Pohyb snehu na šikmých strechách

Problematike snehu na šikmých strechách sa nevenuje dostatočná pozornosť ani napriek tomu, že ide v našich klimatických podmienkach o aktuálnu tému. Pritom sneh na streche spôsobuje viaceré problémy.

V súčasnosti dochádza vo väčšine prípadov ku kolapsu nosného systému striech, a to z dôvodu nadmerného zaťaženia hlavne snehom alebo pre zlý návrh prvkov nosného systému. Ďalším problémom sú ľadové valy a cencúle tvoriace sa pri odkvape strechy. Pri teplotných zmenách cez deň a v noci sa v dôsledku objemových zmien ľadu poškodzuje strešný plášť a odvodňovací systém strechy. Najčastejšie sa vyskytujúcim problémom, ktorý súvisí so snehom na strechách, je padajúci sneh zo strechy. Pohybujúci sa sneh na streche dokáže strhnúť a poškodiť strešné prvky vystupujúce nad rovinu strechy, ako sú napríklad vetráky, strešné okná, dokonca aj snehové zachytávače. Zároveň ohrozuje majetok nachádzajúci sa pod odkvapom a takisto aj ľudské zdravie a životy.

Príklady chybných riešení
Zdrojom problémov súvisiacich so snehom na streche je mnohokrát chybné projektové riešenie. Projektanti nerešpektujú zásady navrhovania striech z hľadiska výskytu snehu na streche a neberú do úvahy všetky faktory ovplyvňujúce správanie snehu na streche. Dokumentujú to aj nasledujúce príklady z praxe.

Kultúrny dom Andreja Hlinku v Ružomberku
Ako prvý príklad nevhodného riešenia možno uviesť zastrešenie hotelovej časti Kultúrneho domu Andreja Hlinku v Ružomberku. Šikmá strecha pozostáva zo štyrikrát lomených plôch a je odvodnená nadrímsovým žľabom. Ako strešná krytina je použitý medený plech spájaný na stojatú drážku. Na zachytávanie snehu projektant navrhol lopatkové snehové zachytávače v jednom rade.

Na posudzovanej streche sa z hľadiska snehovej a ľadovcovej bezpečnosti vyskytuje množstvo nedostatkov, ktoré znižujú jej spoľahlivosť. Tieto chyby sa týkajú skladby strešného plášťa, jeho odvodnenia a riešenia snehových zachytávačov. K uvedeným chybám došlo už v procese projektovej prípravy prestavby a nadstavby budovy, pričom sa nedodržali základné zásady konštrukčnej tvorby so zreteľom na zimné obdobie.

Riešenie geometrie tvaru strechy z hľadiska odvodu zrážkovej vody a správania snehovej vrstvy na jej povrchu je nevyhovujúce. Pohyb snehu po streche nastáva pri jeho topení vplyvom vonkajšej klímy, keď dochádza k vytváraniu klznej plochy medzi povrchom strechy a spodnej vrstvy snehovej pokrývky. Na analyzovanej streche topenie snehu spôsobuje aj teplo prestupujúce cez strešný plášť z interiéru budovy, čo je zapríčinené tým, že strešný plášť nie je odvetraný. K vytváraniu klznej plochy medzi snehovou vrstvou a strešnou krytinou veľmi výrazne prispieva aj stekajúca voda z vyhrievaných žľabov okolo transparentnej strechy átria. V zimnom období nastáva cyklus topenia snehu cez deň a jeho následného mrznutia v noci. Výsledkom tohto javu je tvorba ľadových valov a cencúľov pri odkvape, ktoré existujúce lopatkové snehové zachytávače nie sú schopné zadržať. Keďže sa budova Kultúrneho domu nachádza na mieste s pohybom osôb, je nutné, aby sa sneh a ľad na streche zadržiaval. Bolo preto nutné vytvoriť zábranu proti pádu snehu a ľadu.

Na základe uvedeného stavu strechy, jej krytiny a materiálovej skladby strešného plášťa, ako aj po zohľadnení jej odvodnenia a po zvážení všetkých pôsobiacich faktorov sa navrhla nasledovná úprava:

• osadenie jednorúrkového systému snehových zachytávačov (obr. 1),
• osadenie dvojrúrkového systému snehových zachytávačov (obr. 1).

Obr. 1 Navrhnutý snehový zachytávač

Obr. 2 Navrhované rozmiestnenie snehových zachytávačov na streche

Použili sa snehové zachytávače rúrkového systému s priemerom rúrky 32 mm. Rúrka je pripevnená pomocou dvoch špeciálne upravených prírub k stojatej drážke hladkej plechovej krytiny, ktorá je z medeného plechu. Príruby a rúrky sú takisto z medi. Umiestnenie snehových zachytávačov vidieť na obr. 2. Príruby sú upevnené na každej stojatej drážke (obr. 3).

Katedrála sv. Šebastiána v Bratislave
Ako druhý príklad nevhodného riešenia možno uviesť strešnú konštrukciu Katedrály sv. Šebastiána v Bratislave. Ide o strechu s veľmi zložitou geometriou. Tvoria ju viaceré rovinné plochy s rôznym sklonom (obr. 4). Ako krytina sa použil plech na báze titánzinku spájaný na stojatú drážku. Celá plocha strechy je odvodnená do dvoch chrličov s priemerom približne 500 mm (obr. 5 a 6). Na streche sa nenachádzajú žiadne snehové zachytávače.

Obr. 4 Katedrála sv. Šebastiána v Bratislave

Analyzovaná strecha je z hľadiska problematiky snehu na streche navrhnutá nedostatočne. Hlavným problémom v zimnom období je absencia snehových zachytávačov a odvodnenie riešené len dvoma chrličmi na celú plochu strechy. Topiaci a zosúvajúci sa sneh sa odvádza k chrličom. Pri väčšom množstve snehu na streche dochádza k ich upchatiu. To bráni odvodneniu strechy. Sneh sa hromadí v žľabe, cez atiku sa vytvárajú snehové previsy, ktoré ohrozujú ľudí pohybujúcich sa v blízkosti kostola.

Na základe týchto skutočností je nutné zosúvaniu snehu zo strechy do žľabu a následne do chrliča zabrániť. Na tento účel sa navrhli snehové zachytávače z rúrkového systému s priemerom rúrok 32 mm. Snehové zachytávače sa majú kotviť pomocou dvoch špeciálnych prírub k stojatej drážke hladkej plechovej krytiny. Snehové zachytávače a aj príruby budú z titánzinku, aby korešpondovali s materiálovou bázou strešnej krytiny. Použije sa dvojrúrkový systém, ktorý sa má umiestniť na každej časti roviny strechy pri zmene sklonu. Príruby sa umiestnia na každej stojatej drážke.

Pohyb snehu na streche
Opísať pohyb snehu po streche a mimo nej nie je jednoduché, keď­že sneh počas výskytu na streche prechádza množstvom zmien. Pohyb snehu po streche ovplyvňuje aj materiál použitej strešnej krytiny. V závislosti od typu krytiny vzniká medzi krytinou a snehom rozdielny súčiniteľ trenia.

Na opis pohybu snehu po streche možno použiť analýzu rovnováhy a pohybu snehovej masy na konštrukcii strechy, ktorá vychádza zo základných rovníc mechaniky pohybu snehovej masy na rovine strechy. Do úvahy sa berie trenie medzi snehovou vrstvou a strešnou plochou. Podľa Coulombovho a Morinsovho zákona sa predpokladá trenie úmerné normálovému tlaku snehu na kontaktnú plochu krytiny, ktoré nezávisí ani od veľkosti kontaktnej plochy ani od rýchlosti snehovej masy. [3] Závisí len od typu kontaktných plôch. Pohyb snehovej masy za zónou strešnej plochy opisuje Newtonova pohybová rovnica a Newtonov gravitačný zákon. [1]

Z uvedenej analýzy vychádza model podľa, ktorého možno vypočítať:

• rýchlosť snehovej masy pri odkvape νA,
• vzdialenosť dopadu snehovej masy od odkvapu νP,
• čas, za ktorý masa snehu dopadne na zem tP,
• rýchlosť snehovej masy pri dopade na zem νP.
  Vstupné veličiny sú (obr. 7):
• vzopätie strechy b,
• rozpätie strechy a,
• výška odkvapu H,
• hrúbka snehovej pokrývky h,
• hustota snehovej masy ρs,
• koeficient trenia medzi snehom a povrchom strešnej krytiny k.

Tieto všetky veličiny možno vypočítať pre šikmé strechy, ktorých geometriu určuje rovnica priamky y (x) = (a/b) . x), kde a je polovica rozpätia a b je vzopätie strechy. Uvedené veličiny možno vypočítať aj v prípade strechy charakterizovanej rovnicou krivky.

Pri pohybe snehu po streche je dôležité stanoviť, kedy sa sneh po krytine začne pohybovať. To závisí od koeficientu trenia medzi snehom a povrchom strešnej krytiny:

• snehová masa bude v rovnováhe, to znamená že sa nebude pohybovať po streche, pri akejkoľvek hodnote súčiniteľa trenia k, k ≥ b/y(b),
• snehová masa sa bude pohybovať pri každej hodnote súčiniteľa trenia k, k ≥ (b/y (b)), 0).

Pričom k je súčiniteľ trenia medzi snehom a krytinou a b je vzopätie strechy.

Pohyb snehu po streche ovplyvňujú aj jeho vlastné fyzikálne vlastnosti. Sneh sa vyskytuje v mnohých variáciách, ktoré sa líšia objemovou hmotnosťou, konzistenciou, vodnou hodnotou/obsahom vody a pórovitosťou (tab.).

