Obciążenia pokryć i konstrukcji dachowych

Obciążenia nieodłącznie towarzyszą nie tylko dachom czy stropodachom (RYS. 1 i RYS. 2), lecz całym obiektom budowlanym, i to przez cały okres ich użytkowania [1-2].

Obciążeniem dachu będzie wszelkie oddziaływanie fizyczne, które może wywoływać w jego elementach konstrukcyjnych, uzupełniających oraz pokryciowych naprężenia, odkształcenia, przemieszczenia, zarysowania lub spękania. Tak więc obciążeniem będzie zarówno pojedyncza, skupiona siła lub zespół sił skupionych lub też rozłożonych, oddziaływujących bezpośrednio, jak również wymuszenie lub ograniczenie odkształceń (oddziaływanie pośrednie). Konstrukcje i pokrycia dachów są podatne również na deformacje konstrukcji kondygnacji niższych wskutek ich zużycia, uszkodzeń lub też oddziaływania na nie obciążeń dla nich wcześniej nieprzewidzianych. Do obciążeń działających na dachy i stropodachy można zaliczyć [1-2]:

• obciążenia stałe, których wartość, kierunek i położenie pozostają niezmienne w czasie użytkowania dachu lub w innym rozpatrywanym okresie np. w czasie montażu lub remontu. Należą do nich: ciężar własny konstrukcji oraz elementów z nią współpracujących, ciężar warstw wykończeniowych i ocieplenia oraz ciężar pokrycia,
• obciążenia zmienne nieruchome i ruchome, których wartość, kierunek i położenie mogą się zmieniać w czasie użytkowania dachu lub w innym rozpatrywanym okresie. Należą do nich: ciężar urządzeń (w tym zbiorników) oraz instalacji podwieszanych do konstrukcji dachu, obciążenie technologiczne temperaturą (niebędące zmiennym obciążeniem środowiskowym), a także obciążenia użytkowe tłumem ludzi w sytuacjach, gdy dach może okresowo lub trwale stać się tarasem,
• obciążenia zmienne środowiskowe, wywierane na konstrukcję przez naturalne środowisko, w którym jest ona eksploatowana: obciążenie wiatrem, śniegiem, temperaturą.

Występują także obciążenia wyjątkowe, których zazwyczaj nie przypisuje się dachom. Mogą one pojawić się niezamierzenie i nagle, w wyniku mało prawdopodobnych zdarzeń w okresie użytkowania dachu, będąc skutkiem wybuchu gazu lub pyłu, pożaru, wyładowania atmosferycznego, awarii urządzeń, osiadania budynku, huraganowego wiatru czy np. oddziaływania innych konstrukcji lub też uderzenia pojazdu w niskie obiekty, a nawet upadku urządzeń (maszyn) latających.

Do obciążeń zmiennych działających długotrwale można zaliczyć obciążenie urządzeniami, instalacjami i obciążenie temperaturą w czasie eksploatacji urządzeń stałych, a także obciążenia zmienne stropów poddaszy i tarasów, siły wywołane nierównomiernym osiadaniem obiektów lub ich deformacją spowodowaną innymi przyczynami, siły wynikające ze skurczu, pełzania lub relaksacji elementów konstrukcji, ciężar ludzi wykonujących prace remontowe lub konserwatorskie.

Z kolei do obciążeń zmiennych działających krótkotrwale można zaliczyć obciążenie śniegiem, wiatrem, temperaturą pochodzenia klimatycznego oraz oblodzeniem.

Zmiana wielkości i rodzaju obciążeń - przykłady

Układ obciążeń oddziaływujących na dachy i ich elementy, a także ich schemat statyczny może wielokrotnie ulec zmianie w czasie użytkowania [1]. Zmiana taka może zostać spowodowana przykładowo przez:

• wymianę pokryć dachowych na cięższe (wymiana blach lub pap na dachówki),
• obciążenie temperaturą głównie dachów o betonowej lub stalowej konstrukcji nośnej wskutek usunięcia wierzchnich termoizolacji lub np. wymiany pokrycia na inny kolor,
• docieplanie dachów i ich wykańczanie od spodu płytami gipsowo-kartonowymi, podwieszanymi na rusztach drewnianych lub stalowych,
• dociążanie stropów poddasza nowymi warstwami podłogowymi, ścianami działowymi oraz zwiększonymi obciążeniami użytkowymi,
• dodatkowe dociążanie stref przysłupowych stropów przenoszących obciążenia skupione od dachów,
• zmniejszanie wysokości wyboczeniowej kominów poprzez uchwycenie ich obudów w miejscu styku z konstrukcjami dachów - częściowe zamocowanie kominów w połaciach dachowych spowoduje dodatkowe obciążanie połaci siłami poziomymi pochodzącymi od wiatru i przekazywanymi przez konstrukcje kominów,
• obciążanie dachów masztami oraz innymi urządzeniami,
• nierównomierne rozłożenie się pokrywy śnieżnej na dachu,
• dopuszczanie do nadmiernego gromadzenia się "worków" śnieżnych, szczególnie na dachach płaskich z przeszkodami, lecz nawet na dachach mocno pochylonych wyposażonych w płotki przeciw­śniegowe,
• spadanie lub zsuwanie się śniegu z połaci wyższych na niższe,
• niepewne mocowanie na dachach elementów odpowiedzialnych za ich bezpieczeństwo użytkowe - płotki powinny być lokowane bezpośrednio nad ścianami,
• zmianę schematu statycznego istniejących konstrukcji dachowych, np. przez wymianę układu krokwiowo-płatwiowego na jętkowy,
• wycinanie krokwi i wprowadzanie wymianów, np. dla wstawienia okien połaciowych lub lukarn w poddaszach adaptowanych na cele mieszkalne, co będzie sprzyjać koszowemu zwiększeniu obciążeń na krokwie w postaci dodatkowych obciążeń workami śnieżnymi w miejscach styku lukarn z połacią dachową,
• naruszenie lub uszkodzenie konstrukcji na kondygnacjach niższych,
• podcinanie krokwi w wiązarach jętkowych w miejscach podparcia dodatkowymi płatwiami pozbawionymi podparć słupowych, a opierającymi się jedynie na ścianach szczytowych (takie sytuacje mają miejsce głównie w budownictwie jednorodzinnym) - w miejscach połączeń krokwi z jętkami największe siły wewnętrzne (momenty podporowe) występują w krokwiach będących z założenia ciągłymi elementami dwuprzęsłowymi.

W okresie zimowym głównym problemem dachów bywa ich obciążanie śniegiem. Wszystkie istniejące oraz nowo projektowane dachy, powinny bezpiecznie przenosić obciążenie ciężarem pokrywy śnieżnej do ustalonej obliczeniowo wartości. Wbrew pozorom, ciężar objętościowy śniegu nie jest wielkością stałą. Zmienia się on w czasie (RYS. 3), w wyniku oddziaływania na niego środowiska zewnętrznego, w tym wilgotności względnej powietrza, temperatury otoczenia, nasłonecznienia powierzchni, a także skuteczności termoizolacyjności dachów.

Zasadniczo nie powinno być potrzeby stałego oczyszczania dachów z pokrywy śnieżnej, ponieważ ich konstrukcje powinny być przewidziane do bezpiecznego przyjmowania takich obciążeń. Wyjątkiem może być sytuacja, kiedy zsuwający się z dachów stromych śnieg może zagrażać najbliższemu otoczeniu. Do książek obiektów budowlanych należałoby załączyć tabele dopuszczalnych obciążeń śniegiem w czasie jego zalegania, wraz z określeniem maksymalnych grubości pokrywy śnieżnej. Wówczas będzie można ograniczać akcje częstego usuwania śniegu do niezbędnego minimum, przy pełnym zachowaniu zasad bezpiecznego użytkowania dachów. Każda ingerencja związana z usuwaniem śniegu może doprowadzić do dodatkowych uszkodzeń pokrycia. Śnieg jest również dobrym "testerem" wskazującym na kondycję techniczną konstrukcji i pokryć dachowych, a także stanu termoizolacji. Każda ingerencja związana z usuwaniem śniegu może doprowadzić do dodatkowych uszkodzeń pokrycia. Śnieg wskazuje również na kondycję techniczną konstrukcji i pokryć dachowych, a także stan termoizolacji.

W czasie kataklizmów, takich jak powodzie, płytko posadowione budynki wskutek podmywania przez napierające na nie wody traciły stateczność, czego skutkiem były również uszkodzenia dachów [1-2]. Ponadto zdarzały się sytuacje, gdy wskutek prowadzenia akcji ratowniczych siła ssąca skrzydeł wirników śmigłowców zbyt nisko przemieszczających się ponad budynkami doprowadzała do odrywania całych pokryć dachowych, w tym nawet pojedynczych ciężkich dachówek.

Bardzo rzadko w projektowaniu uwzględnia się obciążanie konstrukcji dachowych antenami, masztami i kominami, z wyjątkiem sytuacji, kiedy autor projektu już wcześniej dysponuje wiedzą na temat montażu, zabudowy lub kotwienia dodatkowych elementów opartych lub połączonych z konstrukcją dachu. Późniejsze osadzanie lub montaż takich elementów będzie już prawdopodobnie wymagać wzmacniania konstrukcji nośnej dachów, o ile nie zostanie to pominięte lub zapomniane przez osoby odpowiedzialne za bezpieczeństwo obiektu.

