Крыши и кровельные работы. Крыши и строительная физика

Если чердачное пространство используется только для хранения ненужных вещей или продуктов, то и в этом случае необходимо принимать во внимание напряжения в сфере архитектурно-строительной физики здания: давление ветра, продувание, воздействие осадков и т. д. Часто чердачные пространс­тва используются для целей постоянного человеческого пребывания, в данном слу­чае на эти физические факторы следует обратить повышенное внимание, более того, возникают дополнительные вопросы, такие, как теплоизолирующие свойства крыши и ее внешнего покрытия, герметичность, водо­стойкость.

Ветроустойчивость и герметичность
Структура кровли скатной крыши должна соответствовать требованиям ветроустой­чивости. Крыша должна противостоять, с одной стороны, ветровому давлению, а с другой - возникающим воздушным подсо­сам, которые оказывают влияние в одинаковом направлении и в зависимости от геометрических пропорций складываются по силе. В зависи­мости от угла наклона различных скатов крыш влияние ветра (в плане давления и проникновения) проявляется различным образом на кровле и на крыше, где возни­кает поверхностное давление, и, наконец, во внутреннем пространс­тве, отграниченном перекрытием. Так, понятно, что с увеличением высоты здания и крутизны ската кровли давление ветра возраста­ет, так же как и степень затяжки воздуха под кровлю. На эти воздействия структура крыши должна быть предварительно рассчитана (рис. 1...6).
В ходе расчета помимо геометри­ческих размеров следует принять во внимание специфику, характерную для местных условий: господству­ющее направление ветра (или, как еще говорят, «розу ветров») и соотношение плоскостей крыши здания, в целом ветровую ситуацию, характерную для данного географического места, возможности формирова­ния устойчивых ветровых потоков, связанные с определенными законами, количественные показатели силового воздействия ветра и т. д., степень защищенности здания от ветра, возможность экранирования и т. п. Наряду с этим нужно с особой тщательностью учесть ветровые нагрузки и несущую способность данных кровельных конструкций крыши, дымовых труб, антенн и т. д.
Поверхность кровли должна непосредс­твенно обладать особой, повышенной вет­роустойчивостью. Находящаяся под кровлей структура-досочная или реечная обрешет­ка - должна быть способной без какой-либо деформации противостоять ветровому воздействию и всасыванию воздуха. Элементы кровли, фиксирование конструкционных материалов и их взаимосвязи должны быть сформированы таким образом, чтобы ветер не мог их ослабить, разорвать, снести или сдвинуть.
Кровлю домов со скатной крышей и структурные связи ее элементов невоз­можно сформировать так, чтобы в полез­ном чердачном пространстве вообще не было движения воздуха, поскольку сило­вое давление ветра и эффект всасывания все равно будут проникать через стыки. От этого явления нельзя избавиться даже при двойном заградительном покрытии.

Рис. 1. Ветровые нагрузки на крыши с различным наклоном ската
А- горизонтальная проекция обследу­емой крыши; В - вертикальная проек­ция «продуваемой крыши». Величина А х В прямо пропорциональна размеру «угрожаемой» поверхности крыши; а) с низким; Ь) со средним; с) с чрезвы­чайно повышенным уровнем воздейс­твия ветровой нагрузки с точки зрения целостности кровельной поверхности и условий внутренней эксплуатации здания.

Рис. 2. Метеорологические нагрузки и напря­жения, оказывающие сильное воздействие на вентилирующую функцию перекрытия крыши и увеличивающие ее.




Рис. 3. Варианты размещения слоев под фор­мой «поперечного сечения здания»
а) сечение (с указанием направления ветра); Ь) монтируемый (используемый многими ПЛОХОЙ вариант; с) монтируемый вариант с протоками для воздуха, с изоляцией против снеговой пороши и пара, с двунаправленной теплоизоляцией; о1) раз­мещенные на железобетонную несущую конструк­цию стропила с теплоизоляцией, позволяющей выдерживать технические напряжения, связанные с воздействием температур (достаточно удовлет­ворительное решение).

Рис. 4. Смонтированный «по сухому» ряд куполо­образных черепиц на гребне своим воздухотехни-ческим действием благоприятно влияет на климат слоев кровли.



Рис. 5. Крыши с различными скатами, несущие различную ветровую нагрузку; в каждом из слу­чаев приходится обеспечивать различную степень ветроустойчивости
Давление и проникновение ветра существенно различаются в случае: а) низкого, Ь) среднего, с) крутого ската крыши.

Рис. 6. В случае оказания ветровых нагрузок на крышу фронтальная стена также испытывает огромные нагрузки
1. перекрытие; 2. каркас крыши; 3. фронтальная стена; 4. возможная трещина; 5. направление действия ветровой нагрузки.

Рис. 7. Ветер и осадки совместно могут причи­нить огромный ущерб даже и внутри хорошо дейс­твующей конструкционной системы; например, в местах стыковых зазоров кровли крыши
1. кровля крыши; 2, перекрывающий нахлест; 3. путь движения осадков; 4. обрешетка; 5. стро­пильная нога; 6. нежелательное промокание.


Наилучшая воздушная изоляция дости­гается правильным формированием под-кровельных подкладочных слоев, а также использованием по возможности наиболь­шего количества теплоизоляционных мате­риалов.

Водоустойчивость и гидроизоляция
В некоторых случаях необходимо считаться с частым воздействием на покрытие крыши моросящих дождей, вызывающих почти постоянное ее увлажнение, наличие неожиданных, несущих обильные осадки, ливне­вых, грозовых дождей, порой с градом и с последующим быстрым замерзанием влаги на кровле, со снеговой нагрузкой, оказыва­ющей значительное воздействие на крышу, с последующим смерзанием, образованием наледи, а затем таянием снега, что влечет за собой дополнительное промокание крыши и вызывает напряжение конструкции в целом. Хорошо спланированная и правильно выстроенная крыша не пропускает осадков (рис. 7...11).
В зависимости от степени защиты разли­чают водонепроницаемые и гидроизолиро­ванные кровли крыш.
В случае если целью является создание водонепроницаемой кровли - для плоских или скатных крыш, обычно применяется один из методов наклеивания кровельного покрытия. Как при рулонном наклеивании, так и при варианте наклеивания отдельных элементов кровли необходимо следить за тем, чтобы их фиксация и прочность накле­ивания могли даже на крутой кровельной поверхности обеспечивать нужное состоя­ние кровли при высокой температуре наруж­ного воздуха. С помощью особого способа соединения металлических листов также может быть создано водонепроницаемое кровельное покрытие, но в этом случае надо считаться с проблемой образования конден­сата на остывшей внутренней поверхности металлических пластин.
При кровельном покрытии домов со скат­ными крышами, как правило, используется гидроизоляционное покрытие. На противоположной плоскости гидроизоляционного пок­рытия появляется такое количество влаги, которое без остатка может быть удалено естественным образом, через испарение, при этом временное появление влажности не оказывает вредного воздействия ни на конструкционную структуру здания, ни на условия проживания в зданиях людей.


Рис. 9. Испытание гидроизоляции. 1. При кровель­ном покрытии черепицей типа «бобровый хвост»
а) общий вид; Ь) сечение; с) направление движе­ния осадков при ветровой нагрузке; 1. черепичный ряд; 2. черепичный слой - нижний; 3. щель; 4. осадки, приносимые ветром; 5. направление следования воды; 6. щель (паз), наполненная водой; 7. возможное образование слоя воды; 8. возможная протечка кровли.


Рис. 10. Испытание гидроизоляции. 2. При кро­вельном покрытии черепицей с одним желобком
а) общий вид; Ь) сечение; с) направление движе­ния осадков при ветровой нагрузке; 1. черепичный ряд; 2. желоб; 3. направление отекания воды; 4. осадки, приносимые ветром; 5. возможная про­течка кровли; м - высота испытуемого желобка.


Рис. 11. Испытание гидроизоляции. 3. При чере­пице с двумя желобками
а) общий вид; о) сечение; с) направление движе­ния осадков при ветровой нагрузке; 1. черепичный ряд; 2. первый черепичный желоб; 3. второй чере­пичный желобок; 4. осадки, приносимые ветром; 5. направление стекания воды на черепичном покрытии в случае бокового ветра.

Крыша, находящаяся под гидроизоляци­онным покрытием, нуждается в обязатель­ном проветривании/вентилировании.
Общие правила проветривания/вентили­рования конструкции крыши:

• Поперечное сечение свободного отверстия, проходящего вдоль карнизного свеса, для приточного ввода воздуха должно состав­лять по меньшей мере 0,2% от подлежа­щей проветриванию площади поверхнос­ти кровли крыши или по меньшей мере 200 см2/м.
• Свободное сечение вентилирующих отвер­стий, идущих вдоль гребня и переднего наклонного гребня, должно составлять 1/4 свободного поперечного сечения при­точных воздушных отверстий.
• Канал между верхним слоем покрытия и подкладочной пленкой в поперечном сече­нии должен быть 200 см2. Холодная крыша представляет собой двухслойную кровельную структуру, в кото­рой теплоизолированную обшивку с внут­ренней стороны и слой с внешней стороны, предохраняющий от осадков, отделяет вен­тилируемый воздушный слой или воздушное пространство.
• Теплая крыша-та, в которой внутреннее и внешнее пространство отделяет составлен­ная из одного или более слоев структура.

Скатные крыши - как с пустым, так и с застроенным чердачным пространством -практически все являются холодными кры­шами. Их кровля является герметичной, причем при строительстве надо следить за следующими моментами: -Угол наклона ската крыши должен быть таким, чтобы вода не могла надолго задерживаться на поверхности кровли, а быстро стекала с нее.

Рис. 12. Пример снеговой нагрузки на здание, которая должна быть принята во внимание.


Рис. 13. Зимой теплоизоляция и вентиляция структуры крыши и закрывающего перекрытия имеют особенно важное значение
а) на плоской крыше; Ь) на скатной крыше; 1. спол­зающая снежная масса; 2. свисающий наружу (не обогреваемый) напуск; 3. накапливающаяся снеж­ная влага; 4. протекание влаги в случае нарушения целостности кровли; 5. при плохой теплоизоляции крыши (в поперечном сечении) снег на крыше быстро тает; 6. замерзание канала.

Рис. 14. Снеговые нагрузки, воздействующие на крышу в случае простых зданий
Образование снежных масс на: а)...Ь) плоской крыше; с)...И) на скатной крыше с одним и двумя скатами.
 
Материал и выполнение кровли, ее эле­менты должны быть такими, чтобы вода беспрепятственно стекала по поверхности и чтобы давление ветра в наименьшей сте­пени вдавливало осадки в зазоры между элементами.
Связь кровли и дополнительных конструк­ций (жестяных изделий, снегозадержате-лей, слуховых, чердачных окон, дымовых труб, подсоединений антенн и т. д.) должна быть прочной.
Накопление стекающей с поверхности крыши воды и ее отвод должны быть бес­препятственными, а путь отвода воды как можно более коротким (рис. 12...13).
На короткое время вернемся к вопросу о влиянии снега и талой воды. В зависимости от геометрического выполнения профиля крыши и от окружающих условий снег в отдельных местах может накапливаться. В этом случае надо считаться с неравно­мерной нагрузкой, оказываемой на конс­трукции крыши, которые должны быть рассчитаны отдельно, но и принимать во внимание факт увлажнения и утяжеле­ния поверхностей крыши, соприкасаю­щихся с накопившейся снежной массой и с последующим ее таянием, равно как и со связанными с ее замерзанием меха­ническими, физическими воздействиями. Наибольшую проблему в этом плане пред­ставляет намокание и протекание крыши. Поэтому рекомендуется сформировать гео­метрию профилей крыши таким образом, чтобы подобные опасные зоны не могли возникать или, если это не разрешимо, то нужно стремиться к тому, чтобы талая вода на поверхности крыши как можно более коротким путем поступала в водоотвод­ные каналы и через них быстро покидала здание. За этим особенно нужно следить тогда, когда в зависимости от размеров здания или вследствие особенностей формы крыши осадочные воды выводятся по путям, расположенным внутри здания.

Теплоизоляция и теплостойкость
Не нуждается в объяснении тот факт, что сама по себе кровля, вступающая в непос­редственный контакт с солнечным излуче­нием, ветром, дождем и снегом, не при­годна для того, чтобы полностью защитить чердачное пространство от перегревания и значительного, способного принести ущерб охлаждения. Это мы однозначно чувс­твуем, если нам приходится переживать разницу между зимними температурами -20...-25 °С и летними температурами +30...+40 °С на пике солнечного излуче­ния. Из-за возникающего перепада тем­ператур вытекают следующие требования (рис. 2-17...2-19):
- Кровельный материал всегда нужно выби­рать таким образом, чтобы крыша была способна перенести значительный перепад температур без повреждений.

Рис. 15. Снеговые нагрузки, воздействующие на крышу в случае простых зданий
Образование снежных масс на: а)...Ь) плоской крыше; с)...п) на скатной крыше с одним и двумя скатами.

Соединение кровельных элементов друг с другом надо осуществить с зазорами, с тем чтобы конструкция могла выдержать сдвиги, вызванные температурными пере­падами.
О защите кровельных материалов, чувс­твительных к поверхностному нагреванию, надо позаботиться, применяя светоотра­жающие материалы. Если кровельный материал темного цвета или может сильно нагреваться по иным причинам, то необходимо позаботиться об эффективном вентилировании чердачного пространства или самой кровли.
Если предполагается активное использо­вание чердачного пространства, то в этом случае необходимо принять меры по защи­те от температурных изменений, т. е. нужно встроить под кровлю теплоизоляционные слои.
Сами по себе теплоизоляционные слои не всегда эффективны - особенно в слу­чае летней жары, поэтому между кровлей и теплоизоляцией необходимо проводить проветривание/вентилирование.
При защите внутреннего пространства дома послойную структуру изоляции и исполнение сопряжений надо выбрать так, чтобы появляющиеся на внутренней стороне кровли осадки и образующийся пар и кон­денсат можно было бы соответствующим образом вывести; при этом желательно, чтобы возникающий во внутреннем про­странстве пар не осаждался на конструкциях; выполнение теплоизоляции должно быть без т. н. температурного моста.




Рис. 16. Смыкающиеся плоскости крыш и сне­говая нагрузка
а)...Ь) многопролетный скат; с)...d) в случае гребенчатых крыш, при незначительном наклоне ската, снеговой покров почти ровный, тогда как в углублениях между гребнями, в разжелобках скапливаются сугробы, и во время таяния снега возможны протечки кровли, поэтому необходимо выполнить кровельное покрытие качественно и вовремя.

При теплоизоляции крыши необходимо принимать во внимание, что даже хорошо выполненная, снабженная теплоизоляцией кровля утрачивает свою эффективность, если не обратить повышенного внимания на воздухо- и водонепроницаемость, гер­метичность кровельного покрытия.
Если соблюсти основные принципы про­ведения кровельных и изоляционных работ и обеспечить не только защищенность чер­дачного пространства, но добиться соответс­твующего качества, то возможно увеличить срок службы конструкции крыши и кровель­ного покрытия.
К большинству затронутых вопросов мы еще вернемся и рассмотрим их более под­робно. Здесь же коснемся только двух таких вопросов, о которых в ходе строительства крыш домов часто забывают.
При выполнении скатных крыш часто между стропильными фермами размеща­ют теплоизолирующие материалы таким образом, что стропила фактически превра­щаются в температурный мост. Вследствие этих температурных мостов деревянные поверхности под стропильными фермами выцветают. Поскольку дерево в три-четыре раза лучше проводит тепло, чем теплоизо­лирующие материалы, то данная проблема

