Śnieg na dachu - Inżynier Budownictwa

Obciążenie śniegiem zalegającym na połaci dachowej jest często zaliczane przez komisje powypadkowe do najistotniejszych czynników sprawczych katastrof lub awarii budowlanych.

Obciążenie śniegiem zalegającym na połaci dachowej jest często zaliczane przez komisje powypadkowe do najistotniejszych czynników sprawczych katastrof lub awarii budowlanych.
Zagadnieniu doboru obciążenia śniegiem poświęcona jest norma PN-80/B-02010 Obciążenie śniegiem. Obciążenia śniegiem podawane w tej normie zostały ustalone na podstawie długoletnich pomiarów opadów w różnych regionach kraju, a następnie zmodyfikowane w zależności od kształtu połaci dachowej.
Zgodnie z normą PN-80/B-02010, obciążenie charakterystyczne od śniegu odniesione do rzutu dachu na powierzchnię poziomą – Sk, kN/m2, należy obliczać ze wzoru:
Sk = Qk*C

gdzie:
Qk – obciążenie charakterystyczne śniegiem gruntu (zależne od strefy klimatycznej, w której znajduje się budowla), kN/m2,
C – współczynnik zależny od pochylenia i kształtu (wartości współczynnika C są podane w załącznikach do normy).
Norma PN-80/B-02010 dzieli obszar całej Polski na 4 strefy obciążenia śniegiem, przy czym większość kraju (część zachodnia i środkowa) zaliczana jest do strefy I. Obciążenie charakterystyczne śniegiem gruntu – Qk, kN/m2, zgodnie z normą, powinno być przyjmowane dla zidentyfikowanej strefy bądź to na podstawie tabeli 1, bądź też na podstawie zależności:
Qk= gk * R

gdzie:
gk – charakterystyczna grubość pokrywy śnieżnej na gruncie, której wartości zostały zestawione także w tabeli 1,
R – średni ciężar objętościowy śniegu.
W 3 załączniku normy podkreśla się, że ciężar objętościowy śniegu zależy od czasu zalegania pokrywy śnieżnej, temperatury powietrza i podłoża, prędkości wiatru i wilgotności powietrza, jednocześnie przyjmując dla określania wartości Qk wartość średnią ciężaru objętościowego śniegu R = 2,45 kN/m3 z obszaru całego kraju (wartość ta zatem jest w praktyce ilorazem wartości Qk i gk z tabeli 1). Ponadto norma w punkcie 2.2 zaleca zwiększenie wartości obciążenia charakterystycznego dla wiat i stropodachów w budynkach nieogrzewanych i nieocieplanych o 20%.
W toku dalszego projektowania według metody stanów granicznych, dla sprawdzania nośności konstrukcji, obciążenie obliczeniowe – S, kN/m2, przyjmuje się za równe:
S = Sk * γf

gdzie:
γf = 1,4 – współczynnik obciążenia śniegiem.
Cząstkowy współczynnik bezpieczeństwa w odniesieniu do śniegu wynoszący 1,4 jest wysoki w porównaniu z innymi współczynnikami cząstkowymi dotyczącymi obciążeń zmiennych według norm polskich (wartości w zakresie od 1,2 do 1,4). Jego wartość jest niższa niż w przypadku norm zagranicznych, uważa się jednak, że współczynniki obciążeń w polskich normach lepiej odwzorowują losową zmienność oddziaływań na konstrukcję i założenia metody stanów granicznych.{mospagebreak}

Tabela 1. Obciążenie charakterystyczne śniegiem gruntu – Qk oraz grubość charakterystyczna pokrywy śnieżnej – gk (wg PN-80/B-02010)

table.inside
{ width: 425;
font-size: 8pt;
border-collapse: collapse;
}th.inside
{text-align: center;
background-color: #c6d8e4;
padding-left: 4;
font-weight: bold;
padding-right: 4;
padding-top: 6;
padding-bottom: 6;
font-size: 8pt;
border-width: 1px;
border-style: solid;
border-color: #1d6492;
vertical-align: middle;
}
td.inside
{text-align: center;
padding-left: 4;
padding-right: 4;
padding-top: 6;
padding-bottom: 6;
font-size: 8pt;
border-width: 1px;
border-style: solid;
border-color: #1d6492;
vertical-align: middle;
}

Strefa I II III IV

Qk, kN/m2

0,7

0,9

1,1

0,003H ≥ 0,9
gdzie H – wysokość w m n.p.m., H ≤ 1000 m 1)

gk, m

0,29

0,37

0,45

1) dla H > 1000 m Qk należy ustalić indywidualnie,
2) charakterystyczna grubość pokrywy śnieżnej w strefie IV zawiera się w zakresie od 0,37 m na granicy strefy do około 2,5 m w szczytowych partiach gór.

Rzeczywiste obciążenia konstrukcji inżynierskich od śniegu
Przedstawione zapisy normy PN-80/ /B-02010 , dotyczące doboru obciążeń od śniegu, wydają się być jasne i łatwe do zastosowania w praktyce. Jednak czy wartości sugerowane przez normę są zgodne z rzeczywistością i czy w normie odnajdujemy odpowiedź na wszelkie sytuacje występowania obciążenia od śniegu konstrukcji inżynierskich?
W celu chociaż częściowej odpowiedzi na pierwsze z dwóch postawionych pytań autor postanowił pokrótce przeanalizować obciążenia od śniegu dla stacji meteorologicznej Katowice, położonej w pobliżu chorzowskiej hali, która uległa tragicznej katastrofie w br. (bazą do tej analizy były wyniki obserwacji pokrywy śnieżnej z wielolecia 1960 – 1981 publikowane przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej w rocznikach „Opady Atmosferyczne”). Zgromadzone i przeanalizowane wyniki 315 pomiarów pokrywy śnieżnej w Katowicach, niezależnie od ograniczeń instrumentarium przy nim stosowanego, prowadzą do ciekawych i zarazem niepokojących wniosków. Największe obciążenie – 1,26 kN/m2 zostało stwierdzone 10 lutego 1963 r. (o 80% większe od zalecanego przez normę). Obciążenia przekraczające normę obserwowano praktycznie tylko dla dwóch zim w 1963 i 1979 r. Do największych obciążeń nie dochodziło jedynie w wyniku zdeponowania wysokiej warstwy śniegu, przekraczającej wartość normowego gk = 0,29 m. Zanotowano jedynie 19 przypadków przekroczenia dopuszczalnej grubości pokrywy śniegu, co więcej – w dniu o najwyższej pokrywie śnieżnej nie wystąpiło wcale największe obciążenie.
W kontekście analizy wartości grubości warstwy śniegu warto wspomnieć, że w dniu katastrofy hali w Chorzowie na stacji meteorologicznej w Katowicach pomierzono warstwę grubości 32 cm. Konfrontując ją z uzyskanymi danymi (tabela 2), można przypuszczać, że występujące wówczas charakterystyczne obciążenia śniegiem gruntu mogły sięgać wartości nawet około 1 kN/m2.
Z analizy wynika, że zgoła ważniejszym elementem wpływającym na wartość obciążenia warstwą śniegu była jego gęstość. Zmieniała się ona na analizowanym obiekcie w szerokim zakresie od zaledwie 0,04 g∙cm3 do nawet 0,65 g∙cm3, a jej średnia wartość wyniosła 0,23 g∙cm3. Zróżnicowanie gęstości pociągało za sobą analogiczne zróżnicowanie ciężaru właściwego śniegu. Jego wartość średnia dla wszystkich pomiarów wyniosła 2,30 kN/m3, była więc niższa od średniego ciężaru objętościowego śniegu R = 2,45 kN/m3 podawanego w normie PN-80/B-02010. Dla niemal 40% przypadków ciężar właściwy był wyższy od normowego, a co gorsza – było to nagminnie skojarzone ze sporą grubością warstwy śniegu.
Tabela 2. Zestawienie najwyższych obciążeń od śniegu, wyznaczonych na podstawie obserwacji pokrywy śnieżnej na stacji meteorologicznej Katowice z lat 1960–1981 (opracowanie autora na podstawie roczników „Opady atmosferyczne”)

Data Wysokość próbki śniegu, cm Gęstość śniegu, g/cm3 Ciężar właściwy, kN/m3 Rzeczywiste obciążenie, kN/m2

10 lutego 1963

0,32

3,14

1,26

20 lutego 1963

0,26

2,55

1,12

15 lutego 1963

0,26

2,55

1,1

5 marca 1963

0,25

2,45

1,05

28 lutego 1963

0,26

2,55

1,05

29 stycznia 1979

0,47

4,59

1,01

25 lutego 1963

0,25

2,45

1,01

31 stycznia 1979

0,3

2,97

0,92

1 lutego 1979

0,27

2,63

0,92

7 marca 1963

0,3

2,94

0,88

17 lutego 1979

0,26

2,57

0,87

13 lutego 1979

0,25

2,48

0,84

20 lutego 1979

0,28

2,78

0,83

25 stycznia 1979

0,28

2,75

0,82

25 lutego 1979

0,35

3,45

0,79

5 lutego 1963

0,2

1,96

0,78

23 stycznia 1979

0,26

2,55

0,77

15 lutego 1979

0,27

2,64

0,77

28 lutego 1979

0,3

2,98

0,75

9 lutego 1979

0,26

2,54

0,74

31 stycznia 1963

0,23

2,26

0,72

7 marca 1965

0,29

2,84

0,71

25 stycznia 1963

0,24

2,35

0,71

8 marca 1963

0,31

3,04

0,7

3 marca 1979

0,32

3,17

0,7

{mospagebreak}
Obserwacje z przeprowadzonej analizy skłaniają do następujących wniosków:

W najbliższej przyszłości należy rozważyć, czy zaliczenie Katowic i pobliskich terenów Górnego Śląska do I strefy obciążenia śniegiem wg PN-80/B-02010 jest prawidłowe. Jeśli w ciągu pojedynczego cyklu opadowego w ciągu 2 lat dochodzi do licznych przekroczeń charakterystycznych obciążeń śniegiem gruntu, to być może należy obszar ten zaliczyć do wyższej strefy. Może należy uwzględnić w jej przypadku oprócz czynnika orograficznego wpływ antropopresji na wzrost opadów. Wysokie w skali kraju emisje zanieczyszczeń do atmosfery, typowe dla rejonu Górnego Śląska, mogą bowiem znajdować swoje odbicie we wzmocnieniu zjawisk opadowych. Kraków i Katowice charakteryzują się praktycznie tymi samymi wartościami rocznego opadu oraz współczynnika śnieżności, a są w różnych strefach wg normy PN-80/B-02010.
Dyskusyjne jest operowanie w normie wielkością średniego ciężaru objętościowego śniegu R = 2,45 kN/m3, gdyż – jak widać na przykładzie stacji meteorologicznej w Katowicach – wartość ta jest w rzeczywistości nagminnie przekraczana. Może to prowadzić u osób odpowiedzialnych za projektowanie i eksploatację licznych obiektów do złudnego poczucia bezpieczeństwa, gdyż szybciej, a często wręcz jedynie dociera do naszej wyobraźni informacja o samej warstwie śniegu, którą możemy zobaczyć, niż o jego gęstości czy też ciężarze. Jednocześnie dostęp do danych o gęstości śniegu jest trudniejszy, nie są one np. publikowane przez IMGW w Codziennym Biuletynie Meteorologicznym.
Spełnienie przy projektowaniu budynku zaleceń normy PN-80/B-02010 wcale nie gwarantuje pełnego bezpieczeństwa budynku i nie gwarantuje, że w trakcie eksploatacji nie nastąpią ekstremalne opady śniegu, które nie są uwzględnione przez normatyw. Być może należy zatem z jednej strony zmienić filozofię skonstruowania normy dotyczącej obciążenia śniegiem, a z drugiej strony uczulić i wręcz zobowiązać eksploatatorów budynków i budowli do kontroli ich obciążenia od śniegu i w razie takiej konieczności ich odciążania. Być może należy upodobnić normę obciążenia od śniegu do zaleceń dotyczących przyjmowania obciążenia systemów odwodnieniowych natężeniem deszczów miarodajnych. Wówczas odgórnym założeniem jest to, że nie możemy zaprojektować systemu, który odprowadzi skutecznie wody po każdym, nawet ekstremalnym, opadzie, projektujemy zatem przy założonym prawdopodobieństwie przekroczenia wartości granicznej obciążenia, a jednocześnie zdajemy sobie sprawę, że należy liczyć się z przeciążeniem systemu i na taką ewentualność należy się zabezpieczyć. Dokonując analogii dla obciążenia od śniegu, należałoby projektować np. konstrukcję dachową hali przeznaczonej na ciągłe przebywanie ludzi dla bardzo niskiej wartości prawdopodobieństwa przekroczenia wartości przyjmowanego obciążenia charakterystycznego (czyli przy wysokim poziomie bezpieczeństwa), a tę samą halę o przeznaczeniu jedynie magazynowym – na wyższą wartość prawdopodobieństwa, czyli mniejszego obciążenia, uzyskując oszczędności przy wymiarowaniu konstrukcji. Zarysowany tutaj pogląd na pewno wymagałby dyskusji w środowisku, a także zebrania znacznej populacji wyników pomiarów pokrywy śnieżnej na stacjach meteorologicznych i ich opracowania.

Warto się zastanowić nad potrzebą i sposobami odciążania konstrukcji dachowych. Chociaż w dalszej części naszą uwagę skierujemy ku płaskodachom, to problem ten może dotyczyć w zasadzie wszelkich konstrukcji dachowych. Kilkakrotnie tej zimy docierały do nas informacje o zrywaniu napowietrznych przewodów elektrycznych w wyniku opadów mokrego śniegu. Oblepiał on kable i prowadził do znacznie większych obciążeń aniżeli sugerowane przez PN-87 B-02013 Obciążenie oblodzeniem. Mokry śnieg może deponować się i przymarzać również do konstrukcji pochyłych dachów, a nawet na ażurowych konstrukcjach przekryć, które powinny właśnie przed tym chronić (fot. 1).

Fot. 1. Mokry śnieg zdeponowany i przymarznięty do ażurowej, siatkowej konstrukcji przekrycia, prowadzący do jego widocznego wytężenia
Obecnie wznoszone hale mają dachy przykryte zwykle płytami warstwowymi z rdzeniem z poliuretanu, wełny mineralnej lub styropianu, które nie tylko, że są samonośne, łatwe w montażu, ogniotrwałe, ale przede wszystkim oferują wysoką izolacyjność. Na dachu takim śnieg się nie topi, chociaż we wnętrzu hali temperatura wynosi około +20°C. Podobnie jest w wyniku przeprowadzonej termorenowacji starych budynków, których dachy są ocieplane, np. warstwą twardego styropianu. Przedstawia to fot. 2, gdzie na dachu po termorenowacji warstwa śniegu nie ulegała stopnieniu, widoczny jest też pas całkowicie wolny od śniegu, który stopniał w wyniku insolacji; za kominkami wywietrznikowymi wentylacji widać małe worki (zaspy) śnieżne nawiane przez wiatr. {mospagebreak}

Fot. 2. Zróżnicowane grubości warstwy zalegającego śniegu, w wyniku różnej izolacyjności dachów i ich innej ekspozycji na promieniowanie słoneczne
W kontekście uwag wymienionych we wcześniejszym akapicie zapis w punkcie 2.2 normy PN-80/B-02010 zalecający zwiększenie wartości obciążenia charakterystycznego dla wiat i stropodachów w budynkach nieogrzewanych i nieocieplanych o 20% wydaje się być obecnie częściowo mylny i zgoła nieaktualny. Zwiększenie wartości obciążenia powinno dotyczyć wszystkich budynków ocieplonych o dobrej izolacji dachów. Jednak nawet po uwzględnieniu zalecanego w normie zwiększenia wartości obciążenia charakterystycznego o 20% w analizowanym przez nas przypadku płaskodachu w Katowicach obciążenie obliczeniowe wyniesie S = 0,941 kN/m2, które to zgodnie z danymi z tabeli 2 może być w okresie 22-letnim przekroczone w 7 przypadkach. Wskazuje to jednoznacznie na konieczność odciążania konstrukcji płaskodachów.
Odśnieżyć dach – jest to recepta prosta, ale dla laika, bo odśnieżanie dachu to praca w trudnych warunkach (oblodzenie dachu), na wysokości, a więc wymagająca odpowiednich badań i uprawnień. Odśnieżanie nie pozostaje także bez wpływu na stan pokrycia dachowego, a ludzie na dachu to jeszcze dodatkowe jego dociążenie. Po zrzuceniu śniegu z dachu problem nie kończy się, zwały śniegu nie mogą blokować wejść do hali, dróg dojazdowych itp.
Wydaje się, że łatwiejszym i tańszym rozwiązaniem jest odprowadzenie stopionego śniegu w postaci wody systemem odwodnienia do kanalizacji lub innego odbiornika wód opadowych. Powstaje przy tym problem: jak stopić śnieg. Możliwe technicznie jest podgrzewanie poszycia dachu, do czego może przekonywać np. realizowane w praktyce ogrzewanie podłogowe w wielu budynkach czy podgrzewanie stromych podjazdów; są to jednak rozwiązania drogie i trudne do wprowadzenia. Być może lepiej jest pomyśleć o stosowaniu środków chemicznych do topnienia śniegu na dachach, chociaż i to rozwiązanie nie jest idealne i wpływa na jakość poszycia dachu.
Niezależnie od metody stopnienia śniegu, problemem samym w sobie pozostaje szybkie i skuteczne odprowadzenie wody z połaci dachowej. Dla typowych płaskodachów prędkość spływu wody z połaci jest niska, co więcej – woda może stagnować następnie w zamarzniętych rynnach i nie być odprowadzana przez zamarznięte spusty znajdujące się zwykle na zewnątrz budynku. W odczuciu autora przy projektowaniu nowych hal trzeba sięgać do nowoczesnych metod służących odprowadzaniu wód deszczowych. Ich przykładami mogą być bardzo zbliżone do siebie systemy podciśnieniowego odprowadzania wód opadowych, takie jak: Pluvia firmy Geberit, FastFlow firmy Wavin czy też Vacurain firmy Dyka. {mospagebreak}

