнении соединения кладки с кирпичной кладкой. Как правило, это соединение реализуется стальными штырями, заглубленными в стяжную балку во время укладки бетонной смеси. Важно, чтобы сечение, марка стали и расстояние между этими элементами было не случайным, а вытекало из расчетов проектировщика.

Рисунок 3. Механизм вращения фермы под действием

Защита крыши от боковой силы (рис. 1 — 2)

Чтобы противостоять разрушению крыши, помимо подъемных сил, необходимо защитить конструкцию от боковых сил. Как я уже говорил ранее, это особенно важно для высоких ферм с крутыми скатами . Для таких крыш, скат — это большая поверхность, получающая очень высокое давление ветра.

В результате действия большой обобщенной горизонтальной силы возникают два явления. Прямым эффектом является явление смещения ферм у опор, и опять же для противодействия этому необходимо делать соединения с соответствующей несущей способностью. Косвенным эффектом, который может возникнуть при очень крутых крышах, является механизм вращения ферм. Давление ветра обычно тянет вверх наветренную сторону крыши (рис. 3).

Рисунок 4. Схема системы крепления стропильной системы крыши.

Лучший способ противодействия горизонтальной силе на соединении стропила с кладкой — использовать пару уголков усиленных. Для предотвращения разрывов, как я описал ранее, также можно использовать углы. Это показывает что углы в сочетании стропил и кирпичной кладки являются очень универсальным и многофункциональным решением. На самом деле это так и есть. Один из самых популярных угловых кронштейнов ABR105 в этом соединении достигает аналогичной грузоподъемности для подъема (около 18 кН ≈ 1,8 т) и горизонтальных сил (около 20 кН ≈ 2 т).

Защита крыши от продольных сил  (рис. 1 — 3)

Вопрос защиты крыши от продольных сил, к сожалению, уже не так прост. Эта проблема не может быть решена одним хорошо выполненным соединением. Это связано с тем, что стропильная ферма жесткая в своей плоскости, но незакрепленная она легко опрокидывается под действием сил, действующих из плоскости фермы. В результате возникает эффект домино или крыша "ложится" вдоль кирпичной кладки (рис. 5). Единственным эффективным способом защиты ферм от этого явления является правильное крепление конструкции. Это может быть достигнуто с помощью полной опалубки, или системного армирования перфорированными стальными стропами (рис. 4). Стоит отметить несколько основных компонентов системы армирования. Во-первых, только правильно натянутые стальные стропы будут эффективно выполнять свою функцию. Для того чтобы добиться правильного натяжения, натяжные муфты FMBS, работающие по принципу талрепа, вращая винт, мы можем добиться правильного натяжения соответствующего участка ремня (рис. 3).

Вторым важным компонентом системы крепления крыши являются ламели. Вся крепежная система прочна только настолько, насколько ее самый слабый компонент. Чтобы не создавать слабое звено и добиться достаточной несущей способности соединения ремень-дерево, используются ламели. Они позволяют установить большое количество гвоздей в соединении, так что соединение достигает несущей способности, равной несущей способности стальной распорной полосы (рис. 4).

Поскольку именно стыки обычно являются причиной разрушения, стоит уделить им больше внимания и дополнительно усилить их для повышения несущей способности.Используя решения приведенные в статье, мы можем увеличить несущую способность всей конструкции крыши в несколько раз. В статье я сосредоточился на обсуждении способов крепления основных элементов стропильного каркаса и их соединений. Следует отметить, насколько важны соединения вторичных элементов (обрешетки, контррешетки, обшивки) для обеспечения несущей способности всей фермы. Это связано с необходимостью обеспечения герметичности обшивки. Когда крыша негерметична, силы, действующие на конструкцию значительно возрастают. Первоначально ветер воздействует на крышу только снаружи. Когда крыша негерметична, давление ветра изнутри создает дополнительные нагрузки, последствия которых добавляются к последствиям внешнего воздействия. Большинство повреждений крыш вызванных ветром, достигает своей кульминации, когда протекает обшивка. В этот момент катастрофа набирает лавинообразный темп.

Рис. 5. Разрушение стропильной фермы крыши из-за отсутствия надлежащих креплений.