Obciążenia wg Eurokodów PN-EN [1-6]

Dachy należy projektować z uwzględnieniem stanów granicznych nośności oraz użytkowalności i odnosić do sytuacji obliczeniowych:

• trwałych, w których miarodajny czas trwania jest tego samego rzędu co przewidywany okres użytkowania konstrukcji,
• przejściowych, o dużym prawdopodobieństwie wystąpienia, których miarodajny czas trwania jest znacznie krótszy niż przewidywany okres użytkowania konstrukcji,
• wyjątkowych, odnoszących się do wyjątkowych warunków użytkowania konstrukcji lub jej ekspozycji, jak np. pożaru, wybuchu, uderzenia lub lokalnego zniszczenia,
• sejsmicznych, uwzględniających wyjątkowe warunki stawiane konstrukcjom poddanym oddziaływaniom sejsmicznym (lub parasejsmicznym).

Stanami granicznymi określa się stany konstrukcji, po których przekroczeniu konstrukcja nie spełnia stawianych jej kryteriów projektowych. Stanem granicznym nośności jest stan związany z katastrofą lub innymi podobnymi postaciami zniszczenia konstrukcji (zwykle odpowiada to maksymalnej nośności konstrukcji lub jej części).

Stanem granicznym użytkowalności jest stan odpowiadający warunkom, po którego przekroczeniu konstrukcja lub jej element przestają spełniać stawiane im wymagania użytkowe. Sprawdzenie jednego ze stanów granicznych można pominąć tylko w przypadku dysponowania stosowną wiedzą, że spełnienie jednego stanu granicznego spełnia też drugi stan graniczny.

Pod pojęciem zagrożenia należy rozumieć wyjątkowo niezwykłe i istotne zdarzenie, np. nieoczekiwane oddziaływanie lub wpływ środowiska, niedostateczną wytrzymałość materiału lub nośność konstrukcji, a także nadmierne odstępstwo od przyjętych wymiarów. Zagrożeniem może być także nieuzasadniona ingerencja człowieka w ustroje konstrukcyjne obiektów budowlanych, co zdarza się nader często.

Konstrukcje dachowe, jak i pozostałe elementy konstrukcyjne obiektów budowlanych, powinny gwarantować wymagany poziom niezawodności konstrukcji, tj. gwarantować zdolność konstrukcji lub jej elementu do spełniania określonych wymagań, łącznie z uwzględnieniem projektowanego okresu jej użytkowania, na który została przewidziana (wyraża się ją zwykle miarami probabilistycznymi).

Niezawodność konstrukcji jest ściśle powiązana z utrzymywaniem obiektów w czasie ich eksploatacji, przez które należy rozumieć zespół działań podejmowanych w okresie eksploatacji ich konstrukcji w celu spełnienia przez nią wymagań niezawodności. Konstrukcje obiektów budowlanych, w tym dachów, mogą być również naprawiane w okresie użytkowania w celu zachowania lub przywrócenia zakładanych pierwotnie funkcji.

Jak wspomniano powyżej, konstrukcje obiektów budowlanych, w tym ich dachy, poddawane są oddziaływaniom pojedynczym, umiejscowionym lub nieumiejscowionym: stałym, zmiennym, wyjątkowym, sejsmicznym, geotechnicznym.

Oddziaływaniem nazywamy:

• zbiór sił (obciążeń) przyłożonych do konstrukcji (oddziaływanie bezpośrednie),
• zbiór wymuszonych odkształceń lub przyspieszeń, spowodowanych zmianami temperatury, zmiennością wilgotności, różnicami osiadań lub trzęsieniem ziemi (oddziaływanie pośrednie).

Efektem tych oddziaływań na poszczególne elementy konstrukcji są momenty i odkształcenia, natomiast na całą konstrukcję - m.in. ugięcia lub obroty.

Oddziaływanie może mieć charakter:

• pojedynczy - statycznie niezależne w czasie i przestrzeni od jakiegokolwiek innego oddziaływania na konstrukcje,
• nieumiejscowiony - mogące mieć różne rozkłady przestrzenne w stosunku do konstrukcji,
• umiejscowiony - o ustalonym rozkładzie i pozycji w stosunku do konstrukcji lub jej części tak, że wielkość i kierunek oddziaływania są jednoznacznie określone w stosunku do całej konstrukcji lub jej części, jeśli ta wielkość i kierunek zostały określone dla jednego punktu konstrukcji lub jej części,
• statyczny - niewywołujący znaczącego przyspieszenia konstrukcji lub jej elementów,
• dynamiczny - wywołujący znaczące przyspieszenie konstrukcji lub jej elementów,
• quasi-statyczny - oddziaływanie dynamiczne wyrażone w modelu obliczeniowym przez równoważne oddziaływanie statyczne.