Рис. 17. Изменение температуры в зависимос­ти от различного цвета кровельного материала (обследование проводилось в июле)
Цвета: 1. черный; 2. серый, коричневый, зеленый, темно-красный; 3. светлый; 4. белый; 5. внешняя температура (С°).

может быть решена таким образом: необхо­димо добавить теплоизолирующий материал и расположить его между стропилами и тем самым уменьшить остывающую поверхность стропил. Вследствие того, что в период лет­ней жары снизится нагревание деревянных стропил, срок их жизни будет более дли­тельным.
Для правильного выполнения скатных крыш большое значение имеет вентили­рование. Надо в гораздо большей степени, нежели это обычно принято на практике, заняться формированием соответствую­щей вентиляционной системы, потому что в ходе устроения пространств крыши появ­ляется большое число проблем и ошибок, причины которых в отсутствии должной вентиляции.
Если возводится скатная крыша с пустым чердачным пространством, то она должна быть выполнена так, чтобы воздух протекал через навес вовнутрь, а прогревшийся воз­дух удалялся через отверстия поблизости от конька. Поэтому, например, на гребень
крыш с традиционным черепичным пок­рытием куполообразные черепицы кладут не на раствор, а «в сухую», таким образом, что через образующиеся между черепицами зазоры воздух может удаляться. А под све­сом козырька на расстоянии через каждый метр надо сформировать защищенные сет­кой вентиляционные отверстия с попереч­ным сечением 200 см2, через которые воздух чердачного пространства будет пополняться. Если для создания приточных вентиляци­онных отверстий существуют какие-либо препятствия, тогда чердачное пространс­тво вентилируется с помощью созданных на самой высокой точке фронтальных или брандмауэрных (противопожарных) стен или на специальной надстройке крыши вентиля­ционных отверстий.
Современные кровельные системы снаб­жаются специальными элементами, обору­дованными вентиляционными отверстиями. Однако было бы ошибкой предположить, что эти вентиляционные элементы нужно рас­положить на поверхности кровли равномер­но. Правильное решение, когда пополнение воздуха осуществляется из-под навеса, или через помещенные над навесом во втором или четвертом ряду вентиляционные чере­пицы, или через другие отверстия, а воздух удаляется через черепицы, расположенные вблизи конька, которые в зависимости от величины поверхности крыши можно рас­положить в один или два ряда.

Звуконепроницаемость и шумоизоляция
В отношении кровель домов не существу­ет специальных предписаний по защите от шума. В случае неиспользуемых чердачных пространств в этом и нет особой необходи­мости. Теплоизолирующая система, встра­иваемая в кровельную конструкцию, в той или иной степени обладает и звукоизоля­ционными свойствами, хотя использование железобетонных слоев в этом плане имеет свои преимущества, оно более выгодно. Встраиваемые в плоскость крыши или же выступающие над ее поверхностью слуховые окна с точки зрения звукоизоляции идентич­ны другим окнам, имеющимся в здании.
Для зданий, расположенных в среде с особо повышенным уровнем внешнего шума, приходится продумывать какого-либо рода отграничивающую от шума поверхность, сами поверхности при этом должны быть просчитаны в соответствии с требованиями СНиП. Необходимо заметить, что в шумной среде не целесообразно использовать кро­вельные материалы, которые чувствительны к звуковым волнам (металлические листы, волнистый шифер, теплоизоляция и т. д.), поскольку в случае звуков с определенной длиной колебаний волн они могут значитель­но усиливать воздействие шума.