Wiatry, dachy i pokrycia dachowe

Oddziaływanie wiatru na budynki określają dwie normy. Normy te wraz z przykładowymi obliczeniami i szerokimi wnioskami były szczegółowo omawiane na łamach prasy budowlanej. Ominę czysto inżynierską stronę zagadnienia, tym bardziej że zrobili to autorzy znacznie bieglejsi w temacie ode mnie. Chcę natomiast w przystępny sposób przedstawić pewne zjawiska występujące na dachach, a co za tym idzie problemy, z którymi boryka się producent dachówek. Chcę też zwrócić uwagę, że mimo wyraźnej zmiany w podejściu do projektowania i (a może zwłaszcza) wykonywania dachów, niestety nie wszystko jest pod kontrolą człowieka.

Czytaj też: Jak zmiany klimatu wpływają na budynki i ich otoczenie?

Nagłe wiatry i alerty

„ALERT RCB czwartek 13 czerwca 2019. Uwaga! Po południu i w nocy silny wiatr, burze i grad. Możliwe przerwy w dostawie prądu. Nie chowaj się pod drzewami. Jeśli możesz, zostań w domu."

„ALERT RCB poniedziałek 01 lipca 2019. Uwaga! Dziś i w nocy bardzo silny wiatr, burze i grad. Możliwe przerwy w dostawie prądu. Nie chowaj się pod drzewami. Jeśli możesz, zostań w domu."

Pierwszego lipca po południu siedziałem na tarasie i obserwowałem dynamicznie zmieniające się, szybko napływające ciemne chmury. Wiatr był nawet przyjemny, a ja lubię wiatr. Jednak w kilka minut niebo pociemniało całkowicie, a wiatr w jednej sekundzie przestał być przyjazny. Poprzewracał donice oraz podniósł chmury pyłu z ulicy. Lało i wiało raptem godzinę. Może nawet krócej. A potem, jakby znikąd, wyszło słońce i wszystko ustało. U sąsiada blaszany garaż był przesunięty o dobry metr.

Fot, stock.adobe.com / Frank

Coraz częściej występują w Polsce nawałnice z niszczycielskim wiatrem

Myślę, że wszyscy dostajemy Alerty RCB. Kiedy to się zaczęło? Najsławniejsza chyba nawałnica miała miejsce w połowie sierpnia 2008 r. Dotknęła znaczne obszary całej Polski, zjawisko przestało mieć charakter lokalny. Burza, choć to złe słowo, zaczęła się na Opolszczyźnie, przeszła przez centralną Polskę, a skończyła na Podlasiu. To właśnie wtedy trąba powietrzna przewróciła autokar zespołu „Śląsk", co można zobaczyć w internecie. Nawałnica opisana została nawet w Wikipedii, w której wydarzenie podsumowano tak: „Kataklizm na swojej drodze uszkodził lub zniszczył 770 budynków. Uwzględniając wielkość oraz rodzaj szkód, ocenia się, że w kilku miejscowościach wystąpiło tornado o sile T8 w skali TORRO. Oznacza to, że wiatr w wirze mógł osiągać prędkość około 300 km/h (84 m/s), a nawet 333-419 km/h.” Do skali tornad wrócę nieco później.

Dachówki a silny wiatr

Dawno, dawno temu, przed siedmioma burzami i ośmioma tornadami – tak można by zacząć opowieść dla dzieci – pewien stereotyp głosił, że dachówki mocuje się do dachu, aby nie spadały. W sumie ten stereotyp jest całkowicie błędny. Poprawnie położone dachówki masowo nie spadają z dachu, oczywiście z pewnymi wyjątkami. Wyjątkami takimi są dachy o bardzo dużych spadkach oraz pojedyncze przypadki pękniętych z jakichś powodów dachówek, które rzeczywiście mogą zsunąć się z połaci. Dachówki mogą natomiast z dachu „odlecieć". A dla zachowania obiektywizmu dodam, że każdy rodzaj pokrycia dachowego może z dachu lub z dachem „odlecieć". Tu chodzi o wiatr, a dokładniej o jego siłę ssącą.

Dlaczego dachówki i dachy "latają"?

Upraszczając nieco sprawę i używając żargonu żeglarskiego, jest tak, że od strony nawietrznej połacie dachu są „dociskane" przez wiatr. Krokwie są „zginane”, a cały dach jest „pchany" przez wiatr. Te właśnie siły parcia wiatru (obok obciążenia śniegiem i paru innych składowych) uwzględnia konstruktor przy obliczeniach wytrzymałościowych konstrukcji dachu.

A co się dzieje od zawietrznej? Strumień powietrza przemieszczający się wzdłuż krokwi do góry, przechodzący przez kalenicę i opadający po przeciwnej stronie (po zawietrznej właśnie) w dół, przyspiesza i przypomina zachowanie powietrza przemieszczającego się po skrzydle samolotu. Skrzydło jest tak skonstruowane, że linia tworząca górną powierzchnię jest dłuższa niż ta tworząca dolną. Zatem samolot rozpędzając się, przecina skrzydłami powietrze. Cząsteczki powietrza, napotykając profil skrzydła, a dokładniej powierzchnię natarcia, omywają je od dołu lub od góry, spotykając się po chwili za skrzydłem. Cząsteczki powietrza nad skrzydłem mają nieco dłuższą drogę do pokonania niż te pod skrzydłem. Skoro tak, to te nad skrzydłem muszą się poruszać nieco szybciej niż te pod nim.

No i już tylko jeden krok do wyjaśnienia, dlaczego samolot lata. Wraz ze wzrostem prędkości przepływu powietrza nad skrzydłem spada ciśnienie. Samolot jest przez powietrze nad skrzydłami zasysany ku górze. Im szybciej samolot leci, tym większa siła nośna powstaje na skrzydłach. Im większa prędkość wiatru, tym większa siła ssąca na zawietrznej stronie dachu. W pewnym uproszczeniu: dachówki są z dachu wysysane na skutek tego samego zjawiska, jakie powstaje nad skrzydłem samolotu.

Wiatr w ogóle z dachami potrafi zrobić wiele. Na przykład przenieść go na pole do sąsiada albo przerzucić jedną połać przez kalenicę na przeciwną stronę, lub zrolować jak kawałek sukna na garnitur. Takie sytuacje zdarzają się właśnie w czasie gwałtownych burz i nawałnic, a dokładniej przy dużych prędkościach wiatru. Skutki nawałnic pokazywane są w wiadomościach na wszystkich możliwych kanałach telewizyjnych oraz masowo na kanale YouTube. Generalnie rzecz ujmując, dachy mają całkiem niezłe parametry aerodynamiczne i gdyby nie mocowanie pokrycia do łat, łat do krokwi, krokwi do murłat, a murłat do ścian, to całe dachy szybowałyby prawdopodobnie dość często, tyle że może niekoniecznie na długich dystansach, Czy te siły ssące rzeczywiście są tak duże?

Wiatry – prędkości krytyczne

Wyobraźmy sobie największe dzieło Airbusa. Dwupoziomowy A380. Po prostu ogromny. Masa startowa, w zależności od wersji, wynosi 560-590 ton. Silniki rozpędzają tego kolosa do niemal 1000 km/h. I aż ciśnie się na usta: nie powinien, a lata. Przy jakiej prędkości ten samolot odrywa się od ziemi? Otóż prędkość startowa A380 kształtuje się na poziomie 280 km/h. Przy niej na skrzydłach powstaje siła potrafiąca unieść niemal 600 ton.

A jaka jest powierzchnia skrzydeł A380? Wynosi ona 845 m². Zatem (tu kolejny raz upraszczając) metr kwadratowy skrzydła dźwiga przy starcie średnio ok. 650-700 kg. Oczywiście skrzydło samolotu ma wyjątkowy, aerodynamiczny kształt, wyjątkową konstrukcję i, tu pozwolę sobie na osobistą uwagę, wyjątkową też elegancję. Ale dlaczego prawa fizyki miałyby nie obowiązywać na dachu? Główna zasada jest taka sama. Opiera się przecież na kształcie elementu i prędkości wiatru. Prędkości startowe samolotów wynoszą mniej więcej 200-300 km/h, w zależności od ich masy.

