Při projektování staveb, zejména těch s venkovním použitím, je nezbytné zohlednit veškerá zatížení, kterým bude konstrukce vystavena. Mezi často nesprávně dimenzované nebo zcela opomíjené faktory patří zatížení větrem a sněhem. Důsledky mohou být katastrofální, včetně utržených solárních panelů, zdeformovaných venkovních komínů nebo prokluzujících vzduchovodů, což vede k obrovským finančním škodám. Stabilita a statika vyžadují přesné projektování.
Norma EN 1991-1-4 je klíčovým dokumentem pro výpočet zatížení větrem, s přihlédnutím k příslušným národním přílohám. Tato norma poskytuje rámec pro stanovení charakteristických hodnot zatížení větrem pro pozemní stavby a inženýrské konstrukce s výškou do 200 m a mosty s rozpětím menším než 200 m, za předpokladu, že splňují kritéria pro dynamickou odezvu.
Princip působení větru a ovlivňující faktory
Konkrétní účinek zatížení větrem na stavební konstrukci a další na ní instalované konstrukce, který je třeba při projektování zohlednit, závisí zejména na třech faktorech:
- umístění,
- výška terénu,
- výška stavby.
Zatížení větrem obecně působí jako plošné zatížení. Předpokládá se, že působí rovnoběžně s rovným povrchem. V úvahu je třeba vzít také tlak větru, tj. přetlak na návětrné straně a podtlak na závětrné straně.
A. Zóny zatížení větrem
Norma DIN EN 1991 (Eurokód 1) uvádí všechny ovlivňující faktory pro navrhování pozemních a inženýrských staveb. V národních přílohách jsou zohledněny regionální, hlavní vlivy faktorů polohy a výšky terénu. Norma DIN EN 1991-1-4 pak rozlišuje pět zón zatížení sněhem: Zóna 1, 1a, 2, 2a a 3. Intenzita zatížení sněhem se rovněž zvyšuje od zóny 1 po zónu 3.
Čtěte také: Vše o bobkovišni na živý plot
B. Kategorie terénu
Rozdíly v topografii různých lokalit jsou zohledněny jejich zařazením do kategorií terénu, které jsou rovněž definovány v Eurokódu 1.
Výpočet maximálního dynamického tlaku
Výpočet maximálního dynamického tlaku větru je proveden dle kapitoly 4 normy EN 1991-1-4.
Základní rychlost větru vb
Základní rychlost větru vb je určena následujícím vztahem:
Vb = cdir * cseason * vb,0
kde je:
Čtěte také: Tipy pro zdění starých cihel
- vb základní rychlost větru pro kategorii terénu II ve výšce 10m
- cdir součinitel směru větru
- cseason součinitel ročního období
- vb,0 výchozí základní rychlost větru získaná na základě vybrané větrné oblasti nebo zadaná ručně
Střední rychlost větru vm(z)
Střední rychlost větru vm(z) ve výšce z nad terénem se stanoví vztahem:
vm(z) = cr(z) * co(z) * vb
kde je:
- cr(z) součinitel drsnosti terénu
- co(z) součinitel orografie, pro výpočet tohoto součinitele je použit postup dle kapitoly A.3 přílohy A normy EN 1991-1-4
- vb základní rychlost větru pro kategorii terénu II ve výšce 10m
Součinitel drsnosti terénu cr(z)
Součinitel drsnosti terénu cr(z) se pro interval [zmin, zmax] počítá pomocí vztahu:
cr(z) = kr * ln(z/z0)
Čtěte také: OSB desky a jejich tloušťka pro podlahové aplikace
Pokud platí, že z < zmin, je součinitel drsnosti stanoven vztahem:
cr(zmin) = kr * ln(zmin/z0)
kde je:
- z0 parametr drsnosti terénu dle tabulky 4.1 normy EN 1991-1-4
- zmin minimální výška dle tabulky 4.1 normy EN 1991-1-4
- zmax maximální výška 200m
- kr součinitel terénu
Součinitel terénu kr
Pro součinitel terénu kr platí následující vztah:
kr = 0,19 * (z0/z0,II)0,07
kde je:
- z0,II parametr drsnosti terénu pro kategorii terénu II
Intenzita turbulence Iv(z)
Pro výpočet maximálního dynamického tlaku se zjišťuje intenzita turbulence Iv(z). Pro interval [zmin, zmax] je použit vztah:
Iv(z) = kI / (co * ln(z/z0))
Pokud platí, že z < zmin, je intenzita turbulence stanovena vztahem:
Iv(zmin) = kI / (co * ln(zmin/z0))
kde je:
- kI součinitel turbulence, jeho hodnota je stanovena jako 1,0
- co součinitel orografie
- z0 parametr drsnosti terénu dle tabulky 4.1 normy EN 1991-1-4
Maximální dynamický tlak qp(z)
Maximální dynamický tlak qp(z) je určen vztahem:
qp(z) = 0,5 * ρ * vm(z)2 * (1 + 7 * Iv(z))
kde je:
- ρ měrná hmotnost vzduchu
Tlak větru na povrchy
Tlak větru we působící na vnější povrchy je stanoven následujícím způsobem:
we = qp(ze) * cpe
kde je:
- qp(ze) maximální dynamický tlak
- ze referenční výška
- cpe součinitel vnějšího tlaku větru
Součinitele vnějšího tlaku větru cpe
Součinitele tlaku větru cpe jsou závislé na velikosti zatěžovací plochy A. Norma udává hodnoty cpe,1 pro prvky o zatěžovací ploše menší nebo rovné 1m2 a cpe,10 pro prvky se zatěžovací plochou větší než 10m2. Pro prvky se zatěžovací plochou mezi těmito krajními hodnotami je prováděna interpolace dle následujícího vzorce:
cpe = cpe,1 + (cpe,10 - cpe,1) * log10(A) / log10(10)
Součinitele vnějšího tlaku větru na střechy
Součinitele vnějšího tlaku větru na střechy jsou stanoveny dle kapitol 7.2.3 (ploché střechy), 7.2.4 (pultové střechy), 7.2.5 (sedlové střechy) a 7.2.6 (valbové střechy) normy EN 1991-1-4. Pokud u některé střechy nelze jednoznačně stanovit typ (například obdélníkový půdorys s jednou valbou a jedním štítem), je programem zvolena vždy nepříznivější varianta.
Součinitele vnějšího tlaku větru na stěny
Součinitele vnějšího tlaku větru na stěny jsou stanoveny dle kapitoly 7.2.2 normy EN 1991-1-4.
Součinitele vnějšího tlaku větru na klenbové střechy a kopule
Součinitele vnějšího tlaku větru na kopule a klenbové střechy jsou stanoveny dle kapitoly 7.2.8 normy EN 1991-1-4.
Součinitele vnějšího tlaku a síly větru na kruhové válce
Součinitele vnějšího tlaku větru na válce jsou stanoveny dle kapitoly 7.9.1 normy EN 1991-1-4. Součinitele síly větru na válce jsou stanoveny dle kapitoly 7.9.2 a 7.9.3 normy EN 1991-1-4.
Doplňující aspekty a výpočtové metody
Předpoklady zatížení pro výše uvedené zóny a kategorie dané normy lze použít ke stanovení odpovídajících součinitelů síly a tlaku.
Součinitel celkové síly
Součinitel celkové síly vyjadřuje výslednou sílu na přístřešek. Použije se pro stanovení sil a momentů, působících na nosné prvky přístřešku jako celku (např. sloupy). Součinitel rozdílu tlaků udává maximální místní tlak pro všechny směry větru. Součinitele celkové síly cf a rozdílu tlaků cp,net uvedené v tabulkách 7.6 až 7.8 přihlížejí ke kombinovanému účinku větru, působícímu na horní a dolní povrchy přístřešků pro všechny směry větru. Kladné hodnoty součinitelů tlaků a sil udávají zatížení větrem směrem dolů. V tabulkách jsou uvedeny maximální hodnoty pro všechny hodnoty součinitele zaplnění. Záporné hodnoty pro φ = 0 a φ = 1 označují zatížení větrem směrem nahoru.
Fyzikální veličiny a jednotky
Při výpočtech se fyzikální veličiny dosazují do vztahů v základních nebo odvozených jednotkách - např. [m], [s], [kg], [N], [N.m-2] apod. Až na jednu výjimku jsou tak také uváděny v textu nebo v tabulkách (mimo tab. 7.13 Ekvivalentní drsnost povrchu k v [mm]; do vztahů na obr. 7.28 se drsnost povrchu dosazuje v [m]). Přechod na násobky základních jednotek běžné ve stavební praxi při výpočtu sil a tlaků (např. kN, kN.m-2) nečiní potíže. Pozornost je třeba věnovat opačnému postupu, tj. při přechodu z dynamických tlaků na odpovídající střední rychlosti větru - např. při výpočtu Reynoldsova čísla.
Rozdělení tlaku a CFD analýza
Zatížení větrem působící na obdélníkové konstrukční prvky se zaoblenými rohy je složitá záležitost. Norma EN 1991-1-4 uvádí pro daný případ koncepci výpočtu s aerodynamickými a redukčními součiniteli. Na základě těchto údajů se určí výsledná síla větru působící na konstrukční prvek. Rozdělení tlaku větru na dílec se zde neuvádí. Pokud kromě síly větru Fw potřebujeme stanovit také rozdělení tlaku větru na daný konstrukční prvek, lze příslušné rozdělení tlaku stanovit například analýzou CFD.
Program RWIND Simulation umožňuje takovou numerickou simulaci proudění vzduchu okolo budov a jiných objektů na základě 3D sítě konečných objemů. Tuto síť program generuje automaticky a velikost konečných objemů uzpůsobuje modelu ve vzájemné korelaci. Čím blíže povrchu modelu jsou konečné objemové prvky, tím je generovaná síť jemnější. Pro tento proces používá program generátor sítě OpenFOAM (SnappyHexMesh). Pro daný příklad RWIND-Simulation-Berechnung ukazuje podobnou sílu větru Fw = 41 N.
Kritickým momentem je zejména sání větru na střešní pláště a štítové stěny. U lehkých konstrukcí krovů může dojít k nadzdvihování, pokud není vlastní tíha konstrukce dostatečná k eliminaci účinků sání. Statik musí navrhnout spolehlivé kotvení prvků až do masivních částí spodní stavby. Stejně tak u štíhlých stěn (např. informační tabule) je nutné zajistit jejich stabilitu.
Po úspěšně dokončeném Winduplift testu poskytne EJOT zákazníkovi zkušební protokol s podrobným popisem nastavení systému, včetně všech jednotlivých komponent, korekčních součinitelů a dílčích součinitelů bezpečnosti. Návrhová hodnota únosnosti stanovená na základě zkušebního protokolu představuje jeden ze základů pro statické ověření.
tags: #působení #tlaku #větru #na #střechu #principy