OKNOviny
®
Účinky vetra na otvory stavebných konštrukcií
Doc. Ing. Oľga Hubová, PhD., Katedra stavebnej mechaniky SvF STU Bratislava
Z
ákladné charakteristiky prúdenia v medznej vrstve ako je
priebeh strednej rýchlosti vetra, intenzita turbulencie, integrálna dĺžka turbulencie a ich závislosť na výške nad terénom,
losti vetra sa nachádzajú v prácach mnohých autorov a v normách ako je STN EN 1991-1-4 a STN EN 1991-1-4/NA. Vzhľadom k tomu, že účinok vetra je stochastický jav a nedokážeme
dopredu stanoviť veľkosť a smer zaťaženia je potrebné hlavne
v nižších polohách pri zemi, kde je intenzita turbulencie nárazov
vetra najvyššia venovať pozornosť správnemu a vyhovejúcemu
návrhu okenných a dverných konštrukcií.
1. ÚČINKY VETRA NA BUDOVY PODĽA STN EN 1991-1-4
1.1 Stredná rýchlosť vetra
Eurokód EN 1991-1-4 prijíma model rozloženia strednej rýchlosti
vetra do výšky 200 m a tento vystihuje logaritmickou funkciou v závislosti na teréne:
vm(z)=cr(z)·co(z)·vb=kr·ln(z/zo)·1·vb = 0,19(z/z0,II)0,07ln(z/zo)·vb
(1)
kde
cr(z) = kr ln(z/z0) je súčiniteľ drsnosti pre zmin ≤ z ≤ zmax
kr = 0,19(z/z0,II)0,07 je súčiniteľ terénu
vb = cdir·cs·vb0 je základná rýchlosť vetra a vb0 referenčná rýchlosť vetra vo výške 10 m nad zemou v teréne FUR (Plochý terén s rovnomernou drsnosťou - Terén II).
cdir je súčiniteľ smeru vetra (v smere prevažujúceho prúdenia =1)
cs je súčiniteľ sezónnosti (uvažuje sa 1)
Mapu referenčných rýchlostí vetra pre Slovensko vidieť na obr. 1.
we = qp(ze)·cpe
(4)
kde qp(ze) je špičkový tlak vetra v referenčnej výške ze
cpe
Podľa vzťahu (7) v závislosti na ploche okna sa stanoví cpe a následne
podľa vzťahu (8) sa stanoví špičkový tlak vetra na okná.
je súčiniteľ vonkajšieho tlaku
Tlak vetra pôsobiaci na vnútorné (interné) plochy sa určí takto:
wi = qp(zi)·cpi
(5)
kde qp(zi) je špičkový tlak vetra v referenčnej výške zi
cpi
je súčiniteľ interného tlaku
Výsledný tlak sa stanoví ako rozdiel externého a interného tlaku, pričom znamienka tlakov sa uvažujú takto: tlak +, sanie -.
w = w e - wi
(6)
2. APLIKAČNÝ PRÍKLAD - Výpočet maximálneho tlaku vetra na okná objektu v ZÁHORSKEJ BYSTRICI podľa STN EN
1991-1-4 a STN EN 1991-1-4/NA
Obrázok 3: Veterná ružica stanice Bratislava – letisko
Uvedený objekt sa nachádza v Záhorskej Bystrici pri Bratislave, kde
je podľa mapy (obr.1) referenčná hodnota rýchlosti vetra vb=26 m/s,
jedná sa o terén kategórie III (viď tab.1), kde je dĺžka drsnosti z0=0,3
m a zmin= 5m. Priebehy špičkového tlaku vetra do výšky 12 m nad
zemou v danej lokalite sú vynesené na obr.2.
Výsledné hodnoty tlaku vetra na okná závisia ako vidieť z obr.2 jednak od výšky osadenia okna nad terénom a tiež od súčiniteľov externého cpe a interného cpi tlaku vetra. Súčinitele externého tlaku cpe sa
rozlišujú podľa veľkosti plochy na ktorú pôsobí vietor. Pre plochy do
1m2 sú to cpe,1 a pre veľké plochy (viac ako 10 m2) sú to cpe,10.