Sumaryczne, niekorzystne oddziaływanie na każdą konstrukcję powinno być opisywane przez kombinację obciążeń, będącą zbiorem wartości obliczeniowych przyjętym do sprawdzania niezawodności konstrukcji, kiedy w rozpatrywanym stanie granicznym występują jednocześnie różne oddziaływania:

• Oddziaływanie stałe (G) jest to oddziaływanie, które uważa się za działające przez cały zadany okres odniesienia, a zmienność jego wielkości w czasie jest pomijana lub którego zmienność następuje zawsze w tym samym kierunku (monotonicznie) do czasu osiągnięcia pewnej wielkości granicznej.
• Oddziaływanie zmienne (Q) jest to oddziaływanie, którego zmienność wielkości w czasie nie jest pomijalna ani monotoniczna.
• Oddziaływanie wyjątkowe (A) jest to oddziaływanie z reguły działające krótkotrwale, ale o znacznej wielkości, którego wystąpienie w przewidywanym okresie użytkowania konstrukcji uważa się za mało prawdopodobne. Uderzenie, śnieg, wiatr i oddziaływania sejsmiczne mogą być uważane za oddziaływania zmienne lub wyjątkowe, zależnie od posiadanych informacji na temat ich rozkładów statycznych.
• Oddziaływanie sejsmiczne (A_E) jest to oddziaływanie wywołane ruchami gruntu w czasie trzęsienia ziemi.
• Oddziaływanie geotechniczne jest to oddziaływanie przekazywane przez grunt, wypełnienie gruntem lub wodę gruntową.

Projektowany okres użytkowania dachów powinien być tożsamy z okresem użytkowania obiektów, w których są one zabudowane. Według Tablicy 2.1 "Orientacyjne projektowe okresy użytkowania" [7] orientacyjna żywotność techniczna konstrukcji budynków (kat. 4) i konstrukcji budynków monumentalnych (kat. 5) wynosi odpowiednio 50 i 100 lat. Stopień degradacji można ocenić na podstawie obliczeń, badań doświadczalnych, doświadczenia zebranego z wcześniejszych realizacji i kombinacji tych podejść.

Na dachy obiektów budowlanych mogą oddziaływać następujące obciążenia:

• stałe,
• wiatr,
• śnieg,
• temperatura,
• ciężar pojedynczego człowieka lub grupy ludzi,
• ciężar zamontowanych urządzeń,
• zastoiska lub "baseny" powstałe z wody opadowej lub topniejącego śniegu,
• poziome od oparć kominów,
• uderzeniem urządzeń lub innych konstrukcji,
• skurcz lub deformacja wbudowywanych materiałów,
• wyładowania elektryczne,
• oblodzenie,
• pożar.

W analizie obciążeń przyjmuje się jedno podstawowe (główne) obciążenie zmienne lub wyjątkowe, którego wielkość przyjmuje się w całości, natomiast wartości charakterystyczne innych, towarzyszących obciążeń zmiennych odpowiednio się zmniejsza poprzez zastosowanie współczynników redukcyjnych ψ (TAB. 1):

• ψ₀ przy sprawdzaniu stanów granicznych nośności i nieodwracalnych stanów granicznych użytkowalności,
• ψ₁ przy sprawdzaniu stanów granicznych nośności z uwzględnieniem oddziaływań wyjątkowych i odwracalnych stanów granicznych,
• ψ₂ przy sprawdzaniu stanów granicznych nośności z uwzględnieniem oddziaływań wyjątkowych i nieodwracalnych stanów granicznych użytkowalności (oddziaływania quasi-stałe).

Zalecane wartości współczynników redukcyjnych można znaleźć w Tablicy A 1.1. [7] - fragmenty tablicy zamieszczono w TAB. 1.

Podstawową kombinację obciążeń można przyjąć poprzez zastosowanie wzoru 6.10 [7]

(1)

gdzie:

"+" - oznacza "należy uwzględnić w kombinacji z",
Σ- oznacza łączny efekt,
γ_Q,1 · Q_k,1- jest głównym oddziaływaniem zmiennym,
γ_Q,i· Ψ_0,i· Q_k,i- jest towarzyszącym oddziaływaniem zmiennym.

Alternatywnie, dla stanów granicznych STR i GEO, jako mniej korzystne można przyjąć jedną z dwóch podanych niżej kombinacji (2) i (3):

(2)

(3)

gdzie ξ jest współczynnikiem redukcyjnym dla obciążeń stałych i wynosi 0,85.

Obciążanie dachu

G - ciężar własny
S - śnieg
W - wiatr
Q - użytkowe = 0

Stany graniczne STR:

• Stałe G niekorzystne, wiodące obciążenie wiatrem W, towarzyszące obciążenie śniegiem S:

(4)

• Stałe G niekorzystne, wiodące obciążenie śniegiem S, towarzyszące obciążenie wiatrem W:

(5)

• Stałe G korzystne minimalne, wiodące obciążenie wiatrem W:

(6)

• Stałe G niekorzystne minimalne, wiodące obciążenie śniegiem S:

(7)

W artykule pominięto szczegółowe odnoszenie się do obciążeń innych niż klimatyczne, ponieważ to obciążenia klimatyczne mają decydujący wpływ na wymiarowanie dachów i ich bezpieczeństwo użytkowe.

Obciążenia klimatyczne (śniegiem i wiatrem)

Podstawę do obliczeń konstrukcji obciążonych śniegiem oraz wiatrem stanowią normy [3, 5]. W niniejszym rozdziale zamieszczono tylko wybrane normy oraz ich skrócone fragmenty.

Powierzchnia Polski została podzielona na 5 stref klimatycznych (RYS. 4) dla obciążenia śniegiem oraz 3 strefy dla obciążenia wiatrem (RYS. 5).

Obciążenie śniegiem wg PN-EN Eurokod 1. Część 1-1 [3]

Norma [3] podaje zasady wyznaczania wartości obciążenia śniegiem gruntu w zależności od okresu powrotu. Obciążenie śniegiem, zalegającym na dachach czasowo, w okresach zimowych z opadami, jest dla nich jednym z podstawowych obciążeń. W zależności od rodzaju konstrukcji dachowych, a dokładniej ich masywności, wpływ ciężaru pokrywy śnieżnej na ich bezpieczeństwo zależy od udziału ciężaru śniegu w całkowitym obciążeniu dachu, uwzględniającym jego ciężar własny. To oznacza, że dla żelbetowych dachów masywnych obciążenie to będzie miało o wiele mniejsze znaczenie niż dla dachów lekkich o konstrukcji stalowej lub drewnianej (RYS. 6).

Obciążenie śniegiem jest zmiennym obciążeniem statycznym. W szczególnych przypadkach może się okazać obciążeniem wyjątkowym i dynamicznym, co może się zdarzyć w sytuacjach zawiewania, osuwania się i upadku czapy śniegu poprzez tworzenie zasp (RYS. 7).

Dla dachów nie jest obojętny rozkład pokrywy śnieżnej na ich powierzchniach. Takie sytuacje mogą mieć miejsce zarówno w czasie opadów przy wietrznej pogodzie, jak i przy oczyszczaniu dachów ze śniegu. Polska jest podzielona na 5 stref obciążenia śniegiem (RYS. 4), dla których zgodnie z Załącznikiem krajowym do polskiej normy [3] przyjmuje się dwie sytuacje obliczeniowe:

• przypadek A - brak obciążeń wyjątkowych
• oraz przypadek B2 - możliwość wystąpienia wyjątkowych zamieci.

Nie należy też lekceważyć obciążeń miejscowych powstających w okolicach elementów wystających ponad dachem, tj. kominów, ścian oddzielenia pożarowego, attyk oraz płotków przeciwśnieżnych, a także obciążeń liniowych przy okapach, spowodowanych nawisami śnieżnymi. Bardzo istotną rolę w obciążeniach dachów ma termoizolacyjność tych przegród. Przy zbyt małym oporze cieplnym lub też występujących mostkach termicznych powstaje możliwość tworzenia się zlewisk topniejącej wody, która może oddziaływać hydrostatycznie na warstwy izolacji przeciwwodnej lub też, ponownie zamarzając, tworzyć skupiska lodu.

Wzory do obliczania wielkości obciążenia śniegiem:

• trwała i przejściowa sytuacja obliczeniowa (8)

 (8)

• wyjątkowa sytuacja obliczeniowa (9)–(12)

 (9)

 (10)

 (11)

 (12)

gdzie:

s_k - obciążenie charakterystyczne śniegiem z gruntu,

C_e - współczynnik ekspozycji,

C_t - współczynnik termiczny,

s _Ad- wyjątkowe obciążenie śniegiem,

C_esl - współczynnik wyjątkowego obciążenia śniegiem o zalecanej wartości 2,0,

s - obliczeniowe obciążenie śniegiem,

μ_i- współczynnik kształtu dachu (RYS. 6) (TAB. 2),

γ_ƒ = 1,5 - współczynnik obciążenie.

Obciążenie wiatrem wg PN-EN Eurokod 1. Część 1-4 [5]

Oddziaływanie wiatru zmienia się w czasie i przejawia się bezpośrednio jako ciśnienie wywierane na zewnętrzne powierzchnie budowli zamkniętych, a także, z powodu przepuszczalności przegród zewnętrznych, jako ciśnienie wywierane na powierzchnie wewnętrzne. Wiatr może również bezpośrednio oddziaływać na wewnętrzne powierzchnie budowli otwartych.

Ciśnienie wywierane na powierzchnie konstrukcji lub jej indywidualnych elementów osłonowych wywołuje siły prostopadłe do nich. Dodatkowo, gdy obszary konstrukcji są opływane przez wiatr, powstają działające stycznie do powierzchni siły tarcia, które mogą być znaczące. Normę stosuje się do budynków i budowli o wysokości do 200 m.

• Bazowa prędkość wiatru (13)

(13),

gdzie:

ν_b - bazowa prędkość wiatru określona jako funkcja kierunku wiatru i pory roku na wysokości 10 m nad poziomem gruntu w terenie kategorii II,

ν_b,0 - wartość podstawowa bazowej prędkości wiatru (TAB. 3),

c_dir - współczynnik kierunkowy (TAB. 4),

c_season - współczynnik sezonowy.

Uwaga 1: Jeżeli wpływ wysokości nad poziomem morza na bazową prędkość wiatru ν_b nie jest uwzględniony w wartości podstawowej ν_b,0, to w Załączniku krajowym można podać, jak to uczynić.

Uwaga 2: Wartości współczynnika kierunkowego c_dir, dla różnych kierunków wiatru, mogą znajdować się w Załączniku krajowym. Wartością zalecaną jest 1,0.

Uwaga 3: Wartości współczynnika sezonowego c_season mogą być podane w Załączniku krajowym. Wartością zalecaną jest 1,0.

Uwaga 4: Wartość średnią 10 minutową o rocznym prawdopodobieństwie przekroczenia p wyznacza się mnożąc bazową prędkość wiatru ν_b przez współczynnik prawdopodobieństwa c_prob, wg poniższego wyrażenia (patrz również [5])

(14),

gdzie:

Κ - parametr zależny od współczynnika zmienności rozkładu wartości skrajnych,

n - wykładnik.

Uwaga 5: Wartości Κ i n mogą być podane w Załączniku krajowym. Zaleca się Κ = 0,2 i n = 0,5.

W obliczeniach konstrukcji tymczasowych, a także wszystkich konstrukcji w stadium budowy, można stosować współczynnik sezonowy c_season. W przypadku konstrukcji przestawnych, które mogą być użyte w dowolnej porze roku, należy przyjmować c_season = 1,0. Patrz również EN 1991-1-6 [5].

Średnia prędkość wiatru ν_b,0(z) na wysokości znad poziomu terenu zależy od chropowatości i rzeźby terenu oraz od bazowej prędkości wiatru, ν_b i jest wyznaczana z poniższego wyrażenia (15)

(15),

gdzie:

c_r(z) - współczynnik chropowatości (TAB. 5),

c_o(z) - współczynnik rzeźby terenu (orografii), o przyjmowanej wartości 1,0 (TAB. 5).

Informacja o współczynniku c_o może być podana w Załączniku krajowym. Jeżeli wpływ rzeźby terenu jest uwzględniony w wartości bazowej prędkości wiatru, to zaleca się wartość c_o = 1,0. Mapy lub tablice wartości ν_m(z) mogą być podane w Załączniku krajowym. Należy rozważyć wpływ sąsiednich konstrukcji na prędkość wiatru.

Współczynnik chropowatości c_r(z) uwzględnia zmienność prędkości wiatru w miejscu lokalizacji konstrukcji w zależności od wysokości nad poziomem gruntu i chropowatości terenu od strony rozpatrywanego kierunku wiatru.

