W wyniku wprowadzenia europejskiej normy zostały zwiększone obciążenia śniegiem w stosunku do norm krajowych i powstał problem oceny bezpieczeństwa konstrukcji zaprojektowanych według dawnych norm obciążeń.
Obciążenie śniegiem jest jednym z podstawowych oddziaływań klimatycznych, które uwzględnia się w analizie wytężenia konstrukcji budowlanych. Ma ono charakter losowy i wyznacza się je na podstawie wyników pomiarów stacji meteorologicznych [1], [13], [14]. Jednostkowym okresem obserwacji obciążenia śniegiem jest rok, za maksymalną wartość roczną przyjmuje się maksymalną wartość obciążenia z jednej zimy. Na podstawie analiz probabilistycznych maksymalnych wartości rocznych oblicza się charakterystyczne obciążenie śniegiem gruntu sk. Do jego wyznaczenia w europejskiej [10], a także w krajowej [9] normie śniegowej zastosowano rozkład prawdopodobieństwa Gumbela, dla okresu powrotu przekroczenia wartości charakterystycznej 50 lat (kwantyl 0,98; ryzyko przekroczenia wartości charakterystycznej wynosi 2%).
W normie [10] przyjęto multiplikatywny model obciążenia śniegiem dachu. Jest to model najstarszy, a zarazem najczęściej stosowany w większości światowych norm obciążania śniegiem. Wartość charakterystyczną obciążenia śniegiem dachu s wg [10] wyznacza się następująco:
– w trwałej i przejściowej sytuacji obliczeniowej
(1)
– w wyjątkowej sytuacji obliczeniowej (gdy szczególnie duże zaspy śnieżne traktuje się jako oddziaływanie wyjątkowe, stosując załącznik B do normy [10])
(2)
gdzie:
sk – wartość charakterystyczna obciążenia śniegiem gruntu [kN/m2],
mi – współczynnik kształtu dachu,
Ce – współczynnik ekspozycji,
Ct – współczynnik termiczny.
Obliczeniowe obciążenie śniegiem dachu wyznacza się ze wzoru
(3)
gdzie: gf – współczynnik obciążenia zmiennego (gf = 1,50).
Podstawowym współczynnikiem przejścia między wielkością odniesienia, jaką jest obciążenie śniegiem gruntu sk, a obciążeniem śniegiem dachu s jest współczynnik kształtu dachu mt. Ujmuje on wpływ kształtu i różnych form dachu na rozkład śniegu na połaci dachowej. Za pomocą współczynnika kształtu dachu mt uwzględnia się również wpływ oddziaływania wiatru na nierównomierny rozkład śniegu na dachu.
Współczynnik ekspozycji Ce uwzględnia ogólny wpływ wiatru na ilość gromadzącego się śniegu na dachu, biorąc pod uwagę warunki terenowe i rodzaj otoczenia projektowanego obiektu. Przyjmując jego wartość, należy rozważyć też przyszłe zmiany otoczenia budowli. Rozróżnia się teren:
– wystawiony na działanie wiatru (Ce = 0,8) – płaskie obszary bez przeszkód, otwarte ze wszystkich stron, bez osłon lub z niewielkimi osłonami uformowanymi przez teren, wyższe budowle lub drzewa;
– normalny (Ce = 1,0) – obszary, na których (z powodu ukształtowania terenu) nie występuje znaczne przenoszenie śniegu przez wiatr na budowle;
– osłonięty od wiatru (Ce = 1,2) – obszary, na których rozpatrywana budowla jest znacznie niższa niż otaczający teren albo otoczona wysokimi drzewami lub wyższymi budowlami (w przypadku budynków osłoniętych przed działaniem wiatru).
Za pomocą współczynnika termicznego, o wartościach Ct ≤ 1,0, uwzględnia się redukcję obciążenia śniegiem na skutek przenikania ciepła przez dach. Dotyczy to przede wszystkim szklarni. Przy stosowanej obecnie izolacji cieplnej dachów przyjmuje się na ogół współczynnik Ct = 1,0.
Nierównomierne obciążenie śniegiem może być szczególnie niekorzystne np. w przypadku dachów łukowych i kopuł. Taki schemat obciążenia może również wystąpić w przypadku niewłaściwej kolejności odśnieżania dachu.
Rys. 1 Przykład wyników pomiaru grubości pokrywy śnieżnej na dachu wielopołaciowym w Ottawie [12]
Analiza czynników wpływających na obciążenie dachu śniegiem
Współczynniki kształtu dachu mi służą do modelowania (przyjęcia schematu) rozkładu obciążenia śniegiem na połaci dachu. Uwzględniają one geometryczne cechy dachu, oddziaływanie wiatru oraz ukształtowanie geometryczne dachów sąsiednich. Są to deterministyczne współczynniki konwersji. Określono je na podstawie doświadczeń z eksploatacji istniejących budynków, dość skąpych danych eksperymentalnych, albo jako wartości średnie lub jako wartości arbitralnie ustalone czy też kąta spadku dachu. Przykład wyników badań rozkładu grubości pokrywy śnieżnej na dachu wielopołaciowym w Ottawie pokazano na rys. 1 [12].
Pokrywa śnieżna na połaci dachu budynku może się rozkładać na wiele różnych sposobów. O jej kształcie decydują nie tylko cechy geometryczne i właściwości termiczne dachu, ale także m.in. warunki klimatyczne (np. wietrzność, nasłonecznienie połaci, zmiany temperatury między nocą a dniem, opady nie tylko śniegu, ale również deszczu) oraz bliskość sąsiednich budynków i inne uwarunkowania miejscowe. Analizę tych czynników przedstawiono m.in. w [4], [6], [11], [12] i [14].
Zasadniczymi czynnikami, które uwzględnia się w określeniu normowych wartości współczynników kształtu dachu mi, są parametry geometryczne połaci dachowej oraz oddziaływanie wiatru. Na rys. 2 [4] pokazano wpływ wiatru na formowanie się pokrywy śnieżnej dla różnych kształtów dachu (dwuspadowego i łukowego w budynku dwunawowym oraz o małym spadku z przeszkodami w budynku jednonawowym).
Rys. 2 Wpływ oddziaływania wiatru na formowanie się pokrywy śnieżnej na dachach o różnych kształtach ich połaci: a) dach dwuspadowy w budynku dwunawowym, b) dach łukowy w budynku dwunawowym, c) płaski dach z przeszkodami i uskokami w budynku jednonawowym [4]
Zjawiskiem silnie wpływającym na kształt pokrywy śnieżnej na dachu jest oddziaływanie wiatru (rys. 1 i 2). Jeśli prędkość wiatru nie przekracza 4–5 m/s, to śnieg układa się na dachu w sposób równomierny. Pod wpływem silniejszego wiatru, już podczas opadu śniegu, dochodzi do nierównomiernego rozłożenia pokrywy śnieżnej na dachu. Ponadto pokrywa śnieżna na dachu podatna jest na redystrybucję pod wpływem wiatru, choć bardzo w różnym stopniu. Cząstki śniegu mogą być transportowane z miejsca, gdzie opadły, i przenosić się na sąsiednie miejsca. Wiatr powoduje ubytki pokrywy śnieżnej w pewnych rejonach i jej przyrosty w innych. Konsekwencją tego może być nierównomierne obciążenie dachu śniegiem, a także formowanie się za przeszkodami zasp śnieżnych (worków śnieżnych). Stąd w [10] przyjęto schematy obciążenia śniegiem dachu rozłożonego:
– równomiernie (schematy wynikające jedynie z kształtu dachu – bez przemieszczania się śniegu),
– nierównomiernie (schematy wynikające z przemieszczania się śniegu z jednego miejsca dachu na inne, np. przez wiatr).
Nierównomierne obciążenie śniegiem może być szczególnie niekorzystne w przypadku konstrukcji wrażliwych na tego rodzaju układy obciążeń (np. dachy łukowe, kopuły). Taki schemat obciążenia może również wystąpić w przypadku niewłaściwej kolejności odśnieżania dachu i znane są przypadki awarii spowodowane taką przyczyną. Między innymi mechanizm katastrofy hali Międzynarodowych Targów Katowickich w Chorzowie [3] został zainicjowany w wyniku niewłaściwego odśnieżenia tylko części połaci, tj. wystąpienia nierównomiernego schematu obciążenia dachu.
Rys. 3 Tworzenie się zasp śnieżnych na zawietrznych stronach przeszkód: a) attyki, b) świetlika, c) reklamy, szyldu, billboardu
W wyniku oddziaływania wiatru dochodzi do akumulacji wtórnej w miejscach osłoniętych dachów – w cieniu aerodynamicznym. Dlatego często na takich dachach pojawiają się zaspy śnieżne (worki śnieżne), czyli wysokie warstwy śniegu po stronach zawietrznych przeszkód (tj. nadbudówek, attyk – rys. 3a, świetlików – rys. 3b, paneli baterii słonecznych, reklam, szyldów, billboardów – rys. 3c, itp.) i większe obciążenie połaci zawietrznej na dachach np. dwuspadowych lub łukowych.
W publikacjach [5] i [7] przedstawiono katastrofę części dachu hali za ażurową reklamą i attyką. Na uszkodzonej połaci za reklamą warstwa śniegu tworzyła zaspę o trapezowym przekroju i wysokości ponad 0,6 m, o schemacie wg rys. 3c. Reklama miała wysokość 3,0 m i wystawała ponad attykę 0,5 m. Jej parametry geometryczne sprawiły, że reklama działała jak klasyczny przydrożny płotek przeciwśnieżny, który spowodował utworzenie się zaspy śnieżnej na dachu obiektu, doprowadzając do jego katastrofy.
Ostatnio na dachach budynków montowane są baterie paneli słonecznych. Ze względu na możliwość tworzenia się wokół nich zasp śnieżnych dachy takich obiektów powinny być sprawdzane ze względu na zwiększane lokalnie obciążenia śniegiem (fot.).
Fot. Baterie paneli słonecznych na dachu budynku, przy których mogą się tworzyć zaspy śnieżne
Istotnym czynnikiem wpływającym na obciążenia śniegiem dachu jest kąt pochylenia połaci dachowej. Im kąt nachylenia dachu jest mniejszy, tym trudniej odprowadzić z niego opady atmosferyczne. Na quasi-płaskich dachach trzeba zastosować lepsze (a często droższe) materiały wodoizolacyjne. Należy również zwrócić uwagę, że pod wpływem obciążenia śniegiem w takich dachach o dużej rozpiętości ugięcie będzie duże i może utworzyć się niecka, w której będzie się zbierać lodośnieg. Niepoprawne odprowadzenie wody z dachu może powodować gromadzenie się lodu i w efekcie zwiększenie obciążenia śniegiem dachu. Taka sytuacja była jedną z przyczyn katastrofy hali Międzynarodowych Targów Katowickich w Chorzowie [3].
Wobec powyższego można sformułować następujące zalecenia:
– nie należy stosować dachów bez odpowiednich spadków połaci i bez zapewnienia skutecznego odprowadzenia wody, gdyż grozi to nawadnianiem śniegu leżącego na dachu i zwiększaniem jego ciężaru objętościowego;
– nie należy stosować dachów z dużymi uskokami połaci, typu wysokich świetlików ze ścianami pionowymi (przy których tworzą się zaspy śnieżne).
prof. dr hab. inż. Antoni Biegus
Politechnika Wrocławska
Piśmiennictwo
1.A. Biegus, Obciążenie śniegiem według norm PN-80/B-02010/Az1 oraz PN-EN 1991-1-3:2005, „Builder” nr 12/2006.
2. A. Biegus, Podstawy projektowania konstrukcji. Oddziaływania na konstrukcje. Projektowanie konstrukcji stalowych, Zeszyt Edukacyjny nr 1, Builder 2011.
3. A. Biegus, K. Rykaluk, Katastrofa hali Międzynarodowych Targów Katowickich w Chorzowie, „Inżynieria i Budownictwo” nr 4/2006.
4. J. Buska, W. Tabiason, Minimizing the adverse effects of snow and ice on roofs, International Conference on Building Envelope Systems and Technologies ICBEST-2001 Ottawa, Canada.
5. W. Burakowska, Katastrofy budowlane, „Inżynier Budownictwa” nr 2/2006.
6. A. Flaga, Analiza wpływu różnych czynników na obciążenie śniegiem dachów, XXIII Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane 2007.
7. W. Pieśla, Konsekwencje obciążenia dachu „workiem śnieżnym”, „Wiadomości Projektanta Budownictwa” nr 8/2006.
8. PN-80/B-02010 Obciążenia w obliczeniach statycznych – Obciążenia śniegiem.
9. PN-80/B-02010/Az1:2006 Obciążenia w obliczeniach statycznych – Obciążenia śniegiem.
10. PN-EN 1991-1-3:2005 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3: Oddziaływania ogólne. Obciążenia śniegiem, PKN, Warszawa 2005.
11. A. Rawska-Skotniczy, Obciążenia budynków i konstrukcji budowlanych według Eurokodów, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2013.
12. D.A. Taylor, Roof snow loads in Canada, „Canadian Journal of Civil Engineering”, vol. 7, No 1, 1980.
13. J.A. Żurański, Obciążenie śniegiem w ujęciu nowej normy PN-EN 1991-1-3:2003, „Inżynieria i Budownictwo” nr 2/2006.
14. J.A. Żurański, A. Sobolewski, Obciążenia śniegiem w Polsce, ITB, Warszawa 2009.
Zwykle powstają budynki o dostatecznej nośności do przeniesienia obciążenia zgodnego z normą śniegową. Jeśli jednak opady śniegu są bardzo intensywne i obciążenie jest większe od normowego, konieczne jest jego usuwanie z dachu.
W Polsce rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 marca 2009 r. sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2009 r. Nr 56, poz. 461), w § 204 ust. 7 nakłada obowiązek stałej kontroli parametrów istotnych dla bezpieczeństwa konstrukcji budynków użyteczności publicznej przeznaczonych do przebywania wielu osób.
Sposobem uniknięcia lub ograniczenia skutków nadmiernego obciążenia śniegiem dachów jest stosowanie systemów monitoringu i ostrzegania przed nadmiernym ich obciążeniem. Monitorowanie pomaga osobom odpowiedzialnym w podjęciu decyzji związanych z odśnieżaniem dachu (najczęściej decyzji o braku konieczności jego odśnieżania). Koszty systemu monitoringu obciążenia dachu są znacząco mniejsze niż te, które trzeba przeznaczyć na jego ewentualne niepotrzebne odśnieżanie czy też wzmocnienie lub remont po uszkodzeniu.
Rys. 1 Przykład wyników pomiaru grubości pokrywy śnieżnej na dachu wielopołaciowym w Ottawie [12]
Rys. 2 Wpływ oddziaływania wiatru na formowanie się pokrywy śnieżnej na dachach o różnych kształtach ich połaci: a) dach dwuspadowy w budynku dwunawowym, b) dach łukowy w budynku dwunawowym, c) płaski dach z przeszkodami i uskokami w budynku jednonawowym [4]
Rys. 3 Tworzenie się zasp śnieżnych na zawietrznych stronach przeszkód: a) attyki, b) świetlika, c) reklamy, szyldu, billboardu
Fot. Baterie paneli słonecznych na dachu budynku, przy których mogą się tworzyć zaspy śnieżne
