Как рассчитать снеговую и ветровую нагрузку на металлоконструкции

Снеговую и ветровую нагрузку на металлоконструкции определяют по СП 20.13330.2016, который действует в России. Для снега берут вес покрова своего района и умножают его на поправки за уклон кровли, сдувание и подтаивание. Для ветра базовое давление района увеличивают с учетом высоты, формы здания и порывов, а затем оба значения умножают на 1,4.

Что понадобится перед началом расчета

Понадобятся действующий свод правил, точный адрес площадки, размеры будущего каркаса и сведения о том, что окружает участок. СП 20.13330.2016 заменил собой СНиП 2.01.07-85*. Карты районов, таблицы и расчетные зависимости для снега и ветра собраны в нем в одном месте.

Подготовьте до начала работы:

• город, поселок или координаты стройплощадки;
• отметку конька или верха конструкции от уровня земли;
• тип покрытия и его уклон: один скат, два ската, арка, плоская кровля;
• места, где высота кровли меняется, а также парапеты, пристройки и соседние корпуса;
• описание окрестностей: поле, лесополоса, частный сектор, многоэтажные кварталы.

На территории России расчет нагрузок по этому своду правил выполняют при проектировании, и эксперт сверяет с ним цифры при проверке документации. Район для своего города берите только из приложений к актуальной редакции. После пересмотра норм значения для части территорий стали другими, и старые справочники дают ошибочный результат.

Стальной каркас легкий, а перекрывает большие пролеты. Поэтому для него снег и ветер обычно оказываются определяющими воздействиями, и неточность в исходных данных сразу отражается на профилях и толщине стенок.

Снеговая нагрузка: формула и что в нее входит

Чтобы получить снеговую нагрузку на кровлю, вес снега на грунте умножают на три поправки: за форму покрытия, за сдувание и за тепловой режим.

S0 = Ce × Ct × mu × Sg

В этой формуле Sg означает нормативный вес снега на квадратный метр ровной земли, mu отвечает за форму покрытия, Ce учитывает сдувание снега ветром, а Ct отражает подтаивание от тепла здания.

Снеговой район и вес снега на земле

Номер снегового района смотрят на карте в приложении к СП или находят свой город в таблице. От номера района зависит величина Sg.

Для пересчета удобно помнить, что один килопаскаль близок к ста килограмм-силам на квадратный метр. Если стройка ведется в горах или там, где наблюдений мало, вес снега берут по сведениям ближайшей метеостанции.

Как учесть уклон кровли

Коэффициент mu отвечает на вопрос, сколько снега с земли удержится на покрытии.

• Скат с уклоном не больше 30 градусов принимает весь снег, и mu равен единице.
• На скате от 60 градусов и круче снег не держится, mu равен нулю.
• Для уклонов от 30 до 60 градусов значение находят по прямой между этими точками.
• Для арок, шедов, многопролетных зданий и покрытий сложной формы готовые схемы есть в приложении Б.

Поправка Ce уменьшает нагрузку там, где ветер сметает снег с обширных пологих кровель. Поправка Ct применяется для неутепленных покрытий, через которые уходит много тепла и снег подтаивает. Для навесов и типовых каркасов обе поправки обычно равны единице.

Ангары и склады с широкими пологими кровлями как раз тот случай, когда так упрощать нельзя. Ветер распределяет снег по такому покрытию неравномерно, и у световых фонарей, парапетов и пристроек он копится толстым слоем. Картину нагрузки здесь строят по схемам приложения Б.

Где копятся снеговые мешки

Снеговой мешок появляется там, где ветру мешает препятствие и снег оседает с подветренной стороны. Это перепады высот, парапеты, вентиляционные короба, ендовы и стыки соседних пролетов. На таких участках нагрузка превышает обычную вдвое и больше.

Большинство аварий с прогибом прогонов и провалом кровли начинаются именно в этих местах. Границы мешка и величину mu для него определяют по приложению Б, а элементы под мешком проверяют отдельным расчетом.

Пример: снеговая нагрузка на навес в Москве

У открытого односкатного навеса в Москве с уклоном 10 градусов расчетная снеговая нагрузка выходит 2,1 кПа, это около 210 кгс/м². Считаем, что навес стоит отдельно и рядом нет более высоких строений.