Procedura wyznaczania wartości c_r(z) może być podana w Załączniku krajowym. Procedurę zalecaną wyznaczania wartości współczynnika chropowatości na wysokości z przedstawiają poniższe wyrażenia (16) i (17), wynikające z logarytmicznego profilu prędkości wiatru

(16)

(17),

gdzie:

z_o - wysokość chropowatości,

k_r - współczynnik zależny od wysokości chropowatości z_o, obliczany ze wzoru (18):

(18),

gdzie:

z_0,II = 0,05 m - kategoria terenu II (TAB. 6),

z_min - wysokość minimalna, (TAB. 6),

z_max - należy przyjmować 200 m,

z₀, z_min - zależą od kategorii terenu. Wartości zalecane są podane w TAB. 6 dla pięciu reprezentatywnych kategorii terenu.

Wyrażenia (20) i (21) obowiązują, jeżeli teren o jednorodnej chropowatości rozciąga się na dostateczną odległość, liczoną pod wiatr, aby nastąpiła wystarczająca stabilizacja profilu.

Kategoria chropowatości terenu (TAB. 5), która zostanie przyjęta dla danego kierunku wiatru, zależy od chropowatości terenu, na którym jest ona jednorodna, w sektorze kątowym obejmującym rozpatrywany kierunek i od promienia tego sektora, liczonego pod wiatr. Małe obszary (mniejsze niż 10% obszaru rozpatrywanego), o chropowatości innej niż przeważająca na danym obszarze, można pominąć.

Jeżeli współczynnik ciśnienia lub siły jest podany dla nominalnego sektora kątowego, to należy przyjmować najmniejszą wysokość chropowatości spośród wszystkich 30° sektorów kątowych wiatru. Jeżeli natomiast na określonym obszarze istnieje wybór między dwiema lub więcej kategoriami terenu, to wówczas należy wybrać ten o najmniejszej chropowatości.

Jeżeli rzeźba terenu (np. wzgórza, skarpy itp.) zwiększa prędkość wiatru o więcej niż 5%, to efekty uwzględnia się za pomocą współczynnika rzeźby terenu co. Wpływ rzeźby terenu może zostać pominięty, jeżeli średnie nachylenie terenu pod wiatr (terenu nawietrznego) jest mniejsze niż 3°. Jako nawietrzny może być rozpatrywany teren rozciągający się na odległość równą 10 wysokościom pojedynczego wzniesienia.

Obciążenie wiatrem konstrukcji i elementów konstrukcyjnych należy wyznaczać, biorąc pod uwagę zarówno ciśnienie zewnętrzne, jak i wewnętrzne wywierane przez wiatr. Dla dachów w większości przypadków do wyznaczania obciążenia wiatrem wystarczające, a nawet decydujące jest ciśnienie zewnętrzne (o ile obiekt nie jest otwarty).

Ciśnienie wiatru działające na powierzchnie konstrukcji we należy wyznaczać z wyrażenia (19)

(19),

w którym:

q_p(z_e) - wartość szczytowa ciśnienia prędkości,

z_e - wysokość odniesienia dla ciśnienia zewnętrznego, wg Rozdziału 7 normy,

c_pe - współczynnik ciśnienia zewnętrznego, wg Rozdziału 7 normy.

Ciśnienie wiatru działającego na powierzchnie wewnętrzne konstrukcji należy wyznaczać z wyrażenia (20)

(20),

w którym:

q_p(z_i) - wartość szczytowa ciśnienia prędkości,

z_i - wysokość odniesienia dla ciśnienia wewnętrznego, wg Rozdziału 7 normy,

c_pi - współczynnik ciśnienia wewnętrznego, wg Rozdziału 7 normy,

q_p(z) - zdefiniowane jest w punkcie 4.5 normy.

Ciśnienie sumaryczne (netto), działające na ścianę, dach lub inny element, jest różnicą algebraiczną między wartościami ciśnienia po obu stronach przegrody. Parcie skierowane ku powierzchni jest przyjmowane jako dodatnie, a ssanie skierowane od powierzchni jako ujemne (RYS. 8 i RYS. 9).

Siły wywierane przez wiatr na całą konstrukcję lub element konstrukcyjny należy obliczać stosując współczynniki sił (Rozdział 2 normy - Sytuacje obliczeniowe) lub sumując siły z powierzchni obciążonych ciśnieniem (Rozdział 3 normy).

Siła F_w wywierana przez wiatr na konstrukcję lub element konstrukcyjny może być wyznaczana bezpośrednio z wyrażenia (21)

(21),

lub za pomocą dodawania wektorowego sił działających na poszczególne elementy (jak pokazano w 7.2.2.), stosując wyrażenie (22)

(22),

w którym:

c_sc_d - współczynnik konstrukcyjny wg Rozdziału 6 normy,

c_ƒ - współczynnik siły aerodynamicznej (oporu aerodynamicznego), konstrukcji lub elementu konstrukcyjnego wg Rozdziału 7 lub 8 normy,

q_p(z_e) jest wartością szczytową ciśnienia prędkości (wg 4.5 normy) na wysokości odniesienia ze (określonej w Rozdziale 7 lub 8 normy),

A_ref - jest polem powierzchni odniesienia konstrukcji lub elementu konstrukcyjnego wg Rozdziału 7 lub 8 normy.

Siła F_w wywierana przez wiatr na konstrukcję lub element konstrukcyjny może być wyznaczana przez sumowanie wektorowe sił F_w,e, F_w,i F_fr, obliczonych z ciśnienia zewnętrznego i wewnętrznego za pomocą wyrażeń (27) i (28) oraz sił tarcia powstających w przepływie równoległym do powierzchni zewnętrznych obliczanych z wyrażeń (23), (24), (25).

Siły zewnętrzne:

(23)

Siły wewnętrzne:

(24)

Siły tarcia:

(25),

gdzie:

c_sc_d - współczynnik konstrukcyjny wg Rozdziału 6 normy (dla budynków o wysokości mniejszej niż 15 m można przyjmować wartość 1),

w_e - ciśnienie zewnętrzne na ele­ment powierzchni na wysokości z_e, wg równania (23),

w_i - ciśnienie wewnętrzne na element powierzchni na wysokości z_i, wg równania (24),

A_ref - pole powierzchni odniesienia konstrukcji lub elementu konstrukcyjnego wg Rozdziału 7 lub 8 normy [2],

c_ƒr - współczynnik obciążenia stycznego wg 7.5 normy,

A_ƒr- pole zewnętrznej powierzchni równoległej do kierunku wiatru, wg 7.5 normy.

Dla ścian i dachów obciążenie wiatrem jest różnicą między wypadkowymi siłami zewnętrznymi i wewnętrznymi. Siły tarcia Fƒr działają w kierunku składowej prędkości wiatru równoległej do powierzchni zewnętrznych.

Siły tarcia na powierzchnie mogą nie być brane pod uwagę, jeżeli całkowite pole wszystkich powierzchni równoległych (albo znajdujących się pod niewielkim kątem) do kierunku wiatru jest równe lub mniejsze niż czterokrotna suma wszystkich powierzchni zewnętrznych, prostopadłych do kierunku wiatru (nawietrznych i zawietrznych). Sumując obciążenie wiatrem działające na konstrukcję budynku, można uwzględniać brak korelacji między obciążeniem ściany nawietrznej i zawietrznej.

Z uwagi na obszerność normy w dalszej części rozdziału ograniczono się do dachów dwuspadowych.

Współczynniki ciśnienia (Rozdział 7 [5])

Przy Θ = 0°C, w zakresie kątów spadku pomiędzy α = –5° a α = +45°, ciśnienie na połaci nawietrznej zmienia się gwałtownie między wartościami dodatnimi i ujemnymi (Tablica 7.4a [5]). Dlatego też przy ustalaniu obciążeń przypadających na powierzchnię dachów należy rozważyć cztery przypadki, w których największe lub najmniejsze wartości we wszystkich polach F, G i H są w kombinacji z największymi albo najmniejszymi wartościami w polach I i J (RYS. 10) (TAB. 7 i TAB. 8). Niedopuszczalne jest jednoczesne przyjmowanie wartości dodatnich i ujemnych na tej samej połaci.

Wartości c_pe,1 są przeznaczone do obliczeń małych elementów i łączników o powierzchni elementu 1 m² lub mniejszej, takich jak elementy ścian osłonowych i dachów. Wartości c_pe,10 mogą być używane w obliczeniach konstrukcji nośnych budynków jako całości.

Na RYS. 11 i RYS. 12 pokazano przykładowy rozkład obciążenia wiatrem na dwóch połaciach dachu dwuspadowego.

Literatura

1. D. Bajno, "Dachy. Zasady kształtowania i utrzymywania", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
2. D. Bajno, "Utrzymanie i naprawy dachów oraz stropodachów", XXX Jubileuszowe Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2015.
3. PN-EN 1991-1-3, "Eurokod 1, Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3. Oddziaływania ogólne - Obciążenie śniegiem".
4. PN-EN 1991-1-1, "Eurokod 1, Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-1. Ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach".
5. PN-EN 1991-1-4, "Eurokod 1, Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4. Oddziaływania ogólne - Oddziaływania wiatru".
6. PN-EN 1995-1-1:2010 + NA, "Eurokod 5: Projektowanie konstrukcji drewnianych. Część 1-1: Postanowienia ogólne. Reguły ogólne i reguły dotyczące budynków".
7. PN-EN 1990, "Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!