Tab. Špecifická hmotnosť a pórovitosť [7]

Vzdialenosť dopadu snehu
Uvedená analýza pohybu snehu sa použila na vyhodnotenie výsledkov troch budov s rôznymi výškami. S výškou odkvapu 5, 10 a 15 m. Menil sa sklon strechy (od 5° do 85°). Vo výpočte sa použili tri rozličné súčinitele trenia medzi snehovou pokrývkou a strešnou krytinou. A to súčinitele k1 = 0,09, k2 = 0,36, a k3 = 0,7. Plocha strechy, a tým aj objem snehu na streche boli rovnaké. Sklon strechy sa menil zmenou vzopätia b a rozpätia strechy a. Rátalo sa s hrúbkou snehovej vrstvy h = 0,3 m. Dĺžka strechy L sa rovnala 9,19 m. Vychádzalo sa z predpokladu, že sneh sa bude zo strechy šmýkať vo forme pásu so šírkou l = 2,5 m. Vo výpočte sa brala do úvahy hustota snehu ρs = 200 kg/m³. Vyhodnocovala sa vzdialenosť, do akej sneh pri rôznych sklonoch a rôznych výškach dopadne. Zároveň sa porovnávala rýchlosť snehovej masy pri dopade na zem a čas, za ktorý na ňu dopadne.

Obr. 8 Závislosť vzdialenosti dopadu snehovej masy od sklonu strechy, H = 15 m

Obr. 9 Závislosť vzdialenosti dopadu snehovej masy od sklonu strechy, H = 5 m

Obr. 10 Závislosť vzdialenosti dopadu snehovej masy od sklonu strechy, H = 10 m

Sneh sa začal šmýkať pri súčiniteli trenia k1 = 0,09 (sklon strechy 5°), k2 = 0,36 (sklon strechy 20°) a k3 = 0,7 (sklon strechy 35°). Najmenšia vzdialenosť dopadu snehovej masy bola pri najmenšom súčiniteli trenia, zaujímavé však bolo pozorovať, pri akých sklonoch strechy bola táto vzdialenosť najväčšia. V prípade strechy s výškou odkvapu H = 15 m a súčiniteli trenia k1 = 0,09 bola vzdialenosť dopadu snehu najväčšia pri sklone strechy približne 55°. Podobne to bolo aj pri súčiniteli trenia k2 = 0,36. Pri k3 = 0,7 bola maximálna vzdialenosť dopadu snehu pri sklone strechy približne 60° (obr. 10). Maximálne vzdialenosti dopadu snehu pre rôzne súčinitele trenia sa pohybovali od 7 do 9 m (obr. 12). Na porovnanie: vzdialenosť dopadu snehu zo strechy s výškou odkvapu H = 5 m – pri súčiniteli trenia k1 = 0,09 bola vzdialenosť dopadu snehu najväčšia pri sklone strechy približne 60°. Podobne to bolo aj pri súčiniteli trenia k2 = 0,36. Pri súčiniteli trenia k3 = 0,7 sa maximálna vzdialenosť dopadu snehu dosiahla pri sklone strechy nad 60° (obr. 11).

Možno konštatovať, že vzdialenosť dopadu snehovej masy sa so zvyšujúcou výškou odkvapovej hrany zväčšuje, ale uhol, pri ktorom táto vzdialenosť dosahuje maximum, sa zmenšuje. V určitej výške však dosahuje svoje maximum.

Podobne sa dajú podľa tohto modelu porovnávať aj ostatné parametre – či už čas dopadu, alebo rýchlosť pri dopade.

Záver
Pohyb snehu na streche, ale aj pri páde z nej ovplyvňujú rozličné fyzikálne parametre. Medzi najvýznamnejšie patrí typ snehu a súčiniteľ trenia medzi snehovou pokrývkou a materiálom strešnej krytiny. Významnými parametrami sú aj sklon strechy a výška odkvapovej hrany strechy. Treba mať však na mysli, že sneh je prírodný fenomén, ktorý sa vyskytuje v mnohých variá­ciách, a jeho pohyb v reálnych podmienkach ovplyvňujú aj iné nespomenuté faktory.

TEXT: Ing. Michal Šida
FOTO: Ing. Michal Šida
OBRÁZKY: Ing. Jozef Oláh, PhD.

Ing. Michal Šida pôsobí na Katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Recenzoval prof. Ing. Jozef Oláh PhD., ktorý pôsobí na Katedre konštrukcií pozemných stavieb Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra
1.    Kollár, P.: Equilibrium and movement of snow mass in and beyond the zone of translational roof structures. In Building research journal, 2005, vol. 53, p. 137 – 154.
2.    Kollár, P.: Equilibrium and movement of snow mass in and beyond the zone of rotational roof structures. In Building research journal, 2005, vol. 53, p. 155 – 173.
3.    Popov, V. L.: Contact mechanics and friction. Berlin: Springer, 2010. p. 362, ISBN 978-3-642-10803-7.
4.    Oláh, J.: Odborný posudok návrhu snehových zachytávačov Kultúrneho domu Andreja Hlinku v Ružomberku. Bratislava: Stavebná fakulta, STU, 2005.
5.    Oláh, J. – Šida, M.: Riešenie problému snehu na streche Katedrály sv. Šebastiána v Bratislave. Bratislava: Stavebná fakulta, STU, 2011.
6.    Šida, M.: Pohyb snehu na šikmých strechách.
In Strechy, fasády, izolace., 03/2012, p. 38 – 40.
7.    http://www.kstst.sk.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.