Dach jednak nie taki prosty

Źródło: www.konstra.pl

Źródło: www.konstra.pl

Jak odpowiednio przeanalizować kształt oraz konstrukcję dachu, aby we właściwy sposób dokonać zestawienia obciążeń działających na niego?

Zazwyczaj uczymy się projektować dachy dwuspadowe nad domami o kształcie prostokąta. Wydaje się to być łatwą i prostą sprawą. Ale co, jeśli nasz dach zaczyna przybierać bardziej skomplikowane kształty i na pozór prosta konstrukcja staje się być trudniejszą i wymagającą inżynierskiego spojrzenia oraz umiejętności łączenia zapisów normowych w jedną całość?

Zajmijmy się np. dachem zamykającym dom w kształcie litery L, o dwóch różnych konstrukcjach, a także różnych wysokościach.

model więźby 1 model więźby 2

Rys. 1,2. Model 3D więźby dachowej.

 

W powyższym przykładzie zostały przyjęte dwie konstrukcje więźby dachowej. Pierwsza konstrukcja jest konstrukcją płatwiowo – kleszczową i znajduje się nad częścią wyższą budynku, gdzie zostało zaprojektowane poddasze użytkowe. Zostało przyjęte takie rozwiązanie więźby dachowej ze względu na fakt, że szerokość tej części domu wynosi 9,28 m, a projektowany dach jest dachem stromym o kącie nachylenia 45°. Natomiast drugi ustrój jest ustrojem krokwiowym i znajduje się nad częścią niższą. Rozpiętość tej części wynosi 4,44 m, dlatego nie ma potrzeby projektowania dachu o bardziej skomplikowanym ustroju.

Znając ustroje więźby dachowej można przejść do zestawienia obciążeń działających na konstrukcję dachu.

Do obciążeń stałych powyższego dachu należy jego pokrycie, a także ciężar pochodzący od okien połaciowych. W przypadku pokrycia, ciężar objętościowy materiałów został podany w Eurokodzie 1, Część 1-9, a także w Polskiej Normie PN-82/B-02001. Należy również pamiętać o kleszczach, które w tym przypadku wyznaczają wysokość poddasza, a tym samym podtrzymują konstrukcję stropu. Są one obciążone ciężarem stropu oraz siłą o wartości 1 kN w środku ich rozpiętości, która pochodzi od cieśli i jest obciążeniem tymczasowym, występującym jedynie w czasie montażu konstrukcji.

Następnie po zestawieniu obciążeń stałych należy przejść do obciążeń zmiennych, czyli do obciążenia śniegiem oraz wiatrem.

Zestawienia obciążenia śniegiem wykonuje się zgodnie z Eurokodem 1, Część 1-3. Należy ustalić, do której strefy oddziaływania należy dany budynek, czyli jaka jest jego lokalizacja na mapie Polski, aby móc ustalić wartość charakterystyczną obciążenia. Następnie należy wyznaczyć współczynnik kształtu dachu, który zależy od kąta jego nachylenia. Jednak biorąc pod uwagę nasz przykładowy dach należy dokładnie zwrócić uwagę na jego geometrię.

Ponieważ przedstawiony dach jest dachem dwupołaciowym, w którym wyróżnić można krokiew koszową, należy rozważyć przypadek wystąpienia zaspy śnieżnej.

Po przeanalizowaniu danego przykładu można zauważyć, że zaspa będzie tworzyć się na polu o kształcie trójkąta, na szerokości tzw. pasma obliczeniowego wynoszącego 1,0 m zarówno z jednej jak i z drugiej strony krokwi koszowej.

zaspany

Rys. 2. Miejsce wystąpienia zaspy śnieżnej.

 

Jednak nie jest to konkretny przypadek występujące w Eurokodzie 1, dlatego należy połączyć takie informacje zapisane w normie, które przedstawiają najbardziej rzeczywisty przypadek obciążenia tej części dachu. Lewą stronę konstrukcji, która jest niższa niż część prawa można uznać za budowlę przylegającą do budowli wyższej. Jednak ze względu na fakt, że nie można wyróżnić wysokości h, czyli wysokości pomiędzy budowlą wyższą i niższą należy uwzględnić zapis normowy, który mówi, że dla dachów o kącie nachylenia większym niż 15 stopni, współczynnik kształtu dachu uwzględniający efekt ześlizgu śniegu z dachu wyższego jest wyznaczany jako dodatkowe obciążenie wynoszące do 50% całkowitego, maksymalnego obciążenia śniegiem sąsiedniej połaci dachu wyższego można przyjąć obciążenie zaspą śnieżną równe:

wielkość zaspy

Następnie po określeniu obciążenia śniegiem należy dokonać zestawienia obciążenia wiatrem, które również w tym przypadku nie jest oczywiste i podlega dokładnej analizie.

Ze względu na fakt, że budynek składa się z dwóch części: części użytkowej oraz części przeznaczonej na garaż i strych, należy wyróżnić jego dwie wysokości. Wysokość – dotyczącą części użytkowej oraz wysokość – odnoszącą się do fragmentu składającego się z garażu i strychu.

Obliczenia dla obu przypadków należy przeprowadzić w inny sposób, ponieważ oba dachy są różnej wysokości. Dla    części I (użytkowej) obciążenie wiatrem zestawione zostanie jak dla dachu czteropołaciowego. Natomiast dla części II (garaż + strych) jak dla dachu dwupołaciowego. Przyjęto taką koncepcję, ponieważ odzwierciedla ona najbardziej rzeczywisty rozkład obciążeń dla tego typu dachu jak w zadaniu.

podział

Rys. 3. Podział dachu na dwie części obliczeniowe.

Wg Eurokodu 1 wyróżniamy następujące pola obciążenia połaci dachu względem kierunku I dla dachu dwupołaciowego oraz czteropołaciowego jak na rysunku poniżej.

czteropołać dwupołać

Zestawienia obciążenia wiatrem wykonuje się zgodnie z Eurokodem 1, Część 1- 4. Na podstawie tablicy NA.1 z tego właśnie Eurokodu ustalamy wartość podstawowej bazowej prędkości wiatru , która jest potrzebna, aby określić bazową prędkość wiatru , a następnie bazowe ciśnienie prędkości wiatru:

wiatr1

Następnie należy wyznaczyć wartość szczytową ciśnienia prędkości wiatru:

wiatr2

która zależy m. in. od współczynnika ekspozycji ce(z). Aby określić współczynnik ekspozycji na podstawie tablicy NA.3. należy wybrać kategorię terenu i na podstawie wybranej kategorii wyznaczyć współczynnik ekspozycji.

Ostateczną wartość ciśnienia wiatru działającego na powierzchnie zewnętrzne konstrukcji należy wyznaczyć z wyrażenia:

wiatr3gdzie współczynniki ciśnienia zewnętrznego budynków i ich części zależą od rozmiarów obciążonej powierzchni o polu A, które jest obszarem konstrukcji zbierającym obciążenie wiatrem z obliczanej sekcji.

W przypadku powierzchni pola oddziaływania w przedziale między 1 a 10 m2 należy wyznaczyć ze wzoru:

cpe

Zgodnie z pkt. 7.2.1. (3) Eurokodu 1 w przypadku dachów z okapami nie można zapomnieć o ciśnieniu wiatru, które działa na jego okap. W tym przypadku należy zastosować odpowiednie ciśnienie od spodu okapu takie samo, jak działające na ścianę tuż pod dachem. Zarówno w strefie parcia jak i w strefie ssania. Dlatego dodatkowo należy dokonać zestawienia obciążenia wiatrem również na ściany, aby móc określić ciśnienie wiatru działające od spodu na okap.

okap

Rys. 4. Ilustracja rozkładu ciśnienia na okapie wg EC1.

 

Ponadto na konstrukcję dachu działa nie tylko ciśnienie zewnętrzne wiatru, ale również ciśnienie wewnętrzne, które zależy od ilości otworów znajdujących się w nim. W przypadku, gdy w konstrukcji nie występują otwory dominujące, należy przyjąć wartość współczynnika ciśnienia wewnętrznego:

cpi

Wszystkich powyższych obliczeń należy dokonać w dwóch kierunkach działania wiatru, w kierunku prostopadłym oraz równoległym do połaci dachu. W drugim kierunku (w kierunku równoległym) budynek jest bardziej usztywniony, dlatego przeprowadzone obliczenia służą głównie do obliczeń lokalnych elementów konstrukcyjnych oraz np. łączników (śrub i kotew mocujących elementy elewacji, docieplenia czy pokrycia dachowego), ale zgodnie z Eurokodem 1 również należy dokonać ich zestawienia.

Powyższy przykład pokazuje o czym nie można zapomnieć dokonując zestawienia obciążeń działających na konstrukcje każdego rodzaju dachu. W normach przedstawione są jedynie podstawowe typy dachów. Najważniejsze jest, aby potrafić połączyć odpowiednie informacje, które będą mogły odzwierciedlić rzeczywisty rozkład obciążeń działających na nasz konkretny dach.

Napisała: Ewelina Nowak