Pre plochy 1m2< A < 10 m2 sa uvažuje pre súčiniteľ externého tlaku
vetra cpe nasledovný vzťah:
cpe= cpe,1 - (cpe,1-cpe,10)log10A
(7)
Obrázok 4: Posudzované okná v budove
Tabuľka 3: Určenie špičkového tlaku vetra pre rôzne typy
okien umiestnených vo výške h (h=4,62 I.podl. h=7,61
II.podl. a h=10,585m III.podl. v objekte v zóne A
qp(z) = [1+7Iv(z)]·1/2·ρ·vm2(z) = ce(z)·qb
(2)
kde
qb = 1/2·ρ·vb2 je základný tlak vetra
je stredná rýchlosť vetra
vb je referenčná rýchlosť vetra (viď obr. 1)
ρ = 1,25 kg/m₃ je merná hmotnosť vzduchu
ce(z) je súčiniteľ vystavenia vetru, ktorý zohľadňuje turbulenciu vetra
Intenzita turbulencie vzdušného prúdu, ktorá pri zemi pre drsný terén
v predmestiach a v centrálnych mestských zónach môže dosahovať až
43 % sa vyjadrí podľa STN EN 1991-1-4 (3).
Iv(z) = 1/(co(z)·ln(z/z0))
(3)
z0 je dĺžka drsnosti
Kde co(z
terénu.
Experimentálnymi meraniami pri zemskom povrchu sa získali hodnoty aerodynamickej dĺžky drsnosti povrchu. Pre rôzne typy terénu je
stanovená STN EN 1991-1-4 (viď tab.1).
Tabuľka 1: Kategórie terénu podľa STN EN 1991-1-4
KATEGÓRIE TERÉNU
z0
[m]
zmin
[m]
I – jazerá a roviny bez prekážok
0,01
1
II – krajina s nízkou vegetáciou, izolované prekážky (stromy, budovy)
0,05
2
III – oblasti pravidelne pokryté
vegetáciou, budovami alebo prekážkami
(predmestia)
0,3
5
1,0
10
1.3 Externý a interný tlak vetra podľa STN EN 1991-1-4
Tlak vetra pôsobiaci na vonkajšie plochy sa určí podľa článku 5.1
v [1]:
4
01 A-D
019 C,D
020
IcpI
Plocha
-1,38771
1,58771
A=1,152
m2
cpe
IcpI
Plocha
-1,283
1,483134
A=3,84 m2
Špičkový
tlak vetra
1.2 Špičkový tlak vetra
Špičkový tlak vetra zohľadňuje turbulenciu vetra a tým zvyšuje
okamžité hodnoty tlaku vetra.
Špičkový tlak vetra vo výške z podľa STN EN 1991-1-4 sa určí nasledovne:
IV – zastavané oblasti, 15% sú budovy
nad 15 m (centrá veľkomiest)
Typ okna
cpe
Obrázok 1: Mapa referenčných rýchlostí vetra
podľa STN EN 1991-1-4/NA
vm(z)
Typ okna
Obrázok 2: Priebeh špičkového - maximálneho tlaku vetra
qp(ze)
Súčinitele externých tlakov vetra pre vertikálne steny objektov sú
v tab.7.1 v STN EN 1991-1-4. Najhoršia situácia je na nárožiach
v zóne A. Vzhľadom k tomu, že smer vetra sa mení môžeme ako
konzervatívnu a najhoršiu hodnotu uvažovať zónu A s hodnotami
súčiniteľov externých tlakov cpe,1= -1,4 a pre cpe,10= -1,2. Súčinitele
interných tlakov vetra sa uvažujú podľa STN EN 1991-1-4 dvomi
hodnotami interný tlak cpi =0,2 alebo sanie cpi= -0,3.
Podľa normy STN EN 1991-1-4 sa uvažuje hodnota tlaku vo výške
horného rámu okna a predpokladá sa, že ze=zi. Potom maximálny tlak
na okná vo výške ze sa určí nasledovne:
w = we-wi = qp(ze)·(cpe-cpi)
h [m]
wmax [kPa]
h
wmax [kPa]
(1 – 5) m
0,859
1
0,8026
7,61
1,0297
7,61
0,9619
10,585
1,1714
10,585
1,0943
11,385
1,2036
11,385
1,1243
V prípade, že je okno osadené v zóne B (viď. obr. 7.5 v STN EN
1991-1-4) sa hodnoty súčiniteľa externého tlaku znižujú takto: cpe,1 =
-1,1 a cpe,10 = -0,8.
