Technika mocowań na dachach płaskich w ujęciu normy wiatrowej – projektowanie

*****
Autor przedstawia zasady projektowania mocowań na dachach płaskich w ujęciu normy PN-EN 1991-1-4:2008. Autor przedstawia obliczenia sił działających na dach.

Fixing technique on flat roofs according to the wind load standard – designing

The article presents the principles of designing fastenings on flat roofs in accordance with the PN-EN 1991-1-4:2008 standard. The author presents calculations of forces acting on the roof.
*****

Dachy w obiektach wielkopowierzchniowych wykonywane są zazwyczaj jako trójwarstwowe. Zbudowane są one z:

• warstwy nośnej wykonanej z blach stalowych, płyt betonowych różnego kształtu lub wylewki betonowej, elementów drewnianych lub drewnopochodnych,
• warstwy termoizolacji, mającej za zadanie izolację termiczną obiektu,
• warstwy hydroizolacji, której zadaniem jest zabezpieczenie przed dostępem wilgoci do pozostałych warstw i wnętrza obiektu. Wykorzystuje się tutaj powłoki bitumiczne, elastyczne membrany wykonane na bazie PE lub PVC lub blachy stalowe.

Czytaj też: Jak dobierać łączniki do montażu na dachach płaskich?

Warstwy te można wykonywać niezależnie na placu budowy lub korzystać z elementów zintegrowanych, tzw. dachowych płyt warstwowych. Niezależnie jednak od użytej technologii, warstwy te muszą zostać przymocowane do elementów konstrukcyjnych obiektu w sposób zapewniający przeniesienie zmiennych sił działających na powierzchnię dachu oraz jeżeli to możliwe ograniczający mostki termiczne od łączników. Sposoby mocowania zostały zaprezentowane w publikacji DAFA M 2.01, wydanej przez Stowarzyszenie DAFA, zatytułowanej „Wytyczne doboru łączników do montażu na dachach płaskich”.

Obliczenia sił działających na dach należy wykonać zgodnie z obowiązującymi normami. W przypadku dachów płaskich szczególną uwagę musimy zwrócić na obciążenie dachu śniegiem i wiatrem. Dla łączników mocujących izolację termiczną na dachu obciążenie śniegiem nie ma bezpośredniego wpływu. Do prawidłowego doboru tych łączników niezbędne jest natomiast dokładne określenie sił ssących wiatru, działających w poszczególnych obszarach dachu. Do tego konieczne są informacje zawarte w normie PN-EN 1991-1-4:2008 [1], załączniku krajowym do tej normy oraz poprawkach AC, Ap1, Ap2 i Ap3.

Norma PN-EN 1991-1-4:2008 dzieli obszar Polski na trzy strefy obciążenia wiatrem (RYS. 1).

Bazowa prędkość wiatru jest to wartość średnia 10-minutowa o rocznym prawdopodobieństwie przekroczenia 0,02, na wysokości 10 m nad płaskim, otwartym terenem rolniczym, z uwzględnieniem wysokości nad poziomem morza, kierunku wiatru oraz pory roku dla budynków tymczasowych:

gdzie:

v_b – bazowa prędkość wiatru jako funkcja kierunku wiatru i pory roku na wysokości 10 m nad poziomem gruntu w terenie kategorii II [m/s],
v_b,0 – wartość podstawowa bazowej prędkości wiatru [m/s] (Tablica NB1 w załączniku krajowym do normy – TABELA 1),
A – wysokość nad poziomem morza [m],
c_dir – współczynnik kierunkowy,
c_season – współczynnik sezonowy.

Dla obiektów stałych norma zaleca przyjęcie współczynników sezonowości c_season i kierunku c_dir równe 1.

Średnia prędkość wiatru na wysokości z nad poziomem terenu zależy od chropowatości i rzeźby terenu oraz od bazowej prędkości wiatru:

gdzie:

v_b – bazowa prędkość wiatru [m/s],
z – wysokość nad poziomem terenu [m],
c_r (z) – współczynnik chropowatości,
c₀ – współczynnik rzeźby terenu (orografii).

Parametry kategorii terenu zamieszczone zostały w tabeli 4.1 normy PN-EN-1991-1-4:2008 [1].

Współczynnik chropowatości c_r (z) zależy od wysokości budowli oraz „otwartości” terenu, na którym owa budowla się znajduje:

gdzie:

z₀ – wysokość chropowatości (TABELA 2),
z_min – wysokość minimalna (TABELA 2),
z_max = 200 m,
k_r – współczynnik terenu:

gdzie:

z_0,II = 0,05 m,
z₀ – wysokość chropowatości (TABELA 2).

Zgodnie z zaleceniami normy [1] oraz polskiego załącznika krajowego należy przyjąć kategorię chropowatości terenu, na którym jest ona jednorodna w obszarze wycinku koła o kącie wierzchołkowym 30°, na obszarze oddalonym od budowli o promień nie mniej niż 30 h, gdzie h – wysokość budowli.

Jeżeli na określonym obszarze istnieje wybór między dwiema lub więcej kategoriami terenu, to należy wybrać teren o najmniejszej chropowatości.

Współczynnik rzeźby terenu c₀ przyjmuje się równy 1, jednak w szczególnych przypadkach informacja o współczynniku rzeźby terenu może być podana w załączniku krajowym do normy lub liczona zgodnie z załącznikiem A.3 normy.

Norma PN-EN-1991-1-4:2008 [1] pozwala uwzględnić również wpływ innych budowli sąsiadujących. Jeżeli konstrukcja ma być usytuowana w pobliżu innego obiektu, którego wysokość jest co najmniej dwa razy taka jak średnia wysokość sąsiednich budowli, to należy to uwzględnić, poprzez zmianę wysokości, na której przyjmujemy wartość szczytową ciśnienia prędkości z_n (z_e = z_n) powyżej poziomu terenu:

gdzie:

r = h_high, jeżeli h_high ≤ 2d_large
r = 2d_large, jeżeli h_high > 2d_large
h_low, r, x, d_small, d_large – pokazane na RYS. 2.

Jeżeli wysokość h_low > 0,5h_high, tj. z_n = h_low, to zwiększenie prędkości wiatru można pominąć. W innych przypadkach konieczne są badania w tunelu aerodynamicznym.

Intensywność turbulencji I_v na wysokości z można wyznaczyć ze wzoru (zgodnie z polskim załącznikiem krajowym normy):

gdzie:

k_l – współczynnik turbulencji, zalecana wartość 1,
c₀ – współczynnik rzeźby terenu (p. 4.3.3 normy),
z₀ – wysokość chropowatości (TABELA 2).

Wartość szczytową ciśnienia prędkości, zgodnie z polskim załącznikiem krajowym, należy wyznaczyć ze wzoru:

stosując współczynnik ekspozycji terenu c_e(z) według wzorów podanych w TABELI 3.

Przy obliczaniu q_p należy wziąć pod uwagę przeliczenia między różnymi kategoriami chropowatości terenu. Jeżeli konstrukcja o wysokości h jest usytuowana bliżej niż 30 h od początku terenu kategorii niższej niż ta, która ją bezpośrednio otacza, to należy przyjmować, że jest zlokalizowana na terenie kategorii niższej.

Wartość bazową ciśnienia prędkości obliczamy ze wzoru:

gdzie:

ρ – gęstość powietrza.

Warto zauważyć, że w stosunku do wcześniejszej normy PN-77/B-02011 wzrósł ciężar objętościowy powietrza z 1,23 kg/m³ do 1,25 kg/m³ zalecany przez normę PN-EN 1991-1-4:2008.

Obciążenie wiatrem konstrukcji i elementów konstrukcyjnych należy wyznaczyć, biorąc pod uwagę ciśnienie zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne wywierane przez wiatr.

W przypadku ścian i dachów wielopowłokowych z zewnętrzną powłoką nieprzepuszczalną i nieprzepuszczalną, sztywniejszą powłoką wewnętrzną, oddziaływanie wiatru na powłoki zewnętrzne można obliczyć przy założeniu c_p,net = c_pe (p.7.2.10 normy PN-EN 1991-1-4:2008).

Dach należy podzielić na strefy oddziaływania wiatru wg RYS. 3, a współczynnik ciśnienia przyjąć z TABELI 4.

Wysokość odniesienia dla dachów płaskich o krawędziach zaokrąglonych albo dachów mansardowych należy przyjąć jako równą h. Wysokość odniesienia dla dachów z attykami należy przyjmować jako równą h + h_p zgodnie z RYS. 3.

Konieczne jest sprawdzenie wszystkich kierunków oddziaływania wiatru na budynek, chyba że z ukształtowania terenu lub konstrukcji budynku wynika, że takie oddziaływanie z danego kierunku nie występuje. W efekcie otrzymujemy trzy lub cztery strefy, w zależności od wielkości i kształtu obiektu, o różnym stopniu obciążenia wiatrem (RYS. 4), odpowiednio:

• strefa narożna (F),
• strefa brzegowa zewnętrzna (G),
• strefa brzegowa wewnętrzna (H),
• strefa wewnętrzna (I).

Jest to również modyfikacja w stosunku do starych wytycznych, gdzie wyznaczane były tylko trzy strefy obciążenia wiatrem na powierzchni dachu. Ciśnienie działające na powierzchnie zewnętrzne w_e:

gdzie:

q_p(z_e) – wartość szczytowa ciśnienia prędkości,
z_e – wysokość odniesienia dla ciśnienia zewnętrznego (RYS. 3):
c_pe – współczynnik ciśnienia zewnętrznego.

Siła F_w wywierana przez wiatr na konstrukcję wyznaczana przez sumowanie wektorowe sił F_w,e, F_w,i, F_fr (dla łączników tylko F_w,e):

• siły zewnętrzne:

• c_sc_d – współczynnik konstrukcyjny (szczegółowy wg p. 6 normy) jednak:

1) dla budynków <15 m c_sc_d = 1
2) dla fragmentów dachu o częstotliwości drgań własnych powyżej 5 Hz c_sc_d = 1.

Uwaga! Rozpiętości przeszkleń mniejsze niż 3 m mają zwykle częstotliwości własne powyżej 5 Hz

• w_e – ciśnienie zewnętrzne (wg p. 5.1 normy),
• A_ref – pole rozpatrywanego elementu powierzchni.

Na podstawie siły F_w,e oraz nośności łączników podanych przez producenta w materiałach technicznych i aprobatach należy obliczyć liczbę wymaganych łączników w poszczególnych strefach dachu.

Literatura

1. PN-EN 1991-1-4:2008, „Oddziaływanie na konstrukcje. Oddziaływanie ogólne – Oddziaływanie wiatru”.

„Wytyczne doboru łączników do montażu na dachach płaskich” nie są materiałem reklamowym ani zbiorem konkretnych produktów poszczególnych producentów czy dystrybutorów, lecz mogą być pomocą dla osób zajmujących się projektowaniem, montażem czy też odbiorami dachów płaskich pokrytych różnymi materiałami izolacyjnymi. Jest to jedno z trzech tego typu opracowań autorskich zespołu specjalistów o długoletnim stażu z firm: EJOT, Essve, Rawlplug i SFS Group.