Śnieg jest oddziaływaniem, które dla znacznej liczby obiektów budowlanych, a szczególnie budynków wielkopowierzchniowych (przede wszystkim o konstrukcji stalowej), stanowi główne obciążenie.
Oddziaływanie obciążenia śniegiem jest tzw. obciążeniem klimatycznym, a zatem mało przewidywalnym. Spostrzeżenie to potwierdza się ostatnio coraz częściej, gdy wsłuchamy się w doniesienia medialne o coraz nowych anomaliach pogodowych. Warto zwrócić uwagę na specyfikę tego oddziaływania.
Rys. 1. Podział Polski na strefy obciążenia śniegiem oraz wartości charakterystycznego obciążenia śniegiem gruntu w Polsce wg PN-80/B-02010 wraz ze zmianą Az1 z 2006 r. oraz PN-EN 1991-1-3:2005
Obciążenie śniegiem w analizie konstrukcji
Obciążenie połaci dachowych śniegiem określają normy PN-80/B-02010 Obciążenia w obliczeniach statycznych – Obciążenie śniegiem wraz ze zmianą Az1 z 2006 r. oraz PN-EN 1991-1-3:2005 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3: Oddziaływania ogólne – Obciążenie śniegiem. Normy te wyróżniają pięć stref śniegowych, na które został podzielony obszar Polski – rys. 1.
W każdej ze stref obciążenie charakterystyczne śniegiem gruntu posiada inną wartość. Uwzględniając różne współczynniki, związane między innymi z kształtem dachu, jego izolacyjnością termiczną czy bliskością obiektów sąsiednich, wyznaczane jest obciążenie charakterystyczne śniegiem odniesione do metra kwadratowego powierzchni rzutu dachu. Oczywiście obciążenie to może się zmieniać w zależności od części dachu. Na przykład w sąsiedztwie attyk będziemy spodziewać się nagromadzenia większej ilości śniegu niż w obrębie kalenicy, gdzie śnieg będzie przewiewany przez wiatr.
Zastosowanie współczynnika zwiększającego obciążenie śniegiem o wartości 1,5 umożliwia wyznaczenie wartości obciążenia obliczeniowego śniegiem uwzględnianego podczas analizy nośności konstrukcji.
Rys. 2. Porównanie stref obciążenia śniegiem wg PN-EN oraz PN-B przed zmianą w 2006 r. [1]. Cyfry w kolorze czarnym oznaczają numery stref wg PN-EN, liczby w kolorze czerwonym oznaczają stosunek wartości charakterystycznej obciążenia wg PN-EN do PN-B przed zmianą w 2006 r.
Czy normowe obciążenie śniegiemmoże zostać przekroczone
Obiekty budowlane projektowane są na pewien, z góry określony, okres użytkowania, który zazwyczaj wynosi od 10 do kilkuset lat. Dłuższe okresy użytkowania wymuszają oczywiście przyjmowanie wyższych wartości współczynników bezpieczeństwa, co powoduje wyższe koszty jednostkowe realizacji inwestycji. Dlatego najczęściej przyjmowanym okresem prawdopodobnej, bezpiecznej pracy konstrukcji budynku jest 50 lat. Trwałość obiektu budowlanego związana jest między innymi z nieprzekraczaniem w okresie jego użytkowania obciążeń przyjętych w projekcie budowlanym. Należy zwrócić uwagę, że okres powrotu, czyli upraszczając czas, w którym wartość danego oddziaływania nie powinna zostać przekroczona, dla obciążenia śniegiem zdefiniowanego w normie PN-80/B-02010 Obciążenia w obliczeniach statycznych – Obciążenie śniegiem (w skrócie PN-B), czyli w normie, zgodnie z którą projektowane były obiekty budowlane w Polsce do połowy 2006 r., został przyjęty na poziomie jedynie pięciu lat [3]. Oznacza to, że statystycznie raz na pięć lat obciążenie śniegiem przyjęte jako założenie do zaprojektowania konstrukcji obiektu może zostać przekroczone, czyli konieczne będzie odśnieżanie dachu. Dopiero zmiana normy wprowadzona w drugiej połowie 2006 r. wydłużyła okres powrotu obciążenia śniegiem do 50 lat (podobnie przyjęto w normie PN-EN 1991-1-3:2005 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3: Oddziaływania ogólne – Obciążenie śniegiem – w skrócie PN-EN), co w większości spowodowało zwiększenie wartości zalecanych obciążeń – rys. 2 [1].
Rys. 3. Obciążenie śniegiem gruntu w stacji Katowice w okresie od 1950 do 2000 r. [4] w porównaniu z charakterystycznym obciążeniem śniegiem przypisanym do strefy 2 wg PN-EN
Należy podkreślić, że obciążenia przyjmowane dla danego obszaru Polski są wyznaczane na podstawie pomiarów wykonywanych w wybranych stacjach meteorologicznych, co oznacza, że jest to tylko pewna próba statystyczna oraz, co bardzo istotne, ciężar pokrywy śnieżnej odpowiada pokrywie na gruncie, która zależy od jego temperatury i może być dużo mniejsza niż pokrywa na dobrze izolowanym termicznie dachu (woda z topniejącego śniegu może wsiąkać do gruntu) [2]. Ponadto podawana w normie wartość obciążenia nie jest bynajmniej wartością maksymalną przyjętą w założonym okresie powrotu, tylko wartością wyznaczoną zgodnie z tzw. metodą największej wiarygodności [3]. Metoda ta pozwala określić wartość obciążenia, jakie, w uproszczeniu mówiąc, z największym prawdopodobieństwem, może wystąpić w danej stacji meteorologicznej. Na rys. 3 pokazano wykres rzeczywistego obciążenia śniegiem gruntu (linia czarna) odnotowanego dla stacji Katowice w okresie od 1950 do 2000 r. [4]. Linią czerwoną pokazano wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem dla strefy 2 wg PN-EN, w której zlokalizowane jest to miasto. Wartość tę norma przyjmuje, opisując rozkład obciążenia śniegiem dla poszczególnych stacji meteorologicznych za pomocą rozkładu Gumbela, dla którego parametry wyznaczane są za pomocą metody największej wiarygodności [2], przyjmując założenie, że teoretycznie tak określone obciążenie śniegiem może zostać przekroczone średnio raz na 50 lat. Następnie obliczona została wartość średnia dla wszystkich analizowanych stacji (0,93), która została zaokrąglona do wartości 0,9 [2]. Na rys. 3 wyraźnie widać, że tak określona wartość charakterystyczna obciążenia śniegiem gruntu została przekroczona aż cztery razy w analizowanym okresie.
Rys. 4. Zmiana ciężaru objętościowego śniegu w zależności od jego stanu
Rys. 5. Śniegowskaz przenośny oraz śniegowskaz stały mocowany do konstrukcji dachu
Rys. 6. Śniegowskaz ultradźwiękowy – zasada działania
Podsumowując powyższe spostrzeżenia, należy stwierdzić, że nie można zagwarantować, iż w okresie powrotu przyjęte zgodnie z normą obciążenie nie zostanie przekroczone. Oczywiście nie jesteśmy również w stanie w żaden sposób przewidzieć, kiedy i czy w ogóle nastąpi przekroczenie tego obciążenia i dojdzie do zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji obiektu. Odrębnym problemem jest określenie tego niebezpiecznego schematu obciążenia śniegiem na konkretnym dachu budynku, biorąc pod uwagę zmieniający się w czasie ciężar objętościowy śniegu oraz funkcję opisującą kształt pokrywy śnieżnej na dachu, dodatkowo skomplikowaną wpływem wiatru.
Powyższe wyjaśnienia pozwalają spojrzeć w inny sposób na obciążenie śniegiem. Ponieważ jest ono trudne do jednoznacznego zdefiniowania na etapie projektu oraz ekonomicznie nieuzasadnione byłoby przyjmowanie dla większości obiektów wartości większych, niż podano w PN-EN, należy prowadzić jego kontrolę na etapie eksploatacji obiektu. Pomiar obciążenia przekrycia dachowego śniegiem pozwoli na określenie, czy zalegające na dachu obciążenie jest niebezpieczne dla obiektu, czy wartości przyjęte w dokumentacji projektowej zostały już przekroczone, czy też nie. Takie porównanie umożliwi zatem podjęcie racjonalnej decyzji o konieczności odśnieżania.