Tabuľka 4: Hodnoty špičkového tlaku vetra pre okná
osadené v zóne B ( > 4,5 m od nárožia)
(8)
2.1 Výpočet špičkového tlaku vetra pre rôzne typy okien
V závislosti na type okna (z hľadiska stanovenia maximálneho tlaku
vetra je rozhodujúca plocha vystavená vetru) a jeho osadení na objekte dostávame pre rôzne typy a polohy okna rôzne hodnoty špičkového
tlaku vetra na okná, ktoré by mali dané konštrukcie okien preniesť
bez poškodenia.
cpe
IcpI
-1,08156
1,28156
Typ okna
Typ okna
01 A-D
019 C,D
020
A=1,152 m2
0,6086
7,61
0,8312
7,61
0,7295
10,585
0,9456
10,585
0,8298
11,385
0,9715
11,385
0,8526
Skutočné hodnoty tlaku vetra na konkrétne okná budú menšie v prípade umiestnenia okna mimo zónu A. (Zóna A pre daný objekt je do
vzdialenosti cca 4,5 m od nárožia).
cpe,10
cpi
- 1,4
- 1,2
0,2
1,124701
(1-5) m
(1 – 5) m
cpe,1
-0,924701
A=3,84
m2
0,6935
Výpočet hodnôt špičkového tlaku vetra pre jednotlivé typy okien
a výšky osadenia je v tabuľke 3.
Tabuľka 2: Súčinitele externých a interných tlakov vetra
pre najhoršiu zónu A
IcpI
wmax
[kPa]
wmax [kPa]
V prípade, že vietor fúka iným ako severozápadným smerom, kde
je intenzita rýchlosti vetra najväčšia, bude hodnota špičkového tlaku
nižšia ako vypočítané hodnoty. Ovplyvňuje to súčiniteľ smerovosti vetra cdir, kde cdir = 1 je na Slovensku pre západné Slovensko pre
smer severozápadného prúdenia (viď veterná ružica na obr.3), ostatné
prúdenia majú hodnoty nižšie, je však potrebné získať výsledky meraní v danej lokalite od SHMÚ.
cpe
h
h
V zóne B sú súčinitele externých tlakov nasledovné cpe,1= -1,1 a cpe,10=
-0,8 ešte menšie hodnoty súčiniteľov externého tlaku vetra a tým aj
výsledný tlak vetra na jednotlivé okná sú v zóne D a C a E. Zmenu
hodnôt špičkového tlaku na okná pre zónu B vidieť v tab.4.
Špičkový
tlak vetra
Porovnaním tabuliek vidieť rozdiel špičkových tlakov v jednotlivých
zónach, ktoré dosahujú 25 %. Za predpokladu správneho osadenia
okna a ak sa okno sa nenachádza v zóne A - dané typy okien – plastové
okná systém Salamander Brügman AD vyhovujú a prenesú zaťaženie
spôsobené účinkami vetra do výšky 11,385 m osadenia okna, pričom
nebude prekročený špičkový tlak vetra 1050 Pa, Pre okná v zóne A –
v oblasti nároží, kde je najhoršia situácia, je potrebné navrhnúť vyššiu
kategóriu okien - podľa STN EN 12211 pre tlak vetra 1200 Pa.
Literatúra:
[1] STN EN 1991-1-4 Eurokód 1: Zaťaženie konštrukcií, Časť 1-4 Zaťaženie vetrom,
06/2006.
[2] Hubová, O.: Zaťaženie vetrom, Spoločné európske normy pre navrhovanie nosných
konštr. stavieb, Školenie EUROKÓDY 0-1, Bratislava 11/2004, ISBN 80-227-2141-7.
[3] Hubová, O.: Účinky vetra v systéme európskych a slovenských noriem. Stavba -mesačník pre stavebníctvo a architektúru, ročník X, 06/2007 ISSN 1335-540
Download

OKNOviny4