XXVI Konferencja awarie budowlane 2013 Naukowo-Techniczna TADEUSZ CHMIELEWSKI, t.chmielewski@po.opole.pl HENRYK NOWAK, h.nowak@po.opole.pl Politechnika Opolska KRYSTIAN WALKOWIAK, kwalkowiak@winb.opole.pl Wojewódzki Inspektorat Nadzoru Budowlanego w Opolu TRĄBA POWIETRZNA Z DNIA 15 SIERPNIA 2008 R., WYNIKI BADAŃ USZKODZEŃ BUDYNKÓW I PRĘDKOŚCI WIATRU TORNADO IN POLAND OF AUGUST 15, 2008; RESULTS OF POST-DISASTER INVESTIGATION Streszczenie Trąba powietrzna, która wystąpiła w dniu 15 sierpnia 2008 r. na terenie trzech województw: opolskiego, śląskiego i łódzkiego spowodowała zniszczenia 1624 budynków i około 900 ha lasów. Po tym zdarzeniu dokonano przeglądu zniszczeń infrastruktury budowlanej w poszczególnych województwach, co całościowo jest przedstawione w niniejszym artykule. Następnie oszacowano prędkość porywów wiatru trąby powietrznej dwoma sposobami. Podano także ogólne zasady projektowania i wykonawstwa niskich budynków w celu zmniejszenia skutków oddziaływania wiatrów o dużych prędkościach. Abstract One of the strongest tornadoes within the last years in Poland, which brought about great damage to property, occurred on August 15, 2008. It appeared suddenly during a thunderstorm on the flat terrain causing severe damage to buildings, forests and infrastructure. In this paper, the post-disaster damage survey and assessment of building performance will be presented. During the tornado, the peak gust wind velocities have been estimated by two approaches. For the typical low-rise brick houses the appropriate design details to current building standards have been introduced. 1. Wprowadzenie W dniu 15 sierpnia 2008 r. w godzinach popołudniowych przez obszar województw: opolskiego, śląskiego i łódzkiego przeszła trąba powietrzna. Uformowała się bezpośrednio po burzy połączonej z silnymi porywami wiatru i opadami deszczu. Trąba ta spowodowała poważne szkody różnych budynków w infrastrukturze drogowej, kolejowej i drzewostanie lasów. Raporty na temat uszkodzeń budynków w poszczególnych województwach zostały opracowane przez trzy różne zespoły i przedstawione na różnych konferencjach [1, 2, 7]. Celem niniejszej pracy jest całościowa analiza uszkodzeń budynków w trzech województwach, oszacowanie dwoma sposobami prędkości porywów wiatru i rekomendacja konstruowania budynków ceglanych o niskiej zabudowie bardziej odpornych na działanie ekstremalnych wiatrów. 2. Rozmiar zniszczeń i szlak trąby powietrznej Trąba powietrzna, która wystąpiła w dniu 15 sierpnia 2008 r. w godz. popołudniowych (około godz. 1800) na terenie trzech województw (opolskiego, śląskiego i łódzkiego) spowodowała uszkodzenia 1624 budynków, 900 ha lasów, 4 osoby zginęły a 60 osób odniosło rany.
236 Chmielewski T. i in.: Trąba powietrzna z dnia 15 sierpnia 2008 r., wyniki badań uszkodzeń Na rys. 1 przedstawiono szlak trąby, który w przybliżeniu tworzy linię prostą z zachodu w kierunku północno wschodnim. a) b) Rys. 1. Szlak trąby powietrznej 15.08.2008 r. pokazany na dwóch mapach: a) w małej skali, b) w dużej skali Długość szlaku oszacowano na około 105 km, jego szerokość od 300 do 700 m. Przesuwając się od województwa opolskiego niszczyła wszystko co napotkała na swoim szlaku. Oprócz powyżej wymienionych zniszczeń stwierdzono także zniszczenia infrastruktury kolejowej, drogowej, energetycznej i telefonicznej. Linia kolejowa między Gliwicami i Strzelcami Opolskimi została zamknięta z powodu zniszczeń słupów trakcji kolejowej i sieci trakcyjnej w Błotnicy Strzeleckiej. Słupy podtrzymujące przewody wysokiego napięcia i semafory spadły na tory kolejowe i perony. Wiele dróg lokalnych w wymienionych województwach znajdujących się na szlaku trąby było nieprzejezdnych, ponieważ złamane drzewa zatarasowały drogi. Mieszkańcy w okolicach szlaku trąby zostali pozbawieni łączności telefonów stacjonarnych, ale także i komórkowych, ponieważ trąba uszkodziła nadajniki. 3. Ocena trąby powietrznej z dnia 15 sierpnia 2008 r. 3.1. Oszacowanie prędkości chwilowych trąby powietrznej Pośredniego oszacowania chwilowych prędkości wiatru trąby dokonano dwoma sposobami. Pierwszy sposób polegał na porównaniu szkód, dokonanych przez trąbę ze skalami klasyfikacyjnymi prędkości wiatru tornad. Takie skale intensywności tornad opracowano w latach 70 ubiegłego wieku, pierwszą w USA skala Fujity-Pearsona, drugą w Wielkiej Brytanii skala TORRO (Tornado and Storm Research Organization) [4,6]. Autorzy niniejszej pracy podzielają uwagi zawarte w pracy [3], że przeniesienie skali Fujity do Europy jest nieuzasadnione, ponieważ europejskie budownictwo w zakresie wielkości domów i technologii wykonania różni się znacznie od rozwiązań stosowanych w Ameryce (gdzie domy są większe i lżejsze głównie drewniane, poza centrum dużych miast). Należy podkreślić, że skala TORRO została oparta na pomiarach prędkości wiatru, jak i badaniach naukowych, w tym na analizie nośności zniszczonych obiektów, a także bierze pod uwagę warunki klimatyczne dla Europy. Skala TORRO jest podzielona na 11 skal intensywności, tj. od skali intensywności T0 T10. Każdy stopień skali jest scharakteryzowany krótkim opisem, przedziałem prędkości wiatru i opisem uszkodzeń. Na przykład opis uszkodzeń budynków wywołanych trąbami powietrznymi o intensywności T4 i T5 przedstawiono w tablicy 1.
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 237 Tablica 1. Opis skutków zniszczeń wywołanych trąbami powietrznymi T4 i T5 wg skali TORRO Intensywność trąby T4 T5 Opis trąby powietrznej i prędkości wiatru w m/s Ciężka (poważna) 52 61 Bardzo silna (intensywna) 62 72 Opis zniszczeń budynków Całe dachy wyrwane z niektórych budynków. Więźby dachowe większych ceglanych (kamiennych) budynków całkowicie odkryte. Ściany szczytowe zniszczone. Ściany, całe dachy i kilka rzędów cegieł powyżej górnych stropów wyrwane. Starsze, słabsze budynki zniszczone całkowicie. Na rys. 2 przedstawiono przykładowe uszkodzenia budynków przez trąbę powietrzną w dniu 15.08.2008 r. Widoczne zgodności z opisem zawartym w tablicy 1 (dla trąby o intensywności T4 i T5) oznaczają, że chwilową prędkość wiatru trąby powietrznej można oszacować jako odpowiadającą przedziałowi od 52 m/s do 72 m/s. Rys. 2. Przykładowe uszkodzenia budynków Drugi sposób oszacowania chwilowych prędkości wiatru polega na analizie zachowania się prostych konstrukcji (np. znaków drogowych, lamp ulicznych) usytuowanych w różnych miejscach obszaru przejścia trąby. Na przykład zgięte i przewrócone znaki drogowe (jeśli nie ma wpływów zmęczenia lub obrotu całego fundamentu znaku) w czasie trwania trąby powietrznej przekonują o tym, że chwilowa prędkość wiatru trąby była większa od prędkości wiatru odpowiadającej sile aerodynamicznej, która doprowadziła do zniszczenia znaku. Znaki drogowe są ogólnie płaskimi płytami, które są przymocowane do jednego lub dwóch słupków. Obciążenie wiatrem działające na płyty może być obliczone jako odpowiadające uszkodzeniu, zaś prędkość wiatru może być oszacowana ze znaczną dokładnością [5]. Ten sposób obliczania prędkości wiatru trąby powietrznej był prezentowany przez autorów w pracy [2] i jest tutaj ponownie przedstawiony.
238 Chmielewski T. i in.: Trąba powietrzna z dnia 15 sierpnia 2008 r., wyniki badań uszkodzeń Rys. 3. Przykład znaku drogowego Maksymalne obciążenie wiatrem (F n ) działające prostopadle do znaku drogowego przedstawionego na rys. 3 dane jest zależnością F n = 1 ρ vn 2 Cw A, (1) 2 gdzie ρ jest gęstością powietrza równą 1,2 kg/m 3, v n jest 3s prędkością wiatru w środku ciężkości tablicy znaku drogowego, tj. h = h 1 + h 2, C w jest współczynnikiem siły aerodynamicznej, A jest powierzchnią znaku drogowego. Maksymalny moment zginający w przekroju przy dolnym zamocowaniu słupów jest równy 1 M max = F n h = ρ vn 2 CwAh (2) 2 Nośność plastyczna przekroju (M p ) przy zamocowaniu słupów jest dana zależnością: M p = R e W, (3) gdzie: R e jest granicą plastyczności stali słupów, W jest plastycznym wskaźnikiem wytrzymałości przekroju poprzecznego słupów. Przegub plastyczny w słupie znaku drogowego powstanie wówczas, gdy moment maksymalny (2) generowany przez siłę wiatru F n przekroczy nośność plastyczną słupa (słupów) M p znaku drogowego (znak jest wówczas zgięty), czyli: 1 M max M p, tj.: ρ 2 vn Cw A h Re W. (4) 2
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 239 Na podstawie nierówności (4) można oszacować prędkość chwilową wiatru w środku znaku drogowego: v n 2R W e. (5) ρ C A h w Znak drogowy, który został zgięty w czasie przejścia trąby, był zlokalizowany w okolicach wsi Balcarzowice, w pobliżu autostrady A4. Jego lokalizacja jest przedstawiona na rys. 1. Dane znaku są następujące: płyta trójkątna o równych bokach długości 1050 mm, przymocowana do słupka metalowego o średnicy 60,3 mm, którego grubość ścianki wynosiła 3,6 mm. Wysokość słupka od fundamentu do krawędzi płyty była równa 2000 mm. Współczynnik siły aerodynamicznej przyjęto równy 1,2. Słupki znaków drogowych są wykonane ze stali niskowęglowych konstrukcyjnych, dla których granicę plastyczności przyjęto równą R e = 225 MPa. Na podstawie powyższych danych obliczono chwilową prędkość wiatru równą 67,57 m/s. 3.2. Ocena i klasyfikacja uszkodzonych i zniszczonych budynków W czasie przejścia trąby zniszczeniom i uszkodzeniom uległy budynki: mieszkalne, gospodarcze, inwentarskie i użyteczności publicznej (szkoły, przedszkola, sklepy). Szacowanie szkód w poszczególnych województwach rozpoczęły następnego dnia zespoły inspektorów budowlanych pod kierunkiem Wojewódzkich Inspektorów Nadzoru Budowlanego. Dokonano oględzin każdego uszkodzonego lub zniszczonego obiektu budowlanego, opisano rodzaj, zakres uszkodzeń i zniszczeń oraz oszacowano stopień uszkodzeń obiektu. Dokumentację opisową budynku uzupełniano dokumentacją fotograficzną. W ciągu pierwszych tygodni eksperci podjęli decyzje dotyczące sposobu naprawy uszkodzonych budynków lub ich rozbiórki w przypadku mocno zniszczonych budynków. Taką klasyfikację podano w tablicy 2. Tablica 2. Kwalifikacja budynków do remontu lub odbudowy Rodzaj budynku Liczba budynków do remontu Liczba budynków do częściowej odbudowy Liczba budynków do całkowitej odbudowy Ogółem liczba budynków uszkodzonych Budynki mieszkalne 365 354 29 748 Budynki inwentarskie, gospodarcze 337 414 96 847 Budynki użyteczności publicznej 8 11 10 29 Razem wszystkie budynki 710 779 135 1624 Zebrane informacje o 1624 budynkach stały się podstawą klasyfikacji uszkodzeń, dokonanych przez Autorów niniejszej pracy. Została ona oparta na klasyfikacji rozmiaru widocznych uszkodzeń i zniszczeń każdego budynku. Klasy uszkodzeń podane w tablicy 3 obejmują zakres od uszkodzeń małych, takich jak: zerwanie rynny, rury spustowej, zerwanie pojedynczych dachówek, do całkowitego zniszczenia dachu, stropu i większości ścian. Na podstawie tablicy 3, zakres uszkodzeń budynków od klasy 1 do 4 były podstawą decyzji o remoncie budynku, zaś od klasy 5 do połowy klasy 6 budynki te były zakwalifikowane do częściowej odbudowy, zaś od połowy klasy 6 do klasy 7 do rozbiórki i całkowitej odbudowy budynku.
240 Chmielewski T. i in.: Trąba powietrzna z dnia 15 sierpnia 2008 r., wyniki badań uszkodzeń Tablica 3. Kwalifikacja uszkodzeń budynków Klasa uszkodzeń Opis charakterystycznych uszkodzeń i zniszczeń 1 Uszkodzenia pomijalne, np. urwane rynny, wybite szyby 2 Częściowe uszkodzenie pokrycia dachowego (<50%) 3 Znaczne uszkodzenie pokrycia dachowego ( 50%) 4 Częściowe uszkodzenie konstrukcji dachu (<50%) 5 Poważne uszkodzenie konstrukcji dachu ( 50%) 6 Zniszczenie dachu i częściowe uszkodzenia stropu i ścian (<50%) 7 Zniszczenie dachu i istotne uszkodzenia stropu i ścian ( 50%) Zebranie informacji o wszystkich uszkodzonych i zniszczonych budynkach na skutek przejścia trąby i przyjęcia klasyfikacji uszkodzeń podanej w tablicy 3 pozwoliło na wykonanie rys. 3, który przedstawia graficznie procent uszkodzonych budynków w zależności od klasy uszkodzeń. Rys. 4. Procentowy rozkład uszkodzonych budynków mieszkalnych i pozostałych 3.3. Proces odbudowy uszkodzonych budynków i zalecenia, które ograniczą skutki przyszłych wiatrów o ekstremalnych prędkościach W procesie odbudowy uszkodzonych budynków bardzo pomogła decyzja Rady Ministrów RP z dnia 19.08.2008 r., która uprościła procedury związane z remontem i odbudową budynków. Przyjęto następujące ustalenia: a) remont uszkodzonych budynków nie wymaga zgłoszenia do władz gminy, ale należy to robić zgodnie ze sztuką i wiedzą budowlaną, b) przy częściowej lub pełnej odbudowie domu nie jest wymagany projekt budowalny i pozwolenie na budowę, fakt ten należy jedynie zgłosić do władz gminy, c) państwo udzieli pomocy finansowej tylko przy odbudowie domów mieszkalnych dla rodzin, które nie mają innego mieszkania lub domu.
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 241 W tym okresie w Polsce brak było jakichkolwiek zaleceń praktycznych do projektowania budynków, które będą zdolne w przyszłości przenieść obciążenia wywołane bardzo silnymi wiatrami (których prędkości znacznie przekraczają prędkości normowe). Pierwsze takie prace opublikowano w 2008 r. [3,8]. Dlatego remonty i budowa nowych budynków, która została zakończona w ciągu jednego roku po przejściu trąby powietrznej, zależała od inwencji twórczej mistrzów budownictwa i kadry inżynierskiej. Przy budowie nowych budynków zalecamy: zwiększenie sztywności przestrzennej budynku, co można uzyskać przez wykonanie wieńców żelbetowych na poziomie stropów lub ścianek kolankowych; istnieje także możliwość wykonania połączenia słupkami żelbetowymi ław fundamentowych z wieńcami, stosowanie mocniejszych od tradycyjnie stosowanych połączeń elementów konstrukcyjnych dachu, tj. murłat z wieńcem (np. kotwy stalowe stosować gęściej w narożach budynku), krokwi z murłatą, krokwi z płatwiami i łat z krokwiami, silniejsze od dotychczas stosowanych mocowanie systemów ocieplenia ścian i dachów oraz elementów wyposażenia takich jak: rynny, rury spustowe, balustrady balkonów i tarasów, sadzenie drzew w pewnej odległości od budynku, drzewa w pobliżu budynku należy odpowiednio przycinać. 