Rys. 7. Śniegowskaz działający na zasadzie przesłaniania kolejnych poziomów diod
Rys. 8. Śniegomierz wagowy Chomicza
Odśnieżanie a Prawo budowlane
Ustawa – Prawo Budowlane z dnia 7 lipca 1994 r. (Dz.U. Nr 156, poz. 1118 z 2006 r. z późn. zm.) zdefiniowała obowiązki poszczególnych uczestników tzw. procesu budowlanego. I tak projektant odpowiedzialny jest za prawidłowe zdefiniowanie oddziaływania śniegiem, a właściciel lub zarządca – za troskę o bezpieczne użytkowanie obiektu budowlanego. Obciążenie śniegiem powołane jest w art. 61 pkt 2, gdy mowa jest o obowiązku właściciela lub zarządcy do zapewnienia, dochowując należytej staranności, bezpiecznego użytkowania obiektu w razie wystąpienia czynników zewnętrznych odziaływujących na obiekt, związanych z działaniem człowieka lub sił natury, takich jak: wyładowania atmosferyczne, wstrząsy sejsmiczne, silne wiatry, intensywne opady atmosferyczne, osuwiska ziemi, zjawiska lodowe na rzekach i morzu oraz jeziorach i zbiornikach wodnych, pożary lub powodzie, w wyniku których następuje uszkodzenie obiektu budowlanego lub bezpośrednie zagrożenie takim uszkodzeniem, mogące spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, bezpieczeństwa mienia lub środowiska. Artykuł 62 ust. 1 pkt 4 ustawy dodatkowo nakazuje właścicielowi lub zarządcy wykonywanie tzw. przeglądów bezpieczeństwa związanych z występowaniem niekorzystnych zjawisk wymienionych wyżej. Co oznacza „bezpośrednie zagrożenie uszkodzeniem” oraz jak należy rozumieć sformułowanie „niekorzystne zjawiska”, ustawodawca nie wyjaśnił. Można zatem przyjąć, że zagrożenie uszkodzeniem występuje z pewnością wtedy, gdy obciążenie, w tym przypadku obciążenie śniegiem, może zostać przekroczone w stosunku do założeń przyjętych w dokumentacji projektowej obiektu [5]. Aby zatem móc zapewnić bezpieczne użytkowanie obiektu budowlanego, konieczne jest kontrolowanie obciążenia śniegiem, by w odpowiednim momencie podjąć decyzję o konieczności odśnieżania lub/i wykonania przeglądu bezpieczeństwa. Decyzje te muszą być zawsze podejmowane na podstawie wiarygodnych przesłanek.
Katastrofa, jak miała miejsce cztery lata temu na Śląsku, spowodowała, że o oddziaływaniu śniegiem zaczęto dużo mówić i pisać.
Fot. 1. Elektroniczne urządzenie do wyznaczania gęstości śniegu. Urządzenie pomiarowe, sonda pomiarowa
Rys. 9. Elektroniczna waga śniegowa
Rys. 10. Przymrozek i ponowny opad. Zmrożony śnieg tworzy przesklepienie odciążające układ pomiarowy
Metody pomiaru obciążenia śniegiem dachów
Ciężar objętościowy śniegu zmienia się w czasiena skutek zmian temperaturowych, wilgotności powietrza oraz oczywiście opadów (np. deszczu podczas odwilży) i zależy od zawartości w nim wody. Zmianę tę zobrazowano na rys. 4.
Taka właściwość śniegu powoduje, że określenie obciążenia śniegiem nie jest zadaniem banalnym. Sam pomiar grubości pokrywy śnieżnej w żaden sposób nie odpowiada na pytanie, jaka jest wartość oddziaływania śniegu na powierzchnię przekrycia dachowego.
Powstało wiele urządzeń przeznaczonych do pomiarów parametrów pokrywy śnieżnej, które mogą zostać wykorzystane do wyznaczania ciężaru śniegu zalegającego na konstrukcji dachu. Poniżej zostaną przedstawione wybrane przez autorów przykłady rzeczywistych rozwiązań.
Fot. 2. Śniegomierz przeznaczony do wyznaczania obciążenia dachu zalegającym śniegiem. Zestaw pomiarowy: torba, zasobnik do pobierania próbek śniegu, łopatka, urządzenie odczytowe (rysunki zaczerpnięte z materiałów producenta)
Śniegowskazy
Śniegowskazy są prostymi przyrządami umożliwiającymi określenie grubości pokrywy śnieżnej w danym miejscu dachu. Na podstawie wykonanego pomiaru możemy jedynie bardzo zgrubnie oszacować rząd wartości obciążenia śniegiem. Śniegowskazy stacjonarne stosuje się w celu obserwacji (np. za pomocą kamery) zmian grubości pokrywy śnieżnej w poszczególnych częściach dachu. Na rys. 5 pokazano śniegowskaz przenośny (tyczka śniegowa) oraz stacjonarny.
Rozwój techniki umożliwił powstanie śniegowskazów ultradźwiękowych i laserowych. Grubość pokrywy śnieżnej określana jest za pomocą wiązki ultradźwięków lub światła laserowego, wysyłanej z nadajnika umieszczonego nad pokrywą śnieżną.
Istnieje wiele innych odmian śniegowskazów umożliwiających pomiar grubości pokrywy śnieżnej. Na rys. 7 przedstawiony jest śniegowskaz składający się z szeregu diod nadawczych i odbiorczych. Spadający śnieg przesłania kolejne diody odbiorcze. Liczba zasłoniętych diod określa grubość warstwy śniegu.
Ograniczeniem wszystkich śniegowskazów jest pomiar jedynie grubości warstwy zalegającego śniegu. Bez znajomości gęstości objętościowej śniegu nie jest możliwe określenie jego ciężaru.
Urządzenia do pomiaru gęstości śniegu
Kolejną grupą urządzeń są śniegomierze przeznaczone do wyznaczania ciężaru objętościowego śniegu.
Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje śniegomierzy: objętościowy oraz wagowy. Różnica polega na tym, że w śniegomierzu objętościowym pobieramy próbkę o znanej objętości, najczęściej 100 lub 200 cm3, a w śniegomierzu wagowym pobieramy próbkę o zadanej powierzchni. Znając wagę próbki oraz jej objętość (w przypadku śniegomierza objętościowego) lub grubość pokrywy śnieżnej (w przypadku śniegomierza wagowego), możemy wyznaczyć ciężar objętościowy śniegu. Dokonując następnie odpowiednich przeliczeń, możemy określić ciężar zalegającego śniegu w przeliczeniu na metr kwadratowy powierzchni dachu.
Ciekawe rozwiązanie przedstawiono na fot. 1. Jest to przenośne urządzenie do pomiaru właściwości śniegu – gęstości i zawartości wody.
Urządzenie składa się z mikroprocesora i „stalowego widelca”. Przyrząd wykorzystuje fale radiowe do pomiaru gęstości cieczy i zawartości wody w śniegu. Dzięki rejestracji parametrów elektrycznych czujnika oraz częstotliwości rezonansowej urządzenie oblicza stałą dielektryczną oraz gęstość i zawartość wody w śniegu. Aby możliwe było obliczenie ciężaru śniegu zalegającego na połaci dachowej, należy wykonać dodatkowy pomiar grubości pokrywy śnieżnej.
Automatyczna waga śniegowa
Kolejnym urządzeniem służącym do wyznaczania ciężaru śniegu zalegającego na powierzchni dachu jest automatyczna waga śniegowa. Rozwiązanie polega na umieszczeniu na dachu wagi elektronicznej o znanej powierzchni – rys. 9. Zalegający śnieg obciąża wagę, co pozwala na wyznaczenie średniego ciężaru śniegu zalegającego na metrze kwadratowym powierzchni.
Niestety metoda ta może prowadzić do poważnych błędów. Poprawny pomiar wykonywany jest tylko przy pierwszym opadzie śniegu. Zmrożony śnieg zalegający na wadze tworzy przesklepienie, powodując odciążenie układu pomiarowego. Waga nie będzie poprawnie wskazywała przyrostu ciężaru śniegu z kolejnych opadów. Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest stosowanie wag o bardzo dużych rozmiarach (kilka metrów kwadratowych), tzw. poduszek śniegowych.
Automatyczny system pomiaru obciążenia dachu
W 2006 r. naukowcy z Akademii Rolniczej we Wrocławiu (Instytut Budownictwa i Architektury Krajobrazu) połączyli elektroniczny śniegomierz ultradźwiękowy z elektronicznym śniegomierzem wagowym. Równoczesny pomiar grubości pokrywy śnieżnej oraz ciężaru śniegu zgromadzonego w śniegomierzu wagowym pozwala teoretycznie na wyznaczenie ciężaru śniegu zalegającego na powierzchni dachu. Przy wykorzystaniu tego urządzenia napotkamy niestety problem z określeniem ciężaru śniegu zalegającego na dachu, gdyż urządzenie prawidłowo określa w zasadzie tylko ciężar śniegu padającego pionowo.
Współczesny śniegomierz wagowy
Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest śniegomierz przeznaczony do szybkiego wyznaczania ciężaru śniegu zalegającego na powierzchni dachu (fot. 2).
