Физика крыши

Крыша, как ограждающая конструкция, подвержена воздействию многих факторов, которые тесно связаны с процессами, происходящими и за пределами здания, и внутри него. К их числу, в частности, относятся:
- атмосферные осадки;
- ветер;
- солнечная радиация;
- перепады температур;
- водяной пар во внутренней атмосфере здания;
- химически агрессивные вещества, находящиеся в воздухе;
- жизнедеятельность микроорганизмов и насекомых;
- механические нагрузки.

Атмосферные осадки
Функцию защиты здания от осадков выполняет самая верхняя часть крыши — кровля. Поверхность кровли делают с уклоном для стока дождевой воды. Кровля не должна пропускать воду в низлежащие слои.

Мягкие кровельные материалы (рулонные и мастичные материалы, полимерные мембраны) образуют на поверхности крыши герметичный ковер и вполне справляются с поставленной задачей. Если применяются другие материалы, даже при незначительных уклонах крыши осадки, особенно при неблагоприятных погодных условиях способны проникнуть под кровельное покрытие.

Особенно часто это происходит в случае неблагоприятных погодных условий (дождь или снег при сильном ветре). Тогда под кровлей укладывают еще один гидроизоляционный слой — второй рубеж защиты от осадков.

Одной из важных задач является устройство системы внутреннего и внешнего водоотвода.
Снег оказывает дополнительную статическую нагрузку на крышу. Так как она может быть довольно велика, она обязательно учитывается при определении общей нагрузки на крышу.

На неё влияет уклон крыши. В заснеженных районах его обычно делают больше, для того, чтобы снег скатывался с крыши.

С другой стороны, на скатных крышах следует ставить снегозадерживающие устройства, чтобы снег не сходил лавинообразно, угрожая здоровью прохожих, зачастую повреждая фасад здания и систему наружного водоотвода.
Еще одной значительной проблемой в заснеженных областях является возникновение наледей и сосулек на крышах.

Часто они мешают воде попасть в водяную воронку, желоб или попросту стечь вниз. При употреблении негерметичных кровельных покрытий, таких, как металлическая кровля или черепица, вода может протекать через кровлю.

Ветер
Потоки ветра при возникновении на их пути препятствия в виде здания, огибают его, отчего вокруг постройки возникают области с положительным и отрицательным давлением.
Отрицательное давление оказывает отрывающее действие на крышу.

Его величина зависит от многих факторов. Самым неблагоприятным является ветер, который дует под углом 450 градусов.
Отрывающей силы ветра может оказаться достаточно, чтобы повредить кровлю. И привести к образованию вздутий, отрыву части покрытий и т.д.

Она особенно возрастает при увеличении давления внутри здания, когда воздух проникает сквозь открытые двери и окна или сквозь щели в конструкции с подветренной стороны. Тогда отрывающая сила ветра зависит от двух факторов: отрицательного давления над крышей и положительного давления внутри здания.

По этой причине, чтобы предотвратить повреждение крыши, делают как можно более герметичным ее основание. Часто для этого применяют дополнительное механическое соединение кровельного материала и основания крыши.
Для снижения отрицательного давления делают парапеты.

Однако нужно учесть, что парапеты не только уменьшают, но в ряде случаев и увеличивают отрицательное давление, особенно если они недостаточно высоки.
Солнечная радиация
Различные кровельные материалы по-разному воспринимают солнечную радиацию.

Например, практически не восприимчива к солнечному излучению керамическая и цементно-песчаная черепица, а также металлическая кровля полимерного покрытия.
Очень чувствительны к радиации материалы, в состав которых входит битум: воздействие ультрафиолетового излучения ускоряет процесс их старения.

Поэтому они обычно покрыты верхним защитным слоем из минеральных посыпок. Также в состав битума могут вводить особые добавки — модификаторы.

Некоторые материалы под влиянием ультрафиолетового излучения с течением времени теряют свой первоначальный цвет, то есть выцветают. Особенно этому подвержены металлические кровли с полимерными покрытиями некоторых видов.

