Расчёт ветровой нагрузки на краевую зону кровли: методика EN 1991-1-4 и СП 20.13330

1. Физические основы ветрового воздействия на плоскую кровлю

При обтекании здания ветровым потоком над поверхностью кровли формируется зона отрицательного аэродинамического давления (отсос). Максимальные значения отсоса наблюдаются в краевых и угловых зонах, где происходит срыв потока и образование вихревых структур. Величина пикового отрицательного давления зависит от:

• высоты здания H и соотношения сторон в плане;
• уклона кровли и наличия парапета;
• шероховатости подстилающей поверхности (тип местности);
• базового значения скорости ветра для региона строительства.

Обе методики — EN 1991-1-4 и СП 20.13330.2016 — учитывают перечисленные факторы, однако используют различные подходы к нормированию пиковых значений и геометрии краевых зон.

2. Зонирование кровли по EN 1991-1-4

Еврокод 1 (часть 1-4, раздел 7.2) устанавливает следующее зонирование плоской кровли прямоугольного здания:

Зона	Расположение	Характер обтекания
F	Угловые участки кровли	Максимальный отсос, трёхмерный отрыв потока
G	Краевые участки вдоль длинной стороны	Высокий отсос, квазидвумерный отрыв
H	Рядовая (центральная) зона	Умеренный отсос, присоединённый поток
I	Краевые участки вдоль короткой стороны (при наличии парапета)	Промежуточный отсос

Геометрические размеры зон определяются параметром e = min(b; 2h), где b — размер стороны здания, перпендикулярной направлению ветра, h — высота здания. Ширина краевых зон F и G составляет e/10 (но не менее 1 м) для зоны F и e/10 для зоны G вдоль края. Зона F имеет размеры e/4 × e/4 в углах, зона G — полосы шириной e/10 вдоль краёв за вычетом угловых участков.

Аэродинамические коэффициенты внешнего давления c_pe,10 для плоской кровли с парапетом по EN 1991-1-4 (таблица 7.2):

Зона	cpe,10 (острые кромки)	cpe,10 (с парапетом hp/h ≥ 0,05)
F	-1,8	-1,4
G	-1,2	-0,9
H	-0,7	-0,7
I	-0,2	-0,2

Пиковое ветровое давление (отсос) на поверхность кровли вычисляется по формуле EN 1991-1-4:

w_e = q_p(z_e) × c_pe

где q_p(z_e) — пиковое скоростное давление на высоте z_e, определяемое через базовую скорость ветра v_b, коэффициент экспозиции c_e(z) и турбулентности.

3. Зонирование кровли по СП 20.13330.2016

Российский норматив СП 20.13330.2016 (раздел 11, приложение В) устанавливает три зоны для плоских покрытий:

Зона	Расположение	Ширина зоны
Рядовая (Р)	Центральная часть кровли	Вся площадь за вычетом краевых зон
Краевая (К)	Полоса вдоль периметра кровли	Ширина равна высоте здания H, но не менее 1,5 м и не более 6 м
Угловая (У)	Угловые участки на пересечении краевых полос	Квадрат со стороной, равной ширине краевой зоны

Аэродинамические коэффициенты c_p для плоских покрытий (уклон ≤ 5°) согласно приложению В.1.2 СП 20.13330.2016:

Зона	cp (без парапета)	cp (с парапетом)
Рядовая (Р)	-0,8	-0,7
Краевая (К)	-1,2	-1,0
Угловая (У)	-1,5	-1,2

Нормативное значение ветровой нагрузки на покрытие по СП 20.13330.2016:

w_p = w₀ × k(z_e) × c_p

где w₀ — нормативное значение ветрового давления (табл. 11.1), k(z_e) — коэффициент высоты (табл. 11.2), c_p — аэродинамический коэффициент. Расчётное значение получается умножением на коэффициент надёжности γ_f = 1,4.

4. Сравнительная таблица аэродинамических коэффициентов

Сопоставление аэродинамических коэффициентов для плоской кровли без парапета (наиболее неблагоприятный случай):

Зона по EN 1991-1-4	cpe,10 (EN)	Зона по СП 20.13330	cp (СП)	Δ, %
F (угловая)	-1,8	Угловая (У)	-1,5	+20%
G (краевая)	-1,2	Краевая (К)	-1,2	0%
H (рядовая)	-0,7	Рядовая (Р)	-0,8	-12,5%
I (краевая короткая сторона)	-0,2	—	—	—

Анализ показывает, что для угловой зоны Еврокод даёт на 20% более высокий коэффициент отсоса, что приводит к пропорциональному увеличению расчётного количества крепежа. Для рядовой зоны, напротив, российский норматив оказывается на 12,5% консервативнее. Краевая зона по обеим методикам совпадает.

5. Сравнение геометрии краевых зон

Принципиальное различие методик — в определении ширины краевой зоны:

• EN 1991-1-4: ширина зоны F/G = e/10 = min(b; 2h)/10. Для здания 60×30 м высотой 20 м: e = min(60; 40) = 40 м, ширина зоны = 4 м.
• СП 20.13330.2016: ширина краевой зоны = H = 20 м, но не более 6 м. Для того же здания ширина = 6 м (ограничение сверху).

Таким образом, для высоких зданий (H > 6 м) российский норматив ограничивает краевую зону 6 метрами, тогда как Еврокод может давать большую ширину для протяжённых в плане зданий. Для низких зданий (H < 6 м) ширина по СП равна высоте здания, что может быть как больше, так и меньше значения e/10 по EN.

6. Пример расчёта для одного здания

Исходные данные: производственное здание 60×30 м в плане, высота 15 м, плоская кровля без парапета, г. Санкт-Петербург (III ветровой район, w₀ = 0,38 кПа; базовая скорость ветра v_b,0 ≈ 24 м/с). Тип местности — B (городская застройка).

Расчёт по СП 20.13330.2016:

Для высоты 15 м, тип местности B: k(z_e) = 0,65 (табл. 11.2).

Нормативная ветровая нагрузка по зонам:

• Рядовая: w_p = 0,38 × 0,65 × 0,8 = 0,198 кПа
• Краевая: w_p = 0,38 × 0,65 × 1,2 = 0,296 кПа
• Угловая: w_p = 0,38 × 0,65 × 1,5 = 0,371 кПа

Расчётные значения (γ_f = 1,4):

• Рядовая: w_p,расч = 0,277 кПа
• Краевая: w_p,расч = 0,415 кПа
• Угловая: w_p,расч = 0,519 кПа

Ширина краевой зоны: H = 15 м → ограничение 6 м. Площадь угловой зоны: 6×6 = 36 м² (4 угла × 36 = 144 м²). Площадь краевой зоны (без углов): 2×(60+30)×6 - 144 = 1080 - 144 = 936 м².

Расчёт по EN 1991-1-4:

e = min(60; 2×15) = 30 м. Ширина зоны F/G = e/10 = 3 м.

Пиковое скоростное давление q_p(z) для местности категории III (аналог типа B), высоты 15 м, v_b = 24 м/с:

c_e(15) ≈ 1,8 (по графику EN 1991-1-4 для категории III).

q_b = 0,5 × ρ × v_b² = 0,5 × 1,25 × 24² = 360 Па = 0,36 кПа.

q_p(15) = c_e(15) × q_b = 1,8 × 0,36 = 0,648 кПа.

Ветровое давление по зонам (c_pe,10):

• Зона F (угловая): w_e = 0,648 × 1,8 = 1,166 кПа
• Зона G (краевая): w_e = 0,648 × 1,2 = 0,778 кПа
• Зона H (рядовая): w_e = 0,648 × 0,7 = 0,454 кПа

Следует отметить, что прямое сравнение абсолютных значений w_e (EN) и w_p,расч (СП) некорректно, поскольку в EN используется пиковое давление с учётом турбулентности, а в СП — нормативное значение с последующим умножением на γ_f. Для сопоставления методик корректнее сравнивать итоговое количество крепежа.

Сравнение количества дюбелей (N_d = 0,4 кН на вырыв):

Зона	n по СП, шт/м²	n по EN, шт/м²	Δ, %
Рядовая / H	0,69 → 1,5 (мин.)	1,14 → 1,5 (мин.)	0%
Краевая / G	1,04 → 3,0 (мин.)	1,95 → 3,0 (мин.)	0%
Угловая / F	1,30 → 4,5 (мин.)	2,92 → 4,5 (мин.)	0%

Примечание: минимальные значения n приняты по рекомендациям производителей ПВХ-мембран и СТО НОСТРОЙ 2.13.81-2012. В данном примере обе методики дают значения ниже минимальных, поэтому итоговое количество крепежа определяется конструктивными требованиями.

7. Сравнительный анализ методик

Критерий	EN 1991-1-4	СП 20.13330.2016
Количество зон	4 (F, G, H, I)	3 (Р, К, У)
Детализация угловой зоны	Отдельная зона F с максимальным cpe	Угловая зона как пересечение краевых полос
Ширина краевой зоны	e/10, зависит от соотношения сторон	H, но ≤ 6 м
Учёт турбулентности	Через пиковое давление qp	Через коэффициент k(ze) и γf
Учёт направления ветра	4 ортогональных направления	Наиболее неблагоприятное направление
Коэффициент надёжности	Частные коэффициенты γ (в национальном приложении)	γf = 1,4
Учёт парапета	Снижение cpe при hp/h ≥ 0,05	Снижение cp при наличии парапета

8. Рекомендации по применению

На основании проведённого анализа можно сформулировать следующие рекомендации для проектировщиков:

1. Приоритет СП 20.13330.2016. Для объектов на территории РФ расчёт ветровой нагрузки должен выполняться в первую очередь по российским нормам, поскольку они являются обязательными согласно Постановлению Правительства РФ № 1521 от 26.12.2014.
2. Сравнительный расчёт по EN 1991-1-4. Для уникальных и особо опасных объектов (повышенный уровень ответственности) рекомендуется выполнять сравнительный расчёт по Еврокоду и принимать наиболее консервативный результат.
3. Учёт направления ветра. Методика EN 1991-1-4 с анализом четырёх направлений ветра позволяет оптимизировать расстановку крепежа для зданий сложной формы в плане, что может быть использовано как дополнение к расчёту по СП.
4. Зонирование для высоких зданий. При высоте здания более 20 м и наличии парапета рекомендуется проверять ширину краевой зоны по EN 1991-1-4, так как ограничение 6 м по СП может оказаться недостаточным для протяжённых фасадов.
5. Испытания по ГОСТ Р 56704-2015. Независимо от выбранной методики расчёта, окончательное количество крепежа должно подтверждаться результатами испытаний на вырыв в конкретном основании согласно ГОСТ Р 56704-2015.