Obciążenie śniegiem wg Eurokodu 1. Norma PN-EN 1991-1-3

Wśród obciążeń, które należy uwzględnić podczas projektowania, jednymi z ważniejszych, a nie zawsze docenianych, są obciążenia klimatyczne.

Nikt w zasadzie nie będzie chyba usiłował pominąć obciążenia śniegiem przy projektowaniu konstrukcji, szczególnie po kilku spektakularnych katastrofach budowlanych w ostatnich latach. Można wręcz zaryzykować twierdzenie, że przyjmuje się maksymalne normowe obciążenie śniegiem. Na wszelki wypadek. Warto jednak sprawdzić, jak to powinno wyglądać.

Obciążenie śniegiem

Zgodnie z powszechnie panującym przekonaniem wprowadzenie w Polsce Eurokodów spowodowało konieczność przyjmowania do obliczeń większych wartości obciążeń, również klimatycznych, oddziałujących na konstrukcję. W przypadku wartości charakterystycznych obciążeń użytkowych można się z tym zgodzić, współczynniki obciążeniowe również wzrosły.

Dla obciążeń klimatycznych wszelkie porównania należy prowadzić do wartości ze znowelizowanych norm. Ze względu na fakt, że od nowelizacji normy obciążenia wiatrem w roku 2009 upłynęło już bez mała 10 lat, a od nowelizacji normy śniegowej w roku 2006 – lat 12, nikt chyba już nie próbuje stosować wartości i stref klimatycznych z norm przed aktualizacją.

W Eurokodach współczynniki obciążeniowe dla obciążeń klimatycznych pozostały w wysokości 1,50, podobnie jak w znowelizowanych normach PN-B 02010 i PN-B 02011.

Wartość charakterystyczna parcia wiatru q_bo według Eurokodu 1 wynosi w przeważającym obszarze kraju powyżej 0,3 kPa w zależności od wysokości nad poziomem morza (strefa 1 i 3) oraz 0,42 kPa w strefie nadmorskiej (strefa 2) przy liczbie stref równej trzy.

W wycofanej normie PN-B 02011:1977 +Az1:2009 zarówno parcie wiatru, jak i granice stref klimatycznych są takie same. Porównanie pozostałych elementów do wyznaczania oddziaływania wiatru na konstrukcje podległo dużym zmianom i omówienie ich przekracza ramy niniejszego artykułu.

Charakterystyczne obciążenie śniegiem gruntu s_k wynosi zgodnie z Eurokodem od 0,7 kPa (strefa 1) przez 0,9 kPa (strefa 2), ponad 1,2 kPa (strefa 3), 1,6 kPa (strefa 4) aż do wartości powyżej 2,0 kPa (strefa 5) przy liczbie stref obciążenia śniegiem równej pięć.

W wycofanej normie PN-B 02010:1980 +Az1:2006 zarówno obciążenia charakterystyczne gruntu, jak i granice stref obciążenia śniegiem są takie same.

Czytaj: Wpływ kształtu dachu na jego obciążenie śniegiem (część I)

Fot. adobe stock (nordroden)

Dopuszczalne obciążenia dachów uległy istotnym zmianom, co wynika z różnych schematów  obciążenia połaci. Jednak nie zawsze są to zmiany zwiększające obciążenia.

Przykładowe porównanie obciążeń dla dachu dwuspadowego o kącie nachylenia połaci 20^o zamieszczono w tab. 1 (pokazano zasadnicze wartości charakterystyczne, pominięto obciążenie okapu):

Tab. 1. Porównanie obciążenia śniegiem połaci dachu (S_k) dwuspadowego (odpowiednie rysunki w tabeli pochodzą z przywołanych norm)

Zgodnie z załącznikiem krajowym do PN-EN 1991-1-3 Obciążenie śniegiem na terenie Polski mogą wystąpić dwie sytuacje obciążeniowe:

• Normalna wg punktu 3.2(1) Eurokodu 1 śniegowego, tzn. bez wyjątkowych opadów śniegu i wyjątkowych zamieci śnieżnych. W tym przypadku uwzględnia się w trwałej i wyjątkowej sytuacji obliczeniowej równomierny i nierównomierny rozkład obciążenia śniegiem o wielkości (zgodnie z układami obciążeń podanymi w punktach 5.2(3) P a) oraz 5.3 normy):

S_k = µ₁C_eC_tS_k gdzie: µ₁ – współczynnik kształtu dachu, C_e -współczynnik ekspozycji, C_t – współczynnik termiczny.

