Физика крыши

Как конструкция, исполняющая роль верхнего ограждения дома, крыша периодически подвергается разнообразным воздействиям ряда факторов, непосредственно связанных как с процессами, происходящими внутри здания, так и снаружи его. В частности, к числу упомянутых факторов относятся следующие:
• атмосферные осадки;
• ветряные потоки;
• солнечное излучение;
• температурные колебания;
• содержащийся в воздушном пространстве здания водяной пар;
• химические агрессивные среды, содержащиеся в окружающем воздухе;
• жизнедеятельность микроорганизмов и насекомых;
• различные механические нагрузки.

Атмосферные осадки
Функция по предохранению любого здания от воздействия каких-либо атмосферных осадков стандартно возлагается на самую верхнюю часть крыши здания — кровлю. Чтобы дождевая вода полностью стекала под воздействием своей собственной тяжести, ей поверхности, как правило, придают некоторый уклон.

Основная задача кровли — ни в коем случае не пропускать влагу в нижерасположенные слои.
Кровельные материалы с мягкой структурой, образуя на поверхности крыши практически сплошной герметичный настил (мастичные и рулонные материалы, мембраны полимерные), прекрасно с этой задачей справляются.

При применении других материалов, в особенности при не очень благоприятных условиях погоды в виде дождя или снега, сопровождаемых сильными порывами ветра, атмосферные осадки могут немного, но проникать под покрытие кровли, если вдобавок крыша имеет небольшой уклон. В подобных ситуациях под кровельным покрытием необходимо устраивать еще один дополнительный слой в целях добавочной гидроизоляции, являющийся как бы вторым оплотом защиты здания от воздействия атмосферных осадков.

Одной из основных задач по борьбе с негативным воздействием атмосферных осадков является организация водоотводной системы — внутренней или внешней.
Дополнительную нединамическую нагрузку на крышу здания оказывает снег, такую нагрузку еще называют снеговой нагрузкой.

Эта нагрузка в отдельных случаях и в климатических зонах, характеризующихся обильными осадками в виде снега в зимний период года, может быть довольно велика, вот почему ее в обязательном порядке следует учитывать при расчетах суммарной нагрузки при проектировании конструкции крыши. На уровень снеговой нагрузки также значимое влияние оказывает уклон крыши.

По этой причине в районах с частыми снегопадами уклон делают, как правило, несколько больше, чем обычно принято — это делается для того, чтобы снег особо не задерживался и скатывался с крыши. В тоже время необходимо иметь в виду, что на крышах зданий с такими скатными конструкциями, рекомендуется также устанавливать специальные элементы, которые задерживают снег и не позволяют ему сходить лавинообразно, так как такой ход событий может, во-первых, существенно угрожать здоровью людей, проходящих рядом со зданием, во-вторых, деформировать своей в один миг возникающей массой фасад дома и, в-третьих, вывести систему внешнего водоотвода из строя.

Одной из животрепещущих проблем в районах, характеризующихся обильными снежными осадками, является образование сосулек и наледей на крышах зданий. Во многих случаях наледи становятся непреодолимым барьером, не позволяющим талой воде свободно пробиться в водяную воронку, желоб или другой элемент водоотводной системы и стечь вниз.

Использование при покрытии крыш кровельных покрытий, не отличающихся особой герметичностью (примером является металлическая кровля, а также все кровли, выполненные с применением черепиц), дает возможность воде проникать непосредственно в здание через кровлю, образуя тем самым протечки. Более подробно механизм появления наледей и сосулек, а также имеющиеся методы борьбы с этими явлениями будет рассмотрен в другой статье, посвященной кровле.

Ветряные потоки
Ветряные потоки, встречая на своем пути какое-либо препятствие, например, в виде дома, обходят его по сторонам, в результате чего вокруг здания образуются две области отрицательного и положительного давления.
Величина воздействия возникающего при ветряных порывах отрицательного давления, которая может оказать на кровлю крыши отрывающее действие, может зависеть от множества различных факторов.

Наиболее отрицателен в этом плане ветряной поток воздуха, дующий на постройку под углом в 45 градусов. Отрывающее воздействие такого ветра может быть достаточным, чтобы существенно повредить кровлю крыши вследствие образования сильных вздутий на поверхности кровли, отрыва различных частей покрытий и тому подобное.

В особенности сила ветра возрастает, если давление усиливается под основанием крыши внутри здания по причине проникновения через открытые окна и двери воздуха со стороны, откуда дует ветер, либо через зазоры и щели в домовой конструкции. В таких случаях отрывающее воздействие ветровых потоков обуславливается следующими составляющими: отрицательное давление над крышей здания и положительное давление внутри постройки.