W wymienionych systemach woda jest odprowadzana szybko w sposób ciśnieniowy, spustami zlokalizowanymi we wnętrzu budynku. Z uwagi na małe średnice rur spustowych łatwo jest je zamaskować. Co ważniejsze, na zlokalizowana jest cała siatka wpustów, a więc droga i czas dopływu wody są krótkie, a ponadto każdy wpust posiada element grzewczy, który zapobiega zamarznięciu wpustu (fot. 3).

Fot. 3. Elementy systemu odprowadzania wód deszczowych Pluvia firmy Geberit przygotowywane do montażu, widoczne wloty wpustów deszczowych dachu

Funkcjonowanie tego typu systemów odwodnienia może być szczególnie korzystne w przypadku cyklicznego topnienia pokrywy w ciągu dnia i jej zamarzaniu w nocy, kiedy to z klasycznie odwodnianego dachu woda ma problemy z odpływem, a warstwa śniegu zamienia się stopniowo w lód. Analogicznie w przypadku opadu deszczu na warstwę zalegającego śniegu, w przypadku klasycznego systemu odwodnienia należy spodziewać się, że spadła woda nie odpłynie i w nocy przy spadku temperatury zamieni się w lód. Dzieje się tak, gdyż deszcz może stopić jedynie bardzo małe ilości śniegu (dla zamiany 1 g śniegu na wodę o tej samej temperaturze pochłaniane jest 330 J ciepła). Przy klasycznym systemie odwodnienia jest więc najbardziej prawdopodobne, że spadła woda zostanie uwięziona w warstwie śniegu i dodatkowo dociąży konstrukcję dachu. W przypadku systemu podciśnieniowego przynajmniej mieszanka spadłego w pobliżu wpustów deszczu ze stopionym śniegiem zostanie odprowadzona z połaci.
Kiedy należy odciążać od śniegu konstrukcje dachowe?

Fot. 4. Śniegowskaz ultradźwiękowy wchodzący w skład opracowanego zestawu przyrządów dla monitoringu pokrywy śnieżnej
Ze względu na wysokie koszty operacji odciążania od śniegu konstrukcji dachowych, działania takie należy podejmować jedynie wtedy, kiedy są niezbędne. Warto przy tym pamiętać, że warstwa śniegu na dachu to nie tylko niebezpieczeństwo, ale także dodatkowa izolacja cieplna. Podczas zimowej eksploatacji budynków wieloprzestrzennych zachodzi zatem potrzeba monitoringu stałego obciążenia od śniegu połaci dachowych i podejmowania konkretnych działań po przekroczeniu jego alarmowych poziomów. W Instytucie Budownictwa i Architektury Krajobrazu Akademii Rolniczej we Wrocławiu został skonstruowany zestaw przyrządów dla monitoringu pokrywy śnieżnej, który może w praktyce spełnić te właśnie wymagania (fot. 4, 5).

Fot. 5. Elektroniczny śniegomierz wagowy do pomiaru masy zdeponowanego śniegu, widok z góry, po otwarciu górnej części obudowy
Opracowany zestaw składa się z dwóch podstawowych elementów pomiarowych: śniegowskazu ultradźwiękowego oraz elektronicznego śniegomierza wagowego (przyrządu wagowego do pomiaru masy zdeponowanego śniegu). Główną zaletą zestawu jest możliwość prowadzenia ciągłego monitoringu zarówno warstwy, jak i masy spadłego śniegu na połaci dachu.
dr inż. PAWEŁ LICZNAR
Instytut Budownictwa i Architektury Krajobrazu Akademia Rolnicza we Wrocławiu