Udostępnij:

Budownictwo ogólne

Jak wyznaczyć obciążenie śniegiem?

W tym artykule omówię procedurę wyznaczenia wartości charakterystycznej obciążenia śniegiem dla konstrukcji budynku w trwałej/przejściowej sytuacji obliczeniowej.

Podstawowe informacje

Śnieg jest jednym z podstawowych obciążeń klimatycznych, które kwalifikuje się jako obciążenie zmienne przy projektowaniu konstrukcji obiektów budowlanych. Oznacza to, że wartość obciążenia śniegiem nie jest stała w czasie i zależy m. in. od: 

  • miejscowych warunków klimatycznych, 
  • ukształtowania, zagospodarowania i zabudowania terenu, 
  • kształtu i chropowatości dachu, 
  • właściwości termicznych przegrody dachu oraz temp. wewnątrz obiektu,
  • czasu zalegania śniegu,

Wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem konstrukcji budynków oblicza się na podstawie normy PN-EN 1991-1-3 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3  Oddziaływania ogólne – obciążenie śniegiem. Zgodnie z wytycznymi zawartymi w załączniku krajowym do normy europejskiej przy obliczaniu obciążenia śniegiem w Polsce zaleca się stosowanie dwóch przypadków:

  • Przypadku A, który występuje w warunkach normalnych  i dotyczy on trwałej/przejściowej sytuacji obliczeniowej.
  • Przypadku B2, który występuje w warunkach wyjątkowych. Analizuje się w nim trwałą/przejściową sytuację obliczeniową, a także sytuację wyjątkową związaną z możliwością wystąpienia wyjątkowych zamieci w wyniku, których mogą powstać zaspy śnieżne.

Jak wyznaczyć obciążęnie śniegiem w trwałej/przejściowej sytuacji obliczeniowej?

Wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem dachów w trwałej/przejściowej sytuacji obliczeniowej należy obliczać na podstawie wzoru:

\( s=\mu_iC_eC_ts_k\)  (wzór 5.1 PN-EN 1991-1-3)

gdzie:

\(\mu_i\)  - współczynnik kształtu dachu 

\(C_e\) - współczynik ekspozycji

\(C_t\) - współczynnik termiczny

\(s_k\) - obciążenie śniegiem gruntu

Współczynnik kształtu dachu ( \(\mu_i\) ) jest wartością, która zależy od typu dachu i kąta pochylenia jego połaci dachowej. Wyznacza się go m. in. na podstawie tablicy 5.2 normy [1].

Tab. 1 Współczynniki kształtu dachu [1]

Współczynnik ekspozpozycji  ( \(C_e \) ) uwzględania wpływ ukształtowania i zagospodarowania terenu na wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem połaci dachowej analizowanego lub projektowanego budynku. Wartość współczynnika wyznacza się na podstawie tablicy 5.1 normy [1], która podziliła teren na:

  • wystawiony na działanie wiatru -  \(C_e =0,8\)
  • normalny -  \(C_e =1,0 \)
  • osłonięty od wiatru -  \(C_e =1,2 \)
Ustalająć wartość współczynnika ekspozycji ( \(C_e \) ) powinno się wziąść pod uwagę mozliwą zmianę zagospodarowania terenu wokół projektowanego budynku. W czasie użytkowania obiektu budowlanego może nastąpić zmiana rodzaju otaczającego terenu z terenu otwartego nie zabudowanego, na teren osłonięty, zabudowany z upływem czasu.  W związku z tym warto analizować zapisy miejscowego planu zagospodarowania przestrzenego, który określa przenaczenie, warunki zagopodarowania i zabudowy terenu danej gminy w przypadku jego obowiązywania.

Współczynnik termiczny  ( \(C_t\) )  jest to współczynnikiem, który jest stosowany do zmniejszenia wartości chrakterytyczego obciążenia śniegiem dachu o wysokim współczynniku, przenikania ciepła (>  \(1\quad W/m^2K\) ). Dotyczy to wszczególności niektórych dachów pokrytych szkłem w bunkach ogrzewanych, z powodu topnienienia śniegu przez uchodzące ciepło. W pozostałych przypadkach należy przyjmować wartość  \(C_t=1\) .

Przyjęcie współczynnika termiczego  \(C_t<1\)  powinno być staranie rozważone. Należy wziąść pod uwagę sytuację, w której z jakiś przyczyn może dojść do awarii systemu ogrzewania lub przerwania eksploatacji obiektu przez  jego użytkowanika. Spowoduje to ustanie zjawiska topnienia śniegu. W mojej ocenie bezpiecznym i właściwym podejściem przy obliczaniu wartości charakterystycznego obciążenia śniegiem dachu jest przyjęcie współczynnika termicznego  \(C_t=1\)  nie zależnie od wielkości współczynnika przenikania ciepła przegrody dachowej.

Obciążenie śniegiem gruntu w Polsce ustala się na podstawie podziału Polski na strefy. Poniższy rysunek znajduje się w załączniku krajowym do normy[1].

Rys. 1 Podział Polski na strefy obciążenia śniegiem gruntu [1]

Wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem gruntu w Polsce dla danej strefy odczytuje się za pomocą tablicy NA.1 normy[1].

Tab. 2 Wartości charakterystyczne obciążenia śniegiem gruntu w Polsce [1]

Przykład

Wyznacz wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem dla dachu jednospadowego o kącie nachylenia połaci wynoszącym 20⁰. Projektowany budynek będzie zlokalizowany w miejscowości Kraków, na działce położonej na wysokości A=340m n.p.m. Działka jest otoczona wysokimi drzewami oraz wyższymi budowlami.

Obliczenia przeprowadzę za pomocą programu Soldis PROJEKTANT przy użyciu generatora obciążenia śniegiem.

Rys. 2 Generator obciążenia śniegiem (Soldis PROJEKTANT)

W pierwszym kroku określamy typ dachu lub obciążenia miejscowego, dla którego chcemy wyznaczyć wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem. Wybieramy dach jednospadowy.

Rys. 3  Wybór typu dachu dla analizowanego przypadku (Soldis PROJEKTANT)

Kolejno wskazujemy warunki lokalizacyjne. Obciążenie śniegiem wyznaczamy w warunkach normalnych, w których nie występują wyjątkowe opadu śniegu oraz wyjątkowe zamiecie. Wybieramy przypadek A. Obliczenia przeprowadzamy dla trwałej/przejściowe sytuacji obliczeniowej.

Rys. 4 Warunki lokalizacyjne (Soldis PROJEKTANT)

Następny parametr, który musimy zdefiniować jest to ciężar śniegu na gruncie. Budynek będzie zlokalizowany w miejscowości Kraków (strefa III) na działce położonej na wysokości A=340m n.p.m. Jeżeli mielibyśmy wątpliwości, do której strefy przypisać analizowaną lokalizację, możemy za pomocą dostępnej funkcji w programie uruchomić mapę z podziałem Polski na strefy obciążenia śniegiem gruntu i dokonać jej weryfikacji.

Rys. 5 Ciężar śniegu na gruncie \(s_k \) (Soldis PROJEKTANT)
Rys.6 Podział Polski na strefy obciążenia śniegiem gruntu (Soldis PROJEKTANT)

Teren projektowanej inwestycji otaczają wysokie drzewa oraz wyższe budowle. W związku z tym teren określamy jako otoczony wyższymi obiektami.

Rys. 7 Współczynnik ekspozycji \(C_e \) (Soldis PROJEKTANT)

Tak jak pisałem już wcześniej, dobrym i bezpiecznym podejściem jest przyjęcie współczynnika termicznego  \(C_t=1\)

Rys. 8  Współczynnik termiczny \(C_t=1\) (Soldis PROJEKTANT)

Ostatni parametr jaki musimy zdefiniować to współczynnik kształtu dachu  \(\mu_i\) . Zależy on głównie od kąta pochylenia połaci dachowej. Ustalamy kąt α=20⁰.

Rys. 9 Współczynnik kształtu dachu \(\mu_i\) (Soldis PROJEKTANT)

Po zdefiniowaniu wszystkich danych, program dobrał wartości współczynników i policzył wielkość obciążenia śniegiem. W celu odczytania  schematu i wartośći charakterystycznej obciążenia śniegiem analizowanego dachu przechodzi do zakładki schemat obciążenia.  

Rys. 10 Schemat oraz wartość charakterystycznego obciążenia śniegiem analizowanego dachu (Soldis PROJEKTANT)
Istotnym aspektem przy obliczaniu obciążenia śniegiem w programie komputerowym jest znajomość normy[1] oraz umiejętność prowadzenia obliczeń ręcznych.  Źle zdefiniowane dane lub błędy w oprogramowaniu komputerowym mogą prowadzić do otrzymania błędnego rozwiązania.

Literatura:
[1] PN-EN 1991-1-3 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3  Oddziaływania ogólne – obciążenie śniegiem, PKN, 2005