1. Находим район. Москва входит в III снеговой район, отсюда Sg равен 1,5 кПа.
2. Подбираем поправки. Уклон в 10 градусов меньше 30, значит mu равен единице. Навес небольшой и неотапливаемый, поэтому Ce и Ct тоже берем равными единице.
3. Нормативная нагрузка: 1 × 1 × 1 × 1,5 = 1,5 кПа, то есть порядка 150 кгс/м².
4. Расчетная нагрузка: 1,5 × 1,4 = 2,1 кПа, то есть порядка 210 кгс/м².
5. Нагрузка на один прогон. Если прогоны стоят через 1 м, каждый воспринимает 2,1 кН на метр длины. При шаге 0,8 м на прогон придется 1,68 кН на метр.

Получившуюся погонную нагрузку складывают с весом кровельного материала. С этой суммой подбирают профиль прогона и проверяют, не прогнется ли он сильнее допустимого.

Ветровая нагрузка: из чего она складывается

Ветровая нагрузка состоит из двух частей: средней, которая давит постоянно, и пульсационной, которая учитывает порывы. Среднюю часть получают, умножая базовое давление ветра района на поправку за высоту и на аэродинамический коэффициент.

w = wm + wp, где wm = w0 × k(ze) × c

Ветровой район и базовое давление

Ветровой район определяют так же, как снеговой: по карте или по таблице городов в приложении к СП 20.13330. Базовое давление w0 зависит только от номера района.

Поправка на высоту и окружающую местность

Ветер набирает силу с высотой и на открытом пространстве. Эту зависимость отражает коэффициент k(ze), его значения сведены в таблицу 11.2 свода правил.

• Местность типа A: морские и речные побережья, водохранилища, степь, тундра, пустыня.
• Местность типа B: окраины городов, леса и участки, застроенные или засаженные препятствиями выше 10 м.
• Местность типа C: городские кварталы, плотно застроенные домами выше 25 м.

Тип местности выбирают, глядя на реальное окружение площадки со всех сторон, а не на то, что участок числится в городской черте. Если склад на окраине выходит торцом в чистое поле, его считают как стоящий на местности типа A.

Аэродинамический коэффициент

Аэродинамический коэффициент c показывает, как ветер давит на сооружение конкретной формы. На стену, повернутую навстречу ветру, действует давление с коэффициентом плюс 0,8. На заднюю и боковые стены и на большую часть кровли ветер действует отсосом, поэтому знак коэффициента там отрицательный.

Значения для навесов, ферм, решетчатых мачт, рекламных щитов и сооружений необычной формы собраны в приложении В. Для легких покрытий и навесов без стен отсос опаснее давления: он способен сорвать кровельные листы или приподнять каркас вместе с опорами.

Порывы ветра

Пульсационная часть описывает рывки ветра и раскачивание самой конструкции.

wp = wm × дзета(ze) × ню

Здесь дзета обозначает коэффициент пульсаций давления на нужной высоте, а ню показывает, насколько согласованно порывы действуют по площади сооружения. У высоких и податливых объектов, таких как мачты, вышки и высокие рекламные стелы, дополнительно проверяют частоты собственных колебаний и динамическую реакцию.

Сложив обе части и умножив сумму на 1,4, получают расчетную ветровую нагрузку.

Как учитывать снег и ветер вместе с другими нагрузками

Значения снега и ветра нельзя просто сложить. Их объединяют в сочетания с собственным весом каркаса и кровли и применяют коэффициенты сочетаний из раздела 6 СП 20.13330.

• Вес стальных элементов, кровли, утеплителя и подвешенного оборудования относится к постоянным нагрузкам и входит в любое сочетание.
• Снег и ветер считаются кратковременными. Если в сочетании присутствуют оба, одно воздействие учитывают полностью, а второе уменьшают коэффициентом.
• Для каждого элемента подбирают наихудший вариант. Ферму покрытия чаще всего определяет снег, а колонны и связи обычно рассчитывают на снег и ветер одновременно.
• У навесов и легких кровель обязательно отдельно проверяют вариант, где минимальный собственный вес сочетается с ветровым отсосом. Так выясняют, удержится ли покрытие и не вырвет ли анкеры опор.

В этой проверке вес конструкций берут с коэффициентом меньше единицы, ведь здесь он удерживает каркас и его завышение создало бы ложный запас.

Нормативная или расчетная: какое значение применять

Расчетное значение нужно для проверки прочности и устойчивости элементов, нормативное — для оценки прогибов и смещений.

Чтобы получить расчетное значение, нормативное умножают на коэффициент надежности по нагрузке, для снега и ветра это 1,4. Проверки прочности и устойчивости входят в первую группу предельных состояний, а прогибы и перемещения проверяют по второй группе.

Если считать прогиб прогона по расчетной нагрузке, профиль получится тяжелее необходимого. Гораздо хуже обратная ситуация: при проверке прочности по нормативному значению нагрузка оказывается заниженной в 1,4 раза.

Типичные ошибки при расчете

Чаще всего ошибаются с номером района, забывают про снеговые мешки и не проверяют отрыв кровли ветром.

• Район определен по устаревшей редакции норм или по ближайшему крупному городу вместо места стройки.
• Снег распределен по кровле ровным слоем, хотя рядом стоит более высокий корпус, парапет или стена, у которых он наметается.
• Опоры навеса рассчитаны только на вертикальное давление, а подъемная сила ветра не учтена.
• Единицы перепутаны: килопаскали поставлены вместо кгс на квадратный метр, и результат отличается от верного примерно в сто раз.
• Нормативное значение применено там, где нужно расчетное, или наоборот.
• Местность принята типа C лишь потому, что адрес относится к городу.

Хватит ли онлайн-калькулятора или нужен конструктор

Онлайн-калькулятором можно прикинуть нагрузку на небольшой навес или козырек. Здание, ангар, склад или высокое сооружение должен считать инженер-конструктор.

Типичный калькулятор принимает снег равномерным по ровному скату. Мешки, сложные кровли, порывы ветра и сочетания нагрузок в нем, как правило, не заложены.

Для капитального строительства расчет нагрузок входит в состав проекта и проходит экспертизу. Конструкторы выполняют его в программных комплексах вроде ЛИРА-САПР или SCAD Office. Сочетания программа формирует сама, но районы, коэффициенты и схемы приложения нагрузок вводит специалист.

После расчета подбирают профили и узлы, оформляют рабочую документацию и по ней выпускают металлоконструкции по чертежам. Ошибка, допущенная в нагрузках, переносится на каждый лист проекта и в итоге в собранный каркас.

Главное

• Нагрузки определяют по СП 20.13330.2016, ориентируясь на точное место строительства.
• Снег на кровле — это вес снега на земле с поправками на уклон, сдувание и подтаивание.
• Ветер — это базовое давление района с поправками на высоту и форму плюс порывы.
• Расчетное значение в 1,4 раза больше нормативного.
• Снеговые мешки и отрыв кровли ветром всегда проверяют отдельно.

Частые вопросы

Сколько кг снега выдерживает навес из профильной трубы?

Одной цифры для всех навесов нет: все решают пролет, шаг прогонов и размер трубы. Сначала находят снеговую нагрузку для своей местности, потом подбирают под нее профиль.

Какая снеговая нагрузка в Москве?

Москва находится в третьем снеговом районе. Нормативный вес снега на земле здесь 1,5 кПа, а на пологой кровле расчетная нагрузка получается около 210 кгс на квадратный метр.

Чем снеговая нагрузка отличается от веса снегового покрова?

Вес покрова определяют для ровной земли. Нагрузка на кровлю дополнительно учитывает уклон, форму покрытия и то, сколько снега сдует ветер, поэтому она бывает и меньше, и больше.

Нужно ли считать ветровую нагрузку для низкого навеса?

Нужно обязательно. Легкий навес страдает не от напора ветра, а от подъемной силы, которая отрывает кровлю и выдергивает стойки из земли.

Как перевести кПа в кгс на квадратный метр?

Один килопаскаль приблизительно соответствует ста кгс на квадратный метр. Значит, 1,5 кПа — это примерно 150 кгс на квадратный метр.

Какой коэффициент надежности для снеговой и ветровой нагрузки?

И для снега, и для ветра он составляет 1,4. Нормативное значение умножают на этот коэффициент и получают расчетное.