Oddziaływanie wiatru to kluczowy element projektowania budowli w Polsce. Norma PN-EN 1991-1-4 określa zasady obliczeń obciążenia wiatrem. Zapewnia bezpieczeństwo konstrukcji.
Znaczenie Obciążenia Wiatrem w Budownictwie
Oddziaływanie wiatru stanowi podstawowe obciążenie zmienne. Jest ono uwzględniane przy projektowaniu konstrukcji. Wiatr wywiera ciśnienie na zewnętrzne powierzchnie budynku. Działa także na powierzchnie wewnętrzne. Projektant musi uwzględnić te siły. Zapewnia stabilność całej budowli.
Wiele czynników wpływa na oddziaływanie wiatru. Należą do nich region klimatyczny. Liczy się również rozmiar budynku. Ważny jest jego kształt. Ukształtowanie terenu ma znaczenie. Prędkość wiatru jest kluczowa. Ekspozycja budynku wpływa na siłę wiatru. Właściwości dynamiczne konstrukcji są istotne.
Norma PN-EN 1991-1-4: Podstawa Projektowania
Obecnie projektowanie opiera się na normie PN-EN 1991-1-4. Norma EN 1991-1-4:2005 ma status Polskiej Normy. Oznaczono ją numerem PN-EN 1991-1-4:2008. Zastąpiła ona starsze przepisy. Norma ta dotyczy oddziaływania wiatru. Stosuje się ją w projektowaniu budynków. Obejmuje także obiekty inżynierskie.
Niniejsza norma została opracowana przez KT nr 102 ds. Podstaw Projektowania Konstrukcji Budowlanych
Komitet Techniczny nr 102 odpowiada za jej treść. Norma Europejska została przyjęta przez CEN w 2004 roku.
Zakres Stosowania PN-EN 1991-1-4
Norma PN-EN 1991-1-4 obejmuje szeroki zakres konstrukcji. Dotyczy budynków o wysokości do 200 metrów. Stosuje się ją do mostów o rozpiętości do 200 metrów. Dopuszcza się jej stosowanie. Dotyczy to projektowania masztów. Obejmuje także kominy stalowe. Norma jest podstawą dla wielu typów budowli.
Strefy Wiatrowe w Polsce i Bazowe Parametry
Polska jest podzielona na strefy wiatrowe. Wyróżniamy trzy główne strefy. Określa je Załącznik Krajowy NA normy. Każda strefa ma przypisaną bazową prędkość wiatru. Ma też bazowe ciśnienie prędkości wiatru.
Wartości Bazowe dla Stref Wiatrowych
Wartości bazowe zależą od strefy. Zależą też od wysokości nad poziomem morza (A). Dla Strefy 1 i wysokości A ≤ 300 m: bazowa prędkość wynosi 22 m/s. Bazowe ciśnienie wynosi 0,30 kN/m². Dla Strefy 1 i wysokości A > 300 m: wartości rosną liniowo. Bazowa prędkość to 22·[1 + 0,0006 (A – 300)] m/s. Bazowe ciśnienie to 0,30 · [1 + 0,0006( A – 300)] kN/m². Strefa 2 ma bazową prędkość 26 m/s. Strefa 3 ma bazową prędkość 22 m/s poniżej 300 m n.p.m. Powyżej tej wysokości wartości rosną jak w Strefie 1.
Pytanie
Jak określić strefę wiatrową dla danej lokalizacji?
Strefę wiatrową dla lokalizacji sprawdzisz na mapie. Mapa znajduje się w Załączniku Krajowym NA normy PN-EN 1991-1-4. Mapa dzieli Polskę na obszary. Każdy obszar odpowiada danej strefie.
Obliczanie Ciśnienia Prędkości Wiatru qp(z)
Obliczenie ciśnienia wiatru na danej wysokości z jest kluczowe. Ciśnienie to nazywamy szczytowym ciśnieniem prędkości. Zależy ono od wielu czynników. Wysokość nad poziomem gruntu (z) jest ważna. Kategoria terenu ma duży wpływ. Gęstość powietrza także jest uwzględniana. Gęstość powietrza wynosi 1,25 kg/m³. Analiza turbulencji wiatru jest częścią obliczeń.
Obliczenia uwzględniają współczynniki. Współczynnik kierunkowy cdir koryguje prędkość wiatru. Zależy od kierunku wiatru. Wartości współczynnika kierunkowego dla Strefy 1 wynoszą od 0,7 do 1,0. Zalecana wartość cdir to 1,0. Współczynnik sezonowy cseason uwzględnia porę roku. Jego wartość zalecana to 1,0.
Kategorie Terenu i Ich Wpływ
Norma wyróżnia pięć kategorii terenu. Kategoria terenu 0 to obszary morskie i przybrzeżne. Kategoria terenu I to jeziora i obszary płaskie z niewielką roślinnością. Kategoria terenu II to teren z niską roślinnością i pojedynczymi przeszkodami. Kategoria terenu III to obszary podmiejskie lub leśne. Kategoria terenu IV to obszary miejskie z wysokimi budynkami. Dobór kategorii terenu jest kluczowy. Wpływa na współczynnik ekspozycji. Ten współczynnik zależy od wysokości i chropowatości terenu. Sprawdzisz to w Załączniku A1 normy PN-EN 1991-1-4.
- Przy wyborze współczynnika ekspozycji należy rozważyć przyszłe zmiany otoczenia budowli.
Pozostałe Współczynniki Korekcyjne
Współczynnik kierunkowy cdir modyfikuje prędkość wiatru. Zależy od dominującego kierunku wiatru. Zalecana wartość cdir wynosi 1,0. Współczynnik sezonowy cseason uwzględnia zmienność wiatru w ciągu roku. Jego wartość zalecana to 1,0. Te współczynniki korygują bazową prędkość wiatru.
Oddziaływanie Wiatru na Powierzchnie Budowli
Obliczone ciśnienie prędkości wiatru działa na budynek. Wiatr wywiera ciśnienie zewnętrzne. Działa też ciśnienie wewnętrzne. Różnica tych ciśnień tworzy obciążenie na przegrodę. Obciążenie zależy od współczynników ciśnienia. Współczynniki ciśnienia zewnętrznego Cpe zależą od kształtu budynku. Zależą też od strefy dachu czy ściany. Współczynnik ciśnienia wewnętrznego Cpi zależy od szczelności budynku. Zależy też od rozmieszczenia otworów.
Współczynniki Ciśnienia dla Różnych Powierzchni
Norma PN-EN 1991-1-4 podaje wartości współczynników ciśnienia. Dotyczy to różnych kształtów budynków. Określa współczynniki dla ścian. Podaje je dla dachów. Dachy dwuspadowe mają strefy obciążenia. Każda strefa ma przypisane współczynniki ciśnienia zewnętrznego. Przykładowe wartości współczynników ciśnienia zewnętrznego to -0,88 (strefa F), -0,7 (strefa G), -0,27 (strefa H), -0,4 (strefa I), -0,83 (strefa J). Współczynniki ciśnienia wewnętrznego Cpi mogą być dodatnie lub ujemne. Przykładowe wartości to +0,2 i -0,3.
Współczynnik Konstrukcyjny cscd
Obciążenie wiatrem ma charakter dynamiczny. Wiatr nie wieje ze stałą prędkością. Występują porywy wiatru. Wpływ porywów uwzględnia współczynnik konstrukcyjny cscd. Zależy on od podatności konstrukcji. Zależy też od jej tłumienia. Norma PN-EN 1991-1-4 podaje procedury obliczeniowe. Załączniki B i C opisują dwie procedury wyznaczania cscd. Załącznik D podaje wartości dla typowych konstrukcji. Załącznik E dotyczy wzbudzania wirowego. Załącznik F opisuje charakterystyki dynamiczne konstrukcji.
Kombinowanie Obciążeń Według Eurokodów
Analiza konstrukcji wymaga zestawienia obciążeń. Obciążenie wiatrem łączy się z innymi. Należą do nich obciążenia stałe. Zaliczamy też obciążenia zmienne. Podstawą kombinacji jest norma EN 1990. Określa ona zasady projektowania konstrukcji. Inna ważna norma to PN-EN 1991-1-3. Dotyczy ona obciążenia śniegiem. W obliczeniach stosuje się częściowe współczynniki bezpieczeństwa. Dla obciążeń stałych γ_G wynosi 1,35. Dla obciążeń zmiennych γ_Q wynosi 1,5. Częściowy współczynnik bezpieczeństwa γf wynosi 1,5 dla obciążeń zmiennych.
Pytanie
Czy normy Eurokod są obowiązkowe?
Stosowanie Polskich Norm jest dobrowolne od 1994 roku. Obowiązek bezwzględnego stosowania Eurokodów istnieje. Dotyczy on działań wykonywanych ze środków publicznych. Obejmuje to projekty finansowane przez państwo. W przypadku niezgodności standardów zaleca się porozumienie. Obie strony, Projektant i Inwestor, powinny osiągnąć konsens. Polska dąży do harmonizacji norm. Jest to zgodne z aktem akcesyjnym do Unii Europejskiej.
Narzędzia i Przykłady Obliczeniowe
Projektanci korzystają z narzędzi. Dostępne są kalkulatory obciążeń normowych. Istnieją kalkulatory wg eurokodów. Pomagają one w szybkim obliczaniu obciążeń. Oprogramowanie takie jak Soldis PROJEKTANT wspiera obliczenia. Umożliwia ono analizę konstrukcji. Wykorzystuje do tego normy PN-EN. Kalkulatory ułatwiają pracę konstruktorów.
Przykład Obliczeniowy dla Budynku
Obliczenia normowe stosuje się w praktyce. Przykładem jest obliczenie obciążenia wiatrem. Dotyczy to budynku jednorodzinnego. Budynek ma dach dwuspadowy. Znajduje się w Opolu. Nachylenie połaci wynosi 42°. Wysokość w kalenicy to 7,56 metra. Szerokość budynku to 10,16 metra. Ma on dwie kondygnacje. Położony jest 176 m n.p.m. Bazowa prędkość wiatru dla Opola wynosi 22 m/s (Strefa 1). Wysokość odniesienia do obliczeń może wynosić 9,5 metra. Kategoria terenu może być III. Oblicza się wartości obciążenia wiatrem. Robi się to dla różnych wariantów obciążenia. Uwzględnia się podział dachu na strefy.
Podsumowanie i Zalecenia
Oddziaływanie wiatru to kluczowe zagadnienie. Wymaga dokładnych obliczeń. Podstawą jest norma PN-EN 1991-1-4. Określa ona strefy wiatrowe. Podaje metody obliczania ciśnienia wiatru. Uwzględnia kształt terenu i budynku. Stosowanie tej normy zapewnia bezpieczeństwo. Konstrukcje są odporne na siły wiatru.
- Zaleca się stosowanie normy PN-EN 1991-1-4:2008 w projektowaniu konstrukcji.
Poprawne obliczenia są niezbędne. Zapewniają trwałość i stabilność budowli. Korzystaj z aktualnych norm. Używaj dostępnych narzędzi obliczeniowych.
Zobacz także: