УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НАЛЕДЕЙ И СОСУЛЕК
DEVICE TO REMOVE ICE CRUSTS AND ICICLES

Изобретение относится к наземному строительству, а именно к механическим устройствам для удаления наледей и сосулек на нижних кромках кровли промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Известны конструкции - аналоги, механические устройства для удаления сосулек и наледей со свесов кровли зданий по SU №775268, включающие введенный закрепленный прямо под нижней кромкой кровли трос или проволоку. Причем трос-проволока закреплен по концам крыши - на углах здания на одном конце двуплечих (двухконсольных) рычагов. Другой конец двуплечих рычагов соединен дополнительным тросом-проволокой с дверями, образуя своеобразный механизм перемещений.
Работа конструкций аналога заключается в следующем. Во время интенсивного дневного снеготаяния, как правило, в весенний период, с нижних кромок кровли начинается стекание растаявшего снега. При точном размещении элементов устройства, трос располагается в вертикальной плоскости, точно совпадающей с осью стекающих потоков (образующих наледи-сосульки). Располагаясь на пути стекающих днем капель, образующих сосульки и наледь, трос-проволока при ночном похолодании врастает в них. Поэтому возникающее при открывании дверей срабатывание механизма перемещения вызывает горизонтальное перемещение введенного подкромочного троса-проволоки, вросшего в сосульки и наледь, разрушает их. В летнее время устройство не используют, тросы отсоединяют.
Недостатком устройства аналога являются частые повреждения (загибы, разрывы) нижней кромки крыши, возникающие от срывов наледей и сосулек тросом-проволокой. Срабатывание механизма перемещения, вызывающего движение троса, создает значительные усилия, необходимые для разрушения образований льда. Повышенные значения этих усилий обуславливаются тем, что они прикладываются вдоль всей кромки кровли и встречают сопротивление сразу от всей продольной длины наледи. То есть при изгибном механизме разрушения наледи высотой участка сопротивления своеобразной ледяной консольной балки горизонтальной нагрузке, в самом неблагоприятном случае - при сплошной наледи, является вся длина одной стороны кровли-крыши здания. (По-видимому, только во избежание полного разрушения самого устройства, дверей и нижней кромки крыши горизонтальные тросы по SU №775268 не были дооснащены поперечными планками или просто завязанными узлами, увеличивающими контактную поверхность и прочность врастания-схватывания троса со льдом.)
Другой известной конструкцией-аналогом, является изобретение по SU №1188288. Устройство состоит из шарнирно подвешенных под нижней кромкой кровли, по ее краю, листовых элементов на всю длину здания. Сами шарнирные подвесы сверху соединены с тросами, уложенными прямо поверх кровли (тросы, по-видимому, перекинуты через гребень кровли на другую сторону для подвешивания листовых элементов с другой стороны здания). К подвешенным листовым элементам приварен поперечный кронштейн, соединенный с механизмом перемещения - с тросом, пропущенным через блок и опущенным (по стене) вниз. Суть работы описанной конструкции состоит в том, что в зимний период, когда на нижней кромке кровли образуются наледи и сосульки, нарастающие на расположенных в плоскости отекания шарнирно подвешенных листовых элементах, тросом, пропущенным по стене вниз (через скобовые крепления), механизм приводят в движение, сосульки подвергаются изгибающему воздействию и разрушаются.
Конструкция по изобретению SU №1188288 реализует более рациональное (по вектору приложения сил), чем конструкция по SU №775268, поперечное (не продольное) приложение усилий. Однако недостатком устройства по SU №1188288, так же как и ранее рассмотренного устройства по SU №775268, являются пониженные долговечность и надежность кровли, т.к. протянутые прямо по крыше, положенные на нее тросы при срабатывании механизма двигаются и истирают герметизирующие покровные слои кровли и истираются сами.
