Obciążenie śniegiem w Polsce w projektowaniu i diagnostyce konstrukcji

Transkrypt

1 SCIENTIFIC STUDIES Monographs PRACE NAUKOWE Monografie Jerzy Antoni Żurański, Andrzej Sobolewski Obciążenie śniegiem w Polsce w projektowaniu i diagnostyce konstrukcji Snow loads in Poland in designing and diagnostics of structures Warszawa 2016

2 KOMITET REDAKCYJNY Redaktor naczelny prof. dr hab. inż. LECH CZARNECKI Zastępcy redaktora naczelnego prof. dr inż. LESŁAW BRUNARSKI dr inż. JADWIGA FANGRAT Sekretarz dr MICHAŁ GAJOWNIK Członkowie dr hab. inż. PAWEŁ LEWIŃSKI dr inż. TERESA MOŻARYN mgr inż. JAN SIECZKOWSKI dr inż. EWA SZEWCZAK dr inż. SEBASTIAN WALL Recenzenci prof. dr hab. inż. ANTONI BIEGUS prof. dr hab. inż. MARIAN GWÓŹDŹ Redakcja dr MIACHAŁ GAJOWNIK Opracowanie komputerowe SŁAWOMIR KOSIARSKI Copyright by Instytut Techniki Budowlanej Warszawa 2016 Czterysta sześćdziesiąta czwarta pozycja Prac Naukowych ITB ISBN ISBN (PDF) Wydawca i Autorzy dołożyli wszelkich starań, aby publikowane informacje pochodziły z rzetelnych źródeł. Wydawca nie ponosi odpowiedzialności ani też nie zaciąga zobowiązań w wyniku wykorzystania przez użytkowników treści niniejszej publikacji. W szczególności nie ponosi odpowiedzialności w stosunku do czytelników i/lub strony trzeciej za jakiekolwiek poniesione straty, wydatki i szkody bezpośrednie i pośrednie, łącznie z utratą zysku i innych korzyści majątkowych, które mogły powstać lub być związane bezpośrednio lub pośrednio z treściami opublikowanymi, w tym ewentualnymi błędami lub pominięciami zawartymi w publikowanych materiałach. Sekcja Wydawnictw Naukowych Warszawa, ul. Ksawerów 21, tel.: fax: , wydawnictwa@itb.pl, 2

3 Spis treści Streszczenie... 5 Summary Wstęp Cel i zakres pracy Modele obciążenia śniegiem dachu Dotychczasowe prace Dane pomiarowe ciężaru pokrywy śnieżnej w Polsce Stacje i posterunki meteorologiczne mierzące pokrywę śnieżną Zasoby danych pomiarowych ciężaru pokrywy śnieżnej Charakterystyka pokrywy śnieżnej na gruncie Wprowadzenie Pomiary śniegu. Dokładność pomiarów Wyniki pomiarów pokrywy śnieżnej na stacjach meteorologicznych Zmienność w czasie wartości maksymalnych rocznych ciężaru i grubości pokrywy śnieżnej Metoda opracowania danych pomiarowych obciążenia śniegiem gruntu Wprowadzenie Wybór rozkładu prawdopodobieństwa Metody estymacji parametrów rozkładu Gumbela Oszacowanie błędu prognozy wartości charakterystycznej Sk Wyniki opracowania danych pomiarowych obciążenia śniegiem gruntu. Wartości prognozowane Podstawowe charakterystyki statystyczne obciążenia śniegiem gruntu oraz wartości parametrów rozkładu Gumbela Rozkład terytorialny wartości prognozowanych Zależność obciążenia śniegiem gruntu od wysokości nad poziomem morza Wyjątkowe obciążenie śniegiem gruntu Definicja wyjątkowego obciążenia śniegiem Częstość występowania wyjątkowego obciążenia śniegiem gruntu Wartości wyjątkowego obciążenia śniegiem gruntu Rozkład terytorialny wyjątkowego obciążenia śniegiem gruntu Długotwałość obciążenia śniegiem Metoda opracowania Wykorzystanie wyników Awarie i katastrofy dachów pod ciężarem śniegu w Polsce Awarie i katastrofy w latach siedemdziesiątych XX wieku Katastrofy podczas zimy 2005/ Katastrofa hali MTK w Chorzowie

4 10. Obciążenie śniegiem w dawnych przepisach i normach polskich Dawne polskie normy i przepisy Polska Norma z 1980 roku Obciążenie śniegiem w aktualnych normach polskich Metoda strefowania obciążenia śniegiem Przyjęte wartości charakterystyczne i podział kraju na strefy obciążenia śniegiem Dylematy ustalania wartości charakterystycznych i podziału kraju na strefy obciążenia śniegiem Zmiany na mapie obciążenia śniegiem w Polsce Obciążenie śniegiem w diagnostyce konstrukcji Postawienie zadania Procedury wyznaczania ekstremalnych wartości obciążenia śniegiem w diagnozowaniu konstrukcji Komentarz do procedur Odśnieżanie dachów Wprowadzenie Konstrukcje istniejące i projektowane według nowych norm Ocena konieczności i warunki odśnieżania dachów Kierunki dalszych prac Podsumowanie Bibliografia Załącznik 1. Charakterystyka stacji i posterunków meteorologicznych Załącznik 2. Dane pomiarowe wartości maksymalnych zimowych obciążenia śniegiem gruntu ze stacji i posterunków meteorologicznych w Polsce z lat 1950/ / Załącznik 3. Wartości maksymalne zimowe obciążenia śniegiem gruntu w Polsce w latach 1950/ /2010. Wykresy Załącznik 4. Wyniki obliczeń Załącznik 5. Wykresy rozkładów empirycznych wartości maksymalnych zimowych obciążenia śniegiem gruntu na siatce probabilistycznej rozkładu Gumbela