• Wyjątkowa wg punktu 3.3(2) Eurokodu 1 – przypadek 2, tzn. bez wyjątkowych opadów śniegu przy wystąpieniu wyjątkowych zamieci. W tym przypadku uwzględnia się w przejściowej i trwałej sytuacji obliczeniowej równomierny i nierównomierny rozkład obciążenia śniegiem dachu o wielkości (zgodnie z układami obciążeń podanymi w punktach 5.2(3)P a) oraz 5.3 normy): S_k = µ₁C_eC_tS_k

z wyjątkiem określonych w załączniku B do Eurokodu kształtów dachów oraz w wyjątkowej sytuacji obliczeniowej rozkład obciążenia ustalony w punkcie 5.2(3)P c) i w załączniku B do normy: S_k = µ₁S_k dla określonych w załączniku B kształtów dachów.

Rozpatrując obciążenie śniegiem, możemy stwierdzić, że w ogólnych zarysach współczynniki kształtu dachu są podobne do tych w starej normie. Nawet wyznaczane według Eurokodów wychodzą „oszczędniej”. Doszło wprawdzie kilka nowości, ale nie powinny one sprawiać większych problemów.

Warto również zajrzeć do tabeli A 1.1 z załącznika A do Eurokodu 0 (PN-EN 1990). Może się przydać przy ręcznym zestawianiu kombinacji obciążeń.

Wątpliwości dotyczące normy obciążenia śniegiem

W Eurokodzie PN-EN 1991-1-3:2005 występuje jednak pewna niekonsekwencja. Dotyczy ona obciążeń wyjątkowych zaspami śnieżnymi w rejonie attyk, występów i przeszkód.

Według pkt B4(2)a – dla attyk o wypiętrzeniu nie większym niż 1 m obciążenia wyjątkowe zaspami śnieżnymi można pominąć (było nie większe niż 1 m², ale w poprawce PN-EN 1991-1-3:2005/AC:2009 w załączniku B w pkt 4 zmieniono 1 m² powierzchni wypiętrzenia na 1 m liniowy).

Według pkt B4(2)b pierwszy rozdział B4 ma zastosowanie dla obciążenia wynikającego z odkładania się zasp śnieżnych przy przeszkodach nie wyższych niż 1 m. Mamy zatem sprzeczność w zakresie stosowania w obliczeniach obciążenia wyjątkowego zaspami śnieżnymi zapisów dwu sąsiadujących punktów załącznika B normy PN-EN 1991-1-3.

Rozpatrując z kolei zasięg geometryczny zaspy, czyli szerokość pasma powierzchni dachu wzdłuż przeszkody podlegającej obciążeniu zaspami śnieżnymi, zgodnie z zapisami B4(2)d przyjmowana w obliczeniach długość zaspy l_s to wartość najmniejsza z:

l_s = 5h, przy czym zgodnie z B4(2)b 1: h  ? ≤ 1m, czyli l_s ≤ 5 m; h – wysokość przeszkody nad połać dachu;

l_s = b_i, czyli szerokość połaci odpowiednio po lewej i prawej stronie przeszkody;
dla obciążenia w rejonie attyk przyjmuje się wartość najmniejszą z: l_s = 5h l_s = b₁, l_s = 15 m

Dla warunku z B4(2)b – maksymalna wysokości przeszkody wynosi 1 m, stąd warunek l_s = 15 m nie może zostać spełniony w żadnym przypadku geometrycznym. Dla przeszkód o wysokości do 1 m najmniejszy jest warunek wynikający z wysokości attyki (chyba że obliczenia dotyczą bardzo małych daszków, o wymiarze b<5 m). Warunek 15 m zostanie spełniony dopiero przy attyce o wysokości 3,0 m, nieobejmowanej załącznikiem B4. Odrębnym zagadnieniem jest przyjmowana zgodnie z załącznikiem B wielkość obciążenia zaspami śnieżnymi przy przeszkodach i attykach.

Współczynnik kształtu µ, dla przeszkody na płaskim dachu to wartość najmniejsza z:
µ₁ = 2h₁/s_k, 2h₂/s_k oraz 5,0 gdzie h₁ i h₂ to wysokości przeszkody nad połać dachu odpowiednio po jej lewej i prawej stronie.

Dla attyk wielkość współczynnika kształtu wyznacza się jako wartość najmniejszą z: µ₁ = 2h/s_k, 2b₁/l_s, 2b₂/l_s oraz 8,0 gdzie b₁ i b₂ to odpowiednio szerokość połaci (do kalenicy) i całego dachu. Ponieważ wielkość obciążenia charakterystycznego śniegiem gruntu umieszczona jest w mianowniku, wielkość obciążenia zaspą będzie malała ze wzrostem obciążenia charakterystycznego śniegiem.

Przykładowo, dla obiektu w strefie 2 obciążenia śniegiem (np. Poznań, Warszawa): s_k = 0,9 kN/m² dla maks. h= m i s_k = 0,9 wyznaczony współczynnik kształtu µ₁ = 2,22, dla wyższych stref obciążenia wiatrem wielkość ta będzie malała. Na przykład w strefie 5 wartość minim. s_k = 2,0 kN/m² i otrzymujemy µ₁ = 1,0.

Natomiast w Zakopanem, przy wysokości terenu ok. 900 m n.p.m.: s_k = 3,11 kN/m², otrzymujemy µ₁ = 0,64

Interesującym wydaje się sprawdzenie, kiedy zostanie spełniony warunek współczynnika kształtu z wynikiem µ₁ > 5,0 z warunku wysokości przeszkody:

strefa 2: s_k = 0,9 kN/m², h > s_k*µ₁/2, h > 2,25 m

strefa 5: s_k = 2,0 kN/m², h > 5,0 m

Zakopane s_k = 3,11 kN/m², h > 7,77 m. Dla attyki, dla µ₁ > 8,0 z wielkości te wynoszą odpowiednio:

strefa 2: s_k = 0,9 kN/m², h > s_k*µ₁/2, h > 3,6 m

strefa 5: s_k = 2,0 kN/m², h > 8,0 m

Zakopane s_k = 3,11 kN/m², h > 12,44 m (im wyższa strefa śniegowa, tym potrzebna większa wysokość zaspy, żeby osiągnąć wartość graniczną µ₁ = 5,0 i µ₁ = 8,0). W żadnym przypadku niemożliwe jest osiągnięcie wielkości granicznych współczynnika przy przeszkodach (attykach) o dopuszczalnej wysokości 1,0 m. Zatem jeżeli określone graniczne wielkości wysokości attyk i przeszkód h ≤ 1,0 m są prawdziwe, po co zamieszczono w normie warunek µ₁ = 5,0 i µ₁ = 8,0?

Tab. 2. Porównanie obciążenia śniegiem połaci dachu jednospadowego i obciążenia wyjątkowego zaspami przy attyce

Z kolei wyznaczając wielkość graniczną współczynnika kształtu z warunku szerokości obciążenia połaci:

µ₁ = 2b/l_s przy warunku b = l_s dla µ₁ = 8,0 otrzymujemy 8,0 = 2b/b; po skróceniu 8,0 = 2,0 (!)

Co wypada pozostawić bez komentarza. Na zakończenie rozpatrzmy jeszcze wielkość obciążenia wyjątkowego zaspami śnieżnymi przy attykach dla różnych stref obciążeń śniegiem. Załóżmy dach jednopołaciowy o kącie nachylenia połaci α = 5^o. Na krawędzi attyka o wysokości 1,0 m. Warunkiem wymiarującym niech będzie µ₁ = 2h/s_k

Widać zatem, że przy obciążaniu obciążeniem wyjątkowym zaspami śnieżnymi na terenach wysokogórskich obciążenie wyjątkowe na ograniczonym obszarze dachu ma wartość mniejszą od normalnego obciążenia śniegiem połaci dachu.

Olgierd Donajko

Czytaj też: Wpływ kształtu dachu na jego obciążenie śniegiem (część II)