Wprowadzenie do Eurokodów - Pomorska Okręgowa Izba
Transkrypt
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 i normy obciążeń Gdańsk, styczeń 2011 1. Wprowadzenie Integracja europejska, zapoczątkowana w połowie 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). 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 prowadzone są w ścisłym współdziałaniu z Międzynarodową Organizacją Normalizacyjną (International Standards Organization – ISO), na podstawie specjalnego odrębnego porozumienia (tzw. Porozumienia Wiedeńskiego). Brane są 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). 2. Geneza i zakres europejskich norm projektowania konstrukcji 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 przygotowuje 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 są odpowiedzialne za kolejne Eurokody, to znaczy od EC 1 do EC 9. Merytorycznie poszczególne zagadnienia projektów EC przygotowują powołane w tym celu Zespoły Autorskie (PT), które przedstawiają wyniki swych prac do akceptacji poszczególnych SC lub TC. Przyjęte wstępnie projekty norm są przesyłane krajom zrzeszonym w CEN do zaopiniowania, a później, po uwzględnieniu nadesłanych uwag ustanawiane są jako obowiązujące normy europejskie. W przypadku obszernych norm ich opracowanie przebiega dwuetapowo: najpierw wprowadza się prenormę europejską (ENV) na okres próbny (najczęściej 3 lat), a następnie zatwierdza się normę europejską (EN), opracowaną na podstawie uwag wniesionych do ENV w okresie próbnym. Zakończeniem tego etapu jest 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 2 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. Ostatecznie odstąpiono od systemu wartości w „ramkach” na rzecz „wartości ustalanych krajowo” (Nationally Determined Parameters – NDP), podawanych w załącznikach krajowych. W całym zbiorze Eurokodów obowiązuje norma podstawowa (EN 1990) oraz dziewięć norm przedmiotowych (EC1÷EC9), z których każda składać się z kilku części szczegółowych: EN 1990. Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji EN 1991. Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje EN 1992. Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu EN 1993. Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych EN 1994. Eurokod 4. Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych EN 1995. Eurokod 5. Projektowanie konstrukcji drewnianych EN 1996. Eurokod 6. Projektowanie konstrukcji murowych EN 1997. Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne EN 1998. Eurokod 8. Projektowanie konstrukcji na oddziaływania sejsmiczne EN 1999. Eurokod 9. Projektowanie konstrukcji aluminiowych 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. 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. 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. 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. Jest to obszerny dokument, zawierający 88 stron, podzielony na 6 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. W zakresie definiowania poszczególnych reprezentatywnych rodzajów obciążeń i cech materiałowych 3 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 γf (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 = γ f ⋅ Frep (1) gdzie obciążenia reprezentatywne Frep definiowane są następująco: Frep = Fk (2) Frep = ψ ⋅ Fk (3) lub też W równaniach (2) i (3) przez Fk oznaczono charakterystyczną wartość obciążenia, natomiast ψ jest współczynnikiem kombinacji obciążeń. Wszelkie niepewności wynikające z przyjętego modelu efektów oddziaływań na konstrukcję zasadniczo powinno się ujmować dodatkowo wyodrębnionym częściowym współczynnikiem bezpieczeństwa γSd, który w praktyce często jest włączany do współczynnika obciążeń, przez co otrzymuje się jego zmodyfikowaną postać: γ F = γ f ⋅γ Sd (4) w konsekwencji czego wyrażenie opisujące wielkość obciążeń obliczeniowych, przyjmuje alternatywną formułę: Fd = γ F ⋅ Frep (5) Obliczeniowe parametry materiałowe otrzymuje się przez podzielenie wielkości charakterystycznych przez częściowe współczynniki bezpieczeństwa γm, większe od jedności: Xd = η ⋅ Xk γm (6) gdzie η 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 γRd, który w praktyce często jest włączany do częściowego współczynnika materiałowego, co prowadzi do jego alternatywnego zdefiniowania w postaci: γ M = γ m ⋅γ Rd (7) 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: a d = a nom ± ∆ a (8) przy czym ∆a określa możliwe niekorzystne odchylenia wymiarów geometrycznych, wpływające na bezpieczeństwo konstrukcji. 4 Konstrukcje budowlane projektowane są na określony okres czasu, w zależności od rodzaju obiektów i ich przeznaczenia. Podział obiektów budowlanych na odpowiednie kategorie w zależności od nominalnego czasu ich eksploatacji („czasu życia”) według EN 1990 przedstawiono w tabeli 1. W polskiej normie PN-76/B-03001 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. Zapewnienie 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 założonym zapasem bezpieczeństwa w stosunku do założonego stanu granicznego (metoda deterministyczna lub też półprobabilistyczna poziomu I). 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 Najbardziej obiektywnych miar zapewnienia bezpieczeństwa należy jednak szukać w rozwiązaniach, uwzględniających losowy charakter zarówno obciążeń, jak i właściwości materiałów. Probabilistyczną miarę bezpieczeństwa konstrukcji można wówczas określić jako prawdopodobieństwo wystąpienia określonego stanu granicznego w elemencie konstrukcyjnym. W tym celu korzysta się z probabilistycznych metod poziomu II (bazujących na założeniach upraszczających) lub poziomu III (bez uproszczeń, na podstawie rozwiązań ścisłych). W Eurokodach stosuje się metody poziomu I z tym, że wartości współczynników bezpieczeństwa kalibruje się przy wykorzystaniu metod poziomu II. Metody poziomu III mają charakter teoretyczny, służący do opracowań studialnych i weryfikujących założenia metod poziomu II. 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. Oba wymienione wyżej stany graniczne mogą charakteryzować następujące przykładowe zjawiska: 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. 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: 5 E d ≤ Rd (10) gdzie Ed jest wielkością obliczeniową efektu oddziaływań, Rd jest wielkością obliczeniową wytrzymałości materiału. Do prawidłowego określenia oddziaływań na konstrukcję budowlaną należy uwzględnić różne rodzaje obciążeń, w różnych konfiguracjach (kombinacjach). W stanach granicznych nośności (ultimate limit states) w EN 1990:2002 wyróżnia się trzy rodzaje kombinacji: a) kombinację podstawową K u1 = ∑ γ G, j ⋅ Gk , j + γ Q ,1 ⋅ Qk ,1 ∑ + j≥ 1 γ Q,i ⋅ψ 0,i ⋅ Qk ,i (11) i> 1 b) kombinację wyjątkową K u2 = ∑ G k , j + Ad + ψ 1,1 ⋅ Q k ,1 j≥ 1 c) + ∑ ψ 2,i ⋅ Qk ,i (12) i> 1 kombinację obciążeń sejsmicznych K u3 = ∑ G k , j + AEd + j≥ 1 ∑ ψ 2,i ⋅ Qk ,i (13) i≥ 1 W stanach granicznych użytkowalności (serviceability limit states) wyróżnia się z kolei trzy rodzaje kombinacji: a) kombinację charakterystyczną K s1 = ∑ G k , j + Qk ,1 + j≥ 1 ∑ ψ 0,i ⋅ Qk ,i (14) i> 1 b) kombinację krótkotrwałą K s2 = ∑ Gk , j + ψ 1,1 ⋅ Qk ,1 j≥ 1 c) + ∑ ψ 2,i ⋅ Qk ,i (15) i> 1 kombinację długotrwałą K s3 = ∑ j≥ 1 Gk , j + ∑ ψ 2,i ⋅ Qk ,i (16) i≥ 1 Zalecane w EN 1990 wartości współczynników ψ, towarzyszących obciążeniom zmiennym, krótko- i długotrwałym, przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Zalecane wartości współczynników ψ Obciążenie Obciążenia obiektów kategorii: Kategoria A Kategoria B Kategoria C Kategoria D Obciążenie wiatrem Obciążenie temperaturą ψ0 ψ1 ψ2 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 6 Jak widać, współczynniki ψ0 wynoszą najczęściej 0,7. Są one nieco mniejsze, aniżeli odpowiadające wartości w PN-82/B-02000, w której dla obciążeń zmiennych przyjmują wartości od 1,0 do 0,7 w zależności od znaczenia obciążenia. Jeżeli chodzi o współczynniki ψ2 do określania wartości długotrwałych obciążenia zmiennego, są one bardzo zbliżone do wartości zawartych w PN-82/B-02003. Z kolei zalecane w EN 1990 częściowe współczynniki bezpieczeństwa (zwane często współczynnikami obciążeń) wynoszą: • dla obciążeń stałych γG = 1,35 • dla obciążeń zmiennych γQ = 1,50 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 Są one zdecydowanie większe od wartości przyjmowanych dotychczas w polskich normach obciążeń, 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 mamy współczynniki od 1,10 do 1,30, dla obciążenia śniegiem 1,40, dla obciążenia wiatrem 1,30, a dla obciążenia gruntem od 1,10 do 1,20. Jedynie dla obciążenia oblodzeniem współczynnik obciążenia wynosi 1,50. 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”. Tabela 4. Obciążenia równomierne i skupione obiektów budowlanych Kategoria obiektu Kategoria A - stropy - schody - balkony Kategoria B Kategoria C - C1 - C2 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 4,0 2,5 do 7,0 (4,0) 7 - C3 3,0 do 5,0 4,0 do 7,0 - C4 4,5 do 5,0 3,5 do 7,0 - C5 5,0 do 7,5 3,5 do 4,5 Kategoria D - D1 4,0 do 5,0 3,5 do 7,0 (4,0) - D2 4,0 do 5,0 3,5 do 7,0 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. W porównaniu do polskich wymagań w tym zakresie, zawartych w PN-82/B-02003, 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). Cytowane normy EN 1990. Eurocode. Basis of structural design, European Commitee for Standarization, Brussels 2002 PN-EN 1990. Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2004 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 PN-EN 1991-1-1. Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje – Część 1-1. Oddziaływania ogólne – Ciężar objętościowy, ciężar własny, obciążenia użytkowe w budynkach, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2004 8