Известно устройство для удаления льда с карнизов крыш зданий и сооружений по патенту RU №2169245. Конструкция включает механизм перемещения в виде подпружиненных штоков (патент RU №2169245, Фиг.1 и 2), соединенных одним концом с источником механических колебаний, а другим концом жестко прикрепленных к линейно-протяженному вытянутому вдоль одной стороны кровли волноводу (в виде уголка или трубы, патент RU №2169245, Фиг.1, 2), разделенному на секции, см. патент RU №2169245 Фиг.3. К каждой секции волновода присоединены два подпружиненных штока (патент RU №2169245, Фиг.3). Все штоки расположены параллельно друг другу в одной горизонтальной плоскости - напротив нижней кромки кровли. Вторые концы подпружиненных штоков соединены с источниками механических колебаний, которые закреплены на наружной поверхности стены здания или проведены через каналы в стенах во внутренние помещения здания, где размещены и подключены источники механических колебаний с электрическим побуждением.
Работа конструкции заключается в следующем. При достижении критической величины обледенения нижней кромки кровли включается электрическое побуждение источников механических колебаний. Колебательные импульсы подаются на механизм перемещения - подпружиненные штоки, которые начинают совершать поступательные колебательные перемещения. Колебательные перемещения подпружиненные штоки передают длинному дискретно секционированному волноводу, расположенному вблизи нижней кромки кровли. Волновод (в форме трубы или уголка), вросший-вмерзший в возникшую наледь с сосульками за промежуток времени с отключенным электрическим побуждением, получая колебательные перемещения, разрушает хрупкую сплошность окружающей его наледи, которая в виде мелких фрагментов незначительных размеров падает вниз. Карниз (по терминологии патента) крыши освобождается ото льда.
Недостатком конструкции является снижение долговечности эксплуатации покровного слоя крыши и нижней кромки кровли, обусловленное вредным воздействием импульсов механических колебаний, передаваемых волноводом, через наледь на покровный слой и нижнюю кромку кровли. Из-за малой амплитуды перемещений волновода требуется включение электрического побуждения механических колебаний на продолжительное время. Увеличивается расход электроэнергии. Включение электрического побуждения колебаний на длительное время вызывает опасность замыкания электропроводки и пожара.
Известно устройство по патенту US №3091055, которое включает водосточный желоб, установленный с возможностью опрокидывающего поворота, с используемым для этого поворота многозвенным параллелограммным механизмом. В представленном многозвенном параллелограммном механизме два звена расположены вдоль стены, два - поперек стены здания. Одно из продольных звеньев параллелограммного механизма, расположенное ближе к стене здания и вдоль нее, двумя опорными узлами закреплено на стене, а к другому - более удаленному от стены параллельному продольному звену, в нижнем шарнирном узле присоединен поворотный водосточный желоб.
При возникновении наледей и сосулек, для их разрушения параллелограммный механизм приводится в действие, при этом более удаленное от стены продольное звено перемещают вниз и желоб поворачиваясь, сбрасывает настывшие ледяные массы.
Рассматривая параллелограммный механизм, можно отметить, что он содержит излишние, по сути, «паразитные» элементы - звенья, необходимости в которых нет. По сути, в этом механизме происходит удвоение-дублирование необходимой пары звеньев еще двумя звеньями. Устройство по патенту US №3091055 с увеличенным (сдублированным) количеством звеньев является более металлоемким и трудоемким в изготовлении, но главное: в данном случае содержит большее количество вращающихся шарниров, осей, отверстий, а потому (при прочих равных условиях) является менее жестким и прочным, более подверженным износу (увеличенное число трущихся соединений). Т.е. менее долговечным и надежным, чем минимизированные конструкции без дублирующих звеньев. Следует повторить, что использовать такой сложный механизм из четырех параллелограммных звеньев для простого опрокидывающего поворота водосточного желоба нерационально и затратно.
К тому же, минимальная неподкрепленная длина нижней кромки кровли, при реализации устройства по патенту US №3091055, увеличивается на длину поперечных звеньев параллелограммного механизма, а это не только дополнительное увеличение металлоемкости устройства, но и одновременно увеличение «плеч» нагрузочных моментов сил, которое, увеличивая нагрузочные воздействия, также снижает долговечность и надежность устройства.
К наиболее близким техническим решениям, по совокупности совпадающих технических признаков, относятся технические решения по американским патентам US №1141204 и US №538108. Устройство по патенту US №1141204 включает утолщенную нижнюю кромку кровли, выступающую за стену здания, водосточный желоб, образованный металлической полутрубой и установленный с возможностью опрокидывающего поворота в вертикальной плоскости. Причем водосточный желоб, - металлическая полутруба - установлен на шарнире, размещенном на краю утолщенной нижней кромки кровли. Этот кромочный шарнир содержит сплошную цельную по всей длине кровли ось, торец которой соединен с рычагом, снабженным грузовым противовесом (подвешенным набором грузов).
Для срабатывания устройства при образовании наледей и сосулек поворачивают рычаг с набором грузов, соответственно поворачивается водосточный желоб, наледи и сосульки разрушаются.
К недостаткам устройства следует отнести неудобства обслуживания - необходимость подъема и опускания рычага с грузовым противовесом (маятникового раскачивания рычага) с возникающей при этом возможностью травмирования оператора, производящего указанное движение. Но главный недостаток - пониженные долговечность и надежность устройства. Следует пояснить, что нижняя (хоть и утолщенная) кромка кровли (с креплением поворотного шарнира) в самом неблагоприятном (по нагрузке) режиме - при врастании нижней кромки кровли и желоба в общую глыбу льда - испытывает суммированные нагрузки: от всего веса желоба, образовавшихся на желобе наледей и сосулек, от веса грузового противовеса, и от усилия рычага (раскачиваемого человеком), а потому из-за недостаточных прочности и жесткости не обеспечивает долговечности и надежности нижней кромки кровли и общей конструкции устройства. К тому же, на основной «несущий» кромочный шарнир попадает стекающая влага (в периоды выпадения осадков), т.к. этот шарнир расположен на нижней кромке и недостаточно вынесен за зону осадков, а потому подвергается коррозионному износу.
За прототип принято устройство по патенту US №538108, включающее подкрепленную нижнюю кромку кровли, выступающую за стену здания, водосточный желоб, образованный металлической полутрубой с реберным каркасом и установленный на шарнире с возможностью опрокидывающего поворота в вертикальной плоскости. В соответствии с показанными видами Фиг.1 и 2 патента US №538108, шарнир размещен на ребре каркаса желоба на противоположной от стены здания стороне желоба, причем одно из ребер каркаса желоба продлено также наружу - в виде рычага. К концу этого продленного рычага присоединен трос или тяговый элемент с рукоятью. В отличие от решения по патенту US №1141204, где при срабатывании устройства наружный (от здания) край водосточного желоба поворачивается (от кромки кровли и стены здания) вниз на 90°, в решении по патенту US №538108 поворот водосточного желоба производится относительно неподвижного наружного края желоба на более чем 180°.
Здесь, в первый момент времени перемещения, внутренний край водосточного желоба поднимается - «идет вверх», не только разрушая - откалывая ледяной массив от кровли, но и поднимая вверх всю массу желоба, льда, наросшего на кровле, и еще «сидящих», не сброшенных с водосточного желоба наледей и сосулек. Таким образом, в устройстве по патенту US №538108 реализована своеобразная механика обратно-подъемного поворота желоба (сходная с механикой камнемететельных катапульт), с суммированием совпадающих векторов весовых и откалывающих нагрузок.
При массе наледей и сосулек, часто достигающих на желобе нескольких десятков (а то и более) килограмм-сил, представленная патентом US №538108 конструкция с поворотным шарниром, закрепленным на гнутой пластине, вынесенной за нижнюю кромку кровли (наружу здания), при обратно-подъемной механике поворота желоба, не обладает необходимыми долговечностью и надежностью. Следует пояснить, что главной причиной низких долговечности и надежности устройства по патенту US №538108 является одновременное действие - сочетание - нескольких факторов. Первый фактор - это несовершенство имеющейся конструкции крепления шарнира поворота желоба (вынесен от стены здания за выступающую кромку кровли и закреплен на тонкой гнутой пластине). Второй фактор - это вызываемое своеобразной механикой, необходимое для результативного разрушения наледей и сосулек повышенное суммированное действие прилагаемых к устройству тяговых усилий необходимых для откалывания-раскалывания ледяного массива, для преодоления сил тяжести от самого желоба, а также всего ледяного массива на желобе и нижней кромке кровли (в первый момент времени).
К недостаткам также следует отнести размещение поворотного шарнира снаружи кровли и подверженность его действию атмосферных осадков и коррозии.
Учитывая, что развиваемое человеком тяговое усилие составляет всего несколько десятков килограмм, результативное приведение в действие механизма по патенту US №538108, из-за необходимости дополнительного преодоления суммируемых сил тяжести от массы желоба и застывшего на желобе и нижней кромке кровли льда, может превышать естественный предел человеческих возможностей.
Целью заявляемого изобретения является увеличение долговечности и надежности покровного слоя крыши, нижней кромки кровли с водосточным желобом, установленным с возможностью опрокидывающего поворота с механизмом перемещения тросами или звеньями.
Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции устройства для удаления наледей и сосулек с кровли, включающей утолщенную и подкрепленную нижнюю кромку кровли, выступающую за стену, водосточный желоб, установленный под нижней кромкой кровли с возможностью опрокидывающего поворота в вертикальной плоскости, образованный металлической полутрубой с поперечными ребрами или реберным каркасом с вставленной полутрубой и соединенный с механизмом перемещения тросом или звеньями, где водосточный желоб шарнирно соединен с по меньшей мере одним кронштейном, закрепленным на стене, причем нижняя кромка кровли над водосточным желобом выполнена с минимальной неподкрепленной длиной, нижняя кромка кровли подкреплена опиранием на кронштейны шарнирного крепления металлической полутрубы с поперечными ребрами или реберного каркаса с вставленной пластиковой полутрубой на стене и выполнена с ними как одно целое. Механизм перемещения - опрокидывающего поворота водосточного желоба в вертикальной плоскости с тросом соединен с поперечным ребром металлической полутрубы или реберного каркаса, установленным на кронштейне, прикрепленном к стене, где кронштейн снабжен осью, через которую перекинут трос и на которой закреплен один конец по меньшей мере одной возвратной пружины, второй конец которой прикреплен к поперечному ребру в месте присоединения троса. Механизм перемещения - опрокидывающего поворота водосточного желоба в вертикальной плоскости выполнен в виде двухзвенного рычага, один конец которого соединен с поперечным ребром металлической полутрубы или реберного каркаса, установленным на кронштейне, прикрепленном к стене, а другой скреплен с ручной рукоятью, причем в нерабочем состоянии рычаг размещен на подставке, установленной на стене. Ручная рукоять троса или рычага механизма перемещения - опрокидывающего поворота водосточного желоба расположена снаружи здания вблизи открываемых створок окон. Реберный каркас водосточного желоба со стороны стены усилен гнутым металлическим листом или снабжен частью металлической трубы, а со стороны, удаленной от стены, наоборот, выполнен открытым, без горизонтальных связей, причем опрокидывающий поворот производится от стены. В качестве полутрубы, вставляемой в реберный каркас, использована половина распиленной надвое пластиковой трубы канализации или полутруба, собранная из полукорпусов пластиковых бутылок.
Предложенное техническое решение поясняется Фиг.1, 2, 3 и 4.
На Фиг.1 представлено поперечное сечение верхней части стены здания с нижней утолщенной кромкой кровли и водосточным желобом, образованным металлической полутрубой с поперечными ребрами, шарнирно соединенными с кронштейнами, закрепленными на стене. Водосточный желоб установлен с возможностью опрокидывающего поворота механизмом перемещения вокруг оси шарниров. Механизм перемещения - тросо-пружинный. Ручная рукоять троса или рычага механизма перемещения - опрокидывающего поворота водосточного желоба расположена снаружи здания вблизи открываемых створок окон. Lmin - минимальная неподкрепленная длина (свес) нижней кромки кровли. Δ - толщина нижней кромки кровли.
На Фиг.2 приведено поперечное сечение верхней части стены здания с нижней кромкой кровли, которая подкреплена опиранием на введенные кронштейны, выполненные с нижней кромкой кровли как одно целое. Водосточный желоб выполнен из металлической полутрубы с поперечными ребрами. Механизм перемещения - опрокидывающего поворота водосточного желоба - двухзвенный, рычажный. Lmin - минимальная неподкрепленная длина (свес) нижней кромки кровли. Δ - толщина нижней кромки кровли.
На Фиг.3 приведен фрагмент поперечного сечения водосточного желоба. Реберный каркас водосточного желоба со стороны здания усилен вварными элементами - четвертями металлической трубы. Внутрь каркаса вставлена пластиковая полутруба.
На Фиг.4 приведен фрагмент вида сверху на водосточный желоб из реберного каркаса с пластиковой полутрубой по Фиг.3. Нижняя кромка кровли и стена здания на Фиг.3 и 4 условно не показаны.
Предложенная конструкция устройства для удаления наледей и сосулек на нижних кромках кровли зданий - Фиг.1 - включает нижнюю кромку кровли 1, выполненную утолщенной - с толщиной Δ и с минимальной неподкрепленной длиной (свесом) Lmin. По варианту Фиг.1, 2 под нижним краем кромки кровли 1 установлен водосточный желоб из металлической полутрубы 2 с приваренными поперечными ребрами 3. По вариантам Фиг.3 и 4 вместо самонесущей приварной металлической полутрубы 2 выполнен реберный каркас 4, который образован поперечными ребрами 3, скрепленными продольными стержневыми ребрами-связями 5. В реберный каркас 4 - по варианту Фиг.3 и 4 - вставлена образующая желоб пластиковая полутруба 6. При использовании пластиковой полутрубы 6 продольные ребра - связи 5 реберного каркаса 3 со стороны стены здания - усилены гнутым металлическим листом или частью - четвертью - металлической трубы 7, Фиг.3 и 4. Поперечные ребра 3 реберного каркаса 4 или металлической полутрубы 2 боковыми выступами соединены шарнирами 8 с закрепленными на стене 9 кронштейнами 10. По Фиг.1 нижние выступы поперечных ребер 3 металлической полутрубы 2 также соединены с осями 11 кронштейнов 10 через возвратные пружины 12. Механизм перемещения - опрокидывающего поворота водосточного желоба по варианту Фиг.1 включает трос 13, соединенный одним концом с ручной рукоятью 14, а другим - с нижним выступом поперечного ребра 3 металлической полутрубы 2. Причем трос 13 перекинут сверху через ось 11 кронштейна 10. Ручная рукоять 14 троса 13 расположена снаружи здания вблизи открываемых створок окон 15. Вместо троса может быть использована любая гибкая нить - цепь, веревка. По варианту Фиг.2 механизм перемещения выполнен в виде двухзвенного рычага - двух шарнирных звеньев 16 и 17, на конце нижнего из которых - звена 17 - размещена ручная рукоять 14. В нерабочем состоянии двухзвенный рычаг размещен на подставке 18, установленной на стене 9. Исполнение Фиг.2 также отличается от исполнения Фиг.1 тем, что утолщение нижней кромки кровли 1 достигнуто суммированием толщины покровного слоя и отдельной части нижней кромки кровли, выполненной как одно целое с кронштейнами 10, закрепленными на стене 9. В качестве пластиковой полутрубы 6 может быть использована половина распиленной надвое трубы канализации или сборная конструкция из полукорпусов пластиковых бутылок.
Работа предложенного устройства для удаления наледей и сосулек с нижних кромок кровли 1 заключается в следующем. На нижней кромке кровли 1 при частых переходах температуры через ноль со снеготаянием  также образуются сосульки и наледи. Расположенный под нижней кромкой кровли подвижный элемент - водосточный желоб, врастает в возникающую наледь и сосульки. Периодически, в любой момент времени, после образования наледей и сосулек, человеком, находящимся внутри здания, открываются створки окон 15 и по варианту Фиг.1 производится резкое ручное перемещение - опускание ручной рукояти 14 троса 13 вниз. По варианту Фиг.2 ручная рукоять 14 двухзвенного рычага предварительно снимается с подставки 18, установленной на стене 9. Звенья 16 и 17 рычага выводятся из нерабочего состояния. После этого также производится резкое перемещение ручной рукояти 14 вниз и на себя. По варианту Фиг.1 трос 13 начинает скользить сверху по оси 11 и перемещать, приближая к стене 9, нижний выступ поперечного звена 3, а по варианту Фиг.2 перемещение нижнего выступа поперечного звена 3 в направлении приближения к стене 9 осуществляется непосредственно перемещением - тягой звеньев 16 и 17. В результате водосточный желоб в виде металлической полутрубы 2 - Фиг.1, 2 или реберного каркаса 4 с пластиковой полутрубой 6 - Фиг.3 и 4 - совершает опрокидывающий поворот в вертикальной плоскости вокруг оси шарнира 8. Имевшиеся сосульки и наледи разрушаются от резкого приложения и роста прикладываемых и инерционных сил и возникающих в конце опрокидывающего поворота усилий соударений металлической полутрубы 2 или реберного каркаса 4 о кронштейны 10. Обломки - фрагменты разрушенных ледяных массивов падают вниз. После одного или нескольких повторных резких перемещений - опрокидывающих поворотов водосточного желоба тросовым механизмом по Фиг.1 водосточный желоб полностью очищается ото льда и возвратные пружины 12 возвращают металлическую полутрубу 2 водосточного желоба в исходное положение. По варианту Фиг.2. после одного или нескольких резких перемещений механизма водосточный желоб полностью очищается ото льда и звенья 16 и 17 двухзвенного рычага вручную возвращаются на подставку 18 - в нерабочее состояние.
Размещение подставки 18 на стене 9 и длина звеньев 15 и 16 приняты с учетом условия возвращения водосточного желоба в исходное состояние. И таким образом, водосточный желоб и механизм перемещения снова приведены в состояние первоначальной готовности устройства к последующим циклам разрушения наледей и сосулек. Описание, приведенное выше, относится к работе водосточного желоба в составе устройства для удаления наледей и сосулек в осеннее-зимнее-весенний период. Функционирование водосточного желоба в летний период - как обычного сборника дождевой влаги - первичного элемента системы адресной утилизации дождевых осадков с кровли, осуществляется в обычном порядке, а потому не приводится. Дорогостоящая пластиковая полутруба 6 может выниматься из реберного каркаса 4 по окончании летнего периода, дешевая - самодельная конструкция, например, собранная из полукорпусов пластиковых бутылок, оставляется на зиму и утилизируется вместе с разрушенными фрагментами наледей.
Заявляемым техническим решением предложена конструкция усиленной нижней кромки кровли. Исполнение по Фиг.2 позволило не просто усилить-упрочнить конструкцию, здесь нижняя кромка кровли вообще выполнена как одно целое с настенными кронштейнами, несущими поворотную ось. Настенные кронштейны шарниров поворота водосточного желоба своими верхними торцами жестко соединены с утолщенной нижней кромкой кровли и идеально подкрепляют ее. И все вместе - и максимально подкрепленная и утолщенная нижняя кромка кровли, и настенные кронштейны шарнирного крепления водосточного желоба - выполнены как единый надстенный монтажный узел.
Введение устройств удаления сосулек актуально и в настоящее время. Широкое распространение систем кондиционирования воздуха, спутникового телевидения с закрепленными снаружи на стенах зданий и сооружений выносными элементами заставляет обеспечивать их сохранность, предотвращать нарастание ледяных массивов на нижних кромках кровли, способных при падении привести конструкции выносных устройств в полную непригодность. Комбинации неблагоприятного изменения осадочно-температурных погодных условий, приводящих к непрерывному длительному наледеобразованию - нарастанию ледяных масс на нижних кромках кровли, невозможно предвидеть и нельзя избежать. Своевременное применение многократно используемых устройств для разрушения сосулек и наледей в моменты их зачаточного состояния, исключающих работы в экстремальных ситуациях (на обледеневшей крыше), не только выгодно - по исключению расходов на повторное приобретение выносных элементов современных систем жизнедеятельности человека, но и обеспечивает его независимость.
Устройство является одним из вариантов проработанных конструкций рычажного механизма разрушения сосулек с односкатной крыши здания.