Главная / Проектирование систем снегозадержания для скатных крыш: Брайан С. Стернс

Проектирование систем снегозадержания для скатных крыш: Брайан С. Стернс

Редакция интернет-журнала «Кровли» предлагает Вашему вниманию перевод статьи, посвященной системам снегозадержания. С оригиналом текста Вы можете ознакомиться здесь! 

***

…Однажды я присутствовал на семинаре, в ходе которого докладчик показал несколько снимков красивой старинной сланцевой кровли. На одном из снимков были видны камни  размером с бейсбольный мяч, случайным образом расположенные по всей поверхности крыши. Докладчик объяснил, что, вполне возможно, это — оригинальный механизм управления снегом.

По его словам, владельцы зданий этой эпохи размещали камни на крыше с наступлением зимы. Затем, с понижением температуры воздуха, камни заливали водой, чтобы их заморозить и закрепить на крыше, «добавить трения к поверхности без трения».

Будучи компетентным кровельным подрядчиком, я подумал, что это самое безумное решение, о котором я слышал. Почему камень такой массы должен удержать огромную массу снега и не оторваться? У кого и когда было время и возможность сделать систему управления снегом и льдом, несмотря на сложности этой эпохи? Я не стал огорчать докладчика, потому что, по моему мнению, эти камни были не более чем результатом игры детей, которые от нечего делать бросали их на крышу.

Я начинал работать в области сланцевых крыш. Большая часть моей работы была выполнена в северо-восточной части США. Почти все крыши, которые я установил или отремонтировал, имели устаревшую систему управления снегом. Некоторые из этих систем хорошо работали, в то время как другие причинили крышам больше ущерба, чем предотвратили. Моей личной миссией стало решение этой проблемы. В конце концов, эта миссия привела меня из подрядного бизнеса в бизнес по проектированию систем снегозадержания.

Принцип работы снегозадерживающих устройств

Системы снегозадержания предназначены для хранения снега и льда на крыше до тех пор, пока они не растают и не стекут вниз в форме воды, или в случае снегозадержателей распределенного типа — в виде очень мелких порций снега. Действие снегозащитных устройств распределенного типа основано на увеличении трения на поверхности, в то время как система управления снегом трубчатого типа действует как механический барьер. Этот барьер позволяет избавляться от талой воды, задерживая при этом более твердую массу еще не растаявшего снега.

Рис.1. Снег сходит с крыши на козырек над входной дверью

Поскольку кровельное покрытие теплее воздуха окружающей среды, накопившийся на крыше снег начинает таять и образует на поверхности тонкую пленку изо льда. Будучи расположенной между снежным покровом и поверхностью крыши, эта пленка действует как смазка и вызывает сдвиг и обрушение снежной массы.  Если это происходит на крутой или гладкой поверхности крыши, в отсутствие снегозадержателей, то снег будет часто и непредсказуемо соскальзывать, как лавина (см. Рис. 1).

При правильном функционировании систем снегозадержания снег должен, в основном, таять на крыше. Существует распространенное заблуждение, что снегозадержатели предназначены для разрушения снежной и ледяной массы, в момент когда она начинает скользить с крыши. Это совершенно не так.

Самыми уязвимыми местами, требующими защиты от схождения снега, являются пешеходные дорожки, вход в гараж, водосточные желоба, кусты, входные группы и места для парковки. На самой крыше не помешает защитить проходы вентиляционных отверстий, инженерное оборудование, металлические дымоходы и парапеты.

Первым шагом в поиске правильной системы управления снегом является оценка массы или объема снега и льда, которые необходимо будет контролировать. Самый надежный способ оценки — с помощью конструкции наземной снежной нагрузки. Оценка наземной снеговой нагрузки используется специалистами по проектированию зданий и создана Американским обществом гражданских инженеров (АОГИ).

Нагрузка снега на грунт обычно измеряется в фунтах на квадратный дюйм (psi), или — в метрической системе — в килограммах на квадратный метр. Будучи умноженным на площадь крыши, значение нагрузки даст нам массу снега и льда, способных единомоментно находиться на крыше.  Однако значения наземной снежной нагрузки меняется и пересматривается год за годом. Опубликованные данные являются ориентирами, но никак не могут точно прогнозировать, сколько выпадет снега в конкретном году. Это было очевидно в восточной части США зимой 2010-2011 гг. Но это не означает, что система управления снегом должна быть перепроектирована. Если ресурс системы снегозадержания выше, чем несущая способность самого здания, то слишком большой вес снега, скопившийся на крыше может вызвать конструктивные повреждения здания.

Следующим шагом является коррекция значения наземной снеговой нагрузки в зависимости от свойств конкретной крыши — ее формы, ориентации по сторонам света и т.д.

Далее следует выбор лучшего снегозадерживающего устройства для конкретного проекта.

 

Системы снегозадержания распределенного типа

Распределенные по поверхности крыши защитные элементы устанавливаются в количестве, рекомендованном производителем. Они увеличивают силу трения, но, как объяснялось выше, позволяют снегу сползать с крыши очень маленькими порциями. В большинстве случаев для успешного снегозадержания потребуется более одного уровня распределенных элементов. Распределенная система снегозадержания не так эффективна как трубчатая, но при правильном использовании она отлично выполняет свои функции.

Для более эффективной защиты различных зон крыши может быть использована комбинация распределенных и трубчатых снегозадержателей.

Рис.2. Типичный петлеобразный элемент «хвост свиньи»

Один из самых старых элементов снегозадержания — устройство, которое называется проволочной петлей или «хвостом свиньи» (см. Рис. 2). При правильной установке по всей поверхности крыши создается «эффект сетки». В некоторых регионах такое решение является лучшим вариантом системы снегозадержания.

Эти защитные устройства имеют допустимую нагрузку по 50 фунтов (22,6 кг) каждая. А значит, в проекте, где снежная нагрузка довольно высока, потребуется слишком много таких элементов на единицу площади. Это может не очень привлекательно выглядеть, но в противном случае система обречена на провал.

 

Системы снегозадержания трубчатого типа

Рис.3- Трубчатое снегозадерживающее устройство создает больше преград, чем система распределенного типа

Трубчатый снегозадерживатель более сложен по конструкции (см. Рис. 3). Чтобы понять как он работает, представьте себе, как волны омывают коралловый риф. Когда волна приближается к рифу, гидравлическое давление создает водный гребень, который обрушивается на риф сверху. Чем больше воды попадает на риф, тем больше результирующая волна.

Трубчатый снегозадерживатель способен сохранить большую массу снега. Однако, если масса начинает скользить, образовавшееся давление выталкивает снег и лед за верхнюю границу труб. Это наиболее часто встречается, когда крыша имеет недостаточное количество уровней труб. Трубчатые системы, также как и распределенные, имеют некоторую максимально допустимую нагрузку. Если количество снега превышает пропускную способность снегозадерживателя, то следует установить либо дополнительные уровни трубчатых ограждений, либо дополнительным рядом отдельных распределенных элементов.

Производительность системы снегозадержания трубного типа для конкретной кровли также определяет минимальное расстояние между кронштейнами.

 

К сожалению, по финансовым или эстетическим причинам часто используются неправильное устройство управления снегом, и система выходит из строя.

Производители снегозадерживающих устройств должны точно знать предельную нагрузку, которую способна выдерживать их продукция. Затем должен быть применен коэффициент безопасности, равный, по меньшей мере, двум значениям предельной нагрузки, чтобы установить допустимый вес снега. В некоторых случаях этот коэффициент может быть и выше!

 

Не так-то просто…

В зависимости от температуры окружающей среды вода может находиться как в твердом состоянии, так и в жидком. Вода стекает с крыши или же замерзает снова, общая масса постоянно изменяется но при этом по-прежнему опирается на наклонную поверхность крыши.

Рис.4. Если потребуется второй ряд снегозадержания на середине ската кровли, то он должен быть в два раза длиннее чем элементы вдоль карниза

С каждым годом больше становится известно о воздействии снега и льда на крыши и о том, как этим лучше управлять. Наука об управлении снегом и льдом постоянно развивается. В конце 1990-х годов в Лаборатории инженерных исследований холодных регионов (ЛИИХР) были проведены исследования влияния снега и льда на вентиляционные отверстия. Исследователи определили, что снег и лед имеют тенденцию накапливаться под углом 45 ° за любым препятствием на крыше (см. Рис. 4).

 

Это означает, что простой 3-дюймовый аэратор, установленный около карниза и в центре здания, может в определенное время выдерживать почти половину снежной нагрузки на крышу (см. Рис. 5, 6 и 7). Но когда условия изменились и масса снега сдвинулась, аэраторы были сломаны. Это соображение становится очень важным, когда снегозадержатели установлены только над дверными проемами. Снегозадержатель шириной 8 футов, установленный над дверью в середине здания, иногда несет половину снежной нагрузки для всей крыши (см. Рис. 4). Но так же, как в случае кровельного аэратора, при изменении погодных условий это препятствие может быть разрушено. По этой причине мы рекомендуем использовать коэффициент безопасности равный трем, а не двум.

Рис.5. Стандартный 3-дюймовый аэратор предотвращает соскальзывание снега с металлической крыши

Рис.6- Небольшой зенитный фонарь сдерживает невероятное количество снега относительно его размера

Рис. 7. Неразумное количество снегозадержателей над дверью вызывают накопление снега и его ежегодное обрушение

Секреты Матушки-природы…

Рис. 8. Снежные «языки» длиной 18 дюймов, собственное здание в Morrisville, VT

У нас была возможность посмотреть на примере некоторых зим в Вермонте, как происходит таяние снега. Я называю это «ледниковым эффектом». На северо-востоке снег имеет тенденцию накапливаться и не таять более длительное время. Раньше наблюдалась январская или февральская оттепель, которая очищала зимние скопления снега на крышах. Последние два года были холодными, и типичных периодов оттепели не наблюдалось. Вместо этого мы увидели медленное плавление, часто вызываемое тепловыми потерями внутри структур. Результатом стало медленное таяние снежного покрова каждый день.

На нашем собственном здании, на котором есть многоуровневая система снегозадержания, снежная и ледяная масса проползла через карнизы на целых 18 дюймов, прежде чем мы были вынуждены сбить ее (см. Рис. 8 и 9). На некоторых зданиях этот сползший снежный «язык» остался и начал скручиваться назад в сторону зданий.

Рис. 9. «Эффект ползучести»

Это происходило по всему Вермонту на зданиях, в которых установлены системы управления снегом. Дело в том, что мы можем максимально вычислить наши снежные нагрузки, которые будут на крыше, основываясь на опубликованных данных. Однако мы не можем управлять Матушкой-природой. Система снегозадержания может делать именно то, для чего она предназначена, но дизайнеры и владельцы зданий должны признать, что сами системы могут нуждаться в управлении.

Еще одной интересной тенденцией в мире снегозадержания является потребность в создании снежных ограждений при установке солнечных батарей. Базальтовые гранулы на поверхности гибкой черепицы отлично сдерживают скольжение снега, но если встроить в состав такой кровли солнечные батареи с гладкими поверхностями, то крыша будет нуждаться в дополнительной защите от снега.

Рис. 10. Это здание, не оборудование снегозадерживающими устройствами, демонстрирует типичный феномен «ползучести и завитков»

Этот факт, в сочетании с разницей температур между существующей крышей и солнечными панелями, безусловно, создаст потребность в некоторой творческой инженерии. Это пример того, как постоянно меняющиеся потребности и технологии постоянно влияют и меняют то, как мы справляемся со снегом на крыше.

При проектировании систем управления снегом собирайте всю имеющуюся информацию о конкретном здании. Поговорите с местными подрядчиками об их опыте работы с системами снегозадержания, обсудите ситуацию с различными производителями этих систем. Не полагайтесь «на авось», берегите себя и свою репутацию!