4. Wnioski i zalecenia Ocena szkód spowodowanych przez trąbę powietrzną, która przeszła przez trzy województwa (opolskie, śląskie i łódzkie) dostarczyła informacji poszerzających wiedzę na temat działania jej na niskie budynki w Polsce. Na podstawie wyników niniejszej pracy sformułowano następujące wnioski: Trąba spowodowała zniszczenia: 1624 budynków mieszkalnych, gospodarczych, inwentarskich i użyteczności publicznej, około 900 ha lasów, 4 osoby poniosły śmierć i 60 odniosło rany. Infrastruktura drogowa, kolejowa, energetyczna i telefoniczna została poważnie uszkodzona na szlaku trąby. Chwilową prędkość wiatru trąby powietrznej oszacowano w przedziale od 52 m/s do 72 m/s (na wysokości odniesienia 10 m nad gruntem) na podstawie uszkodzonych budynków według skali TORRO. Analiza zgiętego znaku drogowego w okolicach wsi Balcarzowice (na autostradzie A4) wskazuje, że chwilowa prędkość wiatru na wysokości około 2,5 m nad gruntem była większa niż 68 m/s. Chociaż niniejsze badania umożliwiły lepsze zrozumienie rodzaju i rozmiaru uszkodzeń budynków spowodowanych analizowaną trąbą powietrzną, to istnieje jeszcze wiele zagadnień, które wymagają dalszych studiów. Dlatego sformułowano następujące zalecenia: Utworzenie Grupy Roboczej przy Polskim Stowarzyszeniu Inżynierii Wiatrowej, która zajmie się w przyszłości oceną uszkodzeń budynków przez trąby powietrzne, jeżeli takie wystąpią w następnych latach. Opracowanie zasad postępowania po wystąpieniu trąby powietrznej, tj. sposobu przygotowania dokumentacji uszkodzeń budynków i innych obiektów budowlanych we współpracy z Wojewódzkimi Inspektorami Nadzoru Budowlanego. Wyznaczenie prawdopodobieństwa pojawiania się pewnego typu trąb powietrznych w niektórych regionach kraju. Opracowanie zasad projektowania budynków i ich wykonawstwa w celu większej odporności na działanie wiatrów o ekstremalnej prędkości.
242 Chmielewski T. i in.: Trąba powietrzna z dnia 15 sierpnia 2008 r., wyniki badań uszkodzeń Literatura 1. Brol J., Malczyk A.: Przykłady uszkodzeń zabudowy jednorodzinnej w wyniku działania trąby powietrznej w miejscowości Kalina, Przegląd Budowlany, 10/2010, s. 50-53. 2. Chmielewski T., Nowak H., Walkowiak K.: Trąba powietrzna na Opolszczyźnie skutki, klasyfikacja uszkodzeń budynków i ich odbudowa, Konferencja Naukowa KILiW PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Kielce-Krynica 2010, s. 15-22. 3. Gaczek M., Żurański J. A.: Uszkodzenia budynków wywołane huraganowym wiatrem. Inżynier Budownictwa, cz. I - 2008, 9, s. 52-57, cz. II 2008, 10, s. 76-80. 4. Fujita T. T., 1971. Proposed characterization of tornadoes and hurricanes by area and intensity, SMRP Res. Paper 97, Univ. of Chicago, 42 pp. 5. Letchford C., Holmes J.: Wind Loads on Free Standing Walls in Turbulent Boundary Layers, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 51, 1994, pp. 1-27. 6. Meaden G. T., 1976. Tornadoes in Britain: their intensities and distribution in space and time, J. Meteorol. 1, pp. 242-251. 7. Żurański A. J., Szer J.: Trąba powietrzna na ziemi łódzkiej 15 sierpnia 2008 roku. Geneza, przebieg, skutki, XII Polska Konferencja Naukowo-Techniczna Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź 2009, s. 407-410. 8. Żurański J. A., Gaczek M., Fiszer S.: Oddziaływanie wiatrów katastrofalnych na budynki w Polsce. Przegląd Budowlany, 11/2009, s. 26-31.