Обсуждаемый вопрос
Как корректно рассчитать ветровую нагрузку на плоскую кровлю в соответствии с требованиями СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»? Какие факторы необходимо учитывать при проектировании узлов крепления кровельного ковра к основанию, и как ветровая нагрузка влияет на выбор типа и количества кровельных дюбелей?
Краткий ответ
Ветровая нагрузка на плоскую кровлю определяется по СП 20.13330.2016 как сумма средней и пульсационной составляющих. Расчётное значение ветрового давления на высоте z вычисляется по формуле: w = wm + wp, где wm = w0 · k(ze) · cp — средняя составляющая, wp = wm · ζ(ze) · ν — пульсационная составляющая. Для плоских кровель критическими являются отрицательные (отрывающие) значения аэродинамических коэффициентов cp, достигающие −2,5 в угловых зонах. Полученное значение ветрового давления напрямую определяет требуемую несущую способность и шаг расстановки кровельных дюбелей.
Расширенный ответ
1. Нормативная база
Основным нормативным документом для определения ветровых нагрузок на территории РФ является СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*». Дополнительно применяются:
- СП 17.13330.2017 «Кровли» — требования к кровельным конструкциям;
- ГОСТ Р 56727-2015 «Нагрузки и воздействия. Методика определения ветровых нагрузок»;
- СТО НОСТРОЙ 2.13.81-2012 — рекомендации по устройству кровель.
2. Исходные данные для расчёта
Для выполнения расчёта ветровой нагрузки на кровельное покрытие необходимы следующие исходные данные:
- Ветровой район строительства (I–VII) — определяет нормативное значение ветрового давления w0;
- Тип местности (A, B или C) — влияет на коэффициент k(ze), учитывающий изменение ветрового давления по высоте;
- Высота здания h и эквивалентная высота ze;
- Геометрические параметры здания в плане (длина a, ширина b);
- Наличие парапета и его высота;
- Тип кровельного покрытия и способ его крепления.
3. Нормативные значения ветрового давления
Согласно СП 20.13330.2016 (таблица 11.1), нормативное значение ветрового давления w0 для различных ветровых районов РФ составляет:
| Ветровой район | Iа | I | II | III | IV | V | VI | VII |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| w0, кПа | 0,17 | 0,23 | 0,30 | 0,38 | 0,48 | 0,60 | 0,73 | 0,85 |
Примеры городов по ветровым районам: Москва — I (0,23 кПа), Санкт-Петербург — II (0,30 кПа), Краснодар — III (0,38 кПа), Владивосток — V (0,60 кПа), Норильск — VI (0,73 кПа).
4. Коэффициент k(ze) — изменение ветрового давления по высоте
Коэффициент k(ze) учитывает изменение ветрового давления в зависимости от эквивалентной высоты ze и типа местности. Для зданий высотой h ≤ 300 м эквивалентная высота принимается равной высоте здания: ze = h.
| ze, м | Тип A | Тип B | Тип C |
|---|---|---|---|
| ≤ 5 | 0,75 | 0,50 | 0,40 |
| 10 | 1,00 | 0,65 | 0,40 |
| 20 | 1,25 | 0,85 | 0,55 |
| 40 | 1,50 | 1,10 | 0,80 |
| 60 | 1,70 | 1,30 | 1,00 |
| 80 | 1,85 | 1,45 | 1,15 |
| 100 | 2,00 | 1,60 | 1,25 |
Тип A — открытые побережья морей, озёр, водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра. Тип B — городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м. Тип C — городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25 м.
5. Аэродинамические коэффициенты для плоской кровли
Для плоских кровель (уклон менее 5°) аэродинамические коэффициенты cp определяются по приложению Д СП 20.13330.2016. Кровля разбивается на зоны в зависимости от соотношения h/d (высота к характерному размеру здания):
| Зона кровли | cp,10 при h/d ≤ 0,5 | cp,10 при h/d ≥ 1,0 |
|---|---|---|
| Угловая зона (F) | −2,5 | −2,5 |
| Краевая зона (G) | −1,5 | −2,0 |
| Краевая зона (H) | −0,7 | −1,2 |
| Центральная зона (I) | −0,2 (отсос) / +0,2 (давление) | −0,2 / +0,2 |
Отрицательные значения cp означают отсос (ветер стремится оторвать кровельное покрытие от основания). Именно эти значения являются критическими для расчёта крепления кровельного ковра.
6. Пульсационная составляющая ветровой нагрузки
Пульсационная составляющая wp учитывает динамическое воздействие ветра и определяется по формуле:
wp = wm · ζ(ze) · ν
где:
- ζ(ze) — коэффициент пульсации давления ветра на эквивалентной высоте ze (таблица 11.4 СП 20.13330.2016);
- ν — коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра (таблица 11.6).
| ze, м | ζ (тип A) | ζ (тип B) | ζ (тип C) |
|---|---|---|---|
| ≤ 5 | 0,85 | 1,22 | 1,78 |
| 10 | 0,76 | 1,06 | 1,78 |
| 20 | 0,69 | 0,92 | 1,50 |
| 40 | 0,62 | 0,80 | 1,26 |
| 60 | 0,58 | 0,74 | 1,14 |
| 80 | 0,56 | 0,70 | 1,06 |
| 100 | 0,54 | 0,67 | 1,00 |
7. Пример расчёта
Исходные данные: административное здание в г. Москва (I ветровой район, w0 = 0,23 кПа), высота h = 20 м, размеры в плане 60 × 30 м, тип местности B, кровля плоская без парапета.
Шаг 1. Определяем эквивалентную высоту: ze = h = 20 м.
Шаг 2. По таблице 11.2 для типа местности B и ze = 20 м: k(ze) = 0,85.
Шаг 3. Определяем h/d. Характерный размер d = 30 м (меньший размер в плане). h/d = 20/30 = 0,67. По интерполяции между значениями для h/d ≤ 0,5 и h/d ≥ 1,0 получаем аэродинамические коэффициенты:
| Зона | cp,10 |
|---|---|
| F (угловая) | −2,5 |
| G (краевая, короткая сторона) | −1,67 |
| H (краевая, длинная сторона) | −0,87 |
| I (центральная) | −0,2 |
Шаг 4. Средняя составляющая для угловой зоны F:
wm = w0 · k(ze) · cp = 0,23 · 0,85 · (−2,5) = −0,489 кПа
Шаг 5. Пульсационная составляющая. По таблице 11.4 для ze = 20 м, тип B: ζ = 0,92. По таблице 11.6 для площади покрытия ρ = b = 30 м: ν = 0,72 (интерполяция).
wp = wm · ζ(ze) · ν = 0,489 · 0,92 · 0,72 = 0,324 кПа
Шаг 6. Полное расчётное значение ветровой нагрузки для угловой зоны:
w = wm + wp = 0,489 + 0,324 = 0,813 кПа
Шаг 7. Расчётное значение с учётом коэффициента надёжности по нагрузке γf = 1,4:
wрасч = w · γf = 0,813 · 1,4 = 1,138 кПа
Шаг 8. Определение требуемого количества дюбелей. При несущей способности одного дюбеля Nd = 0,4 кН (по результатам испытаний по ГОСТ 32489-2013) и коэффициенте запаса γm = 2,0:
n = wрасч · γm / Nd = 1,138 · 2,0 / 0,4 = 5,69 ≈ 6 шт./м²
Таким образом, для угловой зоны F требуется не менее 6 дюбелей на 1 м². Для краевой зоны G (cp = −1,67) аналогичный расчёт даёт около 4 дюбелей/м², для центральной зоны I (cp = −0,2) — 1–2 дюбеля/м².
8. Влияние высоты здания на ветровую нагрузку
С увеличением высоты здания ветровая нагрузка на кровлю возрастает нелинейно. Для здания высотой 100 м в том же ветровом районе (тип местности B, k(100) = 1,60, ζ(100) = 0,67) расчётная нагрузка в угловой зоне составит:
wm = 0,23 · 1,60 · 2,5 = 0,920 кПа
wp = 0,920 · 0,67 · 0,72 = 0,444 кПа
w = 0,920 + 0,444 = 1,364 кПа
wрасч = 1,364 · 1,4 = 1,910 кПа
Нагрузка возрастает на 68% по сравнению со зданием высотой 20 м, что требует пропорционального увеличения количества крепежа.
9. Влияние парапета
Наличие парапета высотой hp существенно изменяет аэродинамику обтекания кровли. При hp/h ≥ 0,05 аэродинамические коэффициенты в краевых и угловых зонах могут снижаться на 15–30%. Однако парапет создаёт дополнительные зоны повышенного разрежения непосредственно за собой, что требует отдельного расчёта.
Заключение
Корректный расчёт ветровой нагрузки на плоскую кровлю по СП 20.13330.2016 является критически важным этапом проектирования системы крепления кровельного ковра. Наибольшие отрывающие усилия возникают в угловых и краевых зонах кровли, где аэродинамические коэффициенты достигают значений −2,5. Расчётная ветровая нагрузка для типового здания в Московском регионе составляет от 0,3 до 1,2 кПа в зависимости от зоны кровли, что требует установки от 1 до 6 дюбелей на квадратный метр. Применение качественного кровельного крепежа РОКС с подтверждённой несущей способностью по ГОСТ 32489-2013 обеспечивает надёжную фиксацию кровельного ковра при любых ветровых воздействиях. Для высотных зданий (h > 75 м) и объектов в ветровых районах V–VII рекомендуется выполнять уточнённый расчёт с привлечением методов численного моделирования (CFD) или испытаний в аэродинамической трубе.