Солнечное излучение отчасти поглощается кровельными материалами. Верхние слои кровли при этом могут сильно нагреваться, вплоть до 100 градусов по Цельсию. От этого материалы на битумной основе размягчаются и иногда сползают по наклонным поверхностям крыши.

Также чувствительны к перегреву некоторые виды металлических кровельных материалов. Поэтому в южных районах при выборе кровельного материала необходимо удостовериться, что он достаточно теплостоек.
Колебания температур

Крыша существует в достаточно жестком режиме, подвергаясь и пространственным, и временным температурным вариациям. Ее нижняя поверхность (потолок) по температуре близка к температуре внутри помещения.

При э том наружная поверхность испытывает довольно значительные температурные колебания — от очень низкой температуры в зимние морозные ночи до почти стоградусной летними солнечными днями. В одно и то же время наружная поверхность крыши может нагреваться по-разному в зависимости от освещенности различных её участков.

Известно, что все материалы более или менее испытывают термическое растяжение и сжатие. Поэтому для предотвращения их деформации и разрушения нужно подбирать для крыши материалы с близкими коэффициентами температурного расширения.

Кроме того, чтобы повысить устойчивость крыши к температурным нагрузкам, используют достаточно разнообразные технические решения. Например, в плоских крышах устанавливают деформационные узлы, чтобы ограничить горизонтальные подвижки и чрезмерные внутренние напряжения.

Весьма опасными для всех кровельных материалов, за исключением металлических покрытий, являются частые, иногда ежедневные температурные колебания от отрицательных величин к положительным. Это характерно для районов с мягкими и влажными зимами.

Поэтому в этих районах необходимо особое внимание обращать на водопоглощение кровельных материалов. Если коэффициент водопоглощения высок, то при плюсовых температурах влага проникает в поры материала и накапливается там, а при минусовых — кристаллизируется, деформируя структуру материала.

Это приводит к прогрессирующему разрушению материала и образованию трещин.
Крыша не только должна переносить значительные температурные вариации, но и хорошо защищать от холода и жары внутренние помещения. Тепловым барьером в крыше является слой теплоизолятора.

Для того, чтобы теплоизолятор хорошо играл свою роль, он должен содержать как можно меньше влаги. Если влажность материала повысится всего на 5% , его теплоизоляционная способность снизится почти вдвое.
Водяной пар

Водяные пары постоянно присутствуют в атмосфере внутренних помещений здания благодаря жизнедеятельности живущих там людей. Их концентрация особенно высока в зданиях, которые были только недавно построены или отремонтированы.

Посредством диффузии и конвективного движения пар поднимается вверх, где охлаждается, приобретая температуру ниже точки росы, и конденсируется под кровлей. Степень концентрации пара напрямую зависит от разницы температур снаружи и внутри здания, поэтому зимой влага под кровлей скапливается наиболее интенсивно.

Избыток влаги вреден как для деревянных, так и для металлических элементов конструкции крыши. Её переизбыток ведет к протеканию влаги во внутренние помещения она и образованию протечек на потолке.

Наиболее неприятные последствия влечет за собой скапливание влаги в теплоизоляторе. Как говорилось выше, это значительно понижает его теплоизоляционные свойства.

Чтобы предотвратить проникновение пара под кровлю, непосредственно под теплоизолятор помещают специальную пленку, обладающую низкой паропроницаемостью. Однако даже она не может полностью перекрыть проникновение пара в подкровельное пространство из внутренних помещений здания.

Для сохранения теплоизолирующих свойств крыши необходимо обеспечивать выход в летнее время всей накопившейся за зиму влаги наружу.
Эта достигается с помощью конструктивных мер.

Так, при устройстве плоских крыш используется частичное, а не сплошное, крепление кровли к основанию.
В скатных крышах оборудуют вентиляционные зазоры. Обычно таких зазоров два — верхний и нижний.

