Uszkodzenia udynków wywołane huraganowym wiatrem Cz. Rodzaje i skale wiatrów huraganowych W połowie sierpnia trąy powietrzne uszkodziły w Polsce lisko 800 udynków, wiele z nich nie nadaje się do remontu. Szkody można zmniejszyć w przyszłości odpowiednio projektując i wykonując, a także naprawiając i wzmacniając udynki. Radomsko i Gorzkowice po huraganie (sierpień 008 r.). Każdy oiekt udowlany powinien yć zaprojektowany i wykonany zgodnie z odpowiednimi przepisami techniczno-udowlanymi i powiązanymi z tymi przepisami normami. Należą do nich także normy oddziaływań klimatycznych. Powszechnie przyjęto, że wartości charakterystyczne tych oddziaływań, podane w normach, powinny mieć okres powrotu 50 lat. Oznacza to, że powinny to yć wartości, które ywają przewyższane średnio raz na 50 lat. Takie wartości wyznacza się opracowując, za pomocą metod statystyki matematycznej i rachunku prawdopodoieństwa, wyniki pomiarów wykonywanych przez stacje meteorologiczne. Jednak nie wszystkie zdarzenia dają się opisać za pomocą dotychczas stosowanych metod. Należą do nich zdarzenia rzadkie, lecz o charakterze katastrofalnym, takie jak huragany lu trąy powietrzne. W Europie rośnie częstość występowania huraganów i trą powietrznych. Zmusza to do zajęcia się zagadnieniem wpływu tych zwiększonych oddziaływań na konstrukcje. W artykule przedstawiono zagadnienia, związane z oddziaływaniem huraganowych wiatrów na udowle, z którymi może mieć do czynienia inżynier udownictwa w swojej praktyce zawodowej. Rodzaje wiatrów katastrofalnych w Polsce stnieje kilka rodzajów wiatrów, które przynoszą zagrożenia dla konstrukcji. Można je nazwać wiatrami huraganowymi alo katastrofalnymi. W Polsce można wyróżnić ich cztery główne rodzaje [7]: 1. Wiatry sztormowe, wywoływane rozległymi i głęokimi układami niżowymi w umiarkowanych szerokościach geograficznych, od około 40 o do około 60 o. Układy te mogą Fot. Biuro Prasowe Wojewody Łódzkiego 5 nżynier Budownictwa WrzeSień 008
się rozciągać na odległości 1000 km i większe. W takim układzie niżowym silny wiatr o prawie niezmiennym kierunku, chociaż o różnej intensywności, może trwać kilka dni. Do tego rodzaju wiatru odnosi się przede wszystkim stacjonarny przepływ turulentny w warstwie przyziemnej. W naszym kraju jest to najczęstszy rodzaj silnego wiatru, zwłaszcza na wyrzeżu. Najsilniejsze wiatry tego rodzaju występują w okresie od jesieni do wiosny.. Wiatry urzowe, towarzyszące gwałtownym urzom w czasie przejścia frontu chłodnego. Oejmują one zwykle dość ograniczony oszar i trwają kilka do kilkunastu minut. Charakteryzują się niestacjonarnym przeiegiem prędkości, gwałtownymi porywami przy stosunkowo niskiej prędkości średniej. 3. Wiatry fenowe w górach, u nas zwane wiatrem halnym, powstają w wyniku wpływu łańcucha górskiego na przepływ powietrza w głęokim układzie niżowym. Wiatr halny rozwija się na zawietrznych skłonach gór, jest silnie porywisty, powietrze jest suche i ciepłe. W Polsce jest to wiatr południowy w Karpatach, a zwłaszcza w Tatrach. 4. Tornada, lokalne trąy powietrzne, występujące najczęściej na rozległych, płaskich oszarach o klimacie kontynentalnym. U nas zdarzają się lokalnie, o stosunkowo ograniczonym zasięgu, lecz Rys. 1. Zależność współczynnika strat od prędkości wiatru w odniesieniu do udynków występujących w Europie Środkowej wsp. strat [%] 100 80 60 40 0 wsp. strat udynków lekkich masywnych w Europie Œrodkowej 0 0 0 40 60 80 100 10 140 F- F-1 F0 F1 F F3 F4 F5 skala Fujity o znacznej gwałtowności. Ostatnią, o stosunkowo szerokim zasięgu, yła trąa powietrzna w okolicy Częstochowy []. Każdy z tych rodzajów wiatru może mieć charakter katastrofalny, może powodować katastrofalne skutki. Zależy to od jego intensywności. Niektóre z wymienionych rodzajów wiatru mają swoje rozwinięcia, pewne zróżnicowanie pod względem ich genezy i odręne nazwy. Pewne określenia dotyczą jednak wszystkich rodzajów silnego wiatru. Huragan jest to wiatr o prędkości powyżej 3 m/s (115 km/h), 1 o w skali Beauforta. Orkan gwałtowny, silny wicher, zwykle połączony z urzą, huragan, nawałnica. Sztorm wiatr na morzu o sile 10 o w skali Beauforta; na lądzie nazywana wichurą; w literaturze anglojęzycznej mianem sztormu określa się także silny wiatr na lądzie. Szkwał nagły, krótkotrwały (np. kilkuminutowy) wzrost prędkości wiatru (niekiedy powyżej 0 30 m/s), często połączony ze zmianą jego kierunku; zjawisku może towarzyszyć silny opad i urza. Najczęściej powstaje przed frontem chłodnym; jego zwiastunem jest chmura cumulonimus, ciemna, silnie postrzępiona od dołu. Tornado silna trąa powietrzna występująca w Ameryce Północnej, o średnicy do kilkuset metrów, powodująca nieraz katastrofalne skutki. [m/s] Trąa powietrzna (w Stanach Zjednoczonych nazywana tornadem od hiszpańskiego słowa tornada oznaczającego urzę lu łacińskiego tornare oracać) jest wiatrem wirowym wokół osi pionowej, o ograniczonej średnicy (kilkadziesiąt metrów), w postaci wirującego słupa (tua) zwisającego z rozudowanej chmury cumulonimus do powierzchni Ziemi; prędkość wiatru wewnątrz trąy może przekraczać 100 m/s. Uskok wiatru nagłe i gwałtowne osiadanie powietrza w dolnej części troposfery, towarzyszące aktywnym frontom chłodnym lu niskotroposferycznym prądom strumieniowym; najczęściej występuje w poliżu chmur urzowych z rozwiniętym kołnierzem urzowym, gdy może wytworzyć się silny strumień opadającego powietrza o prędkościach 75 135 km/h (1 38 m/s). Na różnych wysokościach występują różne kierunki i prędkości wiatru. Można przyjąć, że nazwy huragan i orkan odnoszą się zwykle do wszystkich rodzajów wiatru o dużej prędkości. Sztorm to stosunkowo długotrwały wiatr synoptyczny, natomiast szkwał i uskok wiatru to wiatry w sytuacjach urzowych. Trąy powietrzne także powstają w takich sytuacjach. Skale klasyfikacyjne Od dawna próowano sklasyfikować oddziaływanie wiatru, najpierw, co jest oczywiste, na morzu. W 1805 r. admirał Francis Beaufort podał skalę, odnoszącą się do prędkości wiatru na morzu, którą także dostosowano do potrze oceny prędkości wiatru na lądzie. W zależności od sposou dostosowania (np. zaokrąglanie wartości granicznych, prędkości lu ciśnienia) skale lądowe często różnią się nieco między soą zakresem prędkości lu opisem oddziaływania wiatru. Jedną z różnic jest przyjęcie wartości progowej huraganu, 9 m/s alo 3 m/s. W latach 70. uiegłego wieku opracowano dwie skale intensywności tornad: Fujity Pearsona w USA i TORRO w Wielkiej Brytanii. Na świecie szeroko stosowana jest skala Fujity, jednak wiele europejskich służ meteorologicznych stosuje skalę TORRO (od nazwy TORnado and Storm Research Organisation) z tego względu, że została oparta zarówno na pomiarach, jak i adaniach naukowych, w tym analizie wytrzymałościowej zniszczonych oiektów, i dotyczy również warunków klimatycznych charakterystycznych dla Europy []. Oprócz skal klasyfikujących tornada stosowane są skale dotyczące hura- 54 nżynier Budownictwa WrzeSień 008
Vp, m/s 45 40 35 30 5 0 15 Rys.. Maksymalne roczne prędkości wiatru w porywach na stacji meteorologicznej Warszawa Okęcie na siatce proailistycznej rozkładu Gumela [8] ganów, rozumianych jako cyklony tropikalne. Najardziej znaną z nich jest skala Saffira-Simpsona. Została ona opracowana w 1971 r. przez inżyniera Hererta Saffira i meteorologa Boa Simpsona. Zasadniczo w skali tej wyróżnia się pięć kategorii, uszeregowanych wg rosnącej intensywności. Na przykład, kategorii 1 odpowiada wiatr o prędkości 33 4 m/s, a kategorii 5 wiatr o prędkości 70 m/s. Pojawiają się jednak opinie sugerujące wprowadzenie kategorii 6, której proponuje się przypisać huragany z wiatrem o prędkości większej niż 78 80 m/s. Skala ta w warunkach naszego kraju jest jednak mało przydatna w praktyce. Niestety, klasyfikacja oparta na sile wiatru jest tylko teoretyczna, ponieważ nikomu dotąd nie udało sie zmierzyć siły wiatru podczas trwania tornado. Z tego względu tornada są oceniane po szkodach przez nie spowodowanych. Prowadzi to do tego, że doświadczeni meteorolodzy na podstawie zniszczeń przypisują temu samemu zjawisku różne klasy F według skali Fujity. Przeniesienie skali Fujity do Europy jest kolejnym prolemem, ponieważ europejskie udownictwo oraz wielkość domów przenośnych różni się znacznie od rozwiązań powszechnie stosowanych w Ameryce. W oliczu tych regionalnych różnic w technikach udowlanych, przy dodatkowym uwzględnieniu zniszczeń roślinności, opracowana została przez TorDACH, organizację adającą tornada w krajach niemieckiego oszaru językowego, skala oparta na skali TORRO dwukrotnie ardziej dokładnej niż skala Fujity. WrzeSień 008 okres powrotu, lata 5 10 0 50 WARSZAWA OKÊCE - -1 0 1 3 4 -ln(-lnf(vp)) nżynier Budownictwa z) 1 3, 5 38 m/s W skali TorDACH stosuje się odniesienie szkód w nieruchomościach do tzw. współczynnika strat (szkód). Współczynnik ten ywa stosowany przez firmy uezpieczeniowe i przedstawia procentowy stosunek wartości uszkodzenia nieruchomości do wartości odtworzeniowej [3]. Zależność współczynnika strat od prędkości wiatru, w odniesieniu do udynków lekkich i masywnych występujących w Europie Środkowej, pokazano na rys. 1. stotne znaczenie ma porównanie wartości charakterystycznych prędkości wiatru podanych w normach z cytowanymi skalami. W dotychczasowej normie polskiej [5] wartość charakterystyczna prędkości wiatru, średnia 10- -minutowa, na wysokości 10 m w terenie otwartym w strefie 1, wynosi V m = 0 m/s. Wartość chwilową można oliczyć przyjmując, jak dla elementów małych, współczynnik działania porywów wiatru β =,. Stąd współczynnik porywistości G = β = 1,483, zatem wartość chwilowa prędkości wiatru V p = 9,7 m/s. Jeżeli przyjąć, że współczynnik częściowy γ f = 1,3 dotyczy tylko ciśnienia prędkości, to przez jego pierwiastek kwadratowy można pomnożyć wartość charakterystyczną prędkości wiatru, zatem V p = 9,7 1,3 = 33,9 m/s. W normie europejskiej [6] współczynnik porywistości można oliczyć jako pierwiastek kwadratowy ze współczynnika ekspozycji przedstawionego wzorem c e z p z 1 7 z c z (1) gdzie: (z) 1 z intensywność turulencji wyrażona z ln wzorem z0 z r c e z p z 1 z () z ln z0 gdzie: z 0 wysokość chropowatości. Dla z) 1terenu 3, 5 otwartego, z kategorii według normy europejskiej [6], z 0 = 0,05 m. Stąd na wysokości z = 10 m jest (10) = 0,189 oraz cr(10) = 1,0 zatem c e (10) =,33 i współczynnik porywistości 10) =,33 = 1,54. Warto zauważyć, pz że z ezpośredniego oliczenia współczynnika pory- cez 1 7 z cr z wistości, ez pominięcia wyrażenia w drugiej 1potędze w zapisie wartości z szczytowej z ciśnienia prędkości, ln współczynnik z porywistości wynosi 0 z) 1 3, 5 z 1 Technologie 7 z c z (3) Dla tych samych warunków terenowych na wysokości 10 m jest 10) = 1,66. Różnica wynikająca z pominięcia członu (3,5 (10)) = 0,438 wynosi 1,66/1,54 = 1,09, tj. 9,1%. Przyjmując według załącznika krajowego [6] w strefie 1 wartość V m (10) = m/s i 10) = 1,54, otrzymuje się V p = 33,5 m/s. Zakładając, jak poprzednio, że współczynnik częściowy odnosi się w całości do ciśnienia prędkości wiatru, otrzymuje się wartość oliczeniową (szczytową) prędkości wiatru V p (10) = 33,5 1,5 = 41,0 m/s. Odpowiada to ciśnieniu prędkości p(10) = 1,05 kn/m. Prędkość chwilowa 41 m/s (148 km/h) występuje w Polsce ardzo rzadko. Przykładowe wartości prędkości silnego wiatru w Polsce, porównywalne z danymi normowymi, podano dalej. Częstość występowania i prędkości wiatrów katastrofalnych w Polsce Wiatry sztormowe i halne występują w porze chłodnej. Ze względu na rozległość układów arycznych trwają one od kilku do kilkudziesięciu godzin oraz występują na znacznych oszarach. Z tego powodu prędkości takich wiatrów są mierzone i rejestrowane przez sieć stacji meteorologicznych, które wykonują pomiary według jednolitej metodyki nstytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej [7]. Prędkości wiatrów w sytuacjach urzowych są natomiast mierzone r 55
rzadko, zdarza się to tylko wówczas, gdy urza przechodzi nad stacją meteorologiczną. W związku z tym najczęściej można tylko oszacować częstość występowania gwałtownych urz, którym towarzyszą duże prędkości wiatru. Jednym z rzadkich przypadków, gdy yły możliwe pomiary, yła urza w Warszawie w czerwcu 1979 r., w czasie której na stacji meteorologicznej Warszawa Okęcie zmierzono prędkość wiatru w porywie 40 m/s. Na rys., na siatce proailistycznej rozkładu prawdopodoieństwa wartości ekstremalnych Gumela [7], przedstawiono wartości maksymalne roczne prędkości wiatru w porywach, wyrane ze wszystkich kierunków wiatru, zmierzone przez stację meteorologiczną Warszawa Okęcie w terminach oserwacji (odczyty co godzinę), w latach 1964 003. Prostą regresji, o poszukiwanych parametrach rozkładu Gumela, wyznaczono metodą najmniejszych kwadratów z pominięciem największej wartości zmierzonej, V p = 40 m/s, ponieważ pochodzi z innej populacji niż pozostałe wartości. Jest to, wspomniana wyżej, prędkość wiatru zmierzona w sytuacji urzowej. Nie odiega ona jednak znacznie od wartości pozostałych. Prędkość ta wystąpiła z kierunku południowo-zachodniego (sektor 8 wg [7]). Przedstawiona na wykresie wartości maksymalnych rocznych z tego sektora odiega znacznie od Rys. 3. Trąy powietrzne w Polsce w latach 1979 1988 [4] Szczecin 14.07.1987 1.10.1986 Gorzów Wielkopolski Zielona Góra 0 0 40 60 80 100 km Poznañ 7.05.1981 4/5.07.1988 1.10.1986 Jelenia Góra Koszalin.06.1980 Wroc³aw 4/5.07.1985 1.10.1986.08.1981.08.1985 Gdañsk Bydgoszcz Opole 11.05.1987 7.05.1981 17.06.1987 Czêstochowa 7/8.03.1983 ódÿ 3.06.198 14.07.1987 18.09.1987 1.07.198.08.1986 Olsztyn WARSZAWA 5.07.1981 Kielce pozostałych. Z rys. można odczytać prędkości o różnych okresach powrotu. Średnio raz na 5 lat ywa przekraczana prędkość 30 m/s, co 10 lat prędkość 3 m/s, co 0 lat 35 m/s, a co 50 lat 38 m/s. Jest to jednak prognoza wartości z pomiarów terminowych, tzn. wykonywanych co godzinę. Między terminami mogą wystąpić i występują prędkości nieco wyższe, w przypadku wiatrów sztormowych jednak poniżej 40 m/s. W celach analitycznych maksymalne wartości prędkości wiatru w porywach, z pomiarów terminowych i między terminami, z lat 1961 1995 [4] porównano z wartościami normowymi, charakterystycznymi i oliczeniowymi, wyznaczonymi w sposó przedstawiony powyżej; w górach z uwzględnieniem zmian gęstości powietrza wg [6]. Przyjęto, jak wyżej, że częściowy współczynnik ezpieczeństwa odnosi się do ciśnienia prędkości wiatru. Z tego porównania wynika [8], że maksymalne prędkości wiatru, zanotowane w ciągu 35 lat, są tego samego rzędu co wartości oliczeniowe według dotychczasowej normy [5], a mniejsze od wartości oliczeniowych według załącznika krajowego [6]. Analizując dane pomiarowe podane w [8], warto zauważyć, że największe wartości prędkości chwilowej wiatru, zmierzone na oszarze nizinnym strefy 1 w Polsce, w granicach 36 39 m/s, dorze zgadzają się z wartościami prognozowanymi na stacji meteorologicznej Warszawa Okęcie (rys. ). Prędkość chwilowa o okresie powrotu 35 lat, Bia³ystok jak wynotowane 16.06.198 10.06.1985 13.07.1981 z [4], zawiera się w zakresie 36 37 m/s. 5.06.1984 5.07.1981 5.07.1981 Lulin.06.1984 10.07.1980 7.07.1986 Katowice 6.07.1985 Rzeszów Tarnów Kraków 6.07.1985 1.05.1988 17.06.1979 14.05.1980 7.06.198 Nowy S¹cz 8.09.198 17.06.1979 6.07.1988 6.07.1988 7.07.1986 Wiatry sztormowe, występujące w od jesieni do wiosny, niekiedy ardzo silne, powodujące znaczne straty w Europie Zachodniej, jak huragan Kyril w styczniu 006 15 sierpnia r. w związku z silnymi opadami deszczu i trąą powietrzną odnotowano m.in. w: Balcarzowicach (Opolskie): zniszczonych ok. 30 domów, z tego ok. 80% całkowicie, Bogusławiu (Śląskie): uszkodzonych ok. 140 dachów na udynkach mieszkalnych i 50 na udynkach gospodarczych, Radomsku (Łódzkie): uszkodzonych ok. 91 udynków w tym 40 dachów (zniszczone ogrodzenia, uszkodzenia elewacji, powyijane okna, powyrywane pustaki i cegły, Chrzanowicach (Łódzkie): zerwanych dachów udynków. Źródło: MSW r. i huragan Emma w lutym 008 r., w Polsce charakteryzują się mniejszymi prędkościami i nie powodują znacznych strat. Najczęściej są to zerwane fragmenty poszycia dachowego lu zewnętrznej izolacji ścian (styropianowej). Szkody katastrofalne są wynikiem przejścia trąy powietrznej lu szkwału. Zjawiska te występują często razem, w pewnych miejscach mają postać szkwału, a w innych małego tornada. Ponieważ nie zdarza się, ay trąa powietrzna przeszła nad stacją meteorologiczną, nie są rejestrowane prędkości wiatru, które wówczas występują. Są one jedynie szacowane. Szacuje się, że prędkość w wirze powietrza zawiera się w granicach 50 100 m/s. Są to prędkości wiatru znacznie większe od podawanych w jakiejkolwiek normie, co powoduje katastrofalne skutki. W przeciwieństwie do wiatrów sztormowych, wiejących często przez kilkanaście godzin, szkwał lu trąa powietrzna trwa najwyżej kilku minut. Przemieszcza się ona z prędkością 30 40 km/h, a więc ok. 10 m/s. Na podstawie dokumentacji prasowej stwierdzono, że w latach 1979 1988 yły w Polsce 4 przypadki wystąpienia trąy powietrznej, a więc średnio 4 rocznie [4]. W poszczególnych latach ich licza wahała się od 1 do 7. 56 nżynier Budownictwa WrzeSień 008
WrzeSień 008 nżynier Budownictwa Miejsca wystąpienia trą powietrznych w latach 1979 1988 pokazano na rys. 3 [4]. Jak widać, występowały one na południe od linii łamanej iegnącej od Szczecina przez Bydgoszcz i Olsztyn do Białegostoku. Wyrządzone szkody yły znaczne, aczkolwiek najczęściej lokalne. Szerszy zasięg miał huraganowy wiatr o charakterze szkwału 4 lipca 00 r. nad Puszczą Piską, który zniszczył 44 ha lasu. Znaczne spustoszenia poczyniła trąa powietrzna, która przeszła w okolicy Częstochowy 0 lipca 007 r. Na terenie dwóch gmin, Kłomnice i Rędziny, zostało uszkodzonych lu całkowicie zniszczonych 111 udynków mieszkalnych i 151 udynków gospodarczych []. Do tego dochodzą straty na terenie gmin sąsiednich. Jeszcze większa licza udynków ucierpiała z powodu gradoicia, które wówczas także wystąpiło: uszkodzeniu uległo 894 udynków mieszkalnych i 1361 udynków gospodarczych []. Dane te, zerane przez Powiatowy nspektorat Nadzoru Budowlanego w Częstochowie, ędą przedmiotem analiz wraz ze zdjęciami lotniczymi. Mariusz Gaczek Politechnika Poznańska, Poznań Jerzy Antoni Żurański nstytut Techniki Budowlanej, Warszawa Piśmiennictwo 1. A Recommendation for an Enhanced Fujita Scale. Wind Science and Engineering Center, Texas Tech Uniersity, Luock 006.. G. Bełot,. Hołda, K. Korek, Trąa powietrzna w rejonie Częstochowy w dniu 0 lipca 007 roku referat przedstawiony na konferencji na temat zjawisk ekstremalnych, nstytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Paszkówka, październik 007. 3. N. Dotzek, J. Grieser, H.E. Brooks, Statistical modeling of tornado intensity distriutions, Atmospheric Research 67 68, 003. 4. H. Lorenc, Struktura i zasoy energetyczne wiatru w Polsce, nstytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Materiały Badawcze, Seria: Meteorologia 5, Warszawa 1996. 5. PN-77/B-0011 Ociążenia w oliczeniach statycznych. Ociążenie wiatrem. 6. PN-EN 1991-1-4:008 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4 Oddziaływania ogólne Oddziaływania wiatru. 7. J.A. Żurański, Wpływ warunków klimatycznych i terenowych na ociążenie wiatrem konstrukcji udowlanych, nstytut Techniki Budowlanej, Rozprawy, 005. 8. J.A. Żurański, M. Gaczek, Oddziaływanie huraganowego wiatru na udowle, X Konferencja Naukowo- Techniczna Prolemy rzeczoznawstwa udowlanego, Miedzeszyn 4 kwietnia 008 r. materiały konferencyjne, Wyd. TB, Warszawa 008. Artykuł oparty na referacie prezentowanym na konferencji Prolemy rzeczoznawstwa udowlanego Warszawa, Miedzeszyn 008 r. 57