Obciężenie śniegiem obiektów budowlanych Śnieg jest oddziaływaniem, które dla znacznej liczby obiektów budowlanych, a szczególnie budynków wielkopowierzchniowych (przede wszystkim o konstrukcji stalowej), stanowi główne obcią ż enie. Oddziaływanie obciążenia śniegiem jest tzw. obciążeniem klimatycznym, a zatem mało przewidywalnym. Spostrzeżenie to potwierdza się ostatnio coraz częściej. gdy wsłuchamy się w doniesienia medialne o coraz nowych anomaliach pogodowych. Warto zwrócić uwagę na specyfikę tego oddziaływania. Obciilżenie ś niegiem w analizie konstrukcji Obciążenie połaci dachowych śnie giem określają normy PN -80/B-0201 O Obciążenia w obliczeniach statycznych - Obciążenie śniegiem wraz ze zmianą Az1 z 2006 r. oraz PN-EN 1991-1- -3:2005 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część ' -3: Oddziaływania ogólne - Obciążenie śniegiem. Normy te wyróżniają pięć stref śniegowych, na które został podzielony obszar Polski - rys.,. W każdej ze stref obciążenie charakterystyczne śniegiem gruntu posiada in ną wartość. Uwzględniając różne współczynniki, zw ią zane między innymi z kształtem dachu, jego izolacyjnością termiczną czy bli skością obiektów sąsied n ich, wyznaczane jest obciążenie charakterystyczne śniegiem odniesione do metra kwadratowego powierzchni rzutu dachu. Oczywiście obciążenie to może się zmieniać w zależności od części dachu. Na przykład w sąsiedz twie attyk będziemy spodziewać się nagromadzenia większej ilości śniegu niż w obrębie ka lenicy, gdzie śnieg bę dzie przewiewany przez wiatr. Zastosowaniewspólczyn nika zwiększa jącego obciążenie śniegiem o wartości 1,5 umożliwia wyznaczenie wartości obciążenia obliczeniowego śniegiem uwzględnianego podczas analizy noś ności konstrukcji. Czy normowe obciilżenie śniegiem może zostać przekroczone Obiekty budowlane projektowane są na pewien, z góry określony, okres użytko wania, który zazwyczaj wynosi od, O do kilkuset lat. Dłuższe okresy użytkowania wymuszają oczywiście przyjmowanie wyższych wartości współczynników bezpieczeństwa, co powoduje wyższe koszty jednostkowe realizacji inwestycji. Dlatego najczęściej przyjmowanym okresem prawdopodobnej, bezpiecznej pracy konstrukcji budynku jest 50 lat. Trwałość obiektu budowlanego Wartości charakterystyczne obciążen i a ś niegiem gruntu w Polsce Strefa 80, k N/ m 2 1 0,007 A - 1,4; s,.~, 70 2 0,9 3 O,006A - 0,6; sk~ l, 2 4 1,6 5 O,93exp(O,OO134A); sk~ 2.0 UWAGA: A g WysOkość nad poziomem morza (m) Rys. 11 Pod%lal Polsld na strety obclqienja śnjeglem oraz wartości charakterystycznego obclqtenja śnjeglem grunlu w Polsce wg PN 80jB.Q2010 wra% %8 zmanq Ad % 2006 r. oraz PN-EN 1991-1-3:2005 związana jest między innymi z nieprzekraczaniem w okresie jego użytkowania obciążeń przyjętych w projekcie budowlanym. Należy zwrócić uwagę, że okres powrotu, czyli upraszczając czas, w którym wartość danego oddziaływania nie powinna zostać przekroczona, dla obciążenia śniegiem zdefiniowanego w normie PN-80/B-02010 Obciążenia w obliczeniach statycznych - Obciążenie śnieg i em (w skrócie PN-B), czyli w normie, zgodnie z którą projektowane były obiekty budowlane w Polsce do połowy 2006 r., zostal przyjęty na poziomie jedynie pięciu lat [3]. Oznacza to, że statystycznie raz na pięć lat obci ą żenie śniegiem przyjęte jako założenie do za projektowania konstrukcji obiektu może zosta ć przekroczone, czyli konieczne będzie od ś nieżanie dachu. Dopiero zmiana normy wprowadzona w drugiej poło wie 2006 r. wydłużyła okres powrotu obciążenia śniegiem do 50 lat (podobnie przyjęto w normie PN-EN 1991 -' - 3:2005 Eurokod, : Oddziaływania na konstrukcje. Część ' -3: Oddziaływania ogólne - Obciążenie śniegiem - w skrócie PN-EN), co w większości spowodowało zwiększenie wartości zalecanych obciążeń - rys. 2 (1). Należy podkreślić, że obciążenia przyjmowane dla danego obszaru Polski są wyznaczane na podstawie pomiarów wykonywanych w wybranych stacjach meteorologicznych, co oznacza, że jest to tylko pewna próba statystyczna oraz, co bardzo istotne, ciężar pokrywy śnieżnej odpowiada pokrywie na gruncie, która za l eży od jego temperatury i może być dużo mniejsza niż pokrywa na dobrze izolowanym termicznie dachu (woda z topniejącego śniegu może wsiąkać do gruntu) [2]. Ponadto podawana w normie wartość obciążenia nie jest bynajmniej wartością maksymalną grudz ie ń 11 [901------!!!!!!!!!!-----.
, t echnol o gie b Rys. 21 Porównanie sllef obclqtenla śniegiem wg PN EN oraz PN-B przed zmianq w 2006 r. (1]. Cytry w kolorze czamym oznaczajq numery stref wg PN EN. liczby w kolorze czerwonym oznaczajq stosu nek wartości charakterystycznej obciqtenla wg PN-EN do PN-B przed zmlanq w 2006 r. przyjętą w za łożonym okresie powrotu, tylko wartością wyznaczoną zgodnie z tzw. metodą największej wiarygodności [3]. Metoda ta pozwala określić wartość obciążenia, jakie, w uproszczeniu mówiąc, z największym prawdopodobieństwem, może wystąpić w danej stacji meteorologicznej. Na rys. 3 pokazano wykres rzeczywistego obciążenia śniegiem gruntu (linia czarna) odnotowanego dla stacji Katowice w okresie od 1950 do 2000 r. [4]. Linią czerwoną pokazano wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem dla strefy 2 wg PN -E N, w której zlokalizowane jest to miasto. Wartość średnia dla wszystkich analizowanych stacji (0,93), która została zaokrąglona do wartości 0,9 [2]. Na rys. 3 wyra ź nie widać, że tak określona wartość charakterystyczna obciążenia śniegiem gruntu została przekroczona aż cztery razy w analizowanym okresie. Podsumowując powyższe spostrzeżenia, należy stwierdzić, że nie można zagwarantować, iż w okresie powrotu przyjęte zgodnie z normą obciążenie nie zostanie przekroczone. Oczywiście nie jesteśmy również w stanie w żaden sposób przewidzieć, kiedy i czy w ogóle nastąpi przekroczenie tego obciążenia i dojdzie do zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji obiektu. Odręb nym problemem jest określenie tego niebezpiecznego schematu obciążenia śniegiem na konkretnym dachu budynku, biorąc pod uwagę zmieniający się w czasie ciężar objętościowy śniegu oraz funkcję opisującą kształt pokrywy śnieżnej na dachu, dodatkowo skomplikowaną wpływem wiatru. Powyższe wyjaśnienia pozwalają spojrzeć w inny sposób na obciążenie śniegiem. Ponieważ jest ono trudne do jednoznacznego zdefiniowania na etapie projektu oraz ekonomicznie nieuzasad przekroczone, czy też nie. Takie porównanie umożliwi zatem podjęcie racjonalnej decyzji o konieczno ś ci od ś nieżania. Odśnieżanie a Prawo budowlane Ustawa - Prawo Budowlane z dnia 7 lipca 1994 r. (Dz.U. Nr 156, poz. 1118 z 2006 r. z późn o zm.) zdefiniowała obowiązki poszczególnych uczestników tzw. procesu budowlanego. tak projektant odpowiedzialny jest za prawidłowe zdefiniowanie oddziaływania śniegiem, a właściciel lub zarządca - za troskę o bezpieczne użytkowanie obiektu budowlanego. Obciążenie śniegiem powołane jest wart. 61 pkt 2, gdy mowa jest o obowiązku wlaściciela lub zarządcy do zapewnienia, dochowując należytej staranności, bezpiecznego użytkowania obiektu w razie wystąpienia czynników zewnętrznych odziaływujących na obiekt, związanych z działaniem człowieka lub si ł natury, takich jak: wyładowania atmosferyczne, wstrząsy sejsmiczne, silne wiatry, intensywne opady atmosferyczne, osuwiska ziemi, zjawiska lodowe na rzekach i morzu oraz jeziorach i zbiornikach wodnych, pożary lub powodzie, w wyniku których następuje uszkodzenie obiek tę norma przyjmuje, opisując rozkład obciążenia śniegiem dla poszczególnych stacji meteorologicznych za pomocą rozkładu Gumbela, dla którego parametry wyznaczane są za pomocą metody największej wiarygodności [2]. przyjmując za ło żenie, że teoretycznie tak określone obciążenie śniegiem może zostać przekroczone średnio raz na 50 lat. Następnie obliczona została wartość 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 O,,,,,,,, ~ nione byłoby przyjmowanie dla większości obiektów warto ś ci większych, niż podano w PN-EN, należy prowadzić jego kontrolę na etapie eksploatacji obiektu. Pomiar obciążenia przekrycia dachowego śniegiem pozwoli na określenie, czy zalegające na dachu obciążenie jest niebezpieczne dla obiektu, czy wartości przyjęte w dokumentacji projektowej zostały już $$$$~~~~~~~R##$$~,,,,,,, -e-serle 1 --Serie 2 Rys. 3 1 Obciqtenle śniegiem gruntu w stacji Katowice w okresie od 1950 do 2000 r. (4] w por6wnanlu z charakterystycznym obclqtenlem śniegiem przypisanym do strety 2 wg PN EN tu budowlanego lub bezpo ś rednie zagrożenie takim uszkodzeniem, mogące spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, bezpieczeń stwa mienia lub środowiska. Artykuł 62 ust. 1 pkt 4 ustawy dodatkowo nakazuje wła ści cielowi lub zarządcy wykonywanie tzw. przeglądów bezpieczeństwa związanych z występowaniem niekorzystnych zjawisk wymienionych wyżej. Co oznacza "bezpośrednie zagrożenie uszkodzeniem" oraz jak należy rozumieć sformu łowanie "niekorzystne zjawiska", ustawodawca nie wyjaśnił. Można zatem przyjąć, że zagrożenie uszkodzeniem występuje z pewnością wtedy, gdy obciążenie, w tym przypadku obciążenie śniegiem, może zostać przekroczone w stosunku do za łożeń przyjętych w dokumentacji projektowej obiektu [5]. Aby zatem móc zapewnić bezpieczne... -----,...----- NŻYNER BUDOWNCTWA
użytkowanie obiektu budowlanego, konieczne jest kontrolowanie obciążenia śniegiem, by w odpowiednim momencie podjąć decyzję o konieczności odśnieżania lubli wykonania przeglądu bezpieaeństwa. Decyzje te muszą być zawsze podejmowane na podstawie wiarygodnych przesłanek. Katastrofa, jak miała miejsce cztery lata temu na Śląsku, spowodowała, że o oddziaływaniu śniegiem zaczęto dużo mówić i pisać. Metody pomiaru obciążenia śniegiem dachów Ciężar objętościowy śniegu zmienia się w czasie na skutek zmian temperaturowych, wilgotności powietrza oraz oczywiście opadów (np. deszczu podczas odwilży) i zależy od zawartości w nim wody. Zmianę tę zobrazowano na rys. 4. Taka w łaściwość śniegu powoduje, że okreś l enie obciążenia śniegiem nie jest zadaniem banalnym. Sam pomiar grubości pokrywy śnieżnej w żaden sposób nie odpowiada na pytanie, jaka jest wartość oddziaływania śniegu na powierzchnię przekrycia dachowego. Powsta ło wiele urządzeń przeznaczonych do pomiarów parametrów pokrywy śnieżnej. które mogą zostać wykorzystane do wyznaczania cięża ru śniegu za l egającego na konstrukcji dachu. Poniżej zostaną przedstawione wybrane przez autorów przykłady rzeczywistych rozwiązań. Śniegowskazy Śniegowskazy są prostymi przyrządami umoż l iwiającymi określenie grubości pokrywy śnieżnej w danym miejscu dachu. Na podstawie wykonanego pomiaru możemy jedynie bardzo zgrubnie oszacować rząd wartości obciążenia śniegiem. Śniegowskazy stacjonarne stosuje się w celu obserwacji (np. za pomocą kamery) zmian grubości pokrywy śnieżnej w poszaególnych aęściach dachu. Na rys. 5 pokazano śniegowskaz przenośny (tyczka śniegowa) oraz stacjonarny. Rozwój techniki umożliwił powstanie śniegowskazów ultradźwiękowych i laserowych. Grubość pokrywy śnież nej określana jest za pomocą wiązki Rys. 51 ŚnJegOWSka2 przenośny oraz śnjegowska2 stały mocowany do konstrukcji dachu iti "-',.- " -- Rys. fi ŚnJegowska2 ultrodzwięicowy - zasada działanja ::: 1, Rys. 71 ŚnJegowskaz działajqcy na zasadzie przeslanjanja kolejnych poziomów diod ultrad ź więków lub światła laserowego, wysyłanej z nadajnika umieszczonego nad pokrywą śnieżną. stnieje wiele innych odmian śniegowska zów umożliwiających pomiar grubości pokrywy śnieżnej. Na rys. 7 przedstawiony jest śniegowskaz składający się z szeregu diod nadawaych i odbioraych. Spadający śnieg przesiania kolejne diody odbiorcze. Liczba zas ł oniętych diod określa grubość warstwy ś niegu. Ograniczeniem wszystkich śniego wskazów jest pomiar jedynie grubości warstwy zalegającego śniegu. Bez znajomości gęstości objętościowej śniegu nie jest możliwe okre ś lenie jego ciężaru. Urządzenia śniegu do pomiaru gęstości Kolejną grupą urządzeń są snlegomierze przeznaczone do wyznaczania ciężaru objęto ś ciowego śniegu. Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje śniegomierzy : objętościowy oraz wagowy. Różnica polega na tym, że w śniego mierzu objętościowym pobieramy próbkę o znanej objętości, najaęściej 100 lub 200 cm 3, a w śniegomierzu wagowym pobieramy próbkę o zadanej powierzchni. Znając wagę próbki oraz jej objętość (w przypadku śniegomierza objętościo wego) lub grubość pokrywy śnieżnej (w przypadku śniegomierza wagowego), możemy wyznaayć ciężar objętościowy śniegu. Dokonując następnie odpowiednich przeliczeń, możemy określić ciężar zalegającego śniegu w przeliaeniu na metr kwadratowy powierzchni dachu. 10 200 kg/m' 4J q~] łlłlllył M.,..l l.hl.l. L!d.U ł PUCH Rys. 41 Zmiana ciężaru objętościowego ś njegu w zal eżności od jego stanu Rys. 81 ŚnJegomierz wagawy Chomicza grud zień 11 [901
go wyznaczania ciężaru śniegu zalegającego na powierzchni dachu (fot. 2). Odpowiednio wyskalowana podziałka urządzenia powoduje, że obciążenie śniegiem podawane jest wprost w kg lub kn na 1 m 2 powierzchni dachu, co umożliwia porównanie wyniku z danymi zawartymi w projekcie budowlanym konstrukcji obiektu lubli projekcie odśnieżania jego dachu. Sposób pomiaru obciążenia śniegiem Fot. 11 E1elttronJ=u urzqdzenie do wyznaczania gęs10ścl śniegu. UrzqdzenJe pomiarowe, sonda pomiarowa Ciekawe rozwiązanie przedstawiono na fot. 1. Jest to przenośne urządzenie do pomiaru właściwości śniegu - gęstości i zawartości wody. Urządzenie skład a s ię z mikroprocesora i "stalowego widelca". Przyrząd wykorzystuje fale radiowe do pomiaru gęstości cieczy i zawartości wody w śniegu. Dzięki rejestracji parametrów elektrycznych czujnika oraz częstotliwości rezonansowej urządzenie oblicza stałą dielektryczną oraz gęstość i zawartość wody w śniegu. Aby możliwe było obliczenie ciężaru śniegu zalegającego na połaci dachowej, należy wykonać dodatkowy pomiar grubości pokrywy śnieżnej. Automatyczna waga śniegowa Kolejnym urządzeniem służącym do wyznaczania ciężaru ś niegu zalegającego na powierzchni dachu jest automatyczna waga śniegowa. Rozwiązanie polega na umieszczeniu na dachu wagi elektronicznej o znanej powierzchni - rys. 9. Zalegający śnieg obcią ża wagę, co pozwala na wyznaczenie średniego ciężaru ś niegu za l egającego na metrze kwadratowym powierzchni. Niestety metoda ta może prowadzić do poważnych błędów. Poprawny pomiar wykonywany jest tylko przy pierwszym opadzie śniegu. Zmrożony śnieg zalegający na wadze tworzy przesklepienie, powodując odciążenie układu pomiarowego. Waga nie będzie poprawnie wskazywała przyrostu ciężaru śniegu z kolejnych opadów. Jedną z metod Rys. 91 El ttronjczna wago śniegowa ~-ttw~ Rys. 10 Pnymrozek ponowny opad. Zmroiony śnieg Wony przesltleplenie oddqtojqce uklod pomiarowy rozwiązania tego problemu jest stosowanie wag o bardzo dużych rozmiarach (kilka metrów kwadratowych), tzw. poduszek śniegowych. Automatyczny system pomiaru obciążenia dachu W 2006 r. naukowcy z Akademii Rolniczej we Wrocławiu (nstytut Budownictwa i Architektury Krajobrazu) połączyli elektroniczny śniegomierz ultradźwięko wy z elektronicznym śniegomierzem wagowym. Równoczesny pomiar grubości pokrywy śnieżnej oraz ciężaru śniegu zgromadzonego w śnieg omi erzu wagowym pozwala teoretycznie na wyznaczenie ciężaru śniegu zalegającego na powierzchni dachu. Przy wykorzystaniu tego urządzenia napotkamy niestety problem z określeniem ciężaru śniegu zalegającego na dachu, gdyż urządzenie prawidiowo określa w zasadzie tylko ciężar śniegu padającego pionowo. Współczesny śniegomierz wagowy Bardzo ciekawym rozwiązaniem jest śniegomierz przeznaczony do szybkie- jest prosty i szybki, należy jednak zwrócić szczególną uwagę na staranność jego wykonania. Bardzo ważne jest dokładne pobranie próbki śnieg u aż do powierzchni pokrycia dachowego, inaczej pomiar obarczony będzie błędem. Metodologia prowadzenia pomiarów Rozkład obciążenia ś niegiem na dachu zależy między innymi od jego geometrii, pochylenia, występowania attyk oraz różnego typu urządzeń, lokalizacji w bezpośrednim sąsiedztwie obiektów wyższych, z których może zsuwać się śnieg i wobrębie których tworzyć się będą zaspy śnieżne. Wszystkie te zjawiska uwzględniane są w analizach statyczno -wytrzymało śc iowych w postaci modelowych rozkła dów obciążeń. Ze względu na specyfikę obciążenia śniegiem dachu bardzo często konstrukcja przekrycia projektowana jest w taki sposób, aby elementy o większej nośności zloka lizowane były w tych miejscach, gdzie spodziewamy się większych obciążeń śniegiem. Z powyższych Fot. 21 Śniegomlen prz maczony do wyznaczania obciążenia dachu zalegajqcym śniegiem. zestaw pomiarowy: torba, zasobnik do poberania probek śniegu, lopatka, urzqdzenle odczytowe (rysunld zaaerpnięte z malerioj6w ptoducenta),- ----1!!!!!!!!----- NŻYNER BUDOWNCTWA
technolo g ie folwwń """'"'" 1,o11tm, te 0$0ba pro. -u.ąc.a...,~ ~ ~ dachu... mk~(prqfk u...y)!090 rouod i pom.ary~ w ~.1.racł1 d.khu. z.wzroe. Ba.,: pod YWaOję mw:iwo!l ~ bo;du ptw; ałowoek Ola.< ~~~~ w dtej,trefoe Nleiy ~... rrun w ~"""'"""J'Co'Ch. njoo...ąe no _l """"" ~ ~ poww1j' "'! zn*h w prqe:.oe ocirooe- -... Pod. w... ~ DostęPne no ryn<l u,~ ".."... ~ pozwalają w 'ot"",nkowo awj i~~~ oęlmvoegu ~ no p<:>oo ~ Nie potr>mo do logo ~ dly..,. dutych ~ linmowjd> Kon\eano )es!... t0m4.1 dłgw eduk;t(j; o<ób odpomed;tialny<1... utnyman" 1e<lnio... obieli t~ Sl:kolenla PQ'Ninny b)'ł prow.. dłone 1,o1,6wno dla o<ób za~.. McY<1 obiectarnl. Jak ntynioorów ~jąqch Mdz6r tkllniczny Md nimi. WVód lw'k. pro,ektanl/lw kdnsllukqo poollljje pogi.lc. ze obci.t _~~Wf'lOn'l'loe~1 W3t10łc4. która rogdy rot _ losx ~ lal< ~ w,nr kule. oczywdóe tal. nie ;o.l pcdqbnie im z trwmo!ci! oboektów bo dcw.ian)och PiłlfZ1'1'1"1' na rot przez P)'VT1O... oc.,., ~ k1clre~ ze ~:oemy... remon1ow1lt. Mamy w p.>'\'\oe<j potlll"l"lody w E9'PO' "'al ~ "'"" na W"","" k1clre w S""'... do ~ l\'o" 1W"",...:moe Wydaje ~ nam za lem. te konottukcja cai Mgo _tu bfdrio pracowk be> ładnych U>l~ pthz bmd... dlu9l a", "k~ podejkiu "PRecza oaywiwe leorno l"oje<low<onia Ot"" wyottpujłc:e awan. lcat.utr<>fot budowla"". J:"".. <Xo.. 3, oe.ne<2\4 błtkoaęuo przez...:n"o(f1"! - ~ ~"'"'"'" _- dt "" luu.. Bednanki dl"" tofał S... ko... P'... ~ nn l ~two l ~ '--'. la b-.. oeo,... ~ w """""" pobtłdt,._ ~'.'''' ł-1co", oc_ 11920'l007., 18-21 2 lal.. -.O~~"''' ~,."",.." pdw:ł 1nl)nolN,... 'Vl:Oi. ~ ~Ml) l l...-. o ~-'"'" ~~~, -~ '_-",~), ~21'1-221 l lur_." '.... """,.. "" ~... -'.1TSw..._2009 5 ~. -." 0s_...u_ 'r_ 100</00.. ~. ~_. ów 100</00'''''''. _~ _. _ - W lm001.,. )) )6,