Расчёт снеговых и ветровых нагрузок для металлокаркаса

Для большинства лёгких металлических зданий — складов, ангаров, цехов, торговых павильонов — снег и ветер являются определяющими нагрузками. Собственный вес каркаса и кровли таких зданий невелик, и именно климатические воздействия задают сечения прогонов, ферм, колонн и связей. Ошибка в определении снеговой нагрузки — одна из самых частых причин аварий лёгких металлических зданий, особенно в снежные зимы.

В этой статье специалисты нашего конструкторского отдела рассказывают, как определяются снеговые и ветровые нагрузки по СП 20.13330, какие коэффициенты учитываются, где скрываются опасные зоны и почему нельзя просто «взять цифру из таблицы» для всей кровли.

Нормативная основа

Нагрузки и воздействия на здания определяются по СП 20.13330. Расчёт стальных конструкций на эти нагрузки выполняется по СП 16.13330. Нормы устанавливают нормативные значения нагрузок, коэффициенты надёжности и правила составления сочетаний. Для отдельных уникальных объектов могут потребоваться специальные технические условия и продувка в аэродинамической трубе, но для типовых зданий достаточно методик свода правил.

Снеговая нагрузка

Снеговые районы

Территория страны разделена на снеговые районы, для каждого из которых установлен нормативный вес снегового покрова на единицу площади горизонтальной поверхности земли. Этот вес — отправная точка расчёта.

Для Москвы и большей части Московской области принимается III снеговой район и I ветровой район. Для горных и малоизученных районов вес снегового покрова устанавливается по данным метеостанций.

Формула снеговой нагрузки

Нормативное значение снеговой нагрузки на кровлю определяется умножением веса снегового покрова на коэффициенты, учитывающие снос снега ветром, тепловой режим кровли и форму покрытия. Расчётное значение получается умножением на коэффициент надёжности по нагрузке.

Коэффициент сноса ветром

На пологих кровлях зданий в открытой местности ветер сдувает часть снега. Нормы позволяют снизить нагрузку при определённых соотношениях размеров здания и скорости ветра. Для зданий в застройке, у лесополос и возле более высоких соседних зданий снос не учитывается.

Термический коэффициент

Кровли с высокой теплопередачей — например, остеклённые покрытия над отапливаемыми помещениями — теряют часть снега за счёт таяния. Для обычных утеплённых кровель этот коэффициент не снижает нагрузку.

Коэффициент формы и снеговые мешки

Самое важное в снеговом расчёте — коэффициент перехода от веса снега на земле к нагрузке на покрытие. Он зависит от формы кровли и именно он описывает неравномерное распределение снега.

Односкатные и двускатные кровли

Для кровель с уклоном до определённого значения коэффициент равен единице, то есть снег лежит равномерно. С ростом уклона снег сползает, и коэффициент снижается, а при большом уклоне нагрузка не учитывается вовсе. Для двускатных кровель дополнительно рассматривается вариант неравномерного распределения, когда ветер переносит снег с одного ската на другой.

Перепады высот

Главная опасность — зоны у перепадов высот, где низкая кровля примыкает к высокой стене. Ветер переносит снег с верхней кровли и откладывает его у стены, образуя «снеговой мешок». Коэффициент в такой зоне может в несколько раз превышать единицу, а длина зоны зависит от высоты перепада. Прогоны и балки у перепада должны рассчитываться на эту повышенную нагрузку.

Парапеты, фонари и надстройки

Аналогичные мешки образуются у парапетов, вентиляционных камер, фонарей, рекламных конструкций на кровле. Даже небольшой парапет по периметру может задержать значительный объём снега.

Многопролётные здания

В ендовах между пролётами многопролётных зданий снег накапливается, и нагрузка на средние колонны и примыкающие элементы возрастает.

Арочные и сводчатые покрытия

Для арочных ангаров нормы задают схему с неравномерной нагрузкой, которая часто оказывается опаснее равномерной: одна половина арки нагружена сильнее другой, возникают значительные изгибающие моменты.

Ветровая нагрузка

Средняя составляющая

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки определяется умножением нормативного давления ветра на коэффициент изменения давления по высоте и аэродинамический коэффициент.

