Oddziaływanie huraganowego wiatru na budowle

241
®
X Konferencja Naukowo-Techniczna
PROBLEMY RZECZOZNAWSTWA BUDOWLANEGO
Warszawa Miedzeszyn, 22-24 kwietnia 2008 r.
Jerzy Antoni Żurański*
Mariusz Gaczek**
ODDZIAŁYWANIE HURAGANOWEGO WIATRU
NA BUDOWLE
1. Wprowadzenie
Każdy obiekt budowlany powinien być zaprojektowany i wykonany zgodnie z odpowiednimi przepisami techniczno-budowlanymi i powiązanymi z tymi przepisami normami. Należą
do nich także normy oddziaływań klimatycznych. Powszechnie przyjęto, że wartości charakterystyczne tych oddziaływań, podane w normach, powinny mieć okres powrotu 50 lat. Oznacza to, że powinny to być wartości, które bywają przewyższane średnio raz na 50 lat. Takie
wartości wyznacza się opracowując, za pomocą metod statystki matematycznej i rachunku
prawdopodobieństwa, wyniki pomiarów wykonywanych przez stacje meteorologiczne. Jednakże nie wszystkie zdarzenia dają się opisać za pomocą dotychczas stosowanych metod.
Należą do nich zdarzenia rzadkie, lecz o charakterze katastrofalnym [1], takie jak huragany
lub trąby powietrzne. Dość powszechny jest pogląd, że w Europie rośnie częstość występowania takich zjawisk [2]. Zmusza to do zajęcia się zagadnieniem wpływu tych zwiększonych
oddziaływań na konstrukcje.
W referacie przedstawiono zagadnienia, związane z oddziaływaniem huraganowych wiatrów na budowle, z którymi może mieć do czynienia inżynier budowlany w swojej praktyce
rzeczoznawcy.
2. Rodzaje wiatrów katastrofalnych w Polsce
Istnieje kilka rodzajów wiatru, które przynoszą zagrożenia dla konstrukcji. Nazwano je tu
„wiatrami katastrofalnymi”. W Polsce można wyróżnić ich cztery główne rodzaje [3]:
1. Wiatry sztormowe, wywoływane rozległymi i głębokimi układami niżowymi w umiarkowanych szerokościach geograficznych, od około 400 do około 600. Układy te mogą się
rozciągać na odległości 1000 km i większe. W takim układzie niżowym silny wiatr o prawie niezmiennym kierunku, chociaż o różnej intensywności, może trwać kilka dni. Do tego rodzaju wiatru odnosi się przede wszystkim stacjonarny przepływ turbulentny w warstwie przyziemnej. W naszym kraju jest to najczęstszy rodzaj silnego wiatru, zwłaszcza na
wybrzeżu. Najsilniejsze wiatry tego rodzaju występują w okresie od jesieni do wiosny.
*
**
doc. dr hab. inż. – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa
dr inż. – Politechnika Poznańska, Poznań
242
2. Wiatry burzowe, towarzyszące gwałtownym burzom w czasie przejścia frontu chłodnego.
Obejmują one zwykle dość ograniczony obszar i trwają kilka do kilkunastu minut. Charakteryzują się niestacjonarnym przebiegiem prędkości, gwałtownymi porywami przy stosunkowo niskiej prędkości średniej.
3. Wiatry fenowe w górach, u nas zwane wiatrem halnym, powstają w wyniku wpływu łańcucha górskiego na przepływ powietrza w głębokim układzie niżowym. Wiatr halny rozwija się na zawietrznych skłonach gór, jest silnie porywisty, powietrze jest suche i ciepłe.
W Polsce jest to wiatr południowy w Karpatach, a zwłaszcza w Tatrach.
4. Tornada, lokalne „trąby powietrzne”, występujące najczęściej na rozległych, płaskich obszarach o klimacie kontynentalnym. U nas zdarzają się lokalnie, o stosunkowo ograniczonym zasięgu, lecz o znacznej gwałtowności. Ostatnią, o stosunkowo szerokim zasięgu, była trąba powietrzna w okolicy Częstochowy [4].
Każdy z tych rodzajów wiatru może mieć charakter katastrofalny, może powodować katastrofalne skutki. Zależy to od jego intensywności.
Niektóre z wymienionych rodzajów wiatru mają swoje „rozwinięcia”, pewne zróżnicowanie pod względem ich genezy i odrębne nazwy. Pewne określenia dotyczą jednak wszystkich rodzajów silnego wiatru.
● Huragan – wiatr o prędkości powyżej 32 m/s (115 km/h), 12o w skali Beauforta [5]
● Orkan – gwałtowny, silny wicher, zwykle połączony z burzą, huragan, nawałnica [6]
● Sztorm – wiatr na morzu o sile 10o w skali Beauforta; na lądzie nazywany wichurą; w literaturze anglojęzycznej mianem sztormu określa się także silny wiatr na lądzie.
● Szkwał – nagły, krótkotrwały (np. kilkuminutowy) wzrost prędkości wiatru (niekiedy powyżej 20 – 30 m/s), często połączony ze zmianą jego kierunku; zjawisku może towarzyszyć silny opad i burza. Najczęściej powstaje przed frontem chłodnym; jego zwiastunem
jest chmura cumulonimbus, ciemna, silnie postrzępiona od dołu.
● Tornado – silna trąba powietrzna występująca w Ameryce Północnej, o średnicy do kilkuset metrów, powodująca nieraz katastrofalne skutki [5].
● Trąba powietrzna (w Stanach Zjednoczonych nazywana tornadem od hiszpańskiego słowa
tornada oznaczającego burzę lub łacińskiego tornare - obracać) „jest wiatrem wirowym
wokół osi pionowej, o ograniczonej średnicy (kilkadziesiąt metrów), w postaci wirującego
słupa (tuba) zwisającego z rozbudowanej chmury Cumulonimbus do powierzchni Ziemi;
prędkość wiatru wewnątrz trąby może przekraczać 100 m/s” [4, 5].
● Uskok wiatru – nagłe i gwałtowne osiadanie powietrza w dolnej części troposfery, towarzyszące aktywnym frontom chłodnym lub niskotroposferycznym prądom strumieniowym;
najczęściej występuje w pobliżu chmur burzowych z rozwiniętym kołnierzem burzowym,
gdy może wytworzyć się silny strumień opadającego powietrza o prędkościach 75-135
km/h (21 – 38 m/s). Na różnych wysokościach występują różne kierunki i prędkości wiatru
[5].
Można przyjąć, że nazwy huragan i orkan odnoszą się zwykle do wszystkich rodzajów
wiatru o dużej prędkości. Sztorm to stosunkowo długotrwały wiatr „synoptyczny”, natomiast
szkwał i uskok wiatru to wiatry w sytuacjach burzowych. Trąby powietrzne także powstają
w takich sytuacjach.
243
3. Skale klasyfikacyjne
Od dawna próbowano sklasyfikować oddziaływanie wiatru, najpierw, co jest oczywiste,
na morzu. W roku 1805 admirał Francis Beaufort podał skalę, odnoszącą się do prędkości
wiatru na morzu, którą także dostosowano do potrzeb oceny prędkości wiatru na lądzie.
W zależności od sposobu dostosowania (np. zaokrąglanie wartości granicznych, prędkości lub
ciśnienia) skale lądowe często różnią się nieco między sobą zakresem prędkości lub opisem
oddziaływania wiatru. Jedną z różnic jest przyjęcie wartości progowej huraganu, 29 m/s albo
32,6 m/s.
W tablicy 1 podano jedną z wersji, według [7] ze zmianami.
Tablica 1. Skala prędkości wiatru Beauforta. Prędkości wg WMO podano w nawiasach.
Stopień
0
Prędkość
wiatru m/s
0,0–0,5
(0,0–0,2)
1
0,6–1,7
(0,3–1,5)
Powiew
2
1,8–3,3
(1,6–3,3)
Słaby wiatr
3
3,4–5,2
(3,4–5,4)
Łagodny wiatr
4
5,3–7,4
(5,5–7,9)
Umiarkowany
wiatr
5
7,5–9,8
(8,0–10,7)
Dość silny wiatr
6
9,9–12,4
(10,8–13,8)
Silny wiatr
7
12,5–15,2
(13,9–17,1)
Bardzo silny
wiatr
Poruszają całe drzewa, chodzenie pod wiatr jest
utrudnione
8
15,3–18,2
(17,2–20,7)
Gwałtowny wiatr
(wicher/sztorm)
Łamie gałęzie drzew, chodzenie pod wiatr jest
niemożliwe
9
18,3–21,5
(20,8–24,4)
Wichura
10
21,6–25,1
(24,5–28,4)
Silna wichura
11
25,2–29,0
(28,5–32,6)
Gwałtowna
wichura
12
> 29,0
(> 32,6)
Huragan
(niem. Orkan)
Rodzaj wiatru
Cisza
Oddziaływanie wiatru
Bezwietrznie, dym unosi się pionowo, liście
drzew nieruchome
Dym odchyla się od pionu
Wyczuwalny ręką i ciałem, porusza proporce
i liście drzew
Porusza chorągwie i cienkie gałązki drzew
Porusza gałęzie drzew
Kołysze małe gałęzie drzew
Zgina grube gałęzie drzew
Wiatr powoduje niewielkie uszkodzenia budynków (zrywa dachówki, porywa małe przedmioty)
Powoduje uszkodzenia budynków, wyrywa
drzewa z korzeniami
Powoduje znaczne uszkodzenia budynków, zrywa dachy, łamie i wyrywa drzewa
Unosi dachy, niszczy budynki
W latach 70. ubiegłego wieku opracowano dwie skale intensywności tornad: Fujity (a następnie Fujity – Persona) w Stanach Zjednoczonych (tabl. 2) i TORRO [8] w Wielkiej Brytanii (tabl. 3). Przytoczono je poniżej wg [4].
244
Na świecie szeroko stosowana jest skala Fujity, jednak wiele europejskich służb meteorologicznych stosuje skalę TORRO (od nazwy TORnado and Storm Research Organisation)
z tego względu, że została oparta zarówno na pomiarach, jak i badaniach naukowych, w tym
analizie wytrzymałościowej zniszczonych obiektów i dotyczy również warunków klimatycznych charakterystycznych dla Europy [4].
Tablica 2. Skala Fujity [4].
Skala
Fujita
Prędkość
wiatru
[m/s]
Typowe szkody i ich opis
F0
<33
Lekkie szkody: Niektóre kominy uszkodzone, połamane gałęzie drzew,
wyrwane słabo zakorzenione drzewa, zniszczone szyldy i reklamy
F1
33-50
Umiarkowane szkody: zerwane poszycie dachów, ruchome domy (nie
związane z podłożem) przesuwane lub poprzewracane, jadące samochody zdmuchiwane z drogi, garaże mogą być zniszczone
F2
51-70
Znaczne szkody: zerwane dachy z domów, ruchome domy zdemolowane, duże drzewa wyrwane z korzeniami, samochody unoszone ponad
ziemię
F3
71-92
Gwałtowne szkody: dachy i niektóre ściany domów o wzmocnionej
konstrukcji zerwane lub zniszczone, poprzewracane pociągi, większość
drzew w lesie powyrywanych, ciężkie samochody uniesione nad ziemię
i rzucone w dal
F4
93-116
Niszczące szkody: domy o mocnej konstrukcji zrównane z ziemią, budowle o słabych fundamentach zdmuchnięte i przeniesione na pewną
odległość, samochody w tym ciężarowe przenoszone na pewną odległość
F5
117-142
Niewyobrażalne szkody: domy o silnej konstrukcji zrównane z ziemią,
zerwana kora z drzew, przedmioty wielkości samochodów rzucone na
odległość ponad 100 m (109 jardów). Konstrukcje żelbetowe poważnie
uszkodzone. Po przejściu huraganu krajobraz porównywalny z krajobrazem po wybuchu bomby atomowej
Oprócz skal klasyfikujących tornada, stosowane są skale dotyczące huraganów, rozumianych jako cyklony tropikalne. Najbardziej znaną z nich jest skala Saffira-Simpsona. Została
ona opracowana w roku 1971 przez inżyniera Herberta Saffira i meteorologa Roberta Simpsona. Zasadniczo w skali tej wyróżnia się pięć kategorii, uszeregowanych wg rosnącej intensywności. Przykładowo, kategorii 1 odpowiada wiatr o prędkości 33-42 m/s, a kategorii 5 –
wiatr o prędkości ≥ 70 m/s. Pojawiają się jednak opinie sugerujące wprowadzenie kategorii 6,
której proponuje się przypisać huragany z wiatrem o prędkości większej niż 78-80 m/s. Skala
ta w warunkach naszego kraju jest jednak mało przydatna w praktyce.
Niestety, klasyfikacja oparta na sile wiatru jest tylko teoretyczna, ponieważ nikomu dotąd
nie udało sie zmierzyć siły wiatru podczas trwania tornado. Z tego względu tornada są oceniane po szkodach przez nie spowodowanych. Prowadzi to do tego, że doświadczeni meteorolodzy na podstawie zniszczeń przypisują temu samemu zjawisku różne klasy F według skali
Fujity.
245
Tablica 3. Skala intensywności trąb powietrznych (tornad) TORRO [4].
T0
Prędkość
wiatru
[m/s]
17-24
Lekkie
Unoszenie z powierzchni ziemi i nadanie spiralnego ruchu lekkim śmieciom, uszkodzenia markiz i dużych namiotów, wyrywanie pojedynczych dachówek, łamanie małych gałązek, dostrzegalny tor zniszczeń.
T1
25-32
Łagodne
Leżaki, małe rośliny, ciężkie śmieci wprawiane w ruch i unoszone w powietrzu, drobne uszkodzenia budynków, wyrywanie
dachówek, lekkie uszkodzenia kominów, wywracanie płotów
drewnianych, lekkie uszkodzenia żywopłotów i drzew, odłamywanie pojedynczych konarów.
T2
33-41
Umiarkowane
Przestawianie ciężkich ruchomych (nie przytwierdzonych do
podłoża) domów, lekkie przyczepy turystyczne wywiewane,
ogrodowe altany zniszczone, dachy garaży pozrywane, duże
szkody w drzewostanie, wirowanie niektórych gałęzi, wyrywanie małych drzew.
T3
42-51
Mocne
Poprzewracane ruchome domy, lekkie przyczepy zniszczone,
garaże i budynki o lekkiej konstrukcji zniszczone, niektóre duże
drzewa połamane lub wyrwane.
T4
52-61
Gwałtowne
Unoszenie samochodów, domy ruchome unoszone w powietrze, zerwane dachy z domów, ściany szczytowe budynków
porozrywane, liczne drzewa powyrywane lub połamane.
T5
62-72
Intensywne
tornado
Unoszenie ciężkich pojazdów, poważniejsze szkody budynków
niż w T4, zawalone stare, słabe budynki, stoją ściany domów.
T6
73-83
Umiarkowanie
niszczące
Utracenie przez domy dachów i ścian, zawalona większość
budynków.
T7
84-95
Silnie niszczące
Zdemolowane całkowicie drewniane domy, niektóre kamienne
ściany domów zawalone, konstrukcje stalowe lekko powyginane. Lokomotywy wywrócone, dostrzegalne zrywanie kory z
drzew przez latający gruz.
T8
96-107
Ostro niszczące
Samochody porozrzucane na dużą odległość, drewniane domy
i ich zawartość rozproszone na dużej powierzchni, domy kamienne nienaprawialnie zniszczone, konstrukcje stalowe powyginane.
T9
108120
Intensywnie
niszczące
Wiele budynków o konstrukcji stalowej bardzo zniszczonych.
Lokomotywy i wagony kolejowe porozrzucane na duże odległości, kompletnie pozrywana kora z pni drzew.
T10
121134
Super tornado
Całe domy szkieletowe i podobne do nich budynki podnoszone
w całości z fundamentów i przenoszone na pewną odległość.
Zniszczenia poważnej natury z pozostawieniem szerokiego
liniowego śladu w znacznym stopniu pozbawionego roślinności, drzew i budowli wzniesionych przez człowieka.
Skala
Opis tornada
Opis szkód
246
Przeniesienie skali Fujity do Europy jest kolejnym problemem, ponieważ europejskie budownictwo oraz wielkość domów przenośnych różni się znacznie od rozwiązań powszechnie
stosowanych w Ameryce. W obliczu tych regionalnych różnic w technikach budowlanych,
przy dodatkowym uwzględnieniu zniszczeń roślinności, opracowana została przez TorDACH,
organizację badająca tornada w krajach niemieckiego obszary językowego, skala oparta na
skali TORRO dwukrotnie bardziej dokładnej niż skala Fujity.
Istotne znaczenie ma porównanie wartości charakterystycznych prędkości wiatru podanych w normach z cytowanymi skalami.
W dotychczasowej normie polskiej [9] wartość charakterystyczna prędkości wiatru, średnia 10. minutowa, na wysokości 10 m w terenie otwartym w strefie 1, wynosi Vm = 20 m/s.
Wartość chwilową można obliczyć przyjmując, jak dla elementów małych, współczynnik
działania porywów wiatru β = 2,2. Stąd współczynnik porywistości G = √β = 1,483, zatem
wartość chwilowa prędkości wiatru Vp = 29,7 m/s. Jeżeli przyjąć, że współczynnik częściowy
γf = 1,3 dotyczy tylko ciśnienia prędkości to przez jego pierwiastek kwadratowy można pomnożyć wartość charakterystyczną prędkości wiatru, zatem Vp = 29,7·√1,3 = 33,9 m/s.
W normie europejskiej [10] współczynnik porywistości można obliczyć jako pierwiastek
kwadratowy ze współczynnika ekspozycji przedstawionego wzorem (na wysokości 10 m
w terenie kategorii II)
ce ( z ) = [1 + 7 I v ( z )]
(1)
gdzie:
Iv(z) – intensywność turbulencji.
Intensywność turbulencji wyraża wzór
I v (z ) =
1
 z
ln
 z0



(2)
gdzie:
z0 – wysokość chropowatości.
Dla terenu otwartego, kategorii II według normy europejskiej [9], z0 = 0,05 m. Stąd na
wysokości z = 10 m jest Iv(10) = 0,189 oraz ce(10) = 2,323 i współczynnik porywistości
G(10) = √2,323 = 1,524.
Warto zauważyć, że z bezpośredniego obliczenia współczynnika porywistości, bez pominięcia wyrażenia w drugiej potędze w zapisie wartości szczytowej ciśnienia prędkości, współczynnik porywistości wynosi
G ( z ) = 1 + 3,5 ⋅ I v ( z ) .
(3)
Dla tych samych warunków terenowych, na wysokości 10 m jest G(10) = 1,662. Różnica
wynikająca z pominięcia członu (3,5·Iv(10))2 = 0,438 wynosi 1,662/1,524 = 1,09, tj. 9,1 %.
Przyjmując według załącznika krajowego [9] w strefie 1 wartość Vm(10) = 22 m/s i G(10)
= 1,524 otrzymuje się Vp = 33,5 m/s. Zakładając, jak poprzednio, że współczynnik częściowy
odnosi się do ciśnienia prędkości wiatru otrzymuje się wartość obliczeniową (szczytową)
prędkości wiatru Vp(10) = 33,5· √1,5 = 41,0 m/s. Odpowiada to ciśnieniu prędkości qp(10) =
1,05 kN/m2. Prędkość chwilowa 41 m/s (148 km/h) występuje w Polsce bardzo rzadko.
Przykładowe wartości prędkości silnego wiatru w Polsce, porównywalne z danymi normowymi, podano poniżej.
247
4. Częstość występowania i prędkości wiatrów katastrofalnych w Polsce
Wiatry sztormowe i halne występują w porze chłodnej. Ze względu na rozległość układów barycznych trwają one od kilku do kilkudziesięciu godzin oraz występują na znacznych
obszarach. Z tego powodu prędkości takich wiatrów są mierzone i rejestrowane przez sieć
stacji meteorologicznych, które wykonują pomiary według jednolitej metodyki Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej [11].
Prędkości wiatrów w sytuacjach burzowych są natomiast mierzone rzadko, zdarza się to
tylko wówczas, gdy burza przechodzi nad stacją meteorologiczną. W związku z tym najczęściej można tylko oszacować częstość występowania gwałtownych burz, którym towarzyszą
duże prędkości wiatru.
Jednym z rzadkich przypadków, gdy były możliwe pomiary, była burza w Warszawie
w czerwcu 1979 roku, w czasie której na stacji meteorologicznej Warszawa Okęcie zmierzono prędkość wiatru w porywie 40 m/s. Na rys. 1 przedstawiono maksymalne roczne prędkości
wiatru w porywach, wybrane ze wszystkich kierunków wiatru, zmierzone przez tę stacje
w terminach obserwacji, w latach 1964 – 2003. Zaznaczono także wartości normowe, charakterystyczne (dolne linie) i obliczeniowe (górne linie) według dwóch norm, [9] i [10], obliczone powyżej.
45
40
35
km/h
126
Vp, m/s
30
25
PN-EN (2008)
PN-77
90
20
15
10
5
WARSZAWA OKĘCIE
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
lata
Rys. 1. Maksymalne roczne prędkości wiatru w porywach na stacji meteorologicznej
Warszawa Okęcie w przebiegu czasowym. Zaznaczono wartości normowe.
Te same wartości przedstawiono na rys. 2 na siatce probabilistycznej rozkładu prawdopodobieństwa wartości ekstremalnych Gumbela [3]. Prostą regresji, o poszukiwanych parametrach rozkładu Gumbela wyznaczono metodą najmniejszych kwadratów z pominięciem największej wartości zmierzonej, Vp = 40 m/s, ponieważ pochodzi z innej populacji niż pozostałe
wartości. Jest to prędkość wiatru zmierzona w sytuacji burzowej, podczas gdy pozostałe były
zmierzone w czasie wiatrów sztormowych. Nie odbiega ona jednak znacznie od wartości pozostałych.
248
okres powrotu, lata 5
45
40
10
WARSZAWA OKĘCIE
20
50
38 m/s
Vp, m/s
35
30
25
20
15
-2
-1
0
1
2
3
4
-ln(-lnF(Vp))
Rys. 2. Maksymalne roczne prędkości wiatru w porywach na stacji meteorologicznej
Warszawa Okęcie na siatce probabilistycznej rozkładu Gumbela.
Prędkość ta wystąpiła z kierunku południowo – zachodniego (sektor 8 wg [3]). Przedstawiona na wykresie wartości maksymalnych rocznych z tego sektora odbiega ona znacznie od
pozostałych.
Z rys. 2 można odczytać prędkości o różnych okresach powrotu. Średnio raz na 5 lat bywa przekraczana prędkość 30 m/s, co 10 lat prędkość 32 m/s, co 20 lat 35 m/s, a co 50 lat 38
m/s. Jest to jednak prognoza wartości z pomiarów terminowych, tzn. wykonywanych co godzinę. Między terminami mogą wystąpić, i występują prędkości nieco wyższe, w przypadku
wiatrów sztormowych jednak poniżej 40 m/s.
W tablicy 4 zestawiono maksymalne wartości prędkości wiatru w porywach, z pomiarów
terminowych i między terminami, z lat 1961 – 1995, odczytane z rys. 26 w [12]. Niestety, nie
podano sytuacji barycznej, w jakiej te prędkości zmierzono, albo dat wystąpienia, co umożliwiłoby zaliczenie tych prędkości do silnego sztormu albo burzy letniej. Podano jednakże kierunki wiatru. W większości przypadków był to wiatr zachodni, a w górach wiatr halny, więc
w okresie od jesieni do wiosny. Jedynie w Białymstoku był to wiatr wschodni, co nasuwa
przypuszczenia, że chodzi o burzę. Nie wiadomo dlaczego w Warszawie podano prędkość
Vp,max = 38 m/s, a nie 40 m/s, która wystąpiła w czasie burzy w czerwcu 1979 roku. W wymienionym okresie obserwacji niektóre stacje meteorologiczne przeniesiono z terenów stopniowo zabudowywanych w miejsca otwarte. Sądząc po zanotowanych prędkościach wystąpiły
one po przeniesieniu stacji.
Prędkości odczytane z [12] porównano z wartościami normowymi, charakterystycznymi
i obliczeniowymi, wyznaczonymi w sposób przedstawiony powyżej; w górach z uwzględnieniem zmian gęstości powietrza wg [9]. Przyjęto, jak wyżej, że częściowy współczynnik bezpieczeństwa odnosi się do ciśnienia prędkości wiatru.
Z tego porównania wynika, że maksymalne prędkości wiatru, zanotowane w ciągu 35 lat,
są tego samego rzędu co wartości obliczeniowe według dotychczasowej normy [9],
a mniejsze od wartości obliczeniowych według załącznika krajowego [10].
249
Tablica 4. Prędkości wiatru w porywach, m/s, maksymalne z lat 1961 – 1995, Vp,max, wg [12],
w porównaniu z prędkościami w porywach, charakterystycznymi, Vp,c, i obliczeniowymi, Vp,d,
wg aktualnych norm. Oznaczenia terenu poniżej tablicy.
Lp.
Stacja meteorologiczna
Teren
Vp,max
PN-77/B-02011
PN-EN1991-1-4
Vp,c
Vp,d
Vp,c
Vp,d
29,7
33,9
33,5
41
Strefa 1
1
Białystok
Z
30
2
Chojnice
O
38
3
Częstochowa
Z
27
4
Gorzów Wlkp.
P
38
5
Katowice
O
28
6
Kielce
P
28
7
Koło
P
38
8
Kraków Balice
O
33
9
Legnica
O
32
10
Leszno
Z
36
11
Lublin
P
25
12
Łódź
O
28
13
Mikołajki
O
28
14
Mława
O
39
15
Olsztyn
Z
31
16
Opole
P
34
17
Ostrołęka
P
27
18
Poznań
O
36
19
Przemyśl
P
34
20
Rzeszów
O/Z
36
21
Sandomierz
P
31
22
Siedlce
P
30
23
Słubice
O/Z
31
24
Sulejów
O
31
25
Suwalki
O
32
26
Szczecin
O/Z
31
27
Szczecinek
O/Z
30
28
Tarnów
Z
29
29
Terespol
O/Z
26
30
Toruń
O
36
250
31
Warszawa
O
38
29,7
33,9
33,5
41
32
Włodawa
O
25
29,7
33
Wrocław
O
39
29,7
33,9
33,5
41
34
Zamość
Z
26
29,7
35
Zielona Góra
Z
34
29,7
33,9
33,5
41
33,9
39,6
48,5
40,6
39,6
48,5
Strefa 2
36
Elbląg
Z
38
29,7
37
Gdańsk
(O/Z) P
45
35,6
38
Hel
Z
41
35,6
39
Kołobrzeg
Z
29
35,6
40
Koszalin
Z
30
35,6
41
Łeba
O/P
43
35,6
42
Świnoujście
O
37
35,6
43
Ustka
Z
35
35,6
Strefa 3
44
Bielsko Biała
O
40
40,5
46,2
35,5
43,5
45
Kasprowy Wierch
O
85
73,1
83,3
67,5
82,7
46
Kłodzko
O
26
39,4
44,9
34,7
42,5
47
Lesko
O
40
40,2
45,8
35,3
43,2
48
Nowy Sącz
O/Z
35
37,8
43,1
33,5
41,0
49
Śnieżka
O
60
66
75,3
59,7
73,1
Oznaczenia terenu:
O – teren otwarty
Z – teren zabudowany lub zadrzewiony
P – stacja przeniesiona w okresie obserwacji z terenu Z na teren O
O/Z – teren otwarty z pewnych kierunków, zabudowany lub zadrzewiony z innych; także
teren podmiejski
Analizując dane tablicy 4 warto zauważyć, że największe wartości prędkości chwilowej
wiatru, zmierzone na obszarze nizinnym strefy 1 w Polsce, w granicach 36 – 39 m/s, dobrze
zgadzają się z wartościami prognozowanymi na stacji meteorologicznej Warszawa Okęcie
(rys. 2). Prędkość chwilowa o okresie powrotu 35 lat, jak wynotowane z [12], zawiera się
w zakresie 36 – 37 m/s.
Wiatry sztormowe, występujące w od jesieni do wiosny, niekiedy bardzo silne, powodujące znaczne straty w Europie Zachodniej, jak huragan Kyril w styczniu 2006 roku i huragan
Emma w lutym 2008 roku, w Polsce charakteryzują się mniejszymi prędkościami i nie powodują znacznych strat. Najczęściej są to zerwane fragmenty poszycia dachowego lub zewnętrznej izolacji ścian (styropianowej). Szkody katastrofalne są wynikiem przejścia trąby po-
251
wietrznej lub szkwału. Zjawiska te występują często razem, w pewnych miejscach mają postać szkwału, a w innych małego tornada.
Ponieważ nie zdarza się aby trąba powietrzna przeszła nad stacją meteorologiczną, nie są
rejestrowane prędkości wiatru, które wówczas występują. Są one jedynie szacowane.
Szacuje się, że prędkość w wirze powietrza zawiera się w granicach 50 – 100 m/s. Są to
prędkości wiatru znacznie większe od podawanych w jakiejkolwiek normie, co powoduje
katastrofalne skutki. W przeciwieństwie do wiatrów sztormowych, wiejących często przez
kilkanaście godzin, szkwał lub trąba powietrzna trwa najwyżej kilku minut. Przemieszcza się
ona z prędkością 30 – 40 km/h, a więc ok. 10 m/s.
Na podstawie dokumentacji prasowej stwierdzono, że w latach 1979 – 1988 były w Polsce 42 przypadki wystąpienia trąby powietrznej, a więc średnio 4 rocznie [12]. W poszczególnych latach ich liczba wahała się od 1 do 7. Podobną liczbę podaje Dotzek [2].
Miejsca wystąpienia trąb powietrznych w latach 1979 – 1988 pokazano na rys. 3 [12]. Jak
widać występowały one na południe od linii łamanej biegnącej od Szczecina przez Bydgoszcz
i Olsztyn do Białegostoku.
Wyrządzone szkody były znaczne aczkolwiek najczęściej lokalne. Szerszy zasięg miał
huraganowy wiatr o charakterze szkwału w dniu 4 lipca 2002 roku nad Puszczą Piską, który
zniszczył 44 ha lasu. Znaczne spustoszenia poczyniła ostatnia trąba powietrzna, która przeszła
w okolicy Częstochowy w dniu 20 lipca 2007 roku. Na terenie dwóch gmin, Kłomnice i Rędziny zostało uszkodzonych lub całkowicie zniszczonych 111 budynków mieszkalnych i 151
budynków gospodarczych [4]. Do tego dochodzą straty na terenie gmin sąsiednich. Jeszcze
większa liczba budynków ucierpiała z powodu gradobicia, które wówczas także wystąpiło:
uszkodzeniu uległo 894 budynków mieszkalnych i 1361 budynków gospodarczych [4]. Dane
te, zebrane Przez Powiatowy Inspektorat Nadzoru Budowlanego w Częstochowie, będą
przedmiotem analiz, wraz ze zdjęciami lotniczymi.
Gdańsk
Koszalin
2.08.1986
Olsztyn
7/8.03.1983
isł a
Szczecin
W
Białystok
Bydgoszcz
11.05.1987
27.05.1981
Noteć
Gorzów
Wielkopolski
War
ta
27.05.1981
24/25.07.1988
Łódź
3.08.1980
17.06.1987
23.06.1982
14.07.1987
Lublin
22.06.1984
10.07.1980
Pilica
Kielce
a
Częstochowa
18.09.1987
12.07.1982
Wisł
24/25.07.1985
21.10.1986
Opole
3.08.1980
25.07.1981
Wrocław
Jelenia
Góra
25.06.1984
3.08.1980
25.07.1981
WARSZAWA
Zielona Góra
2.06.1980
16.06.1982
10.06.1985
g
Bu
Poznań
21.10.1986
13.07.1981
Nare
w
Odr
a
14.07.1987
21.10.1986
25.07.1981
7.07.1986
7.07.1986
n
Sa
2.08.1981
2.08.1985
Katowice
6.07.1985
Tarnów
Rzeszów
6.07.1985
17.06.1979
21.05.1988
14.05.1980
27.06.1982
8.09.1982
Nowy Sącz
17.06.1979
6.07.1988
6.07.1988
Kraków
0
20
40
60
80
100 km
Rys. 3. Trąby powietrzne w Polsce w latach 1979 – 1988 [12].
252
5. Rozkład ciśnienia powietrza na powierzchniach budynku
Oddziaływanie wiatru przejawia się bezpośrednio jako ciśnienie wywierane na zewnętrzne powierzchnie budowli zamkniętych, a także, z powodu przepuszczalności przegród zewnętrznych, jako ciśnienie wywierane na powierzchnie wewnętrzne. Wiatr może również
bezpośrednio oddziaływać na wewnętrzne powierzchnie budowli otwartych. Ciśnienie wywierane na powierzchnie konstrukcji lub jej indywidualnych elementów osłonowych, wywołuje siły prostopadłe do nich. Dodatkowo, gdy duże obszary konstrukcji są opływane przez
wiatr, powstają – czasem znaczące – siły tarcia, działające stycznie do powierzchni [7, 10].
Wiatr
Dodatnie
ciśnienie
wewnętrzne
Wiatr
Ujemne
ciśnienie
wewnętrzne
Rys. 4. Ciśnienie wywierane na powierzchnie elementów budynku [9].
Rys. 5. Charakter deformacji budynku z otworem w ścianie zewnętrznej nawietrznej, zawietrznej i bocznej [13].
Rozpatrując rozkład ciśnienia na ścianach budynku można zauważyć, że za krawędziami
nawietrznymi występują obszary zwiększonego ssania wiatru. Także na połaciach dachowych
rozkład ciśnienia nie jest równomierny. Zależy on od proporcji wymiarów budynku i kształtu
dachu. Przy małych kątach nachylenia połaci dachowych (α <20°) nad całym dachem tworzy
się obszar podciśnienia (ssania). Na połaci nawietrznej ciśnienie zmienia się w miarę oddalania od krawędzi dachu, natomiast na połaci zawietrznej, podobnie jak i na ścianie zawietrznej
rozkład ciśnienia jest dość równomierny. Gdy kąt pochylenia jest większy (20° < α < 40°),
występuje wprawdzie oderwanie strumienia powietrza na krawędzi nawietrznej, lecz strumień
znów przylega w pobliżu szczytu i dopiero przy kalenicy powstaje zasadnicze oderwanie.
Przy kątach α > 40° oderwanie powstaje dopiero na szczycie dachu [6]. Oderwanie strumienia
powietrza wywołuje podciśnienie za krawędziami nawietrznymi w najbliższym ich sąsiedztwie. Obszary przykrawędziowe są w związku z tym szczególnie narażone na zwiększone
oddziaływanie wiatru, a możliwe pulsacje ciśnienia powodować mogą zwiększenie ryzyka
wystąpienia uszkodzeń w tych obszarach budynku.
Uszkodzenia zainicjowane przy krawędziach mogą pociągać za sobą uszkodzenia większych obszarów, tak jak to najczęściej ma miejsce w przypadku systemów ocieplania zewnętrznych ścian budynków (BSO).
Szczególnie niebezpieczna jest sytuacja, gdy budynek ma duży otwór w ścianie zewnętrznej, zwłaszcza nawietrznej. Takie sytuacje są w sposób przesadny pokazane na rys.5.
Gdy duży otwór znajduje się w ścianie nawietrznej powietrze jest wtłaczane do budynku, któ-
253
ry jest „nadymany”. Duże otwory w ścianach bocznych lub tylnych, znajdujących się w obszarach podciśnienia powodują spadek ciśnienia wewnątrz budynku. Skutek takiej sytuacji
przedstawiono na rys. 5 jako wklęśnięcie ścian i stropu względnie dachu.
6. Charakterystyczne uszkodzenia powodowane przez wiatry katastrofalne
Do najczęściej spotykanych w Polsce uszkodzeń powodowanych przez wiatry katastrofalne można zaliczyć:
- lokalne uszkodzenia lub zerwanie pokrycia dachowego,
- uszkodzenia elementów konstrukcji dachu,
- zerwania całego przekrycia dachowego,
- uszkodzenia lub przewrócenie kominów ponad połacią dachową,
- zawalenie się ścian szczytowych poddasza i kominów w obrębie poddasza,
- zawalenie się stropu między kondygnacją mieszkalną a poddaszem,
- zawalenie się ścian zewnętrznych,
- oderwanie ocieplenia ścian zewnętrznych,
- oderwanie ocieplenia dachu płaskiego,
- oberwanie rynien i rur spustowych,
- deformacja lub oderwanie tablic informacyjnych, anten itp.,
- wybicie szyb, wyrwanie okien i wrót,
- przewrócenie parkanów i ogrodzeń.
Przykłady uszkodzeń i zniszczeń budynków, spowodowanych przez trąbę powietrzną
w dniu 20 lipca 2007 roku w okolicy Częstochowy są omówione w [14].
Należy zaznaczyć, że charakter i zasięg uszkodzeń zależy w dużym stopniu od stanu
technicznego i poprawności wykonania czy też wbudowania elementów tworzących dany
obiekt budowlany. Przegląd budynków wzniesionych na terenach wiejskich wykazał istnienie
wielu nieprawidłowości zwiększających podatność na uszkodzenia wywołane oddziaływaniem silnego wiatru [15]. Stwierdzono między innymi:
- więźby dachowe wykonane z materiałów przypadkowych, pochodzących niejednokrotnie z rozbiórek, niedostatecznie usztywnione i źle zakotwione w ścianach budynku,
- wiązary kratowe konstruowane niejednokrotnie jako układy geometrycznie zmienne, lub
wykonane ze zbyt smukłych elementów (prętów),
- stropy wykonane często z przypadkowych materiałów, mające małą wytrzymałość lub
małą sztywność, przeciążone materiałami zgromadzonymi na poddaszu,
- wysokie ściany szczytowe poddasza nie usztywnione ścianami poprzecznymi, słupami
czy też pilastrami,
- elementy pokryć dachowych zbyt słabo lub w ogóle nie mocowane do elementów dachu.
Także budynki na terenach miejskich wykazują usterki ujawniające się często w czasie
oddziaływania wiatrów katastrofalnych. Można tu wspomnieć o coraz częstszych przypadkach oderwania od ścian budynków systemów ocieplania (BSO). Na wystąpienie tych uszkodzeń mają najczęściej wpływ błędy popełniane w trakcie wykonywania ocieplenia, takie jak:
- prowadzenie prac w niesprzyjających warunkach atmosferycznych,
- brak właściwego przygotowania powierzchni ściany, a w wyniku tego osłabienie przyczepności zaprawy klejącej,
- stosowanie nieodpowiednich zapraw klejących w przypadku mocowania systemu do poszycia z płyt OSB,
- niewłaściwe nakładanie zaprawy klejącej na płyty termoizolacyjne i zbyt mała powierzchnia klejenia płyt do podłoża,
254
- nieprzestrzeganie zalecanych przerw technologicznych pomiędzy zakończeniem klejenia płyt a kolejnymi czynnościami (szlifowaniem powierzchni, osadzaniem łączników mechanicznych),
- brak stosowania łączników mechanicznych zwłaszcza w sytuacjach spodziewanej
zmniejszonej przyczepności zaprawy klejącej do podłoża,
- niewłaściwy dobór łączników mechanicznych do materiału ściany (niewłaściwy typ
kołków, niedostateczna ich długość) i zbyt mała liczba łączników zwłaszcza w strefach przynarożnikowych,
- niewłaściwe osadzenia kołków zmniejszające ich nośność (zbyt płytkie kotwienie, otwór
o zbyt dużej średnicy).
Ponadto na osłabienie przyczepności systemu ocieplania do ściany może wpływać zła jakość płyt izolacyjnych (możliwość przeciągnięcia płyt przez kołki), zła jakość kołków (zerwanie główek) czy też zła jakość zapraw klejących.
Analizy prowadzone w Stanach Zjednoczonych doprowadziły do wyodrębnienia charakterystycznych uszkodzeń różnych grup obiektów i przypisania tym uszkodzeniom prędkości
wiatru, przy którym mogą mieć miejsce [16]. Chociaż budownictwo amerykańskie różni się
nieco od europejskiego, poniżej przytoczono te dane dla wybranych obiektów.
1) Małe budynki inwentarskie i gospodarcze (tabl. 5)
Ogólna charakterystyka:
• Powierzchnia mniejsza niż 230 m2
• Drewniana albo metalowa konstrukcja słupowo-ryglowa
• Drewniane albo metalowe wiązary dachowe
• Drewniane albo metalowe poszycie płytowe ścian
• Metalowe albo drewniane pokrycie dachowe
• Duże wrota
Tablica 5. Uszkodzenia budynków inwentarskich i gospodarczych.
Stopień
uszkodzenia
1
2
3
4
5
6
7
8
Opis uszkodzenia
Próg widocznego uszkodzenia
Ubytek drewnianych albo metalowych płyt
pokrycia
Zawalenie się lub rozpadnięcie wrót
Poważniejszy ubytek płyt pokrycia dachowego
Poderwanie albo zawalenie się konstrukcji
nośnej
Zawalenie się ścian
Przewrócenie albo przesunięcie całej konstrukcji
Całkowite zniszczenie budowli
Prędkość wiatru, m/s
najczęstdolna
górna
sza
granica
granica
28
24
35
33
27
41
37
30
46
40
35
49
42
34
51
43
36
53
44
37
53
50
42
59
2) Domy mieszkalne jedno- i dwurodzinne (90–450 m2) – tabl. 6
Ogólna charakterystyka:
• Pokrycie dachowe z gontów bitumicznych, dachówek, łupka albo blachy
• Dach płaski, dwuspadowy, czterospadowy, mansardowy albo jednospadowy albo też
kombinacje wyżej wymienionych
255
•
•
•
•
Poszycie dachowe ze sklejki, płyt OSB albo desek
Prefabrykowane wiązary drewniane kratowe albo belkowe
Oblicówka ceglana, płyty drewniane, tynk, BSO, poszycie plastikowe albo metalowe
Ściany szkieletowe ze słupami drewnianymi albo metalowymi, bloczki betonowe albo
płyty z betonu lekkiego
Dobudowany garaż pojedynczy albo podwójny
•
Tablica 6. Uszkodzenia małych domów mieszkalnych.
Stopień
uszkodzenia
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Opis uszkodzenia
Próg widocznego uszkodzenia
Ubytek pokrycia dachowego (<20%), rynien lub obróbek blacharskich; ubytek
plastikowego albo metalowego poszycia
ścian
Zbite szyby w oknach i drzwiach
Poderwanie poszycia dachowego i znaczny
ubytek pokrycia dachowego (>20%); zawalenie się komina; brama garażowa zapadnięta do wewnątrz; zniszczenie ganku
albo zadaszenia podjazdu
Cały budynek zsunięty z fundamentów
Brak dużych fragmentów konstrukcji dachowej; większość ścian nadal stojących
Ściany zewnętrzne zawalone
Większość ścian zawalonych, poza małymi pomieszczeniami w głębi obiektu
Wszystkie ściany zawalone
Zniszczenie dobrze zaprojektowanego i
wykonanego budynku; płyta podłogowa
„zmieciona do czysta”
Prędkość wiatru, m/s
najczęstdolna
górna
sza
granica
granica
29
24
36
35
28
43
43
35
51
43
36
52
54
46
63
55
46
63
59
51
68
68
57
80
76
63
89
89
74
98
3) Murowane domy mieszkalne albo motele (tabl. 7)
Ogólna charakterystyka:
• Wysokość do czterech kondygnacji
• Zabudowa składająca się z jednego lub więcej prostokątnych budynków
• Dach płaski, dwuspadowy, czterospadowy albo mansardowy
• Gonty bitumiczne, dachówki, łupek albo wielowarstwowe pokrycie bitumiczne
• Lekki stalowy wiązar dachowy z poszyciem metalowym i lekką izolacją cieplną
• Stropodach i stropy z elementów prefabrykowanych, pustaków albo płyt kanałowych
• Ściany nienośne z betonowych elementów murowych
• Ściany nośne z betonowych elementów murowych
• Tynk, BSO warstwa cegły licówki jako wykończenie zewnętrzne ścian
• Zewnętrzne łączniki albo balkony
256
Tablica 7. Uszkodzenia domów mieszkalnych i moteli.
Stopień
uszkodzenia
1
2
3
4
5
6
7
Opis uszkodzenia
Próg widocznego uszkodzenia
Ubytek pokrycia dachowego (<20%)
Poderwanie lekkiego metalowego poszycia
dachu
Poderwanie betonowych elementów dachu
Zawalenie się ścian najwyższej kondygnacji
Zawalenie się dwóch najwyższych stropów
budynku trój- albo czterokondygnacyjnego
Całkowite zniszczenie dużej części budynku
Prędkość wiatru, m/s
najczęstdolna
górna
sza
granica
granica
29
24
36
36
30
45
42
36
52
54
59
46
51
64
67
70
59
80
80
72
92
4) Niskie budynki użyteczności publicznej 1 – 4 kondygnacji (tabl. 8)
Ogólna charakterystyka:
• Składają się z reguły z prostokątnych segmentów, mogą jednakże być rozbudowane w
planie
• Większość ma dachy płaskie, lecz mogą mieć również dachy dwuspadowe, czterospadowe albo mansardowe
• Pokrycia dachowe to wielowarstwowe izolacje bitumiczne, jednowarstwowe izolacje
przeciwwilgociowe, panele metalowe albo poszycie z blach na rąbek stojący
• Płyta dachowa drewniana albo metalowa, ewentualnie wylewana albo wykonana z płyt
żelbetowych
• Stalowa albo żelbetowa rama nośna
• Ściany osłonowe ze szkła i metalu, ściany szkieletowe ze słupkami metalowymi i BSO,
murowane nienośne ściany z wyprawą tynkarską albo warstwą licówki ceramicznej
• Przykładami tej kategorii są budynki biurowe, obiekty służby zdrowia, jak również budynki banków.
Tablica 8. Uszkodzenia niskich budynków użyteczności publicznej.
Stopień
uszkodzenia
1
2
3
4
5
6
7
Opis uszkodzenia
Próg widocznego uszkodzenia
Ubytek pokrycia dachowego (<20%)
Poderwanie metalowego poszycia dachowego przy okapach i narożach dachu; znaczny
ubytek pokrycia dachowego (>20%)
Stłuczone oszklenie w oknach, przedsionkach albo atriach
Poderwanie lekkiej konstrukcji dachowej
Znaczne uszkodzenie ścian zewnętrznych i
niektórych ścian wewnętrznych
Całkowite zniszczenie całości albo dużej
części budynku
Prędkość wiatru, m/s
najczęstdolna
górna
sza
granica
granica
30
25
37
36
30
46
45
37
54
45
37
55
59
51
70
64
55
75
84
72
99
257
5) Wiaty stacji paliw (tabl. 9)
Ogólna charakterystyka:
• Współczesne stacje paliwowe składają się z bardzo dużej wiaty przekrywającej całą
strefę dystrybutorów paliw oraz małego budynku mieszczącego kasę i przestrzeń handlowo-usługową
• Konstrukcja wiaty wykonana ze stalowego rusztu belkowego wspartego na co najmniej czterech wysokich słupach
• Panele metalowe pokrywają spód wiaty
• Lekkie elementy okapowe, metalowe albo plastikowe, pokrywają obwód wiaty
Tablica 9. Uszkodzenia stacji paliw.
Stopień
uszkodzenia
1
2
3
4
5
6
Opis uszkodzenia
Próg widocznego uszkodzenia
Elementy okapowe oderwane od wiaty
Metalowe panele dachowe zerwane z wiaty
Słupy zgięte albo wyboczone pod naporem
wiatru
Wiata przewrócona wskutek awarii posadowienia
Całkowite zniszczenie wiaty
Prędkość wiatru, m/s
najczęstdolna
górna
sza
granica
granica
28
20
35
35
29
43
41
33
51
49
39
60
51
40
64
59
49
73
6) Budynki magazynowe (tabl. 10)
Ogólna charakterystyka:
• Kategoria ta obejmuje wszelkiego rodzaju budownictwo poza metalowym
• Przykłady tego rodzaju obiektów obejmują budynki magazynowe, składowe oraz
przemysłowe
• Budynki wzniesione są z reguły na planie prostokąta i mają płaskie, dwuspadowe albo
czterospadowe dachy
• Dachy o budowie wielowarstwowej ze żwirem, jednowarstwową izolacją przeciwwilgociową dociśniętą balastem, mocowaną mechanicznie albo przyklejaną całą powierzchnią
• Lekka stalowa konstrukcja szkieletowa z murowanymi ścianami nośnymi
• Duże drzwi podnoszone
• Prefabrykowane żelbetowe słupy, belki i dwuteowniki oraz płyty ścienne
• Solidna konstrukcja drewniana ze ścianami ryglowymi i płytami drewnianymi
Tablica 10. Uszkodzenia budynków magazynowych.
Stopień
uszkodzenia
1
2
3
4
Opis uszkodzenia
Próg widocznego uszkodzenia
Ubytek pokrycia dachowego (<20%)
Drzwi podnoszone załamane do wewnątrz
albo na zewnątrz
Poderwanie poszycia dachu; znaczny ubytek
pokrycia dachowego (>20%); zerwanie in-
Prędkość wiatru, m/s
najczęstdolna
górna
sza
granica
granica
30
25
37
37
31
47
39
34
48
46
39
55
258
5
6
7
stalacji dachowych
Zawalenie się zewnętrznych ścian osłonowych
Zawalenie się prefabrykowanych żelbetowych płyt ściennych
Całkowite zniszczenie dużej części albo
całości budynku
51
42
56
55
46
64
71
59
83
7) Słupy linii elektroenergetycznych (tabl. 11)
Ogólna charakterystyka:
• Pojedyncze słupy drewniane z poprzecznikami drewnianymi
• Pojedyncze słupy stalowe albo żelbetowe z poprzecznikami metalowymi
• Metalowe słupy kratowe
Tablica 11. Uszkodzenia słupów linii energetycznych.
Stopień
uszkodzenia
1
2
3
4
5
6
Opis uszkodzenia
Próg widocznego uszkodzenia
Złamany drewniany poprzecznik
Pochylone drewniane słupy
Złamane drewniane słupy
Złamane albo zgięte słupy stalowe albo
żelbetowe
Przewrócone metalowe słupy kratowe
Prędkość wiatru, m/s
najczęstdolna
górna
sza
granica
granica
37
31
44
44
36
51
48
38
58
53
44
63
62
51
67
63
52
74
7. Środki ograniczające skutki wiatrów katastrofalnych
Do zabiegów ograniczających skutki oddziaływania wyjątkowo silnych wiatrów można
zaliczyć:
- właściwe kształtowanie elementów i ustrojów konstrukcyjnych pod względem statycznym,
- zapewnienie współpracy elementów konstrukcyjnych w przenoszeniu obciążeń,
- zapewnienie właściwej sztywności przestrzennej,
- właściwe usztywnienie smukłych elementów budowli,
- wznoszenie elementów budowli z właściwych materiałów; materiały rozbiórkowe powinny być stosowane ze szczególną ostrożnością,
- właściwe mocowanie elementów konstrukcyjnych – zwłaszcza elementów dachowych
i szkieletu budynków o lekkiej konstrukcji drewnianej,
- właściwe mocowanie lub dociążenie balastem elementów pokryć dachowych,
- właściwe mocowanie systemów ocieplania ścian i dachów, elementów wyposażenia, takich jak rynny i rury spustowe, balustrady balkonów i tarasów, tablice informacyjne i in.,
- właściwe osadzenie okien, drzwi zewnętrznych i wrót,
- zabezpieczenie przed poderwaniem przez wiatr przedmiotów znajdujących się w otoczeniu budynków,
- przycinanie drzew rosnących w pobliżu budynku, aby konary i gałęzie nie znajdowały
się na dachem budynku.
259
Na obszarach często nawiedzanych przez silne wiatry zaleca się montowanie okiennic.
Budynki o lekkiej konstrukcji szkieletowej powinny mieć wykonany odpowiedni układ ścian
wewnętrznych, tworzący swego rodzaju trzon usztywniający budynek.
Przykłady prawidłowego wykonania wybranych elementów budynku pokazano na rysunkach 6-10 [17, 18].
6
5
4
5
2
3
1
Rys. 6. Przykład rozwiązania usztywnienia osłabionych otworami ścian szczytowych
poddasza i ścianek kolankowych [17]. 1 – wieniec stropowy, 2 – słupek żelbetowy, 3 –
wieniec dachowy pod murłatę, 4 – ukośny wieniec dachowy na ścianach szczytowych, 5 –
słupy wzmacniające ścianę szczytową (w przypadku ściany jednowarstwowej należy wykonać pilastry), 6 – nadproże.
4
3
3
4
1
2
1
Rys. 7. Przykład wykonania usztywnienia ścianki kolankowej w ścianie jednowarstwowej
i oparcia więźby dachowej. 1 – wieniec stropowy, 2 – słupek żelbetowy, 3 – wieniec stężający ściankę i stanowiący oparcie murłaty, 4 – murłata.
260
Rys. 8. Przykłady klamer (spinek) burzowych.
Spinka burzowa
dwuczęściowa
Spinka burzowa
jednoczęściowa
Rys. 9. Przykłady mocowania dachówek klamrami burzowymi.
a)
b)
e)
c)
f)
d)
g)
Rys. 10. Mocowanie systemu ocieplania zewnętrznych ścian budynków (BSO) przy użyciu kołków umożliwiające optyczną kontrolę jakości zakotwienia: a) wywiercenie otworu
w ścianie, b) wsunięcie kołka, c) przyłożenie wiertarki z głowicą umożliwiającą ściśnięcie
materiału termoizolacyjnego pod główką kołka i zamocowanie łącznika, d) wkręcanie
śruby rozprężającej, e) zakleszczenie kołka, f) zasłonięcie gniazda krążkiem likwidującym
punktowy mostek cieplny, g) osadzony i zabezpieczony kołek.
261
8. Wnioski i uwagi końcowe
Analiza prędkości silnego wiatrów w Polsce, a także ogólne spojrzenie na szkody powodowane przez wiatr pozwalają na wyciągnięcie ważnych wniosków:
1. W Polsce występują cztery rodzaje silnego wiatru, które można połączyć w dwie grupy: wiatry związane z głębokimi niżami w porze chłodnej, przejawiające się w postaci
silnego wiatru sztormowego, a w górach wiatru halnego, oraz wiatr w czasie burz letnich, o charakterze silnego szkwału lub trąby powietrznej.
2. Huraganowe wiatry występujące w porze chłodnej charakteryzują się prędkościami
maksymalnymi tego samego rzędu co wartości charakterystyczne w nowej normie
polskiej (w załączniku do normy europejskiej). Szkody, wyrządzane przez te wiatry
obejmują najczęściej poszycia dachowe, elementy małej architektury, rzadziej zerwanie całego dachu. Rzadko zdarzają się poważne zniszczenia. Bardzo dużo jest połamanych drzew, które padając zrywają linie elektryczne niskiego napięcia, trakcje tramwajowe, niekiedy, a także często niszczą samochody. Zdarza się też, że drzewa padają
na domy niszcząc fragmenty dachu.
3. Silne szkwały i trąby powietrzne, o prędkości wiatru znacznie przekraczającej wartości obliczeniowe, wyrządzają poważne szkody, zrywają dachy i niszczą całe budynki.
Występują lokalnie, na niewielkich obszarach. Ocenia się, że w Polsce ich liczba zawiera się od 1 do 7, średnio 4 trąby powietrzne rocznie.
4. Istnieje poważny zasób doświadczenia jak budować domy odporne na działanie silnego wiatru. Doświadczenie to pochodzi z krajów, które nawiedzają huraganowe wiatry,
przede wszystkim ze Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. Celowe jest przeniesienie tych doświadczeń na grunt polski.
5. W Polsce huraganowe wiatry wyrządzają większość szkód przede wszystkim w budownictwie wiejskim, często stosunkowo starym. Można znacznie zmniejszyć szkody
projektując i wykonując, a także naprawiając i wzmacniając budynki zgodnie z zasadami sztuki budowlanej i postanowieniami aktualnej polskiej normy obciążenia wiatrem.
Piśmiennictwo
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Woliński Sz.: Metody oceny wartości oddziaływań spowodowanych przez zdarzenia
katastrofalne. Problemy Naukowo-Badawcze Budownictwa, tom III, Białystok 2007
(Materiały 53 Konferencji Naukowo-Technicznej KILiW PAN i KN PZITB, Krynica
2007).
Dotzek N.: An updated estimate of tornado occurrence in Europe. Proceedings of the
2nd European Conference on Severe Storms, Prague 2002.
Żurański J.A.: Wpływ warunków klimatycznych i terenowych na obciążenie wiatrem
konstrukcji budowlanych. Instytut Techniki Budowlanej, Rozprawy, 2005.
Bebłot G., Hołda I., Rorbek K.: Trąba powietrzna w rejonie Częstochowy w dniu 20
lipca 2007 roku. Referat przedstawiony na konferencji na temat zjawisk ekstremalnych,
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Paszkówka, październik 2007.
Słownik meteorologiczny (praca zbiorowa pod redakcją T. Niedźwiedzia). PTG
i IMGW, Warszawa 2003.
Słownik Języka Polskiego (praca zbiorowa pod redakcją M. Szymczaka). PWN, Warszawa 1978.
262
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
Żurański J.A.: Obciążenia wiatrem budowli i konstrukcji. Arkady, Warszawa 1978.
Meaden G.T.: Tornadoes in Britain. Journal of Meteorology, 1, 1976, 242-251.
PN-77/B-02011 Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem.
PN-EN 1991-1-4:2008 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-4 Oddziaływania ogólne – Oddziaływania wiatru.
Żurański J.A., Maciążek W.E.: Oddziaływanie wiatru na konstrukcje w ocenie obiektów
budowlanych.- IX Konferencja Naukowo – Techniczna Problemy Rzeczoznawstwa Budowlanego. Cedzyna koło Kielc, 24-26 kwietnia 2006 r. Materiały konferencyjne, Wyd.
ITB, Warszawa 2006.
Lorenc H.: Struktura i zasoby energetyczne wiatru w Polsce. Instytut Meteorologii
i Gospodarki Wodnej, Materiały Badawcze, Seria: Meteorologia – 25, Warszawa 1996.
Windstorm mitigation manual for light frame construction. Federal Emergency Management Agency, 1997.
Karolak D., Papliński A.T.: Domy, w które uderzyła trąba… Murator nr 10/2007.
Stan techniczny budynków rolniczych w Wielkopolsce. Opracowanie wewnętrzne Zakładu Budownictwa Rolniczego Politechniki Poznańskiej, Poznań 1992.
A Recommendation for an Enhanced Fujita Scale. Wind Science and Engineering Center, Texas Tech University, Lubbock 2006.
Buduj bez błędów. Dodatek do miesięcznika Ładny Dom. (opr. W.Rudolf).
Materiały informacyjne firm: Monier (Braas, RuppCeramika), EJOT, Wienerberger,
Xella (Ytong).
HURRICAN WIND ACTIONS ON BUILDINGS
Summary
The paper deals with the strong winds actions on buildings. Two kinds of strong winds occur in Poland: wind storms (and foen winds in mountains) caused by large and deep pressure
depressions in autumn and wintertime and strong winds during summer thunderstorms. The
later may be downbursts and small tornadoes. During the period 1961 – 1995 maximum recorded wind speeds in winter storms were 36 – 39 m/s and they were slightly higher than design gust wind speeds in present Polish Standard but lower than new provisions in the national annex to the Eurocode 1. Small tornadoes occur in Poland 4 times a year on average. It
is not possible to record wind speeds during summer thunderstorms because they usually pass
by meteorological stations. Strong wind disasters affect mainly agricultural buildings with
relatively week structures but tornadoes can destroy any building. Typical failures under
strong wind actions are described and measures against wind disasters are presented.