Крыши, которые не боятся снега

Крыша и снег.

Непростые взаимоотношения.

Россия - снежная страна. Однако у россиян складываются весьма странные отношения со снегом. И особенно со снегом на крышах домов. В этой статье мы попробуем разобраться, что делать со снегом на крышах и какими должны быть кровли, чтобы устоять под натиском снежной массы.

Выдержит ли крыша слой снега зимой?

Начнем с азов, то есть со снежных нагрузок на кровельные системы.   Сколько же весит снег на крыше? Плотность свежего рыхлого снега составляет от 10 до 100 кг/м³. Средняя плотность снежного покрова в Европейской части России в конце зимы на Севере находится в пределах 220 — 280 кг/м³; в Средней полосе — в пределах 240 — 320 кг/м³; на Юге — в более широких пределах: от 220 до 360 кг/м³, что объясняется наличием перемежающихся оттепелей и процессами фирнизации  снега (образование шариков льда внутри снега из замерзающего водяного пара). Фирн (от др.-в.-нем. firni — прошлогодний, старый) — плотно слежавшийся, зернистый и частично перекристаллизованный снег. Сухой снег представляет собой двухфазную, а мокрый – трехфазную систему, состоящую из кристаллов льда, воды и воздуха, содержащего водяной пар.

В процессе таяния или увлажнения при оттепелях плотность снега существенно увеличивается. В начале таяния плотность составляет от  180 до 350 кг/м³, в разгар таяния от 350 до 450 кг/м³, а в конце таяния доходит до 600 - 700 кг/м³. Пористость снега связана с его структурой и изменяется по мере его уплотнения от 98 до 20%.  Толщина снежного слоя на кровле зависит от климатического района, конфигурации кровли (углу наклона, наличию  снегозадерживающих элементов и конструкций).  Чем меньше угол наклона кровли, тем толще слой снега может на ней скапливаться. Кроме снегозадержателей, задержке снега способствуют дымоходы и сложная многщипцовая конфигурация кровель.

Правильно построенная кровля должна быть рассчитана на снеговую нагрузку в каждом конкретном регионе. В Своде правил  СП 20.13330.2011 "Нагрузки и воздействия"  в разделе 10 "Снеговая нагрузка" определяется районирование территории России по величине снежного покрова и нагрузкам от него.  В зависимости от региона строительства изменяются значения снежных нагрузок, на которые должна быть рассчитана кровля.

Какой толщины слой снега окажется критичным кровли правильно построенного дома? Например, для Москвы кровли должны быть рассчитаны на повреждающую нагрузку 126 кг/м^2.  Это означает, что критическую нагрузку для повреждения крыши может создать сухой снег плотностью 100 кг/м³ с толщиной слоя 126 см. Если снег слежавшийся, как в конце зимы с плотностью 250 кг/м³ , то для создания критической нагрузки понадобится  толщина слоя снега всего 50 см. Если снег начал таять (плотность 350 кг/м³), то критическая для повреждения толщина слоя снега составит 36 см. В конце таяния снега, если он по каким-то причинам задерживается на кровле, критическая для повреждения толщина его слоя составит всего 16-18 см.   

В рекомендациях американского МЧС (FEMA) указывается, что средней критической толщиной снежного покрова для крыш с небольшим уклоном является слой 46 см.  Данные рекомендации были сформированы с учетом того, что многие дома были построены достаточно давно без расчета на современные нормы по снеговым нагрузкам.

Как должна быть устроена кровля дома, чтобы выдержать снеговые нагрузки без повреждений и разрушения?

Снеговая нагрузка воспринимается стропильной системой и передается на стены дома. Как должна быть устроена стропильная система, чтобы воспринять нагрузку от снега без разрушения? Для поиска ответа на вопрос обратимся к СП 31-105-2002 " Проектирование и строительство энергоэффективных одноквартирных жилых домов с деревянным каркасом".

При поперечном сечении стропил 38 х 140 мм[1] (оструганные доски сечением 40 х 150 мм) при расчете на снеговую нагрузку до 300 кг/м²  стропила могут иметь свободный пролет не более 2,6 м при шаге стропил 60 см. При снеговой нагрузке до 200-250 кг/м² длина свободного пролета стропил может составить 3,5 метра. При нагрузке до 150 кг/м² разрешенная длина свободного пролета стропил увеличивается до 3,9 метра.  При увеличении высоты сечения стропил до 184 мм (200 мм) длины разрешенного свободного пролета увеличиваются, соответственно, до 3,2 м, 3,5 м и 4,4 м. При больших длинах пролетов стропила можно опирать на продольные прогоны или опорные стойки, передающие нагрузки на нижележащие строительные конструкции.

Особые требования предъявляются к крепежным изделиям. Длина гвоздей должна превышать двойную ширину сечения стропил, то есть для скрепления стропил ширинобй сечения 38 мм используются гвозди длиной минимум 80 мм. Чем меньше угол наклона кровли, тем больше гвоздей требуется использовать для каждого соединения. Например, если при угле наклона кровли 45 градусов и шаге стропил 60 см достаточно пробивать стропила 5-ю гвоздями, то на кровле с углом 26 градусов потребуется 8 гвоздей на одно соединение.

При соединении других элементов стропильной системы следует пользоваться таблице минимального количества и длины гвоздей [на основании таблицы 8-2 СП 31-105-2002. Проектирование и строительство энергоэффективных одноквартирных жилых домов с деревянным каркасом]:

Устраивая стропильную систему дома в снежных районах, следует выбрать кровли с достаточным углом наклона – как минимум 36 градусов к горизонту. Еще лучше противостоять нагрузкам и избавляться от избыточной снежной массы кровли с углом 45 градусов и более. 

По передаче нагрузки на стены дома  стропильные системы делятся на распорные и нераспорные.  В случае значительных снеговых нагрузок лучше предпочесть нераспорную схему наслонных (опирающихся на продольные прогоны) стропил, в которой  стропильные ноги закрепляются на стенах шарнирными соединениям с двумя степенями свободы. Чтобы занчительно снизить передаваемые распирающие нагрузки на стены дома один из концов наслонных стропил должен быть закреплен так, чтобы обеспечивать продольный сдвиг стропила под воздействием снеговой или ветровой нагрузки. Для этого в безраспорных конструкциях стропильных систем соблюдается следующее правило: крепление одного конца стропильной ноги делается на скользящей опоре, позволяющей продольное смещение (сдвиг) и поворот стропила (две степени свободы), крепление другого конца стропил (на коньковом прогоне) делается с допуском только поворота (одна степень свободы). Крепление с двумя степенями свободы может быть выполнено на современных крепежных пластинах-ползунах, либо на стальных скобах с использованием проволочных петель (петель из лавсановых или стальных крепежных лент) в сочетании с конструкционным креплением в виде уголков, деревянных коротышей или пробоя гвоздями (по одному с каждой стороны). Конструкционное крепление предупреждает сдвиг стропил вдоль продольной оси мауэрлата (стен). В таком случае при отсутствии жесткой связи стропило-мауэрлат распирающая нагрузка не будет передаваться на опорную стену.

Схема крепления наслонных стропил с одной и двумя степенями свободы.

Как должна утепляться и вентилироваться кровля в снежных районах?

Залог нормальной эксплуатации кровли в снежных районах очень простой: кровля в зимнее время не должна нагреваться теплом из дома, чтобы не происходило таяния снега на кровле. Почему таяние снега нежелательно? Во-первых, при частичном таянии снег приобретает большую плотность, отчего возрастают нагрузки на кровлю. Во-вторых, при попеременных циклах оттаивания-замерзания могут образовываться ледяные глыбы в снежных мешках –плотинах и сосульки на свесах кровли. Нагрузки ото льда превысят даже нагрузки от талого снега: плотность льда  составляет 917 кг/м³ . В-третьих, образующиеся водные бассейны в снежных плотинах на кровлях из штучных материалов приводят к затеканию воды под кровлю через швы и промежутки и появлению протечек в доме.

Схема образования снежных плотин на кровле. 

Для предотвращения образования ледяных пробок и сосулек в водосточной системе кровли, а также скопления снега и наледей в водоотводящих желобах и на карнизном участке следует предусматривать установку на кровле кабельной системы противообледенения.

Какие условия необходимо выполнить, чтобы оставить зимой поверхность кровли холодной?  Существует две основных схемы устройства чердачного пространства: холодный (неутепленный) чердак и утепленный чердак (или мансарда).

В неутепленном чердаке контур утепления находится в перекрытии последнего этажа или лежит на таком перекрытии.  Если толщина утепления чердачного  перекрытия достаточна, в контуре утепления нет зазоров, проходящие через чердак вентиляционные трубы и дымоходы утеплены, а само чердачное пространство хорошо проветривается, то проблем с нагревом кровли и таянием снега обычно не возникает.  Минимальная площадь отверстий в кровле для естественной вентиляции чердака (коньки, хребты, карнизы, слуховые окна, вытяжные патрубки и т.п.) принимается не менее не менее 1/300 площади горизонтальной проекции кровли.

Как определить где находятся зоны утечки тепла? Если температура упала ниже 0 °C и выпал снег толщиной покрова не более 25 мм  – посмотрите на крышу дома.  В норме, снег должен равномерно покрывать поверхность кровли. Если же на кровле образовались места, где снег растаял – это верный признак локальных утечек тепла.  Типичные места утечек тепла на чердаках - люки и проемы в перекрытии,  углы перекрытий, неизолированные вентиляционные  каналы и дымоходы. На вальмовых кровлях холодных чердаков теплый воздух может собираться под сводом кровли, если в нем отсутствует сквозная вентиляция подконькового пространства.

Если  чердак (мансарда) имеет утепленный подкровельный контур, то критичными элементами для предохранения поверхности кровли от прогрева будут:

• Достаточная толщина теплоизоляции.
• Отсутствие промежутков при укладке утеплителя.
• Наличие хорошо вентилируемого зазора между поверхностью утеплителя и основанием кровельного покрытия.
• Наличие воздухозабора достаточного сечения под свесами кровли и кровельных вентиляторов и коньковой вентиляции для отвода воздуха.

В утепленной кровле может быть двойной вентиляционный зазор или одинарный – все зависит от свойств выбранной гидроизоляционной мембраны.  Если в конструкции кровли используется современная трехслойная супердиффузионная кровельная мембрана, которая хорошо пропускает пар из утеплителя  (паропроницаемость за сутки 750-1000 г/м²) и блокирует поступление воды в него снаружи, то такую мембрану можно укладывать прямо на утеплитель. Высота сечения зазора между утеплителем и гидроизоляцией должна быть не менее 2 см.

Схема подкровельной вентиляции с одинарным и двойным вентиляционным зазором. 

В случае использования более дешевых однослойных мембран или паронепроницаемых  гидроизолирующих пленок, между ними и утеплителем с помощью контрреек создается второй вентиляционный зазор для отвода водяных паров из утеплителя и конденсата с поверхности пленки. 

Одинарный или двойные вентиляционные зазоры должны быть открыты в подконьковое вентилируемое пространство. 

К числу основных ошибок при устройстве подкровельной вентиляции относятся отсутствие воздухозаборных отверстий или их малое сечение, небольшой просвет вентиляционного зазора, отсутствие кровельной вентиляции и дополнительных кровельных вентиляторов на длинных скатах кровли и у блокирующих свободное движение воздуха конструктивных элементов (например, дымоходов).

Как рассчитать параметры кровельных вентиляционных зазоров?

Размеры вентиляционных продухов нормируются в Своде правил 17.13330.2011 «Кровли». Высота вентилируемых каналов и размеры входных и выходных вентотверстий каналов зависят от уклона и площади кровли.

При уклоне кровли до 25° минимальная высота сечения вентзазора (вентканала) составляет 6 см. При уклоне от 25° до 45° и более – 4 см.

Сечение вентиляционного зазора на карнизном свесе для кровель с уклоном до 25° должно быть не менее 1/200 от площади ската.  Для кровель с уклоном до 45° сечение зазора может быть уменьшено до 1/300 площади ската, а  при уклонах более 45° - до 1/400 площади ската кровли. Во всех случаях площадь сечения вентзазоров в карнизном свесе не должна быть менее 200см² /м.  Размер выходных отверстий вентзазоров на коньке может быть меньше в 2 раза, чем площадь сечения входных отверстий.

При длине скатов кровли более 10 м площадь сечения вентзазоров увеличивают на 10%.

Используя для подшивки свесов кровли перфорированные софиты с небольшими отверстиями, убедитесь, что суммарное их сечение соответствует минимально допустимому. Например, стандартная панель виниловых софитов длиной 3 метра и шириной 0,3 м со сплошной перфорацией имеет площадь перфорации всего 15 см² на 3 погонных метра или всего 5 см² на погонный метр. Эта величина в 40 раз меньше минимально допустимой.   В виниловом софите с центральной перфорацией площадь сечения вентиляционных зазоров в 120 раз меньше минимально допустимой.  Не случайно в Финляндии никогда не увидишь виниловые софиты на светах кровли.  Вентиляционные зазоры чаще всего оформляются подшивкой деревянных реек с зазором и защитой от насекомых, птиц и мусора оцинкованной или полимерной сеткой.

В каких случаях необходимо устанавливать снегозадержатели?

Снегозадержатели устанавливаются на кровлях с уклоном более 3° для предупреждения неконтролируемого схода снега и льда и повреждения нижележащих конструкций и элементов здания,  собственности, нанесения вреда людям, животным и растениям. Снегозадержатели также устанавливают над мансардными окнами для предупреждения заваливания их снегом.  Металлические кровли с гладкой поверхностью более подвержены спонтанному сходу снега, чем кровли с шершавыми поверхностями.

При правильно организованной теплоизоляции чердака или  мансарды, при адекватной вентиляции подкровельного пространства лежащий на кровле снег не будет выполнять функции дополнительного утепления дома зимой. Однако в домах старой конструкции без достаточного утепления и вентиляции подкровельного пространства,  задержание снега зимой на кровле поможет уменьшить теплопотери здания через крышу.

Снегозадержатели в виде отдельных элементов-крюков могут быть распределены по поверхности кровли (до половины всей площади ската)  и закреплены к фальцам кровли без нарушения их целостности, обрешетке, прогонам или к несущим конструкциям покрытия.  При установке применении трубчатых снегозадержателей их устанавливают на карнизном участке над несущей стеной (0,6-1,0 м от карнизного свеса), а под ними предусматривают сплошную обрешетку.  По Альпийским нормам при установке  нескольких рядов снегозадержателей, второй ряд располагают в 40 см над первым. Третий ряд также располагают в 40 см.  Верхние 3 метра ската кровли не нуждаются в снегозадержателях.  Как правило, требуется два ряда снегозадержателей на каждом скате. На пологих кровлях ряды снегозадержателей устанавливаются в шахматном порядке  с перекрытием на 60 см в рядах. На кровлях с большим уклоном снегозадержатели устанавливаются в два сплошных ряда друг над другом.

Как очищать крышу от снега?

Во-первых, не нужно убирать весь снег: оставьте на кровле слой снега толщиной 5 см, чтобы  предупредить повреждение кровли уборочным инструментом.

Во-вторых… подумайте о собственной безопасности: вероятность упасть с крыши во много раз превышает риск получить повреждение от падающего с кровли снега или сосулек.

В России принято убирать снег с кровель частных домов, забираясь на крыши и сбрасывая снег с помощью лопаты. Такой способ удаления снега с крыши (особенно при работе без страховки) может привести к инвалидизации или смертельному и сходу.  На Западе лопатой убирают снег только с плоских кровель, кровель  с незначительным уклоном и балконов, падение с которых маловероятно.  С крыш со значительным уклоном снег убирают с земли, используя два специальных инструмента на очень длинных наращиваемых по длине или телескопических ручках. Такой способ позволяет работающему человеку находиться в безопасности. Уборка снега с крыш с земли с помощью специального инструмента позволяет работать и женщинам, и пожилым людям. В этом случае придется лишь следить за падающим с крыши снегом.

Для уборки снега с кровли вам понадобится два инструмента на очень длинных ручках (длина зависит от длины склона кровли):  Скребок для удаления рыхлого снега толщины и рамка для подрезания лежалого снега или пластов снега большой толщины.  Устройство инструментов приведено на схемах ниже.

Скребок представляют собой стальную пластину шириной 50-60 см и высотой 10-15 см, закрепленную перпендикулярно к оси ручки. На нижней части лезвия скребка устанавливают два ролика для предупреждения повреждения кровельного покрытия.   Лезвие скребка заносят на слой снега, опускают в него и стягивают снег вниз.

Скребок на удлиненной рукоятке для сбрасывания снега с крыши 

Рамка для подрезания лежалого снега представляет собой П-образный лист стали, скрепленный сверху стержнем–стяжкой. Снизу к листу закрепляются ролики дял предупреждения повреждения кровли и гладкий лист пластика, по которому вырезанные фрагменты снега легко соскальзывают вниз.

Рамка для подрезания слежавшегося снега 

Для удаления сосулек самый безопасный для сохранности кровли и водосточной системы способ – это использование горячего пара.

Если вы убираете снег лопатой, то кроме использования альпинистской страховки следует помнить, что спина при работе все время должна оставаться прямой. Наклоны, подъемы и броски снега осуществляются за счет работы мышц ног и рук, а не спины.  В противном случае у нетренированного человека возникают высокие риски сдавления или  ущемления нервных корешков, выходящих из спинного мозга.

Краткие выводы.

1. При строительстве дома в снежном районе следует предусмотреть вероятные снежные нагрузки,  спроектировать и рассчитать конструкцию кровли с запасом прочности, используя современные нормативные документы.
2. В уже построенном доме, эксплуатируемом в снежных районах, при необходимости можно укрепить существующую стропильную систему путем установки дополнительных подпорок или прогонных брусов, затяжек и ригелей, усиления существующих гвоздевых и иных соединений деталей стропильной системы.
3. В построенном доме стоит проверить достаточность теплоизоляции контура утепления чердака или мансарды, адекватность вентиляции холодного чердака и размеры отверстий подкровельных воздушных зазоров.
4. Предупредить образование наледей и сосулек можно с помощью установки противообледенительной кабельной системы подогрева.
5. Установка снегозадержателей поможет предупредить получение травм от сходящего с крыши снега и повреждение строительных конструкций и собственности.
6. Уборкой снега с кровли частного дома гораздо безопаснее и удобнее заниматься снизу с земли, используя специальные инструменты, которые несложно изготовить своими руками или на заказ.