Тип местности

Коэффициент изменения давления по высоте зависит от типа местности: открытые побережья и степи, городские окраины и лесные массивы, плотная городская застройка. Чем выше здание и чем более открыта местность, тем больше коэффициент.

Аэродинамические коэффициенты

Ветер создаёт давление на наветренную стену и отсос на подветренной, боковых стенах и кровле. Коэффициенты зависят от формы здания и отношения его размеров. На кровле легких зданий отсос может превышать собственный вес покрытия, и тогда кровля и прогоны работают на отрыв.

Пульсационная составляющая

Ветер порывист. Для высоких и гибких сооружений учитывается пульсационная составляющая, зависящая от динамических характеристик конструкции. Для низких жёстких зданий она учитывается упрощённо, для башен, мачт и высоких этажерок требует динамического расчёта.

Пиковые нагрузки на ограждение

Для расчёта элементов ограждения и их креплений — сэндвич-панелей, профлиста, прогонов, ригелей фахверка — используются пиковые значения ветровой нагрузки. В угловых и краевых зонах стен и кровли отсос значительно больше, чем в средней части, поэтому крепления в этих зонах ставятся чаще.

Сочетания нагрузок

Конструкции проверяются не на каждую нагрузку отдельно, а на их сочетания. Основное сочетание включает постоянные нагрузки и несколько временных с коэффициентами сочетания, учитывающими малую вероятность одновременного действия максимальных значений.

• Снег плюс ветер. Для кровли ветер на отрыв уменьшает действие снега, но для рам и колонн сочетание снега и ветрового давления часто определяющее.
• Ветер без снега. Для проверки анкеровки колонн и креплений кровли на отрыв рассматривается сочетание постоянной нагрузки с ветровым отсосом без снега.
• Неравномерный снег. Схемы с мешками рассматриваются как отдельные загружения.
• Крановые и технологические нагрузки добавляются в сочетания с соответствующими коэффициентами.

Влияние на конструктивные решения

Прогоны

Прогоны работают на снеговую нагрузку вниз и ветровой отсос вверх. При отсосе сжатым оказывается нижний пояс прогона, не раскреплённый кровлей, и требуется проверка устойчивости или установка тяжей.

Фермы и ригели

Нижние пояса ферм при ветровом отсосе могут стать сжатыми. Поэтому нужны горизонтальные связи по нижним поясам или распорки, исключающие потерю устойчивости.

Колонны и фундаменты

Ветер создаёт в колоннах изгибающие моменты и определяет требования к базам и анкерам. Для лёгких зданий отрывающие усилия в анкерах могут быть значительными.

Связи

Вертикальные связи между колоннами воспринимают продольную ветровую нагрузку на торцы здания. Их сечения и узлы подбираются по усилиям от ветра.

Типичные ошибки

• Использование устаревшего снегового района или района «по памяти» без проверки по актуальной карте.
• Отсутствие учёта снеговых мешков у перепадов высот, парапетов и пристроек.
• Пристройка нового здания к существующему без проверки кровли старого здания на снег, наметаемый у новой стены.
• Учёт только давления ветра без отсоса и проверки кровли на отрыв.
• Одинаковый шаг крепления ограждения по всей площади без учёта краевых зон.
• Неучёт нагрузки от оборудования на кровле и снега, скапливающегося вокруг него.

Эксплуатация и снег

Даже правильно рассчитанная кровля требует внимания в эксплуатации. Уборка снега должна вестись равномерно, без образования куч и без повреждения кровельного покрытия. Особое внимание — зонам у перепадов и парапетов. Для зданий с плоскими кровлями полезно иметь инструкцию по эксплуатации, где указана предельная высота снегового покрова, при которой требуется очистка.

Итоги

Снеговые и ветровые нагрузки определяют конструктивные решения большинства лёгких металлических зданий. Правильный расчёт учитывает не только районирование, но и форму кровли, перепады высот, снеговые мешки, отсос ветра, краевые зоны и сочетания нагрузок. Наш конструкторский отдел выполняет расчёт каркасов по СП 20.13330 и СП 16.13330 с проверкой всех неблагоприятных схем загружения. Подробнее о проектировании — в разделе услуги.