Поэтому, в целях практического исключения риска повредить кровлю крыши, основание крыши следует делать максимально герметичным. Во многих случаях изготавливают добавочное механическое соединение кровельного материала с основанием крыши.

Для того чтобы свести к минимуму неприятное воздействие, оказываемое отрицательным давлением, сведущие люди на своих крышах устраивают парапеты. Однако необходимо иметь в виду, что в некоторых случаях парапеты могут не только нивелировать, но и увеличивать влияние отрицательного давления.

При чересчур низком расположение парапетов влияние отрицательного давления может порой оказаться даже сильнее, чем при их полном отсутствии.
Солнечное излучение
Разные кровельные материалы характеризуются различной чувствительностью к солнечному излучению.

Так, к примеру, солнечная радиация практически не влияет на цементно-песчаную и керамическую черепицу, не оказывает существенного воздействия на металлическую кровлю при условии, что на нее не нанесены какие-либо полимерные покрытия.
Особой чувствительностью к солнечному излучению отличаются материалы, изготовленные на битумной основе: от воздействия ультрафиолетовой радиации у таких кровельных материалов значительно ускоряется естественный процесс старения.

Вот поэтому кровельные покрытия на битумной основе, как правило, сверху покрываются дополнительным защитным слоем, содержащим специальную минеральную посыпку. Помимо этого, в целях защиты современных кровельных материалов от процессов старения в сам состав битума включают специальные модифицирующие добавки (так называемые модификаторы).

Под воздействием ультрафиолетовой радиации ряд материалов со временем может терять свой первоначальный внешний вид (процесс выцветания). В особенности чувствительны к подобного рода излучению кровли, изготовленные из металла, с нанесением на них некоторых видов полимерных покрытий.

Лучевая энергия, идущая от солнца, попадая на крышу, поглощается частично материалом кровли крыши. При этом самые верхние слои крыши могут существенно нагреваться (порой до 100 градусов по Цельсию), что также может повлиять на изменение их некоторых потребительских характеристик.

Так, к примеру, материалы на битумной основе при довольно высоких температурах склонны к размягчению, что в ряде ситуаций может даже привести к сползанию этих материалов с наклонных поверхностей кровли. К высоким температурам чувствительны также кровельные материалы, изготовленные из металла, с нанесением на них некоторых видов полимерных покрытий.

Поэтому, при выборе кровельного материала для применения в особо солнечных южных климатических зонах, следует заранее удостовериться, что выбранный материал будет обладать достаточной и длительной теплостойкостью.
Температурные колебания

Как конструкция, исполняющая роль верхнего ограждения дома, крыша эксплуатируется в достаточно жестких температурных условиях, испытывая периодически как временные, так и пространственные температурные колебания. Как правило, нижняя поверхность крыши (собственно, потолок) имеет поверхностную температуру, примерно равную температуре непосредственно в самом здании.

Однако в тоже самое время температура внешней поверхности может существенно меняться в довольно широком диапазоне величин — от достаточно существенных отрицательных (в зимнюю холодную ночь, к примеру) до величин, приближающихся к 100 градусам по Цельсию (в солнечный летний день). В то же время температура внешней поверхности крыши может быть, в свою очередь, сама по себе неоднородна ввиду различной степени освещенности солнцем различных ее участков.

Как известно, все имеющиеся материалы характеризуются той или иной степенью подверженности термическому сжатию и растяжению. Поэтому очень важно во избежание разрушения и различных деформаций, чтобы материалы, эксплуатируемые в одной конструкции, имели максимально близкие друг к другу коэффициенты температурной расширимости.

В целях увеличения сопротивляемости термическим нагрузкам в конструкции крыши может применяться целый ряд различных технических решений. К примеру, крыши с плоской поверхностью могут снабжаться, чтобы как-то ограничить эффект излишней внутренней напряженности и горизонтальных подвижек, специальными деформационными узлами.

Очень опасны применительно практически ко всем имеющимся кровельным материалам (за исключением, пожалуй, металлических кровельных покрытий) частые, а порой и ежедневные резкие перепады температуры от минуса к плюсу и наоборот. Как правило, такие резкие перепады суточных температур характерны в климатических зонах, отличающихся влажной и мягкой зимой.

Вот поэтому в подобных районах следует самое пристальное внимание обращать на такое важное свойство кровельных материалов, каким является способность кровли поглощать воду. При высокой способности кровли поглощать влага при положительной температуре может легко проникать и, как следствие, накапливаться в слоях кровельного материала, что чревато при наступлении отрицательной температуры замерзанием и расширением этой самой влаги, деформируя, таким образом, саму структуру кровельного материала.