5 OBCIĄŻENIE ŚNIEGIEM W POLSCE W PROJEKTOWANIU I DIAGNOSTYCE KONSTRUKCJI Streszczenie W monografii przedstawiono wyniki analizy statystycznej i probabilistycznej obciążenia śniegiem gruntu na obszarze Polski jako wielkości odniesienia w ocenie obciążenia śniegiem dachów. Omówiono techniki i metody pomiarowe pokrywy śnieżnej na gruncie, stosowane w Polsce, oraz podano przykładowe wyniki pomiarów grubości pokrywy śnieżnej, ciężaru objętościowego śniegu i obciążenia śniegiem gruntu. Do analizy statystycznej i probabilistycznej wykorzystano wartości maksymalne obciążenia śniegiem gruntu wybrane z każdej zimy z lat ze 115 stacji i posterunków meteorologicznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego. Wartości charakterystyczne obciążenia śniegiem gruntu, o okresie powrotu 50 lat, oszacowano za pomocą rozkładu prawdopodobieństwa wartości ekstremalnych, zwanego rozkładem Gumbela, którego parametry szacowano metodą największej wiarygodności. Wyniki przedstawiono tabelarycznie oraz graficznie w postaci wykresów i map terytorialnego rozkładu obciążenia śniegiem w Polsce. Omówiono metodę ustalania strefowych wartości obciążenia śniegiem, przedstawiono nowy podział kraju na strefy obciążenia przyjęty przez Polski Komitet Normalizacyjny i opublikowany w załączniku krajowym do normy europejskiej oraz w zmianie do dotychczasowej normy polskiej. W monografii przedstawiono ocenę wyjątkowych wartości obciążenia śniegiem gruntu oraz długotrwałości występowania określonych wartości obciążenia śniegiem. Omówiono awarie i katastrofy konstrukcji pod ciężarem śniegu w Polsce w latach Szczególną uwagę poświęcono wynikom pomiarów i analiz obciążenia śniegiem wykonanym po katastrofie hali MTK w Chorzowie w styczniu 2006 r. W pracy omówiono dotychczasowe przepisy i normy polskie ustalające obciążenie śniegiem dachów, poczynając od końca XIX w. aż po normy aktualne. Przedstawiono także kierunki dalszych prac, zaproponowane przede wszystkim na podstawie wyników pomiarów i analiz wykonanych po katastrofie hali MTK w Chorzowie. Omówiono problemy diagnostyki konstrukcji zaprojektowanych w czasie obowiązywania norm, w których normowe obciążenie śniegiem było mniejsze, niekiedy znacznie, w stosunku do norm aktualnych. Przedstawiono także zagadnienia związane z odśnieżaniem dachów. W pięciu załącznikach podano: 1) współrzędne geograficzne i krótkie opisy stacji i posterunków meteorologicznych IMGW-PIB, z których wykorzystano wyniki pomiarów; 2) analizowane dane pomiarowe; 3) wykresy wieloletnich przebiegów zimowych wartości maksymalnych obciążenia śniegiem gruntu w latach ; 4) wyniki obliczeń statystycznych i probabilistycznych; 5) wykresy na siatce probabilistycznej Gumbela wartości obciążenia zmierzonych przez 115 stacji i posterunków. 5

6 SNOW LOADS IN POLAND IN DESIGNING AND DIAGNOSTICS OF STRUCTURES Summary This monograph deals with snow loads in Poland. The main part consists of the statistical and probabilistic analysis of the snow loads on the ground as the reference values for the assessment of snow loads on roofs. The methods and techniques used in Poland for measurements of snow cover on the ground are described as well as examples of snow cover height, water equivalent and snow load on the ground. Yearly (winter) maxima of snow cover weight, directly measured at 115 meteorological stations and posts belonging to the Institute for Meteorology and Water Management State Research Institute during the years were statistically elaborated. Empirical distributions were approximated by the Gumbel probability distribution of extremes. Parameters of the Gumbel distribution were estimated using maximum likelihood method and characteristic values of the snow loads on the ground were calculated for the 50-year return period. Results are presented in tables, graphs and maps. On the base of these results an approach to the elaboration of the snow load zones and their new map of Poland were presented which has been approved and published by Polish Committee for Standardization in the national annex to the Eurocode for snow loads as well as in the change to existing Polish Standard. Exceptional snow loads on the ground are discussed as well as the duration of given values of snow load. An analysis of structural failures under snow loads in Poland in is presented. Special attention has been paid to the snow measurements and analyses done after the collapse of the Katowice Exhibition Hall in Chorzów in January They are important for modelling of snow loads on roofs. However, structural problems of that collapse are not discussed here. Problems of the diagnostic of existing structures designed according to old standards with much smaller snow load as well as the problems of snow removal from roofs are discussed. Old and existing Polish provisions and standards, from the end of XIX century to nowadays are shortly described. Further researches and codification works are briefly outlined. Five annexes consist of: 1) geographical coordinates and brief descriptions of 115 meteorological stations and posts belonging to the Institute for Meteorology and Water Management State Research Institute, from which the data have been used; 2) all snow data elaborated in the monograph; 3) graphs of yearly runs of the maximum snow data during ; 4) results of statistical and probabilistic calculations; 5) Gumbel probability plots of yearly maxima of snow loads on the ground from 115 stations and posts. 6