Obciążenie wiatrem

Schrag Polska

Palmy silne obciążenie wiatrem

Norma PN-EN 1991-1-4

wyznaczania wartości oddziaływania wiatru

Norma PN-EN 1991-1-4 podaje zasady wyznaczania wartości oddziaływania wiatru do stosowania w obliczeniach konstrukcji budynków i budowli. Zasady te dotyczą całej konstrukcji lub jej części, elementów mocowanych do konstrukcji, np. jej części składowych, elementów ścian osłonowych i ich łączników, barier ochronnych i ekranów akustycznych. W niniejszym tekście postaramy się przybliżyć tematykę obciążenia wiatrem w odniesieniu do dachów, a w szczególności skupiając się na tym, jakie czynniki mają bezpośredni wpływ na wielkość obciążenia wiatrem. Zgodnie z Eurokodem „wiatrowym” obciążenie wiatrem konstrukcji i elementów konstrukcyjnych należy wyznaczać, biorąc pod uwagę zarówno ciśnienie zewnętrzne, jak i wewnętrzne wywierane przez wiatr.

Współczynnik ciśnienia zewnętrznego dla dachów zależy od:

Kształtu dachu (dach płaski, jednospadowy, dwuspadowy, czterospadowy, wielospadowy, dach łukowy, kopuła itp.)

Kąta nachylenia połaci

Kierunku działania wiatru (prostopadle, do kalenicy, równolegle do kalenicy itp.)

Typu dachu (ostre krawędzie brzegu, dach z attyką, krawędzie dachu zaokrąglone, dach mansardowy itp.)

Analizowanego pola na dachu

Najprościej rzecz ujmując ciśnienie wiatru działające na powierzchnie zewnętrzne konstrukcji We jest iloczynem wartości szczytowej ciśnienia prędkości qp(Ze) i współczynnika ciśnienia zewnętrznego Cpe , natomiast ciśnienie wiatru działające na powierzchnie wewnętrzne konstrukcji Wi jest iloczynem wartości szczytowej ciśnienia prędkości qpZi i współczynnika ciśnienia wewnętrznego cpi.

We=qp(Ze)·Cpe

Wi=qi(Zi)·Cpi

Ciśnienie sumaryczne (netto), działające na ścianę, dach lub element jest różnicą algebraiczną między wartościami ciśnienia po obu stronach przegrody. Parcie, skierowane ku powierzchni jest przyjmowane jako dodatnie, a ssanie skierowane od powierzchni, jako ujemne. Przykłady ciśnienia sumarycznego przedstawiają poniższe rysunki.

Współczynniki ciśnienia wewnętrznego dla dachów zależy od:

Rozmiarów otworów w ścianach osłonowych budynku,

Lokalizacji otworów w ścianach osłonowych budynku

Wykres ciśnienia od obciążenia wiatrem

Dachy budynków przemysłowych

Już na tym etapie należy wspomnieć o znacznym skomplikowaniu obliczeń. W przypadku dachów budynków przemysłowych (dach dwuspadowy, kąt nachylenia połaci od -5stopni do +45 stopni) dla kierunku wiatru θ=0 (wiatr prostopadły do kalenicy) należy rozważyć cztery przypadki, w których największe albo najmniejsze wartości we wszystkich polach połaci nawietrznej występują łącznie z największymi albo najmniejszymi wartościami w polach na połaci zawietrznej. Uwzględniając dodatkowo wpływ ciśnienia wewnętrznego (nadciśnienia lub podciśnienia) otrzymujemy osiem wariantów obciążenia. Ponadto dochodzą jeszcze inne kierunki wiatru.

Hala produkcyjna Schrag Polska - obciążenie wiatrem

Wartość szczytowa ciśnienia prędkości

qpZ na wysokości “Z” łączy wartość średnią i chwilowe fluktuacje prędkości. Wartość szczytowego ciśnienia prędkości wiatru zależy od średniej prędkości wiatru Vm , gęstości powietrza ρ (która oczywiście zależy m in. od wysokości nad poziomem morza, temperatury i ciśnienia atmosferycznego) oraz od intensywności turbulencji Iv(Z) .

Wzór matematyczny na obciążenie wiatrem

Intensywność turbulencji na wysokości

“Z” jest zdefiniowana jako odchylenie standardowe składowych fluktuacyjnych prędkości wiatru podzielona przez średnią prędkość wiatru. „Normowy” wzór pozwalający określić wartość intensywności turbulencji jest zależny od współczynnika turbulencji k1, współczynnika orografii C0 oraz wymiaru chropowatości (zależnego od kategorii terenu).

Wzór matematyczny na obciążenie wiatrem

Średnia prędkość wiatru

Vm(Z) na wysokości nad poziomem terenu zależy od chropowatości Cr(Z) i rzeźby terenu C0(Z) oraz od bazowej prędkości wiatru Vb, i jest wyznaczana z wyrażenia:

Wzór matematyczny na obciążenie wiatrem

Chropowatość terenu

zależy od kategorii terenu

Kategoria terenu 0

Morza, obszar brzegowy otwarty na morze

Widok na morze - obciążenie wiatrem

Kategoria terenu I

Jeziora albo obszary z pomijalną niewielką roślinnością i bez przeszkód

Widok na jezioro - obciążenie wiatrem

Kategoria terenu II

Obszary z niską roślinnością, taką jak trawa, oraz pojedynczymi przeszkodami (drzewa, budynki) oddalonymi od siebie na odległość nie mniejszą niż 20 ich wysokości

Widok drzewa na łące - obciążenie wiatrem

Kategoria terenu III

Obszary regularnie pokryte roślinnością albo budynkami lub pojedynczymi przeszkodami oddalonymi od siebie na odległość nie większą niż 20 ich wysokości (jak wsie, tereny podmiejskie, stałe lasy)

Widok wioski w górach - obciążenie wiatrem

Kategoria terenu IV

Obszary, na których przynajmniej 15% powierzchni pokrywają budynki o średniej wysokości przekraczającej 15 m

Widok nowoczesnego miasta

Dodatkowo norma nakazuje rozważyć wpływ sąsiednich konstrukcji na prędkość wiatru. Jeżeli konstrukcja ma być zlokalizowana w pobliżu innej konstrukcji, której wysokość jest co najmniej dwa razy taka jak średnia wysokość konstrukcji sąsiednich, to może ona być wystawiona (w zależności od cech konstrukcji wyższej) na zwiększoną prędkość wiatru z niektórych jego kierunków.

Bazowa prędkość wiatru określona jako funkcja kierunku wiatru i pory roku na wysokości 10 m nad poziomem gruntu zależy od współczynnika kierunkowego Cdir, współczynnika sezonowego Cseason  oraz od podstawowej bazowej prędkości wiatru Vb,0 i należy obliczać ją z wyrażenia:
Vb=Cdir·Cseason·Vb,0

Wartość podstawowa bazowej prędkości wiatru , jest wartością charakterystyczną, średnią dziesięciominutową, niezależną od kierunku wiatru i pory roku, na wysokości 10 m nad poziomem gruntu, w otwartym terenie wiejskim o niskiej roślinności, jak trawa i o pojedynczych przeszkodach oddalonych od siebie przynajmniej na odległość ich 20 wysokości. Podane w załączniku krajowym wartości podstawowe bazowej prędkości wiatru zależą od stref obciążenia wiatrem.

Jak wynika z powyższego tekstu, na wielkość obciążenia wiatrem dachu ma wpływ ogromna ilość czynników, które zależą ściśle od gabarytów i lokalizacji obiektu. Do poprawnego wyliczenia wartości obciążenia wiatrem niezbędna jest pełna wiedza o projektowanym obiekcie. Nawet niewielka zmiana kształtu, gabarytów czy nawet przeznaczenia obiektu może mieć znaczący wpływ na wielkość obciążenia wiatrem.

Mapa stref wiatrowych

Mapa stref wiatrowych - obciążenie wiatrem

Obrane w normach metody są całkowicie uzasadnione tym, co oglądamy na realnych dachach zaatakowanych przez huraganowe wiatry.