Odpowiednio wyskalowana podziałka urządzenia powoduje, że obciążenie śniegiem podawane jest wprost w kg lub kN na 1 m2 powierzchni dachu, co umożliwia porównanie wyniku z danymi zawartymi w projekcie budowlanym konstrukcji obiektu lub/i projekcie odśnieżania jego dachu.
Sposób pomiaru obciążenia śniegiem jest prosty i szybki, należy jednak zwrócić szczególną uwagę na staranność jego wykonania. Bardzo ważne jest dokładne pobranie próbki śniegu aż do powierzchni pokrycia dachowego, inaczej pomiar obarczony będzie błędem.
Metodologia prowadzenia pomiarów
Rozkład obciążenia śniegiem na dachu zależy między innymi od jego geometrii, pochylenia, występowania attyk oraz różnego typu urządzeń, lokalizacji w bezpośrednim sąsiedztwie obiektów wyższych, z których może zsuwać się śnieg i w obrębie których tworzyć się będą zaspy śnieżne. Wszystkie te zjawiska uwzględniane są w analizach statyczno-wytrzymałościowych w postaci modelowych rozkładów obciążeń. Ze względu na specyfikę obciążenia śniegiem dachu bardzo często konstrukcja przekrycia projektowana jest w taki sposób, aby elementy o większej nośności zlokalizowane były w tych miejscach, gdzie spodziewamy się większych obciążeń śniegiem. Z powyższych rozważań wynika zatem, że osoba prowadząca kontrolę obciążenia śniegiem dachu musi znać prognozowany (projektowy) jego rozkład i pomiary wykonywać w poszczególnych strefach dachu niezależnie. Biorąc pod uwagę możliwość popełnienia błędu przez człowieka oraz losowość obciążenia śniegiem, pomiar w danej strefie należy wykonywać minimum w trzech miejscach. Informacje na temat miejsc wykonywania pomiarów powinny się znaleźć w projekcie odśnieżania dachu.
Podsumowanie
Dostępne na rynku urządzenia pomiarowe pozwalają w stosunkowo łatwy i szybki sposób oszacować ciężar śniegu zalegającego na połaci dachowej. Nie potrzeba do tego specjalistycznej wiedzy ani dużych nakładów finansowych. Konieczna jest natomiast ciągła edukacja osób odpowiedzialnych za utrzymanie techniczne obiektów. Szkolenia powinny być prowadzone zarówno dla osób zarządzających obiektami, jak i inżynierów sprawujących nadzór techniczny nad nimi. Wśród wielu projektantów konstrukcji pokutuje pogląd, że obciążenie śniegiem podawane w normie jest wartością, która nigdy nie może zostać przekroczona. Jak wyjaśniono w artykule, oczywiście tak nie jest, podobnie jak z trwałością obiektów budowlanych. Patrzymy na nie przez pryzmat elementów wykończeniowych, które wiemy, że będziemy musieli remontować. Mamy w pamięci piramidy w Egipcie oraz zamek na Wawelu, które w stosunku do naszego życia trwają wiecznie. Wydaje się nam zatem, że konstrukcja każdego obiektu będzie pracować bez żadnych usterek przez bardzo długi czas. Takiemu podejściu zaprzecza oczywiście teoria projektowania oraz występujące awarie i katastrofy budowlane, powodowane zresztą bardzo często przez nadmierne obciążenie śniegiem.
dr inż. Łukasz Bednarski
Akademia Górniczo-Hutnicza
dr inż. Rafał Sieńko
Politechnika Krakowska
Piśmiennictwo
1. B. Lewicki, J.A. Żurański, Obciążenie śniegiem w nowych normach polskich, „Wiadmości Projektanta Budownictwa” nr 1 (192)/2007, s. 18–21.
2. J.A. Żurański, O obciążeniu śniegiem w aktualnych normach polskich, „Inżynieria i Budownictwo” nr 9/2006, s. 510–513.
3. J. Murzewski, O wartościach charakterystycznych obciążenia śniegiem, „Inżynieria i Budownictwo” nr 4/2007, s. 219–222.
4. J. Żurański , A. Sobolewski, Obciążenie śniegiem w Polsce, ITB Warszawa 2009.
5. R. Sieńko, Ostatnia nowelizacja Prawa budowlanego a bezpieczeństwo obiektów budowlanych, „Inżynier Budownictwa” nr 10/2007, s. 33-36.