В результате мы можем наблюдать прогрессирующее явление разрушения кровельного материала, приводящее в конечном итоге к образованию на поверхности кровли трещин.
Именно поэтому современная крыша должна быть готова не только к устойчивым и существенным температурным колебаниям, но и обеспечивать надежную защиту от этих резких перепадов и внутренние помещения дома, ограждая зимой здание от холода, а летом, соответственно, от жары.

Тепловым барьером в подобных случаях в конструкции крыши призвано служить специальному слою, обладающему теплоизоляционными свойствами. Чтобы такой теплоизоляционный слой выполнял свои функции на должном уровне, он должен быть максимально огражден от влажности.

Так, при повышении влажности такого слоя всего лишь на 5% его теплоизоляционные способности автоматически снижаются практически в два раза.
Водяной пар

Содержащийся в воздушном пространстве здания водяной пар образуется постоянно в результате различных видов жизнедеятельности человека, будь то приготовление пищи, стирка, купание, мытье полов и окон, влажная уборка и т.д. В особенности высокую влажность можно наблюдать в совсем недавно отремонтированных или свежепостроенных зданиях.

Происходящие в воздухе помещений процессы конвективного переноса и диффузии вынуждают водяной пар подниматься вверх, который, в свою очередь, поднимаясь, охлаждается до температуры, соответствующей температуре точки росы, и, как следствие, конденсируется в пространстве под кровлей. Количество образующейся таким образом конденсата тем больше, чем выше разница температур снаружи здания и в его внутренних помещениях, именно поэтому влага в зимнее время очень интенсивно накапливается в пространстве под кровлей.

Конденсат воздействует отрицательным образом как на металлические, так и на деревянные части конструкции крыши. При его переизбытке он начинает медленно стекать во все внутренние помещения здания, образуя на потолке неприятные протечки.

К наиболее негативным последствиям может привести накопление конденсата в теплоизоляционных слоях, что, как уже ранее отмечалось, резко уменьшает их теплоизоляционные характеристики.
Существенной преградой на пути проникновения конденсата в пространство под кровлей здания может послужить специальная пленка, отличающаяся низкой влагопроницаемостью, которую необходимо в конструкции крыши помещать непосредственно под слоем теплоизоляции.

Однако никакой влагоизоляционный материал не будет в состоянии полностью перекрыть поток водяного пара из внутренних комнат здания в пространство под кровлей. Поэтому, чтобы из года в год крыша не теряла своих теплоизолирующих качеств, необходимо чтобы весь конденсат, накапливающийся в теплоизоляционном слое в течение зимы, в летний сезон выходил наружу.

С данной задачей можно справиться, применив различные конструктивные решения. В частности, для крыш с плоской поверхностью рекомендуется не полностью сплошное, а частичное соединение кровельных материалов с основанием.

На крышах со скатной конструкцией кровли делают специальные зазоры в целях вентиляции. Как правило, таких зазоров устраивают два — нижний зазор и верхний.

Верхний зазор (между слоем гидроизоляции и кровельным покрытием) предназначен для удаления излишней атмосферной влаги, попавшей в пространство под кровельным покрытием. Во многом благодаря вентиляционным зазорам деревянные конструкции (обрешетка и контробрешетка) проветриваются постоянно, что существенно продлевает срок их полезной эксплуатации.

Вентиляционный зазор, расположившийся снизу, предназначен для удаления конденсата, проникающего в слой утеплителя со стороны внутренних помещений. Качественное и надежное обустройство влагоизоляции со стороны помещений зданий, а также наличие достаточного вентиляционного зазора снизу, призвано исключить чрезмерное увлажнение конструкционных элементов крыши.

Следует дополнительно отметить, что при использовании в качестве материалов, предназначенных для гидроизоляции крыши, дышащих мембран насущная необходимость устройства нижнего вентиляционного зазора отпадает.
Чтобы обеспечить хорошую циркуляцию воздуха многие производители, производящие кровельные материалы для обустройства скатных крыш дополнительно предлагают в комплексе доборных элементов следующий ряд специальных вентиляционных приспособлений: аэраторы, предназначенные для свеса, аэраторы, предназначенные для конька, решетки вентиляционные, а специально для кровель из черепицы — специальную вентиляционную черепицу.

Наиболее актуально проблема необходимости обустройства надежной защиты от водяного конденсата над помещениями в крышах стоит перед постройками, характеризующимися наличием в их помещениях большой влажности — это, в первую очередь, бассейны, компьютерные залы, больницы, музеи, некоторые производственные здания и т.д. Защите от конденсата следует уделять особо пристальное внимание в процессе строительства в климатических зонах, отличающихся экстремальным и холодным климатом, несмотря даже на наличие нормальной влажности в этих районах внутри помещений.

Тщательно проведенный анализ влажностно-температурного режима внутри зданий, а также характеристик окружающей среды может сделать небезосновательные предположения о возможном присутствии конденсата в здании и его накоплении, вследствие чего, можно сделать попытку предотвратить эти негативные для эксплуатации здания явления, применив различные способы защиты и комбинации конструкционных элементов крыши.
Химические агрессивные среды, содержащиеся в воздухе

В окрестностях крупных предприятий, а также в больших городских поселениях, как правило, можно наблюдать в атмосфере достаточно высокую концентрацию химических агрессивных веществ, к примеру, углекислого газа и сероводорода. Ввиду этого, все элементы конструкции крыш и, в особенности, кровли зданий, расположенных в таких опасных необходимо обезопасить применением специальных материалов, стойких к воздействию любых химически активных сред, присутствующих в окружающем воздухе.

Жизнедеятельность различных микроорганизмов и насекомых
Значительный ущерб конструкционным элементам крыши, в особенности это касается деревянных конструкций, наиболее подверженным таким отрицательным воздействиям, способны нанести всевозможные различные микроорганизмы и насекомые. Дополнительным катализатором дабы обеспечить благоприятную средудля жизнедеятельности этих непрошенных гостей является, безусловно, повышенная влажность.

Поэтому в целях защиты, в особенности, деревянных конструкций необходимо, во-первых, принимать меры по уменьшению влажности, во-вторых, использовать специальные пропитки, которые с успехом защищают конструкционные элементы крыши от биологического воздействия микроорганизмов и насекомых.
Механические нагрузки

Конструкция крыши периодически и постоянно подвергается воздействию различных механических нагрузок, которым она должна сопротивляться. Различают механические нагрузки статические (постоянные) — нагрузка, исходящая от веса различных элементов, а также от насыпки разных материалов; и временные — к примеру, нагрузка от снеговых наносов, от движения по поверхности крыши техники, людей и т.д.

К временным также относятся нагрузки, связанные со всевозможными движениями между узлами здания и конструкцией крыши.
Резюмируя все вышесказанное касательно защиты конструкции крыши от разнообразного воздействия различных факторов, чтобы крыша длительное время надежно и без особых хлопот исполняла все возложенные на нее функции и была устойчива к этим самым отрицательным воздействиям, перечисленным в самом начале статьи, необходимо соблюсти следующие меры: во-первых, достаточно разумно и правильно выполнить необходимый расчет несущих деталей конструкции крыши; во-вторых, в ходе анализа прийти к наиболее оптимальному варианту конструкции применительно к конкретному объекту монтажа; наконец, в-третьих, обеспечить оптимальное и сбалансированное сочетание всех конструкционных элементов и материалов, применяемых при сооружении крыши.

Все вышеизложенное, если быть конкретным, подразумевает присутствие в конструкции крыши, обустроенной подобающим образом, следующих основных слоев и материалов:
• непосредственно сам основной материал кровли, на котором при особой необходимости может присутствовать дополнительный слой посыпки, балласта и тому подобное;
• слой гидроизоляции (особенно актуален для зданий с пологими крышами) — предназначен для дополнительной изоляции внутренних слоев крыши от различного вида проникновений атмосферной воды;
• теплоизоляционный слой — предназначен для обеспечения достаточно стабильной температуры воздуха в помещениях здания;
• пароизоляционный слой — предназначен для препятствования проникновению с внутренних помещений здания в элементы конструкции крыши водяного пара;
• конструкционное основание крыши.
Помимо вышеуказанного в конструкции крыши по необходимости должны быть приняты соответствующие меры, принятые обеспечить свободную циркуляцию воздуха между отдельными элементами крыши (вентиляционная система, одним словом).

Необходимость присутствия тех или иных материалов и слоев, их расположение — во многом зависят, прежде всего, от типа здания и наличия тех негативных воздействий, которым впоследствии ему придется подвергнуться. При выборе следует также принимать в расчет технические и иные характеристики используемых материалов: показатели надежности и упругости при различной деформации; коэффициенты температурного сжатия и растяжения; характеристики абсорбции воды и влагопроницаемости; характеристики естественного старения, в том числе увеличения с течением времени хрупкости и потери термической сопротивляемости; огнеупорности; эластичности. Степень важности и участия всех перечисленных выше технических и иных характеристик определяется для каждого конкретного случая отдельно.

Другие светильники этого типа: