Wprowadzenie do Eurokodów - Pomorska Okręgowa Izba

Wprowadzenie do Eurokodów - Pomorska Okręgowa Izba

POMORSKA OKRĘGOWA IZBA INŻYNIERÓW BUDOWNICTWA
dr inż. Marek Wesołowski
Politechnika Gdańska
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Wprowadzenie do Eurokodów
Podstawy projektowania konstrukcji
Gdańsk-Słupsk, kwiecień 2014
1. Wprowadzenie
Każda wielka historia rozpoczyna się w zamierzchłych przedhistorycznych czasach, obrastając w liczne
legendy. Nie inaczej jest z wielkim mitem europejskim, którym rozpoczyna swe wielkie dzieło Norman Davis
[3]: na początku była legenda o pięknej córce króla Tyru, księżniczce Europie, którą Zeus porwał z rodzinnej
Fenicji na Kretę, przyjąwszy wprzódy postać śnieżnobiałego byka. W ten oto malowniczy sposób
wywiedziono tradycję kontynentu europejskiego ze starożytnych cywilizacji Bliskiego Wschodu, z ich
blaskami i cieniami.
Historycznie rzecz ujmując, cywilizacja europejska rodząc się i rozkwitając w basenie Morza
Śródziemnego, w ścisłym związku z sąsiadującymi krainami bliższego i dalszego Wschodu, przyniosła w
swoim dorobku wielkie idee świata starożytnego, które można zawrzeć w trzech symbolicznych elementach
składowych: greckim umiłowaniu piękna, rzymskim prawie i chrześcijańskiej miłości bliźniego. Te trzy filary
kulturowo-cywilizacyjne zdeterminowały na wieki Stary Kontynent, stwarzając przez długie stulecia wzorzec
także dla całego globu.
Jest rzeczą charakterystyczną, że u schyłku świata starożytnego, gdy rozpadało się cesarstwo rzymskie,
odchodząc powoli w przeszłość, na Monte Cassino, na gruzach świątyni Apollina, św. Benedykt z Nursji
(480-543) w roku 529 kładł podwaliny pod klasztor, który był źródłem odrodzenia się na nowo ducha
europejskiej kultury. W tym samym czasie swe podwoje zamknęła Akademia Platońska w Atenach, będąca
symbolem kultury antycznej. Tak oto dokonały się przełomowe zmiany, wprowadzające Europę w czas
nowożytny. Jak stwierdził kardynał Joseph Ratzinger w swym głośnym wywiadzie-rzece z Peterem
Seewaldem: „Benedykt stał się prawodawcą Zachodu, a na gruncie tej wielowarstwowej formy kulturowej
rzeczywiście zrodził się nowy kontynent – Europa: kultura, która przeobraziła świat” [14].
Czym jest dziś Europa, jej tradycja, jej dziedzictwo? Oto pytania, na które usiłuje się znaleźć odpowiedź
w momencie, gdy podzielony do niedawna kontynent na powrót się jednoczy. Odbywający się w Polsce w
dniu 14 marca 2004 roku V Zjazd Gnieźnieński „Europa Ducha” przyjął znamienne przesłanie do
Europejczyków, w którym znaleźć można między innymi następujące słowa: „Chcąc odkryć sens procesu
zjednoczeniowego, Europa musi na nowo odnaleźć swoją duszę. Do zbudowania wspólnoty ludzi i narodów
nie wystarczy integracja na poziomie polityki i ekonomii. Europa potrzebuje dziś nowych duchowych katedr jako fundamentów, na których mogłaby się wesprzeć”. Na tym samym zjeździe zaznaczono także: „Europa
jest drzewem; zmarnieje, jeżeli zapomni o własnych korzeniach. Przyszłość drzewa jest już wpisana w jego
korzenie. W korzeniach zaczyna odsłaniać się jego cel i sens. Z drzewa można zrobić byle co, pod
warunkiem, że pozbawi się je korzeni. Zaakceptować drzewo jako drzewo znaczy troszczyć się o jego
korzenie” [4].
Idea zjednoczonej Europy pojawiła się już w XIX wieku. Wydawała się mrzonką niepoprawnych
optymistów przez długie dziesięciolecia, zwłaszcza w I połowie XX wieku, po doświadczeniach dwóch wojen
światowych i dwóch totalitaryzmów: faszystowskiego i komunistycznego. Idea zjednoczeniowa odżyła
ponownie w latach pięćdziesiątych XX wieku, po straszliwej hekatombie II wojny światowej i wobec
postępującego zagrożenia ze strony komunizmu, gdy dla krajów zachodnioeuropejskich nastał czas głębokiej
refleksji nad swoją historią. Stawiano sobie pytanie, w jaki sposób ukształtować przyszłość Starego
Kontynentu, aby już nigdy nie był on źródłem nowej wojny globalnej o niewyobrażalnych skutkach. Dość
szybko powstała idea wprzęgnięcia historycznie skonfliktowanych krajów europejskich w orbitę wspólnych
interesów gospodarczych. Na tej podstawie miała ukształtować się w przyszłości nowa, trwała ich integracja.
To niezwykle trudne wyzwanie czasu podjęli – nie bez obaw i ryzyka – europejscy politycy orientacji
chadeckiej: Republiki Federalnej Niemiec (Konrad Adenauer), Francji (Robert Schuman) i Włoch (Alcide de
Gasperi).
Integracja europejska, zapoczątkowana w tatach 50-tych XX wieku, obejmowała początkowo tylko sześć
państw: Niemcy Zachodnie, Francję, Włochy, Holandię, Belgię i Luksemburg. W późniejszym okresie,
rozszerzając się na inne kraje Europy Zachodniej, przechodziła różne fazy rozwojowe, poczynając od planu
Schumana, z którego wyłoniła się Europejska Wspólnota Węgla i Stali (Traktat Paryski 18.04.1951), poprzez
Europejską Wspólnotę Gospodarczą i Europejską Wspólnotę Energii Atomowej (Traktaty Rzymskie
25.03.1957), dochodząc do swej obecnej formy w postaci Unii Europejskiej (Traktat z Maastricht 7.02.1992).
Przełomową datą integracji europejskiej stał się dzień 1 maja 2004 roku, gdy do Unii Europejskiej
przystąpiło aż dziesięć nowych państw: śródziemnomorskie (Malta, Cypr), wschodnioeuropejskie kraje zza
dawnej „żelaznej kurtyny” (Polska, Czechy, Słowacja, Węgry, Słowenia) oraz byłe republiki sowieckie
(Litwa, Łotwa, Estonia). Natomiast historyczną klamrą, zamykającą okres podziału Starego Kontynentu i
spinającą go na nowo, było przyjęcie Bułgarii i Rumunii w dniu 1 stycznia 2007 roku, jako pełnoprawnych
członków Wspólnoty.
2
2. Geneza i zakres europejskich norm projektowania konstrukcji
W zakresie ekonomiczno-gospodarczym, podstawowym celem procesów integracyjnych w powojennej
Europie było między innymi zapewnienie swobodnej, nieskrępowanej wymiany towarów, usług i myśli
technicznej. Pociągało to za sobą konieczność dostosowania ich jakości i własności użytkowych do wspólnie
uzgodnionych wymagań. Fakt ten legł u podstaw idei norm europejskich, które miały zagwarantować pełną
wymienialność i wzajemną akceptację w tym zakresie.
Całość szerokiej problematyki normalizacyjnej Rada Wspólnot Europejskich powierzyła Europejskiemu
Komitetowi Normalizacyjnemu (Comité Européen de Normalisation – CEN). Podstawowym ciałem
roboczym dla każdej rozpatrywanej dziedziny jest Komitet Techniczny (Technical Committee – TC), a w
przypadku bardzo szerokiego zakresu tematycznego może być nim Podkomitet Techniczny (Sub Committee –
SC), który dodatkowo może wyłonić z siebie specjalistyczny Zespół Autorski (Project Team – PT). Szybko
okazało się, że do przyjętego zakresu prac należy ustanowić około 300 Komitetów Technicznych, w tym
około 40 dotyczących budownictwa. Prace CEN prowadzono w ścisłym współdziałaniu z Międzynarodową
Organizacją Normalizacyjną (International Standards Organization – ISO), na podstawie specjalnego
odrębnego porozumienia (tzw. Porozumienia Wiedeńskiego). Brano również pod uwagę zalecenia wielu
specjalistycznych organizacji międzynarodowych, do których można zaliczyć między innymi: Połączony
Komitet Bezpieczeństwa Konstrukcji Budowlanych (Joint Committee for Structural Safety – JCSS),
Europejską Konwencję Konstrukcji Stalowych (European Convention for Constructional Steelwork –
ECCS), Międzynarodowe Towarzystwo Budowli Mostowych i Wysokich (Internationale Vereinigung für
Brückenbau und Hochbau – IVBH), Międzynarodowe Towarzystwo Mechaniki Gruntów i Fundamentowania
(International Society for Soil Mechanics and Foundation Engineering – ISSMFE), Międzynarodowe
Towarzystwo Laboratoriów i Instytutów Badawczych Budownictwa (Réunion Internationale des
Laboratoires d’Essais et de Recherches sur les Matériaux et les Constructions – RILEM), Europejski
Komitet Betonu (Comité Euro-International du Béton – CEB), Międzynarodową Federację Konstrukcji
Sprężonych (Fédération Internationale de la Précontrainte – FIP). Dwie ostatnie z cytowanych organizacji w
dniu 1.07.1998 połączyły się w jedną wspólną, pod nazwą Międzynarodowej Federacji Betonu (fédération
internationale du béton – fib).
Wytyczne dotyczące polityki normalizacyjnej w dziedzinie budownictwa zawarto w dyrektywie Rady
Wspólnot Europejskich z dnia 21 grudnia 1988 (Council Directive of 21 December 1988 on approximation
of laws, regulations and administrative provisions of Member States relating to construction products –
89/106/ECC).
Pod nazwą Eurokody (EC) określa się normy europejskie (EN) projektowania konstrukcji, których celem
jest możliwość swobodnej wymiany projektów i dokumentacji budowlanych, przy spełnieniu uzgodnionych
wspólnych wymagań. Projekty EC przygotowywał Komitet Techniczny TC 250 „Eurokody Konstrukcji
Budowlanych” (Structural Eurocodes), natomiast szereg projektów norm szczegółowych – specjalistyczne
Komitety Techniczne. W ramach Komitetu Technicznego TC 250 wyłoniono dziewięć Podkomitetów (SC),
które były odpowiedzialne za kolejne Eurokody, to znaczy od EC 1 do EC 9. Merytorycznie poszczególne
zagadnienia projektów EC przygotowywały powołane w tym celu Zespoły Autorskie (PT), które
przedstawiały wyniki swych prac do akceptacji poszczególnych SC lub TC.
Przyjęte wstępnie projekty norm, wydane w trzech językach oficjalnych (angielskim, francuskim,
niemieckim), przesyłano krajom zrzeszonym w CEN do zaopiniowania, a później, po uwzględnieniu
nadesłanych uwag, drogą głosowania ustanawiano są jako obowiązujące normy europejskie. W przypadku
obszernych norm, które wymagały szerokich uzgodnień w skali międzynarodowej, ich opracowanie
przebiegało dwuetapowo: najpierw wprowadzano prenormę europejską (ENV) na okres próbny (najczęściej 3
lat), celem praktycznego przetestowania jej przez wszystkie kraje członkowskie, a następnie dopiero
zatwierdzano jako normę europejską (EN), opracowaną na podstawie uwag wniesionych do ENV w okresie
próbnym. Zakończeniem tego etapu był dzień udostępnienia przez CEN ostatecznego tekstu EN/EC
krajowym instytucjom normalizacyjnym poszczególnych państw członkowskich (date of availibity – DAV).
Eurokody zawierają szereg postanowień alternatywnych, które umożliwiają dostosowanie wielu z nich do
specyfiki danego kraju członkowskiego. Stąd też w tekstach EC rozróżnia się „zasady” (principles), które są
obligatoryjne oraz „reguły stosowania” (application rules), dopuszczające inne ustalenia.
Pierwotnie niektóre wartości liczbowe występowały w „ramkach”, i miały być ustalane indywidualnie
przez poszczególne kraje. Zmiany wprowadzane do postanowień przy wdrażaniu każdej z norm
przewidywano w postaci krajowego dokumentu stosowania (National Application Document – NAD),
stanowiącego integralną część krajowej wersji danej normy. Później odstąpiono od systemu wartości w
„ramkach” na rzecz „wartości ustalanych krajowo” (Nationally Determined Parameters – NDP), podawanych
w załącznikach krajowych.
W zakresie projektowania konstrukcji budowlanych obowiązuje norma podstawowa (EN-1990) oraz
3
dziewięć norm przedmiotowych (EC1EC9), z których każda składa się z kilku części szczegółowych,
odpowiadających specyfice poszczególnych rodzajów konstrukcji w danej dziedzinie [9]:
EN-1990. Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji
EN-1991. Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje
EN-1991-1 Część 1. Obciążenia podstawowe
Część 1-1. Gęstości materiałów, ciężar własny, obciążenia budowli
Część 1-2. Oddziaływania pożarowe
Część 1-3. Obciążenie śniegiem
Część 1-4. Obciążenie wiatrem
Część 1-5. Obciążenie temperaturą
Część 1-6 Obciążenia w trakcie wykonywania konstrukcji
Część 1-7. Obciążenia wyjątkowe
EN-1991-2 Część 2. Obciążenia mostów ruchem pojazdów
EN-1991-3 Część 3. Obciążenia wywołane przez dźwigi i maszyny
EN-1991-4 Część 4. Oddziaływania na silosy i zbiorniki
EN-1992. Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu
EN-1992-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1992-2 Część 2. Mosty
EN-1992-3 Część 3. Zbiorniki na płyny i silosy
EN-1992-4 Część 4. Konstrukcje morskie
EN-1992-5 Część 5. Konstrukcje masywne
EN-1993. Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych
EN-1993-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1993-2 Część 2. Mosty
EN-1993-3 Część 3. Wieże, maszty, kominy
EN-1993-4 Część 4. Zbiorniki, silosy, rurociągi
EN-1993-5 Część 5. Grodzice, pale, ścianki szczelne
EN-1993-6 Część 6. Belki podsuwnicowe
EN-1993-7 Część 7. Konstrukcje morskie
EN-1993-8 Część 8. Konstrukcje rolnicze
EN-1994. Eurokod 4. Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych
EN-1994-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1994-2 Część 2. Mosty
EN-1995. Eurokod 5. Projektowanie konstrukcji drewnianych
EN-1995-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1995-2 Część 2. Mosty
EN-1996. Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych
EN-1996-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1996-2 Część 2. Dobór materiału i wykonanie muru
EN-1996-3 Część 3. Uproszczone reguły projektowania
EN-1996-4 Część 4. Konstrukcje o mniejszych wymaganiach niezawodności
EN-1997. Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne
EN-1997-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1997-2 Część 2. Badania laboratoryjne
EN-1997-3 Część 3. Badania polowe
EN-1997-4 Część 4. Reguły dla szczególnych elementów i konstrukcji
EN-1998. Eurokod 8. Projektowanie konstrukcji na oddziaływania sejsmiczne
EN-1998-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1998-2 Część 2. Mosty
EN-1998-3 Część 3. Wieże, maszty, kominy
EN-1998-4 Część 4. Zbiorniki, silosy, rurociągi
EN-1998-5 Część 5. Fundamenty, konstrukcje oporowe, geotechnika
EN-1999. Eurokod 9. Projektowanie konstrukcji aluminiowych
EN-1999-1 Część 1. Reguły ogólne
EN-1999-2 Część 2. Projektowanie konstrukcji zagrożonych zmęczeniem
Poszczególne prenormy (ENV) z wyżej wymienionego zakresu były przez nadspodziewanie długi okres
czasu w fazie próbnego stosowania, bądź też różnorodnego testowania. Z tego powodu wdrożenie do praktyki
projektowej wszystkich EN/EC było procesem długotrwałym, który rozciągnął się na niemal 20 lat.
4
3. Wdrażanie norm europejskich do praktyki krajowej
Wdrożenie norm europejskich w poszczególnych krajach wspólnoty opiera się na trzech podstawowych
filarach: krajowych instytucjach normalizacyjnych, organach państwowych, przemyśle krajowym (rys.1).
Krajowe instytucje normalizacyjne (w Polsce jest to Polski Komitet Normalizacyjny) zobowiązano do
dokonania tłumaczenia tekstu wdrażanej normy na język krajowy, na co przewidziano okres 12 miesięcy, a w
okresie następnych 12 miesięcy powinny one opublikować tekst normy wraz z załącznikiem krajowym. Na
koniec, po okresie około 5 lat, przewidziano wycofanie dotychczasowych norm krajowych, których rolę
przejmują od tej pory normy europejskie.
Organom państwowym przypadł w udziale proces tworzenia merytorycznych podstaw do określenia
zakresu załącznika krajowego, informowania właściwych instytucji europejskich o przebiegu całego procesu
normalizacyjnego, dostosowywanie istniejącego prawa krajowego do wymagań europejskich oraz szeroki
kontakt z przyszłymi użytkownikami norm (przemysłem). Przewidywano, że okres początkowego wdrażania
poszczególnych norm (okres kalibracji krajowej) wyniesie około 2 lat, a następne 3 lata powinny być
okresem przejściowym, w którym egzystowałyby równolegle normy europejskie z krajowymi. W
rzeczywistości terminy te uległy znacznym wydłużeniom.
Rys.1. Schemat wdrażania norm europejskich w krajach członkowskich UE [7]
Użytkownicy (umownie określani terminem „przemysł”) mieli być odpowiedzialni za proces
samokształceniowy i opracowywanie materiałów pomocniczych w tym zakresie. Zachodziła wobec tego
konieczność szerokiej integracji odpowiednich środowisk zawodowych, w których niemałą rolę miały do
odegrania na gruncie polskim takie organizacje jak Polska Izba Inżynierów Budownictwa oraz Polski
Związek Inżynierów i Techników Budownictwa, czy też Związek Mostowców Rzeczypospolitej Polskiej.
Należy wspomnieć, że na łamach polskiej literatury technicznej problematyka norm europejskich gościła
już od wielu lat, czego wymownym przykładem mogą być publikacje [1, 5, 7, 8, 9].
4. Podstawy projektowania konstrukcji w świetle Eurokodów
Podstawową normą, która opisuje całą filozofię projektowania konstrukcji budowlanych, jak również daje
merytoryczne podstawy i wytyczne do oceny bezpieczeństwa konstrukcji, jest EN-1990:2002 „Eurokod.
Podstawy projektowania konstrukcji” [15]. Jest to obszerny dokument, zawierający 88 stron, podzielony na 6
5
rozdziałów z dołączonymi 4 załącznikami (A, B, C, D). Tekst główny normy, przedstawiony na 47 stronach,
zawiera następujące zagadnienia:
 podstawowe wymagania określania niezawodności konstrukcji,
 podstawy obliczeń metodą stanów granicznych,
 podstawowe zmienne uwzględniane w obliczeniach konstrukcji,
 sposoby określania sił wewnętrznych w konstrukcjach,
 sposoby sprawdzania niezawodności konstrukcji,
natomiast poszczególne załączniki omawiają następujące problemy szczegółowe:
 Załącznik A – postanowienia dotyczące budynków,
 Załącznik B – podstawy różnicowania niezawodności obiektów,
 Załącznik C – podstawy wyznaczania częściowych współczynników bezpieczeństwa,
 Załącznik D – projektowanie konstrukcji wspomagane badaniami eksperymentalnymi.
Spośród wielu podziałów oraz definiowanych pojęć i wielkości, zawartych w postanowieniach ogólnych i
szczegółowych EN-1990:2002, należałoby między innymi wymienić następujące:
w zakresie obciążeń (F) i ich efektów (E)
 obciążenia stałe (G)
 obciążenia zmienne (Q)
 obciążenia wyjątkowe (A)
 wartość kombinacyjna obciążenia zmiennego 0Qk
 wartość częsta obciążenia zmiennego 1Qk
 wartość długotrwała obciążenia zmiennego 2Qk
 obciążenia reprezentatywne Frep
 obciążenia charakterystyczne Fk
 obciążenia obliczeniowe Fd
w zakresie własności materiałowych
 wartości nominalne Xnom lub Rnom
 wartości charakterystyczne Xk lub Rk
 wartości obliczeniowe Xd lub Rd
w zakresie wielkości geometrycznych
 wartości nominalne anom
 wartości charakterystyczne ak
 wartości obliczeniowe ad
W zakresie definiowania poszczególnych reprezentatywnych rodzajów obciążeń i cech materiałowych
wpływających na zachowanie się konstrukcji budowlanych przyjęto, że są to wielkości losowe, opisane
rozkładami normalnymi (Gaussa), przy czym charakterystyczne wielkości obciążeń są kwantylami 95%,
natomiast charakterystyczne cechy materiałowe odpowiadają kwantylom 5%.
Obciążenia obliczeniowe otrzymuje się w tym ujęciu poprzez pomnożenie wielkości charakterystycznych
przez częściowe współczynniki bezpieczeństwa f (przy czym są one większe od jedności, gdy efekt
oddziaływań jest niekorzystny dla konstrukcji, a mniejsze od jedności, gdy efekt ten wpływa korzystnie na
konstrukcję) według wzoru:
Fd  
f
 Frep
(1)
gdzie obciążenia reprezentatywne Frep definiowane są następująco:
Frep  Fk
(2)
Frep    Fk
(3)
lub też
W równaniach (2) i (3) przez Fk oznaczono charakterystyczną wartość obciążenia, natomiast  jest
współczynnikiem kombinacji obciążeń.
Wszelkie niepewności wynikające z przyjętego modelu efektów oddziaływań na konstrukcję zasadniczo
powinno się ujmować dodatkowo wyodrębnionym częściowym współczynnikiem bezpieczeństwa Sd, który w
praktyce często jest włączany do współczynnika obciążeń, przez co otrzymuje się jego zmodyfikowaną
6
postać:
 F   f   Sd
(4)
w konsekwencji czego wyrażenie opisujące wielkość obciążeń obliczeniowych, przyjmuje alternatywną
formułę:
Fd   F  Frep
(5)
Należy w tym miejscu zaznaczyć, że przy opracowywaniu kolejnych wersji norm europejskich zdarzało
się niekiedy, że utożsamiano ze sobą częściowe współczynniki bezpieczeństwa f oraz F (o czym na
przykładzie Eurokodu 2 wspomniano w pracy [10]). Prowadziło to (i prowadzi do tej pory) do pewnego
zamieszania terminologicznego i co ważniejsze – merytorycznego, jednakże sytuacja taka na obecnym etapie
kształtowania norm europejskich jest trudna do przezwyciężenia.
Obliczeniowe parametry materiałowe otrzymuje się przez podzielenie wielkości charakterystycznych
przez częściowe współczynniki bezpieczeństwa m, większe od jedności:
Xd 
Xk
m
(6)
gdzie  jest współczynnikiem konwersji, uwzględniającym między innymi wpływ efektu skali, temperatury,
wilgotności itp.
Podobnie jak w przypadku określania obciążeń obliczeniowych, również w przypadku definiowania
własności materiałowych, niepewność przyjmowanego modelu obliczeniowego powinna być uwzględniona za
pomocą dodatkowego częściowego współczynnika bezpieczeństwa Rd, który w praktyce często jest włączany
do częściowego współczynnika materiałowego, co prowadzi do jego alternatywnego zdefiniowania w postaci:
 M   m   Rd
(7)
Podczas redakcji kolejnych wersji norm europejskich zachodziła niekiedy także i tu sytuacja, że
utożsamiano częściowe współczynniki bezpieczeństwa m oraz M, bez zmiany ich wartości i bez
jakiegokolwiek wyjaśniającego komentarza [10].
Rys.2. Przebieg obciążenia zmiennego w funkcji czasu [2]
Obliczeniowe parametry geometryczne ad przyjmuje się z reguły w postaci ich wielkości nominalnych
anom, natomiast tylko w wyjątkowych wypadkach, gdy mają one istotne znaczenie dla niezawodności
konstrukcji (np. przy określaniu efektów II rzędu), są obliczane z zależności:
7
a d  a nom  a
(8)
przy czym a określa możliwe niekorzystne odchylenia wymiarów geometrycznych, wpływające na
bezpieczeństwo konstrukcji.
Interpretację graficzną poszczególnych wielkości charakteryzujących obciążenia zmienne pokazano na
rys.2. Na osi odciętych przyjęto czas trwania obciążenia t, a na osi rzędnych zaznaczono zmieniające się
wielkości obciążenia Q, przy czym T oznacza prognozowany okres eksploatacji konstrukcji, tr – okres
powrotu dla wielkości charakterystycznej Qk, tf – okres powrotu dla wartości częstej Qf, natomiast tp – okres
powrotu dla wartości długotrwałej Qp.
Konstrukcje budowlane projektowane są na określony okres czasu, w zależności od rodzaju obiektów i
ich przeznaczenia. Po upływie przewidzianego terminu można uznać, że nawet pomimo jeszcze ich
zadowalającego stanu technicznego są one „moralnie zużyte” i powinny w zasadzie ulec rozbiórce. Jest to
oczywiście postulat radykalny i dość teoretyczny, czemu przeczy rzeczywistość (szczególnie w warunkach
latami zaniedbywanego starego budownictwa miejskiego w Polsce), tym niemniej jest to ważny wskaźnik do
projektowania nowych obiektów. Podział obiektów budowlanych na odpowiednie kategorie w zależności od
nominalnego czasu ich eksploatacji („czasu życia”) według EN-1990 przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Czas eksploatacji obiektów budowlanych
Kategoria
1
Czas eksploatacji (lata)
10
2
10 do 25
3
4
15 do 30
50
5
100
Przykłady
Obiekty tymczasowe
Wymienne części obiektów, np.
belki suwnic bramowych, łożyska
Obiekty rolnicze i podobne
Budynki i inne obiekty typowe
Obiekty monumentalne, mosty i
inne obiekty inżynierii lądowej
W polskiej normie PN-76/B-03001 [17] dokonano nieco innego podziału obiektów budowlanych i
podano następujące okresy eksploatacji:
 dla konstrukcji prowizorycznych – 5 lat,
 dla konstrukcji monumentalnych – 200 lat,
 dla wszystkich pozostałych konstrukcji – 50 lat.
Jak widać z powyższego porównania, w najszerszym zakresie obiektów i konstrukcji typowych nie ma
rozbieżności między wymaganiami EC i PN (50 lat), natomiast różnice występują w obiektach tymczasowych
i monumentalnych. Dlatego w tym zakresie nie ma specjalnie dużych kłopotów z dostosowaniem się do
wymogów europejskich.
Zapewnienie odpowiedniego bezpieczeństwa konstrukcjom budowlanym jest podstawowym wymaganiem
stawianym wszystkim przepisom normalizacyjnym. Najprostszym sposobem spełnienia tego warunku jest
dopuszczenie jedynie takich stanów konstrukcji, które byłyby spełnione z pewnym (arbitralnie wyznaczonym)
zapasem bezpieczeństwa w stosunku do założonego stanu granicznego (metoda deterministyczna lub też
półprobabilistyczna poziomu I).
Najbardziej obiektywnych miar zapewnienia bezpieczeństwa należy jednak szukać w rozwiązaniach,
uwzględniających losowy charakter zarówno obciążeń, jak i właściwości materiałów [6, 11]. Probabilistyczną
miarę bezpieczeństwa konstrukcji można wówczas określić jako prawdopodobieństwo przekroczenia
określonego stanu granicznego w elemencie konstrukcyjnym. W tym celu korzysta się z probabilistycznych
metod poziomu II (bazujących na pewnych założeniach upraszczających) lub z metod poziomu III (bez
uproszczeń, na podstawie rozwiązań ścisłych).
W Eurokodach jako podstawowe stosuje się metody poziomu I z tym, że wartości współczynników
bezpieczeństwa kalibruje się przy wykorzystaniu metod poziomu II. Metody poziomu III na obecnym etapie
mają raczej charakter teoretyczny, służący do opracowań studialnych i weryfikujących założenia metod
poziomu II. Schemat metod służących do określania niezawodności konstrukcji i procedurę przyjętą w
Eurokodach przedstawiono na rys.3.
Opierając się na metodzie stanów granicznych, w Eurokodach wyróżnia się stany graniczne nośności
(związane z wyczerpaniem wytrzymałości konstrukcji, bądź utratą jej stateczności) oraz stany graniczne
użytkowalności (związane z pogorszeniem zdolności użytkowej konstrukcji). W tym miejscu warto
podkreślić, że podobnie rzecz ujmuje polska norma, dotycząca podstaw projektowania konstrukcji [17]. Oba
wymienione wyżej stany graniczne mogą charakteryzować następujące przykładowe zjawiska:
8
w zakresie stanów granicznych nośności
 zniszczenie części lub całości konstrukcji,
 zniszczenie newralgicznych przekrojów konstrukcji,
 utrata stateczności części lub całości konstrukcji,
 przekształcenie konstrukcji w mechanizm kinematyczny,
w zakresie stanów granicznych użytkowalności
 przemieszczenia pogarszające lub uniemożliwiające eksploatację konstrukcji,
 uszkodzenia lokalne zagrażające trwałości konstrukcji,
 nadmierne drgania konstrukcji,
 niepożądane stany naprężeń powodujące utratę szczelności konstrukcji.
Rys.3. Metody określania niezawodności konstrukcji [15]
Ogólny warunek spełnienia wymogu bezpieczeństwa konstrukcji w ujęciu metody stanów granicznych,
gdy decydujący jest warunek stateczności, ma postać:
E d ,dst  E d ,stb
(9)
gdzie
Ed,dst jest wielkością obliczeniową efektu oddziaływań destabilizujących,
Ed,stb jest wielkością obliczeniową efektu oddziaływań stabilizujących.
Gdy o bezpieczeństwie konstrukcji decyduje osiągnięcie wewnętrznego granicznego stanu nośności,
wynikającego z wytrzymałości materiału, w/w warunek przybiera formę:
E d  Rd
gdzie
Ed
Rd
(10)
jest wielkością obliczeniową efektu oddziaływań,
jest wielkością obliczeniową wytrzymałości materiału.
Do prawidłowego określenia oddziaływań na konstrukcję budowlaną należy uwzględnić występowanie
różnych rodzajów obciążeń w różnych konfiguracjach. Dlatego też ustala się możliwe kombinacje obciążeń,
które należy uwzględniać w obliczeniach.
W stanach granicznych nośności (ultimate limit states) w normie EN 1990 wyróżnia się trzy rodzaje
kombinacji:
a)
kombinację podstawową
9
K u1 
  G, j  Gk , j   Q,1  Qk ,1    Q,i  0,i  Qk ,i
j 1
(11)
i 1
b) kombinację wyjątkową
K u2 
 Gk , j  Ad  1,1  Qk ,1   2,i  Qk ,i
j 1
c)
(12)
i 1
kombinację obciążeń sejsmicznych
K u3 
 Gk , j  AEd   2,i  Qk ,i
j 1
(13)
i 1
W stanach granicznych użytkowalności (serviceability limit states) wyróżnia się z kolei trzy rodzaje
kombinacji:
a)
kombinację charakterystyczną
 Gk , j  Qk ,1   0,i  Qk ,i
(14)
 Gk , j  1,1  Qk ,1   2,i  Qk ,i
(15)
 Gk , j   2,i  Qk ,i
(16)
K s1 
j 1
i 1
b) kombinację krótkotrwałą
K s2 
j 1
c)
i 1
kombinację długotrwałą
K s3 
j 1
i 1
Zalecane w EN 1990 wartości współczynników , towarzyszących obciążeniom zmiennym, krótko- i
długotrwałym, przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Zalecane wartości współczynników 
Obciążenie
Obciążenia obiektów kategorii:
Kategoria A
Kategoria B
Kategoria C
Kategoria D
Obciążenie wiatrem
Obciążenie temperaturą
0
1
2
0,7
0,7
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,7
0,7
0,2
0,5
0,3
0,3
0,6
0,6
0,0
0,0
Jak widać z powyższego zestawienia, europejskie współczynniki 0 przyjmują wartości wynoszące
najczęściej 0,7. Są one nieco mniejsze, aniżeli analogiczne wartości zawarte w PN-82/B-02000, w której to
normie dla obciążeń zmiennych przyjmują one wartości oscylujące od 1,0 do 0,7 w zależności od stopnia
znaczenia poszczególnego obciążenia zmiennego.
Jeżeli chodzi o współczynniki 2 do określania wartości długotrwałych obciążenia zmiennego, są one
bardzo zbliżone do wartości zawartych w PN-82/B-02003 [20]. Niewielkie różnice wynikają jedynie z nieco
innego podziału obiektów na poszczególne kategorie.
Z kolei zalecane w EN 1990 częściowe współczynniki bezpieczeństwa (zwane w dawnych polskich
normach projektowania współczynnikami obciążeń), determinujące głównie wymagania stanów granicznych
nośności, wynoszą:
 dla obciążeń stałych
G = 1,35
 dla obciążeń zmiennych
Q = 1,50
10
Są one zdecydowanie większe od wartości przyjmowanych dotychczas w polskich normach obciążeń
[19, 20], które oscylują w przedziale od 1,10 (dla obciążeń stałych) poprzez 1,20 (dla obciążeń zmiennych
powyżej 5,00 kN/m2) do 1,40 (dla obciążeń zmiennych poniżej 2,00 kN/m2). Dla obciążeń pojazdami [21]
mamy współczynniki od 1,10 do 1,30, dla obciążenia śniegiem [22] 1,40, dla obciążenia wiatrem [23] 1,30, a
dla obciążenia gruntem [25] od 1,10 do 1,20. Jedynie dla obciążenia oblodzeniem [24] współczynnik
obciążenia wynosi 1,50. W tym kontekście należy wspomnieć, że różnice w obciążeniach obliczeniowych
między EN i PN ulegają znacznemu złagodzeniu, gdy uwzględni się w nich wspomniane wcześniej różnice
we współczynnikach kombinacyjnych.
Tabela 3. Podział konstrukcji budowlanych na kategorie
Kategoria
Rodzaj powierzchni
A
Powierzchnie wewnętrzne
obiektów oraz powierzchnie
mieszkaniowe
B
Powierzchnie biurowe
C
Powierzchnie przeznaczone
do zgromadzeń większej
ilości ludzi (z wyjątkiem
powierzchni opisanych w
kategoriach A, B, D)
D
Powierzchnie sklepowe
Przykłady
Pomieszczenia budynków
mieszkalnych, pokoje szpitalne,
pokoje hotelowe i kuchnie oraz
toalety w schroniskach
Pomieszczenia biur i innych
instytucji publicznych
C1: Szkoły, kawiarnie,
restauracje czytelnie
C2: Kościoły, teatry, kina, sale
konferencyjne, sale wykładowe,
poczekalnie
C3: Muzea, sale wystawowe,
szpitale, hotele, budynki
użyteczności publicznej
C4: Sale taneczne, sale
sportowe
C5: Widownie sal teatralnych i
koncertowych, widownie
sportowe
D1: Sklepy z handlem
detalicznym
D2: Magazyny działowe
5. Wymagania norm europejskich w zakresie obciążeń eksploatacyjnych
Całość spraw związanych z przyjmowaniem obciążeń do analiz konstrukcji budowlanych zawarta jest w
EN-1991 „Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje”, przy czym podstawowe wielkości opisuje EN-1991-11:2002 „Część 1-1. Obciążenia podstawowe – Gęstości materiałów, ciężar własny, obciążenia budowli” [16].
W normie tej dokonuje się podziału obiektów budowlanych na odpowiednie grupy (kategorie), w zależności
od sposobu użytkowania i charakteru obciążeń, co pokazano w tabeli 3.
W normie tej dokonuje się podziału obiektów budowlanych na odpowiednie grupy (kategorie), w
zależności od sposobu użytkowania i charakteru obciążeń, co pokazano w tabeli 3. Dla każdej kategorii
obiektów przypisano odpowiednie wielkości obciążeń równomiernych i skupionych, co pokazano w tabeli 4.
Tabela 4. Obciążenia równomierne i skupione obiektów budowlanych
Kategoria obiektu
Kategoria A
- stropy
- schody
- balkony
Kategoria B
Kategoria C
- C1
- C2
- C3
- C4
- C5
qk [kN/m2]
Qk [kN]
1,5 do 2,0
2,0 do 4,0
2,5 do 4,0
2,0 do 3,0
2,0 do 3,0
2,0 do 4,0
2,0 do 3,0
1,5 do 4,5
2,0 do 3,0
3,0 do 4,0
3,0 do 5,0
4,5 do 5,0
5,0 do 7,5
3,0 do 4,0
2,5 do 7,0 (4,0)
4,0 do 7,0
3,5 do 7,0
3,5 do 4,5
11
Kategoria D
- D1
- D2
4,0 do 5,0
4,0 do 5,0
3,5 do 7,0 (4,0)
3,5 do 7,0
W porównaniu do polskich wymagań w tym zakresie, zawartych w PN-82/B-02003 [20], należy
stwierdzić, że proponowane wielkości w EN-1991-1-1 nie różnią się w sposób istotny. Różnice dotyczą
głównie przyjętego podziału na kategorie i przypisanie obciążeniom wartości z określonego przedziału
(wielkości preferowane – podkreślono).
Literatura
[1] A.Ajdukiewicz, Eurokody – jak inni radzą sobie z tym problemem, Inżynieria i Budownictwo 7-8/1999, s.394-395
[2] A.Ajdukiewicz J.Mames, Betonowe konstrukcje sprężone, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001
[3] N.Davies, Europa. Rozprawa historyka z historią, Znak, Kraków 1998
[4] S.Grygiel, Korzenie drzewa, Więź 5/2004, s.43-50
[5] W.Kukulski, Unifikacja norm budowlanych w krajach Europy Zachodniej, Inżynieria i Budownictwo 8-9/1990,
s.271-273
[6] B.Lewicki, Uściślenie normowej metody oceny bezpieczeństwa konstrukcji na podstawie przesłanek
probabilistycznych, Inżynieria i Budownictwo 11/1984, s.405-409
[7] B.Lewicki, Kierunki dostosowania do procesów integracyjnych w Europie Zachodniej polskich norm projektowania
konstrukcji oraz aprobat i warunków technicznych, Inżynieria i Budownictwo 9/1991, s.341-345
[8] B.Lewicki, O postępie prac nad zharmonizowaniem z Eurocodami polskich norm projektowania konstrukcji,
Inżynieria i Budownictwo 6/1992, s.211-214
[9] B.Lewicki, Wprowadzenie do praktyki krajowej PN-EN w miejsce PN-B dotyczących projektowania konstrukcji,
Inżynieria i Budownictwo 9/2003, s.509-513
[10] B.Lewicki, Zapewnienie niezawodności konstrukcji – wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa dla
materiału, Komentarz Naukowy do PN-B-03264:2002, tom I, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2003, s.9-26
[11] J.Murzewski, Niezawodność konstrukcji inżynierskich, Arkady, Warszawa 1989
[12] A.Pogorzelski J.Sieczkowski, Normy w warunkach gospodarki rynkowej, Inżynieria i Budownictwo 3/2004, s.143146
[13] J.Tworek, Normy zharmonizowane, Materiały Budowlane 6/2003, s.87-92
[14] Bóg i świat. Wiara i życie w dzisiejszych czasach. Z kardynałem Josephem Ratzingerem rozmawia Petr Seewald,
Znak, Kraków 2005
Normy
[15] EN 1990. Eurocode. Basis of structural design, European Commitee for Standarization, Brussels 2002
[16] EN 1991-1-1. Eurocode 1. Actions on structures – Part 1-1. General actions – Densities, self-weight, imposed loads
for buildings, European Commitee for Standarization, Brussels 2002
[17] PN-76/B-03001. Konstrukcje i podłoża budowli. Ogólne zasady obliczeń, Polski Komitet Normalizacji i Miar,
Warszawa 1978
[18] PN-82/B-02000. Obciążenia budowli. Zasady ustalania wartości, Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości,
Warszawa 1983
[19] PN-82/B-02001. Obciążenia budowli. Obciążenia stałe, Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości, Warszawa
1983
[20] PN-82/B-02003. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne technologiczne. Podstawowe obciążenia technologiczne
i montażowe, Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości, Warszawa 1983
[21] PN-82/B-02004. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne technologiczne. Obciążenia pojazdami, Polski Komitet
Normalizacji, Miar i Jakości, Warszawa 1983
[22] PN-80/B-02010. Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie śniegiem, Polski Komitet Normalizacji, Miar i
Jakości, Warszawa 1988
[23] PN-77/B-02011. Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem, Polski Komitet Normalizacji i Miar,
Warszawa 1978
[24] PN-87/B-02013. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne środowiskowe. Obciążenie oblodzeniem, Polski Komitet
Normalizacji, Miar i Jakości, Warszawa 1987
[25] PN-88/B-02014. Obciążenia budowli. Obciążenie gruntem, Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości, Warszawa
1988
12