Верхний зазор расположен между кровельным покрытием и слоем гидроизоляции. Он выводит атмосферную влагу, скопившуюся под кровельным покрытием.

Вентиляции обеспечивает постоянное проветривание деревянных конструкций (обрешетки контробрешетки), способствуя их долговечности. Нижний вентиляционный зазор выводит влагу, попадающую из внутреннего помещения в утеплитель.

Качественно обустроенная пароизоляция внутреннего помещения и нижний вентиляционный зазор предотвращают переувлажнение крыши.
Отметим, что если применять для гидроизоляции дышащие мембраны, нижний вентиляционный зазор уже не нужен.

Чтобы обеспечить достаточную циркуляцию воздуха, многие производители кровельных материалов для скатных крыш часто предлагают целый ряд дополнительных вентиляционных элементов. Это аэраторы для свеса и для конька, вентиляционные решетки и специальные вентиляционные черепицы для черепичных кровель.

Наиболее всего защита от водяных паров необходима над помещениями с высокой влажностью: бассейнами, музеями, компьютерными залами, больницами, и т.д. Также необходимо уделить пристальное внимание защите от пара при строительстве зданий в экстремально холодных климатических зонах, даже если влажность внутри помещений в пределах нормы.

Анализируя условия окружающей среды совместно с температурно-влажностным режимом внутри здания, можно предвидеть возможность конденсации и накопления водяного пара, и предотвратить его с помощью различных комбинаций компонентов крыши.
Содержащиеся в воздухе химически агрессивные вещества,
Обычно в больших городах либо рядом с крупными предприятиями в атмосфере в довольно высокой концентрации присутствуют химически агрессивные вещества, такие, как сероводород и углекислый газ.

Поэтому всех элементы конструкции крыш, особенно кровли в таких районах должны быть изготовлены из материалов, устойчивых к таким веществам.
Жизнедеятельность микроорганизмов и насекомых
Значительный вред конструкции крыши, тем более деревянным элементам, могут нанести различные микроорганизмы и насекомые.

Наиболее благоприятно для них являются зоны с повышенной влажностью. Защитить деревянные конструкции от микроорганизмов можно с помощью специальных пропиток.
Механические нагрузки
Конструкция крыши должна быть устойчива к механическим нагрузкам.

Нагрузки могут быть постоянными (статическими) — например, от элементов монтажа и насыпки, и временными — снеговые, от движения людей и т.д. Нагрузки, вызванные подвижками, происходящими между крышей и узловыми элементами здания, тоже относят к временным.

Для того, чтобы крыша эффективно сопротивлялась перечисленным выше воздействиям необходимо:
Как можно более корректно произвести расчет несущей части;
Определить оптимальный вариант конструкции;

Обеспечить наиболее рациональное сочетание конструкционных материалов.
Таким образом, в конструкции крыши присутствуют следующие важные слои:
- кровельный материал; на него, если необходимо, наносят дополнительный слой в виде посыпки, балласта и и.п.;
- гидроизоляционный слой, который дополнительно ограждает от проникновения влаги внутренние слои крыши (необходим для пологих крыш);
- теплоизоляция — поддерживает в помещениях более -менее постоянную температуру воздуха;
- пароизоляция — предотвращает проникновение водяного пара из внутренних помещений в конструкцию крыши;
- основание.

При устройстве крыши должна быть обеспечена свободная циркуляция воздуха (вентиляция).
Необходимость и расположение определенных слоев определяет тип здания и те воздействия, которым оно может быть подвержено.

При выборе кровельных материалов необходимо учитывать их технические характеристик, такие , как коэффициент термального растяжения и сжатия; паропроницаемость и абсорбция влаги; пределы прочности при механических воздействиях; характеристики старения, в том числе. увеличение хрупкости и потеря температурного сопротивления; огнестойкость; эластичность. Важность перечисленных выше технических характеристик зависит от каждого конкретного случая.

Другие светильники этого типа: