Все ведущие российские производители и поставщики ПВХ-мембран для расчета необходимого количества крепежа и ветровой нагрузки на кровле используют собственные программы-калькуляторы. Это, разумеется, очень удобно в работе, поскольку максимально упрощает задачу. Но какие нормативные документы были заложены в их основу?
Тема воздействия ветровых нагрузок на плоские кровли оказалась для автора этих строк одновременно очень простой и сложной. Казалось бы, данный вопрос относится к разделу строительной физики и давно прописан в СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Однако применительно к кровлям из ПВХ-мембран неожиданно возникла проблема актуальности применения данного нормативного документа.
Действующая нормативная база
Карта ветровых районов была разработана еще в СССР
Для России основным документом, которым проектировщик обязан пользоваться при назначении ветровых и снеговых нагрузок на здания и сооружения, является СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Значения скорости ветра в конкретных географических точках представлены в СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология». В 2008 г. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко была опубликована вторая редакция СНиП «Нагрузки и воздействия», в которой предлагается увеличение нормативных значений давления ветра в разных районах Российской Федерации, существенные изменения схем распределения давления ветра на кровлю, изменения в сторону увеличения абсолютных величин коэффициентов давления в зонах кровли (Приложение В), расчет конструкции на резонансное вихревое возбуждение и т.д. Стоит отметить, что в данном документе была отмечена необходимость проведения аэродинамических испытаний в специализированных аэродинамических трубах (пункт 6.1.7).
Михаил Березин, заведующий отделом архитектурно-строительной аэродинамики Научно-исследовательской и проектно-строительной фирмы «Уникон» (Кемерово-Новосибирск) Интерес к аэродинамике кровли возник еще в 1960-е годы. Бурное развитие промышленности по производству электроэнергии породило новые мощные котлы для тепловых электростанций. Для размещения котлов потребовались главные корпуса высотой от 80 до 120 м, при этом ширина кровли составляла 40-60 м при длине кровли до 500 м. Как правило, тепловые электростанции размещены на окраинах городов, или на удалении от них на 20-50 км в голой степи (к примеру, Экибастуз), или в местности со слабой лесистостью; в некоторых случаях ТЭС стоит на возвышенности.
При ветрах, скорость которых ниже значений, определенных таблицей строительных норм, значительная часть кровли подвергалась разрушению дважды в год: при весенних ветрах и при осенних ветрах. Случаи разрушения кровли отмечаются в последние годы неоднократно: например, укрытие трибун стадиона в г. Киселевск Кемеровской области (2007). Следует отметить, что проектировались кровли строго в соответствии со СНиП 2.01.07-85* и предшествующих редакций.
Проектируемые кровли имеют достаточно большие площади и расположены в окружении существующих зданий. На кровле во время снегопада падающий снег распределяется неравномерно под воздействием искаженных соседними зданиями ветровых потоков, снеговые массы транспортируются ветром над кровлей, поверхность в одних местах оголяется, в других – отложения снега существенно превосходят нормативную величину. Разрушения кровли отмечаются во многих снежных регионах.
Разрушение мягкой кровли ТЭС на высоте 82 м, 1986 г.
Созданная Новосибирским отделением ВНИПИ «Теплоэлектропроект» специализированная аэродинамическая труба показала несоответствие рекомендаций СНиП реальным ветровым нагрузкам. Известно, что сила давления ветра зависит от скорости ветра во второй степени. Каждая форма кровли или любой иной поверхности здания характеризуется безразмерным коэффициентом давления, в который заложены и геометрические параметры, и направления ветра.
При аэродинамических испытаниях фактическая величина аэродинамического коэффициента кровли главного корпуса ТЭС более чем в четыре раза выше значения, рекомендованного нормами. Подверженная разрушению площадь кровли исчисляется 1500-3000 м2. Этим подтверждается острота проблемы назначения ветровых и снеговых нагрузок на кровлю.
По мнению заведующего отделом архитектурно-строительной аэродинамики Научно-исследовательской и проектно-строительной фирмы «Уникон» (Кемерово-Новосибирск) Михаила Березина, действующий в настоящее время СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» предлагает логически завершенную формулу для назначения ветровых нагрузок на кровлю, которую не следует изменять в новой редакции, что там и отмечается. Приведенная в СНиПе формула не определяет знак нагрузки, этот знак определяется при назначении аэродинамического коэффициента, где четко определено направление действия аэродинамической силы на кровлю или иной элемент здания.
Неправильно рассчитанное количество крепежа и плохое его
качество до добра не доводят
Для Москвы разработаны и введены в действие Временные московские городские нормы и правила МГСН 4.19-2005, в которых достаточно полно и четко изложены рекомендации по назначению ветровых и снеговых нагрузок на здания и сооружения. Пункт 5.1.4 содержит рекомендацию, согласно которой «…аэродинамические коэффициенты сил, моментов, внутреннего и внешнего давлений, а также числа Струхаля (при оценке резонансного вихревого возбуждения, см. п. 5.1.7) должны определяться на основе данных модельных испытаний, проводимых в специализированных аэродинамических трубах». Здесь же определены требования, обязательные для достоверности проводимых испытаний. Аналогичные региональные нормы созданы и во многих других городах Российской Федерации.
Александр Клевцов, президент корпорации «ТемпСтройСистема»
Действительно, используемые в России нормы, существенно отличаются от американских и европейских норм для аналогичных климатических условий. Тем не менее, сложившаяся практика отношений «заказчик – проектировщик – подрядчик – поставщик» в большинстве случаев признает виноватым подрядчика. Именно подрядчик, в отсутствие российских норм берет на себя риски ошибок проектирования, хотя это и не совсем правильно. Хотелось бы подчеркнуть, что на устойчивость кровли к ветровым нагрузкам помимо правильного количества крепежа влияет также расположение листов мембраны относительно профнастила. При продольном расположении на больших кровлях прочность крепления самого профнастила к конструкциям может оказаться недостаточным для компенсации ветровых нагрузок. Пожалуй, требования к монтажным организациям могли бы быть темой отдельной статьи.
Проблема? Есть проблема
По словам технического директора проекта LOGICROOF компании «Технониколь» Константина Сухих, проблема расчета ветровых нагрузок стоит очень остро. Действующая в России нормативная база не удовлетворяет реальному положению дел и не позволяет производить грамотный расчет на мембранных кровлях. Это объясняется тем, что основной нормативный документ в этой области – СНиП «Нагрузки и воздействия» содержит заведомо заниженные коэффициенты для определения величины ветровой нагрузки на кровлю, а также не соответствующие реальному состоянию методы определения размеров и конфигурации зон распределения ветровых нагрузок по площади кровли.
С ним согласен технический директор по рулонным материалам компании «Зика» Евгений Гуща: «Если сравнить расчеты на ветровые нагрузки, выполненные с помощью программы Sika, с теми, что выполнены на основе действующего СНиПа, станет видно: ветровая нагрузка на кровлю в 3-5 раз больше, чем по российским стандартам.
В действующем СНиПе указаны только ветровые зоны, т.е. нам предлагается каждый тип здания исследовать в аэродинамической трубе. Но если мы будем заказывать аэродинамические испытания по каждому проекту, то это значительно удорожает работу. К тому же они требуют времени.
На Западе такого рода исследования были проведены уже давно, а информация по их результатам обобщена по типам конфигураций зданий, выведены соответствующие коэффициенты. Нет разницы, где ветер дует – в Германии или в России. Законы природы, законы физики работают везде одинаково. Почему мы не можем пользоваться зарубежным опытом, если там уже выполнены все расчеты? Зачем «изобретать велосипед» и начинать исследования сначала?»
По мнению М. Березина, «Приложение 4 СНиП 2.01.07-85* содержит недостаточное количество рекомендаций по аэродинамическим коэффициентам кровли (и не только кровли). Это особенно ощутимо на стадии проектирования современных многофункциональных комплексов фантазийных архитектурных форм, сочетаний корпусов и их высот. Сочетание высотного корпуса и плоской кровли требует особого подхода к назначению коэффициентов давления ветра и распределения снега на кровле. В СНиПе предусмотрена рекомендация для проектировщиков, а именно: пункт 6.6. допускает использование справочных данных и материалов продувок проектируемого объекта в аэродинамической трубе. Однако этой рекомендацией пользуются немногие инженеры. Основная же масса проектировщиков не принимает к действию эту рекомендацию, ведь ответственности можно избежать, прикрываясь формулировкой пункта 6.6 этого СНиПа о допустимости, т.е. необязательности, аэродинамических испытаний».
Однако на это Е.В. Гуща справедливо замечает: «Насколько мне известно, количество аэродинамических труб в нашей стране крайне ограничено. Вряд ли их число больше пяти. И как прикажете выполнять рекомендации СНиП, где проводить испытания? На мой взгляд, необходима разработка нового СНиПа. Но это требует больших финансовых вложений, а потому необходимо участие государства в решении данной проблемы».
Критика положений нормативных документов о расчете ветровых нагрузок звучит уже давно. Еще в 2005 г. представитель компании «ЕМТР» Сергей Дубинский в статье «Расчеты высотных сооружений при ветровом воздействии» («САПР и графика», №10 / 2005) писал: «Основным руководством для проектировщика на данный момент являются СНиПы. Существующая отечественная методика разработана в начале 70-х гг. в ЦНИИСК им. Кучеренко с использованием работ А. Давенпорта и А. Вайза и реализована в СНиП II-6-74. В 1978 г. выпущено «Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра», подготовленное М. Барштейном. В 1984 г. издан справочник «Динамический расчет зданий и сооружений» под общей редакцией Б. Коренева. В этом же году на русский язык была переведена книга Э. Симиу и Р. Сканлана «Воздействие ветра на здания и сооружения». При выпуске СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» выражения, описывающие динамическую реакцию сооружений при действии ветра, были заметно упрощены. В новой редакции СНиПа (2003 г.) раздел «Ветровые нагрузки» оставлен без изменений.
Андрей Кашабин, начальник технического отдела «ПЕНОПЛЭКС СПб»
В данный момент наша компания пользуется программой, разработанной совместно с ЦНИИ Промзданий на основе требований СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Надежность данных расчетов дополнительно защищена заложенными в программе конструктивными ограничениями максимального шага механического крепления в 0,5 м, несмотря на то, что при некоторых расчетах получаются значения шага 1 м и более.
Расчеты по российскими нормам менее жесткие, но на плоских объектах в условиях городской застройки полностью работоспособны. Для объектов сложных геометрических форм и высотой более 75 м требуется проведение испытаний и дополнительные расчеты. К этому следует добавить, что по результатам наших тестов усилие на вырыв крепежа из профнастила толщиной 0,8-0,9 мм составляет около 80-120 кг/крепеж, что значительно превосходит прочность ПВХ-мембраны, т.е. чаще всего определяющим в расчете крепежа является прочность мембраны. Причиной срыва мембраны на кровле может быть неправильный монтаж крепежа, а именно – очень близко к краю. Для исключения таких ошибок необходимо нанесение на мембрану специальных меток по установки крепежа в помощь монтажникам.
Требуют уточнения сами поля аэродинамических нагрузок, определяемые по СНиП. Спектр давлений, предложенный Давенпортом, хорошо описывает нагружение только наветренной стороны здания, но нагружение крыш и покрытий большой площади не определяется. Кроме того, в СНиПе отсутствуют варианты расположения высотного здания в застройке и не учитывается интерференция зданий. Нагружение срывными потоками от соседних зданий не рассматривается, не учитывается и изменение спектра турбулентности по высоте, а также рельеф местности.
Следовало бы пересмотреть в СНиПе и климатологические характеристики и районирование, поскольку эта информация не обновлялась с 1977 г. Например, по данным метеостанции МГУ, в 1984 г. наблюдался ветер на высоте 10 м со скоростью 28 м/c, что соответствует уже не первой, а второй зоне ветрового нагружения для города Москвы. К тому же в последние несколько лет московскими метеорологами были зафиксированы внезапные шквальные ветры значительной разрушительной силы: их скорость, по некоторым оценкам, превышала 35 м/с».
Проблема кроется еще и в качестве крепежа
Неправильная установка крепежа
Евгений Гуща, технический директор по рулонным материалам компании «Зика»
Как известно, существует несколько технологий крепления мембран: она должна быть либо закреплена с помощью крепежа, либо приклеена, либо закреплена балластом. С точки зрения воздействия ветровых нагрузок механическое крепление самое уязвимое, потому к механическому крепежу предъявляются особые требования. В системе нет мелочей: нельзя забывать о крепеже, надо уделять ему особое внимание, при этом важны и качество, и количество.
Кирилл Кудояров, коммерческий директор «ICOPAL Россия»
Главное – не столько количество крепежа (хотя наша компания использует в работе преимущественно опыт своих европейских коллег), а его качество. Если крепеж выходит из строя в течение 3-5 лет, то какие могут быть разговоры о том, сколько его необходимо применять!
Европейский опыт и отечественные пути решения
Не случайно в своей работе представители многих компаний, поставляющих мембраны импортного производства, предпочитают опираться на многолетний опыт своих зарубежных коллег. Как, например, это делают специалисты «ICOPAL Россия», «Зика» и многих других.
По словам Константина Сухих, «при создании компьютерной программы «Технониколь» для расчета ветровых №3 2009 107 нагрузок были использованы результаты реальных натурных испытаний (например, «Атлас аэродинамических характеристик строительных конструкций», составители М.А. Березин и В.В. Катюшин, Новосибирск, 2003), а также проанализированы европейские методики. Самый строгий нормативный документ в этой области – норвежский стандарт NS 3479, который и лег в основу наших расчетов. Соблюдение его требований является гарантией надежности фиксации мембранной кровли к основанию, что подтверждено многолетней европейской практикой.
Существуют две основные проблемы, решение которых индивидуально в любом случае. Первая – это устройство кровель при реконструкции. Надо понимать, что мы не знаем реальные нагрузки на вырыв крепежного элемента, поэтому любой расчет необходимо производить после проведения натурных испытаний на вырыв. Вторая проблема – это расчет по нестандартным, например, купольным кровлям. В данном случае приходится опять же анализировать мировой опыт для подобных объектов. Иногда можно решить данную проблему путем проведения испытаний в аэродинамических трубах».
Как рассказал нам Е. Гуща, «европейские нормативные документы выдвигают более жесткие требования по ветровым нагрузкам, поэтому при расчете проекта для России мы устанавливаем более жесткие требования, чем предусмотрено российским СНиП».
Такие заимствования зарубежных методик, в целом, законны. Поскольку, как гласит все тот же СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» (п. 6.6), допустимо использовать иностранные нормативные документы в качестве справочных пособий.
Редакция благодарит за помощь в подготовке статьи компании «Технониколь», «Зика», ICOPAL Россия, «Пеноплэкс» и лично М. Березина