1.      Комплексный подход к расчету предельной снеговой нагрузки на кровле 

Перед собственниками зданий, сооружений, управляющими организациями, решающими при эксплуатации своих объектов в зимнее время одновременно две задачи - безопасности и экономии трудозатрат, возникает крайне актуальная и сложная проблема, какую величину снеговой нагрузки на кровлю для каждого конкретного, в том числе уникального и конструктивно сложного промышленного, коммерческого или жилого строения считать критически опасной, требующей оперативной уборки снега с кровли, а какую - приемлемой, не предполагающей немедленного вывода персонала на снегоуборочные работы. 

Стандартный подход в оценке величины снеговой нагрузки на кровлю предполагает, по нормативам СП 20. 13330. 2011 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85», выполнение следующих расчетов:

- определение максимальной высоты снежного покрова на поверхности крыши и его веса на единицу площади кровли с учетом коэффициента уменьшения нагрузки в зависимости от угла наклона скатов в сравнении с плоской крышей;

- перемножение массы снега на коэффициент уменьшения давления и площадь поверхности кровли, которое позволяет определить снеговую нагрузку, передающуюся на несущие элементы конструкции и фундамент. 

Но таким способом можно оценить лишь общую величину снеговой нагрузки, но невозможно сделать точные расчеты ее предельно допустимых значений для кровли как элемента данной конкретной конструкции, которая имеет совокупный запас прочности, соответствующий величине устойчивости (выносливости) и несущей способности стен и вертикальных опор, а также реальному уровню износа здания, сооружения. 

Поскольку все воздействия и нагрузки действуют в совокупности, вычисления расчетной снеговой нагрузки на кровлю следует проводить одновременно по двум предельным состояниям - на прогиб и на разрушение (разрыв), при сопоставлении ее с заложенной при проектировании здания нормативной нагрузкой (средним количеством снега на здании с конкретным уклоном кровли, расположенном в конкретном регионе), а затем перевести полученные данные в линейные показатели. 

Иными словами, запредельные состояния стропильной конструкции здания отражают ее способность сопротивляться одновременно всем внешним нагрузкам и воздействиям, в том числе снеговой нагрузке на кровлю, а расчетный предел – тот критический момент, при котором вся конструкция оказывается под угрозой разрушения, например, вследствие вызванного снегопадом местного повреждения или недопустимой деформации крыши. 

Комплексный подход к расчету предельной (сверхнормативной) снеговой нагрузки на кровле позволяет системе мониторинга измерять ее не как изолированный фактор угрозы, но как элемент единой картины деформаций здания, сооружения. 

2.      Система мониторинга предельной снеговой нагрузки на кровле 

Разработанное компанией «СМИС Эксперт» интеллектуальная система «Умная кровля» осуществляет оперативное предупреждение возникновения предельной (сверхнормативной) снеговой нагрузки на опасных участках кровли, где снеговая нагрузка действует в наиболее неблагоприятных условиях, обеспечивает защиту людей в здании, сооружении и позволяет владельцам объектов недвижимости и ответственным за их безопасность экономить средства за счет уборки снега только при необходимости (появлении реальной угрозы обрушения крыши). 

К наиболее проблемным местам на кровле относятся зоны примыкания к вертикальным стенам, сливным отверстиям, вентиляционным выходам и кровельным аэраторам, а также ендовы (внутренние углы кровли), слуховые и мансардные окна. В этих зонах высота снежного покрова может увеличиваться в разы, а максимальная снеговая нагрузка на кровельное полотно будет значительно выше среднего значения по кровле. 

Самое опасное явление в перемещении массы снега - скопление на свесах больших зарядов снега, перемешанных с талой водой, снеговая нагрузка которых, как правило, на порядок выше средних значений давления снега из нормативных данных по регионам. 

Датчики, установленные на указанных участках кровли, отслеживают изменения уровня снеговой нагрузки и в режиме реального времени и передают данные в информационную систему. Специальная программа на базе расчетной модели выполняет расчет совокупной нагрузки с учетом всех постоянных и переменных, статических и динамических воздействий на кровлю, в том числе:

- собственного веса крыши, включая вес кровельного материала, теплоизоляции, обрешетки (кровельного пирога), ограждающих конструкций и т.д.;

- фиксируемого датчиками веса снежного покрова, накапливаемого вследствие снегопадов (с учетом изменений его плотности и агрегатного состояния, неравномерного распределения по скатам и снегопереноса с образованием снеговых карманов, подтаивания снега со смещением вниз с коньковой поверхности на свесы);

- величины ветровой нагрузки;

- суммарного веса привлекаемого персонала и средств механизации, используемых для уборки снега. 

Для каждого контрольного участка кровли определена:

- расчетная предельная величина снеговой нагрузки с учетом фактического технического состояния и износа несущих конструкций здания, условий его эксплуатации, а также уровня ответственности в соответствии с требованиями действующих нормативных документов; 

- средняя расчетная плотность снега с учетом его структуры и агрегатного состояния с использованием известных физических моделей, например, в зависимости от температуры воздуха, которую определяют c использованием термометра. 

В расчетную модель решения заложена снеговая нагрузка, исходя из прочности и несущей способности различных типов конструкций: 

- Для простых конструкций плоских кровель (навесы, гаражи и хозяйственные постройки), в которых относительно короткие и жесткие балки имеют запредельный запас прочности, снеговая нагрузка рассчитывается по величине устойчивости и несущей способности стен и вертикальных опор (при этом удельный вес снеговой нагрузки в общей величине давления на вертикальные опоры составляет 20-25% от рекомендуемого запаса прочности здания, сооружения); 

- Для железобетонных балок и каркасных несущих ферм, характерных для павильонов и торговых центров, расчет снеговой нагрузки осуществляется на излом и предельно допустимый прогиб одиночного элемента плоского перекрытия крыши; 

- Для зданий и сооружений с избыточным запасом прочности, давление на поверхность крыши вследствие снеговой нагрузки берут в расчет для проверки локальной прочности рулонного мягкого покрытия; 

- Для каркасных построек на основе ферм, вертикальных стоек и балок перекрытия, изготовленных из металлопроката без использования бетонных отливок, расчет снеговой нагрузки выполняется по устойчивости сварных пролетов и всего здания под максимальной величиной снеговой и ветровой нагрузки. 

Нормативная снеговая нагрузка в расчетной модели (вес снега, который может приходиться на каждый квадратный метр кровли до момента начала деформации конструкции) высчитывается по высоте объекта мониторинга, типу его конструкции и кровли, углу наклона скатов и высоте снегового покрова в данной местности по данным метеорологических служб за последние 50 лет. 

Расчет коэффициента перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на кровлю, в соответствии с нормативами, рассчитывается от угла наклона ската кровли:

-  при углах наклона ската кровли менее 25 градусов коэффициент равен 1;

-  при углах наклона от 25 до 60 градусов значение коэффициента 0,7;

-  при углах наклона более 60 градусов не учитывается значение коэффициента в расчете полной снеговой нагрузки. 

Для расчетной нагрузки снеговой массы на скатных конструкциях в расчетной модели применяются поправочные коэффициенты. Для зданий, хорошо защищенных от ветра другими строениями или лесным массивом используются понижающие коэффициенты. 

При приближении к критическим значениям система мониторинга «Умная кровля» информирует о необходимости очистки снега на крыше в целях безопасности. Потолочные световые индикаторы дополнительно сигнализируют о предельном уровне снеговой нагрузки на контрольных участках. Пользователь системы имеет возможность отслеживать изменяемую во времени величину снеговой нагрузки на детализированных графиках. 

Технический результат системы мониторинга «Умная кровля» заключается в том, что осуществление расчета предельной снеговой нагрузки на кровле позволяет с высокой точностью предупредить ситуацию возникновения сверхнормативной нагрузки на несущие конструкции здания в целом и возникновения аварийной ситуации, которая может привести к обрушению крыши, трагедиям и материальным потерям. 

Технология применима для мониторинга снеговой нагрузки на кровлю промышленных, коммерческих и общественных зданий. «Умная кровля» - это первая разработка компании «СМИС Эксперт» в комплексной системе, которая в будущем будет предлагать все больше цифровых решений, касающихся мониторинга нагрузок и технического состояния элементов здания.