A jakie są prędkości wiatrów podczas trąb powietrznych czy tornad? Tu przypomnę, że w kilku miejscowościach w Polsce, podczas wspomnianych wydarzeń z sierpnia 2008 r„ wystąpiło tornado o sile T8 w skali TORRO. Oznacza to, że wiatr w wirze mógł osiągać prędkość ok. 300 km/h (84 m/s), a nawet więcej.

Skale tornad są dwie. Pierwsza to TORRO właśnie, a druga to skala Fujity. Skala TORRO odnosi się do prędkości wiatru w wirze. Zauważmy, że prędkości wiatru w wirze w sierpniu 2008 r. przekraczały znacznie prędkości startowe największego samolotu pasażerskiego świata. Uniosłyby go. No to cóż za problem podnieść „dach” albo zrujnować dom?

Tab. Skala TORRO

Z kolei skala Fujity (oznaczenia F0-F6) powstała w latach 60. ubiegłego wieku i odnosi się do zniszczeń, jakie powoduje tornado. Najnowsza, ulepszona i doprecyzowana jej wersja ma oznaczenia od EFO do EF5 (poniżej). Zwracam uwagę, że uszkodzenia lub zerwania dachów są w tej skali wręcz wskaźnikiem obrazującym siły/prędkości wiatru. I tak:

• EFO – wiatr o prędkości od 105 do 137 km/h (średnica zazwyczaj ok. 10 m, uszkodzenia dachów domów, wyrywane gałęzie drzew);
• EF1 – wiatr o prędkości od 138 do 178 km/h (średnica zazwyczaj ok. 30 m, zerwane dachy, przewrócone i zniszczone przyczepy kempingowe);
• EF2 – wiatr o prędkości od 179 do 218 km/h (średnica zazwyczaj ok. 100 m, zerwane dachy z solidnych konstrukcji, duże drzewa wyrwane z korzeniami, lekkie samochody podniesione z ziemi);
• EF3 – wiatr o prędkości od 219 do 266 km/h (średnica zazwyczaj ok. 250 m, zniszczone całe piętra solidnych domów, uszkodzenia dużych budynków, wykolejone pociągi, podniesione z ziemi cięższe samochody);
• EF4 – wiatr o prędkości od 267 do 322 km/h (średnica zazwyczaj ok. 500 m, solidne domy zrównane z ziemią, samochody wyrzucone w powietrze);
• EF5 – wiatr o prędkości powyżej 322 km/h (średnica zazwyczaj ok. 1000 m, domy o silnym szkielecie zrównane z ziemią do fundamentów, samochody stające się pociskami przelatującymi do 100 m, wieżowce ze zdeformowaną konstrukcją).

Jaką siłę miały tornada w Polsce? Otóż 20 lipca 2007 r. w kraju miała miejsce cała seria trąb powietrznych. F3 to siła, jaką mogło wówczas osiągnąć tornado w gminie Kłomnice.

A we wspomnianym wcześniej sierpniu 2008 r. ocenia się na podstawie strat, że tornado, które przeszło w okolicach Strzelec Opolskich, mogło mieć siłę F4. Wiatr zrywał wówczas całe piętra domów, nie mówiąc o dachach, i przewracał ciężarówki na autostradzie A4. Częstotliwość zjawisk chyba nasila się, ale, jak się okazuje, tornada nie są w Polsce wcale czymś nowym. I tak, całkiem niedawno, bo w lipcu 1931 r. tornado wystąpiło niedaleko Lublina. Prędkość wiatru wynosiła wówczas 110-145 m/s, czyli ok. 400-500 km/h. Zatem można by je sklasyfikować prawdopodobnie jako F4/F5 wg „starej” skali Fujity. Wiatr kładł wówczas w gruzach budynki o murach grubych na 50 cm, przewracał załadowane wagony kolejowe. I znów o dachach trudno tu nawet wspominać, nie mówiąc już o samych pokryciach dachowych. Współczesne analizy historycznych zdjęć sugerują jednak niższą siłę wiatru, niż wówczas sądzono.

Przemysław Spych
doradca techniczny Braas

Polecamy: Możliwe straty spowodowane w Polsce wichurami, trąbami powietrznymi i szkwałami