Риски под контролем: система мониторинга снеговой нагрузки

Зима как вызов

Русская зима является для многих эксплуатирующих организаций и строителей настоящим испытанием. Снегопады, метели, потом оттепели, сменяющиеся морозами: снег на поверхности кровли скапливается, уплотняется, образуются снежные мешки.

Как понять, находится ли нагрузка на конструкцию в рамках нормы или уже превышает допустимые значения? В XXI веке, веке автоматизации и высоких технологий, специалисты обслуживающих организаций действуют по старинке: наносят засечки на парапеты или устанавливают измерительные рейки. Когда толщина снежного покрова превышает определенную черту, это сигнал для управляющей компании, что пора чистить снег. Но такие «подручные» инструменты определения нагрузки далеки от точности, к тому же кому-то приходится регулярно подниматься на крышу.

Снег на поверхности крыши скапливается неравномерно. Обычно зоны, в которых есть вероятность образования снеговых мешков, рассчитываются на этапе проекта. Но не всегда «усиление» этой части происходит на этапе строительства – поэтому вопрос нагрузки в ходе эксплуатации важно держать на контроле.

Здесь может возникнуть резонный вопрос: а зачем вообще измерять нагрузку, не проще ли раз в месяц крышу чистить? Во-первых, уборка крыши от снега – это дорого. Во-вторых, это всегда большое испытание для конструкции, ведь по ней будут передвигаться и рабочие. Также появляется риск повреждения в ходе чистки большого количества снега лопатами.

Вопрос остается открытым и для зданий, построенных несколько десятилетий назад, по нормам того времени. Например, в Краснодарском крае в 1990-е годы снеговая нагрузка составляла порядка 50 кг на м². Сегодня она равна 150 кг на м². И таких примеров множество.

Справка

Согласно СНиП 2.01.07‑85, действовавшим в 1990-е годы, нормативная снеговая нагрузка в равнинных районах Краснодарского края была порядка 0,5 кПа, что соответствует примерно 50 кг/м².

Современные нормы (ТСН 20‑302‑2002), разработанные на основе многолетних метеонаблюдений, устанавливают для равнинных районов значения порядка 0,8-1,2 кПа (то есть 80-120 кг/м²). При этом при расчетах по предельному состоянию по прочности применяется коэффициент надежности (обычно 1,4), что приводит к расчетным нагрузкам порядка 110-170 кг/м², часто округляемым до примерно 150 кг/м² для отдельных районов.

подробнее

Это значит, что необходимо внимательно следить и учитывать все риски. В этом помогает современная система мониторинга снеговой нагрузки.

Создание проекта «Умная крыша»

На этапе MVP (минимально жизнеспособный продукт) инженерам ТЕХНОНИКОЛЬ было важно иметь возможность провести быстрые изменения, поэтому производство по сборке было налажено собственными силами в Санкт-Петербурге. Продукт производится в России и на 95% состоит из отечественных элементов. Порядка трех лет ушло на проработку системы мониторинга, включая датчики и софт. Первые образцы были собраны и установлены в 2020 году. С тех пор и устройство, и программное обеспечение менялось несколько раз.

Сложность заключалась и в том, что у специалистов не было теоретической базы по этой теме, а сегмент интернета вещей только развивался. Также непростой задачей стала необходимость обеспечить работоспособность системы и при высоких температурах, и при сильных морозах. Первые тесты системы проводили в климатических камерах: изучалось поведение оборудования под влиянием температур, выявлялись недостатки.

После успешного завершения испытаний оборудования в лабораторных условиях тестовые датчики были установлены на крыше одного из объектов в Санкт-Петербурге, чтобы проверить, как справляется система в реальных условиях.

На этом этапе испытывались тензорезисторы , которые являются основным измерительным элементом. В ходе реальных испытаний было обнаружено еще несколько моментов, требующих улучшений, над которыми впоследствии работали инженеры.

Из чего состоит система мониторинга

Система, разработанная ТЕХНОНИКОЛЬ, состоит из датчиков и интернет-шлюза. Большая часть элементов датчика выполнена из металла толщиной около 3 мм, его вес – около 18 кг. На плоской крыше он устанавливается на специальные резиновые опоры и не требует специальной фиксации. Единственное обслуживание, которое может потребоваться системе, – это замена батарейки для беспроводного датчика. Такая необходимость может возникнуть не раньше чем через пять лет. В остальном система устойчива и к перепадам температур, и к уборке снега. Датчик закрыт толстым слоем металла, а для того чтобы обезопасить провода, достаточно закрыть их металлической гофрой.

Интернет-шлюз представляет собой герметичный пластиковый щиток, в котором находится интернет-роутер, преобразователь питания для датчиков и автоматика, необходимая для работы системы. Такой щиток устанавливается при выходе на крышу или на парапете, к нему подводится питание 220 вольт. Есть несколько модификаций датчиков по типу питания: проводные и беспроводные.

В систему входит несколько датчиков, которые различаются по своей функциональности:

• измеряющие вес снега и переводящие его в нагрузку (килограмм на квадратный метр);
• определяющие толщину снежного покрова.

Есть и комбинированные модели, измеряющие нагрузку и толщину.

Справка

Количество датчиков, их модификация по типу питания рассчитываются индивидуально для каждого объекта в зависимости от площади, геометрии, наличия оборудования и конструктивных элементов. 

На кровле простой формы площадью до 5000 м² без надстроек и потенциальных зон для формирования снеговых мешков рекомендуется установить не менее трех датчиков. При этом место установки определяется с учетом опыта эксплуатации – выбираем точки, в которых зимой больше всего скапливается снега. Если объект новый и в эксплуатации не был, то расчет зон установок датчиков инженеры выполняют с учетом розы ветров в данном регионе. 

подробнее

Что касается принципа работы всей системы в целом, то сейчас проект «Умная крыша» находится на стыке физических устройств и облачных технологий. Изначально предполагалось, что он будет работать при помощи обычного wi-fi. Однако этот вариант не подошел для объектов площадью более нескольких десятков тысяч квадратных метров. Поэтому инженеры предложили решение, при котором каждый проводной датчик стал источником сигнала и усилителем одновременно. Сейчас каждый из них помогает удаленным датчикам передавать информацию к интернет-шлюзу, откуда она поступает на сервер, а затем и в личный кабинет пользователя. Также была создана сеть, которая использует свой протокол передачи данных. Это позволило значительно упростить монтажные работы, уйти от ограничения по количеству устройств на одной крыше и сделать систему универсальной.

Вся собранная информация хранится в личном кабинете пользователя. Для каждого объекта создается интерактивная карта, на которой отмечаются зоны установки датчиков.

Также в личном кабинете можно хранить документацию здания: планы, акты осмотров, проекты ремонтов и другую информацию. Такой функционал возник не случайно. Это позволяет надежно сохранить всю проектную документацию, структурировать ее и хранить неограниченное количество времени. Также это удобно при передаче дел новому сотруднику.

Актуальность проекта

Способы проводить мониторинг снеговой нагрузки ищут специалисты в разных странах мира, где эта проблема актуальна в силу климатических особенностей. Но чаще всего такие системы измеряют только толщину снега. Например, есть решения, которые измеряют прогиб профлиста с помощью зеркал и лазеров или измеряют температуру и на основе этих данных определяют плотность покрова. Сложно представить работу подобных решений в российских реалиях и с точки зрения сложности монтажа, и из-за высокой стоимости. Систем, подобных запатентованной, не существует. Россия стала первопроходцем.

Сегодня система наиболее востребована для объектов, кровли которых выполнены по профлисту или ребристыми плитами. Она позволяет отслеживать нагрузку и сигнализирует, если превышаются допустимые значения. В планах компании адаптировать систему мониторинга для малоэтажных зданий. Такие датчики будут актуальны и на скатных крышах и позволят отследить критический уровень снега на крыше.