Jedną z najszybszych metod wznoszenia obiektów handlowych, usługowych czy przemysłowych, o dużej powierzchni, jest budowa ich przy pomocy konstrukcji szkieletowych. Konstrukcje te mogą być zarówno stalowe jak i betonowe. Łączone są zazwyczaj z lekką obudową ścian. Ta część inwestycji jest z reguły prosta zarówno dla projektanta jak i wykonawcy.

Największe wyzwaniem w tego typu obiektach stanowi najczęściej dach. Z uwagi na dużą powierzchnię obiektu, są to na ogół dachy o niewielkim nachyleniu powierzchni spadku, czyli tzw. dachy płaskie. Kąt pochylenia połaci dachu płaskiego nie przekracza 5° tj. ok. 9%^[1]. Najczęściej spotykane dachy posiadają spadki w granicach 1 do 2,5%.

Dachy w obiektach wielkopowierzchniowych wykonywane są zazwyczaj jako trójwarstwowe. Zbudowane są one z:

• warstwy nośnej wykonanej z blach stalowych, płyt betonowych różnego kształtu lub wylewki betonowej, elementów drewnianych lub drewnopochodnych;
• warstwy termoizolacji, mające za zadanie izolację termiczną obiektu;
•  warstwy hydroizolacji, której zadaniem jest zabezpieczenie przed dostępem wilgoci do pozostałych warstw i wnętrza obiektu. Wykorzystuje się tutaj powłoki bitumiczne, elastyczne membrany wykonane na bazie PE lub PCV, lub blachy stalowe.

Warstwy te można wykonywać niezależnie na placu budowy, lub korzystać z elementów zintegrowanych, tzw. dachowych płyt warstwowych. Niezależnie jednak od użytej technologii, warstwy te muszą zostać przymocowane do elementów konstrukcyjnych obiektu, w sposób zapewniający przeniesienie zmiennych sił działających na powierzchnię dachu oraz jeżeli to możliwe ograniczający mostki termiczne od łączników. Sposoby mocowania zostały zaprezentowane w publikacji DAFA M 2.01, wydanym przez Stowarzyszenie DAFA, zatytułowanym „Wytyczne doboru łączników do montażu na dachach płaskich”.

Obliczenia sił działających na dach należy wykonać zgodnie z obowiązującymi normami. W przypadku dachów płaskich, szczególną uwagę musimy zwrócić na obciążenie dachu śniegiem i wiatrem. Dla łączników mocujących izolację termiczną na dachu obciążenie śniegiem nie ma bezpośredniego wpływu. Do prawidłowego doboru tych łączników niezbędne jest natomiast dokładne określenie sił ssących wiatru, działających w poszczególnych obszarach dachu. Do tego konieczne są informacje zawarte w normie PN-EN 1991-1-4:2008 „Oddziaływanie na konstrukcje. Oddziaływanie ogólne - Oddziaływanie wiatru.”, załączniku krajowym do tej normy oraz poprawkach AC, Ap1, Ap2 i Ap3.

Norma PN-EN 1991-1-4:2008 dzieli obszar Polski na trzy strefy obciążenia wiatrem (rys.1).

Rys. 1. Podział Polski na strefy obciążenia wiatrem.^[2]

Bazowa prędkości wiatru jest to wartość średnia 10-minutowa o rocznym prawdopodobieństwie przekroczenia 0,02, na wysokości 10 m nad płaskim, otwartym terenem rolniczym, z uwzględnieniem wysokości nad poziomem morza, kierunku wiatru oraz pory roku dla budynków tymczasowych.

gdzie:

V_b - bazowa prędkość wiatru jako funkcja kierunku wiatru i pory roku na wysokości 10 m nad poziomem gruntu w terenie kategorii II [m/s],

V_b,0 - wartość podstawowa bazowej prędkości wiatru [m/s]  (Tablica NB1. w załączniku krajowy do normy -> Tabela 1),

A - wysokość nad poziomem morza [m],

c_dir - współczynnik kierunkowy ,

c_season - współczynnik sezonowy.

Dla obiektów stałych norma zaleca przyjęcie współczynników sezonowości c_season  i kierunku c_dir  równe 1.

Tabela 1. Wartości strefowe podstawowej wartości bazowej prędkości i ciśnienia prędkości wiatru.[3]

Średnia prędkość wiatru na wysokości ‘z’ nad poziomem terenu zależy od chropowatości i rzeźby terenu oraz od bazowej prędkości wiatru.

V_b - bazowa prędkość wiatru [m/s],

z - wysokość nad poziomem terenu [m],

c_r(z)- współczynnik chropowatości,

c₀- współczynnik rzeźby terenu (orografii).

Parametry kategorii terenu zamieszczone zostały w tabeli 4.1 normy PN-EN-1991-1-4:2008.

Tabela 2. kategorie i parametry terenu.^[4]

Współczynnik chropowatości  c_r(z) zależy od wysokości budowli oraz „otwartości” terenu, na którym owa budowla się znajduje.

z₀ - wysokość chropowatości (Tabela 2),

z_min - wysokość minimalna (Tabela 2),

z_max = 200m

k_r - wysokość chropowatości (Tabela 2).

z_o,II = 0,05m

z₀ - wysokość chropowatości (Tabela 2).

Zgodnie z zaleceniami normy oraz polskiego załącznika krajowego należy przyjąć kategorię chropowatości terenu, na którym jest ona jednorodna w obszarze wycinku koła o kącie wierzchołkowym 30°, na obszarze oddalonym od budowli o promień nie mniej niż 30h, gdzie h- wysokość budowli.

Jeżeli na określonym obszarze istnieje wybór między dwiema lub więcej kategoriami terenu to należy wybrać teren o najmniejszej chropowatości.

Współczynnik rzeźby terenu c₀  przyjmuje się równy 1, jednak w szczególnych przypadkach informacja o współczynniku rzeźby terenu może być podana w załączniku krajowym do normy lub liczona zgodnie z załącznikiem A.3 normy.

Norma PN-EN-1991-1-4:2008 pozwala uwzględnić również wpływ innych budowli sąsiadujących. Jeżeli konstrukcja ma być usytuowana w pobliżu innego obiektu, którego wysokość jest co najmniej 2 razy taka jak średnia wysokość sąsiednich budowli to należy to uwzględnić, poprzez zmianę wysokości, na której przyjmujemy wartość szczytową ciśnienia prędkości powyżej poziomu terenu:

- pokazane na Rysunku 4.

Rysunek 4. Wpływ wysokiego budynku na dwie różne konstrukcje sąsiednie.^[5]

Jeżeli wysokość  h_low  > 0,5h_high tj. z_n = h_low to zwiększenie prędkości wiatru można pominąć.

W innych przypadkach konieczne są badania w tunelu aerodynamicznym.

Intensywność turbulencji I_v na wysokości z można wyznaczyć ze wzoru (zgodnie z polskim załącznikiem krajowym normy):

k_l - współczynnik turbulencji, zalecana wartość 1,

c₀ - współczynnik rzeźby terenu (p. 4.3.3 normy),

z₀ - wysokość chropowatości (Tabela 2).

Wartość szczytową ciśnienia prędkości, zgodnie z polskim załącznikiem krajowym, należy wyznaczyć ze wzoru:

stosując współczynnik ekspozycji terenu według wzorów podanych w Tabeli 3.

Tabela 3. Współczynnik chropowatości i współczynnik ekspozycji.[6]

Przy obliczaniu  należy wziąć pod uwagę przeliczenia między różnymi kategoriami chropowatości terenu - Jeżeli konstrukcja o wysokości h jest usytuowana bliżej niż 30h od początku terenu kategorii niższej niż ta, która ją bezpośrednio otacza, to należy przyjmować, że jest zlokalizowana na terenie kategorii niższej.

Wartość bazową ciśnienia prędkości obliczamy ze wzoru:

p  - gęstość powietrza.

Warto zauważyć, że w stosunku do wcześniejszej normy PN-77/B-02011 wzrósł ciężar objętościowy powietrza z 1,23 kg/m³ do 1,25 kg/m³ zalecany przez normę PN-EN 1991-1-4:2008.

Obciążenie wiatrem konstrukcji i elementów konstrukcyjnych należy wyznaczyć biorąc pod uwagę zarówno ciśnienie zewnętrzne jak i wewnętrzne wywierane przez wiatr.

W przypadku ścian i dachów wielopowłokowych z zewnętrzną powłoką nieprzepuszczalną i nieprzepuszczalną, sztywniejszą powłoką wewnętrzną, oddziaływanie wiatru na powłoki zewnętrzne można obliczyć przy założeniu  c_p,net = c_pe (p.7.2.10 normy PN-EN 1991-1-4: 2008).

Dach należy podzielić na strefy oddziaływania wiatru wg Rysunku 5, a współczynnik ciśnienia przyjąć z Tabeli 4. Wysokość odniesienia dla dachów płaskich o krawędziach zaokrąglonych albo dachów mansardowych należy przyjąć jako równą h+h_p. Wysokość odniesienia dla dachów z attykami należy przyjmować jako równą zgodnie z poniższym rysunkiem:

Rysunek 5. Oznaczenia dachów płaskich.[7]

Konieczne jest sprawdzenie wszystkich kierunków oddziaływania wiatru na budynek, chyba że z ukształtowania terenu lub konstrukcji budynku wynika, że takie oddziaływanie z danego kierunku nie występuje.

W efekcie otrzymujemy 3 lub 4 strefy, w zależności od wielkości i kształtu obiektu, o różnym stopniu obciążenia wiatrem (rys. 6), odpowiednio:

• strefa narożna (F);
• strefa brzegowa zewnętrzna (G);
• strefa brzegowa wewnętrzna (H);
• strefa wewnętrzna (I).

Rysunek 6. Strefy wyznaczone dla przykładowego dachu płaskiego.

Jest to również modyfikacja w stosunku do starych wytycznych, gdzie wyznaczane były tylko 3 strefy obciążenia wiatrem na powierzchni dachu.

Tabela 4. Współczynniki ciśnienia zewnętrznego dla dachów płaskich.[8]

Ciśnienie działające na powierzchnie zewnętrzne w_e

q_p(z_e) - wartość szczytowa ciśnienia prędkości

z_e - wysokość odniesienia dla ciśnienia zewnętrznego (Rysunek 5):

c_pe  - współczynnik ciśnienia zewnętrznego:

Siła F_wwywierana przez wiatr na konstrukcję wyznaczana przez sumowanie wektorowe sił F_we,F_w,i, F_fr (dla łączników tylko Fw,e ):

siły zewnętrzne:

c_c,c_d  - współczynnik konstrukcyjny (szczegółowy wg p 6 normy) jednak:

1) dla budynków s,c_d = 1

2) dla fragmentów dachu o częstotliwości drgań własnych powyżej 5Hz , c_c,c_d = 1

Uwaga: rozpiętości przeszkleń mniejsze niż 3m mają zwykle częstotliwości własne powyżej 5Hz

w_e- ciśnienie zewnętrzne (wg p 5.1 normy)

A_ref- pole rozpatrywanego elementu powierzchni

Na podstawie siły F_w,e oraz nośności łączników, podanych przez producenta w materiałach technicznych i aprobatach, należy obliczyć liczbę wymaganych łączników w poszczególnych strefach dachu.

Autor jest ekspertem Stowarzyszenia DAFA – organizacji działającej aktywnie na rzecz ujednolicenia i podniesienia standardów wykonawczych oraz rozwoju wiedzy o technologiach i funkcjonowaniu dachów płaskich i fasad. Wytyczne Stowarzyszenia DAFA w  postaci publikacji technicznych dostępne są na www.dafa.com.pl.

^[1] Wg. PN-EN 1991-1-4:2008
^[2] Załącznik krajowy do normy PN-EN 1991-1-4:2008, rys. NA.1.
^[3] Załącznik krajowy do normy PN-EN 1991-1-4:2008, tablica NA.1
^[4] Wg PN-EN 1991-1-4:2008, tablica 4.1
^[5] wg PN-EN 1991-1-4: 2008, rys. A.4
^[6] wg załącznika krajowego do PN-EN 1991-1-4: 2008, tablica NA.3
^[7] wg PN-EN 1991-1-4: 2008, rys. 7.6
^[8] wg PN-EN 1991-1-4: 2008, tablica 7.2