Stanovení aerodynamických součinitelů vnějších tlaků sedlových střech

Úvod

Uvedení evropské normy ČSN EN 1991-1-4:2007 [1] v ČR v platnost přineslo oproti dříve využívanému předpisu ČSN 73 0035 [2] změny statického zatížení od působícího větru a spustilo diskusi na téma, který z dokumentů lépe odpovídá současnému poznání a komplexnímu fenoménu zatížení větrem, viz [3, 4]. Jednu z možných příčin neshody postupu stanovení zatížení lze v některých případech spatřovat ve velmi odlišném plošném rozložení a velikostech zdánlivě ekvivalentních tlakových součinitelů uvedených v [1] a tvarových součinitelů z [2]. Oba uvedené součinitele, i přes svou velkou podobnost, vycházejí totiž z rozdílného pojetí. Vzhledem k období vzniku v současnosti již neplatné české normy [2] lze důvodně předpokládat, že tvarové součinitele byly uvažovány výhradně staticky, tj. poměrem střední hodnoty tlaku v daném místě konstrukce ke střední hodnotě tlaku v referenčním bodě. Naproti tomu hodnoty v evropské normě [1] vycházejí z pravděpodobnostního přístupu vztaženému k maximálním (extrémním) hodnotám tlaku, viz [5]. Aerodynamické součinitele C_pe,10 z [1] například odpovídají zatížení trvajícímu ve skutečném měřítku jednu sekundu, které nepřekročí s pravděpodobností 78 % maximální hodnoty zatížení získané ze záznamu trvajícího 10 minut [6], což je standardní integrační doba pro výpočet střední rychlosti. Z výše uvedeného tedy nelze  a priori očekávat, že velikosti součinitelů budou v obou normativních předpisech ve všech případech identické.

Pro ověření hodnot a plošného rozložení tlakových součinitelů uvedených v obou normách bylo provedeno několik měření tlakových poměrů na vnějších plochách sedlových střech. Jednalo se o dva aerodynamické modely charakteristických budov s různým sklonem střech, zkoušené ve větrném tunelu ÚTAM AV ČR, v.v.i., v Telči. Předkládaný článek shrnuje výsledky těchto měření a udává komentáře odkazující k oběma výše citovaným normám. Práce vznikla na základě konzultací a vzájemné spolupráce se zástupci ČKAIT a firmy ALLCONS Industry s.r.o.

Metodika měření ve větrném tunelu

Parametry aerodynamických modelů a použitých tlakových snímačů
Měření tlaků bylo provedeno na dvou modelech budov se sedlovou střechou s čtvercovým půdorysem o straně b = 300 mm a výšce h = 160 mm (úhel sklonu střechy α = 5°), respektive h = 300 mm (α = 45°), viz schéma modelu na obr. 1. Modely byly vyrobeny z plexiskla a jejich rozměry byly zvoleny tak, aby bylo zamezeno nežádoucímu blokování (tzv. ucpání) příčného průřezu aerodynamického tunelu. Blokování dané poměrem návětrné plochy vyrobeného modelu a průřezové plochy tunelu činilo pouze 2,5 % pro nižší model, respektive 3,7 % pro model vyšší. V publikaci [7] je pro blokování 5 % uváděna systematická chyba při měření tlaků na návětrné straně nižší než 10 %. Měření a stanovené hodnoty součinitelů lze tedy považovat za nezkreslené blokací.

Rastr měřených bodů na ploše střech byl zvolen tak, aby bylo možné co nejlépe stanovit tlakové poměry na různě exponovaných plochách střech podle ČSN EN 1991-1-4 [1], viz obr. 2. V rozměrově menších plochách F, G, H a J byl zvolen rastr 10 × 10 mm, ve větších plochách H a I pak rastr s rozměry 25 × 25 mm. Toto dělení reflektuje i hrubší rozdělení oblastí různých hodnot tlakových součinitelů, které se uvádí v původní normě ČSN 73 0035 [2], viz obr. 2. V případě střechy se sklonem α = 5° byl na jedné polovině snímán tlak postupně v 249 bodech, u střechy se sklonem α = 45° tomu bylo v 312 bodech. V každém bodě byl vyvrtán malý otvor, který byl opatřen tlakovou sondou, propojenou silikonovou hadičkou s dynamickým snímačem tlaku typu Honeywell DC002NDR5. Jedná se  o citlivý diferenční měřič tlaku s rozsahem 500 Pa a s citlivostí 5 Pa za plného rozsahu napájení. Diferenciální tlak se měří přímo tlakovým převodníkem a reprezentuje tlak větru v místě sondy.

Metodika měření a charakteristiky větrného proudu
Modely objektů se sedlovou střechou byly zkoušeny v aerodynamické části větrného tunelu ÚTAM AV ČR, v.v.i., v Telči, ve které lze docílit rychlosti proudu větru až 50 m/s.  Modely  byly  v  první fázi experimentů umístěny do proudu vzduchu s nízkou intenzitou turbulence 1,4 %. V něm byla nejdříve úspěšně ověřena nezávislost tlakových poměrů na rychlosti proudu v intervalu rychlostí 3 m/s až 20 m/s. Tzv. referenční rychlost větru V_ref byla měřena v rámci všech experimentálních zkoušek pomocí Prandtlovy a Pitotovy trubice ve výšce hřebenu střechy v místě nenarušeného proudu před modelem, viz fotografie na obr. 3. Zkoušky, jejichž výsledky jsou prezentovány  v tomto článku, pak byly provedeny za rychlosti V_ref = 16 m/s, což odpovídá tzv. Reynoldsovu číslu Re = 3,9 × 10⁵, charakterizujícímu podobnost mezi skutečným prouděním a prouděním ve zmenšeném měřítku v aerodynamickém tunelu. Stanovená hodnota Re je prakticky totožná s hodnotami při proudění v atmosféře a získané výsledky lze použít i při konkrétních návrzích reálných budov, viz [7].

Tlakové poměry na ploše střech aerodynamických modelů byly stanoveny pro dva základní směry větru θ = 0° a θ = 90° podle souřadnicové soustavy vyznačené na obr. 2. Součinitele tlaků v [1] jsou platné nejen pro tyto základní směry, ale i pro směry větrů od nich odchýlené až o úhel 45°. Z toho důvodu byly tlaky snímány i pro směr větru θ = 45° a data byla vyhodnocena s ohledem na rozdělení tlakových ploch pro oba základní směry. V rámci jednoho dílčího měření vybraného směru byl odečítán a zaznamenáván tlak v 32 měřicích bodech při vzorkovací frekvencí f_s = 1 000 Hz po dobu 30 s. Tato délka měření je dostatečná  z hlediska stacionarity měřeného signálu tlaku větru ve smyslu později uvedeného vyhodnocení [8], a tudíž i ergodicity náhodného procesu, kterým je vítr matematicky charakterizován.

Tlakové součinitele byly rovněž měřeny na modelech budov umístěných v turbulentním proudu větru s modelovanou atmosférickou mezní vrstvou, která se v tunelu vytváří pečlivým umisťováním tzv. generátorů turbulence, viz obr. 3. Vytvořená mezní vrstva měla následující parametry: proud vzduchu s vertikálním profilem rychlosti odpovídající podle ČSN EN 1991-1-4 [1] kategorii terénu IV, intenzita turbulence u podlahy zkušebního prostoru pak byla dána hodnotou I = 27 % a tzv. normalizovaná spektrální hustota větru, zobrazující rozložení energie fluktuační složky ve frekvenční oblasti, odpovídala Von Karmánovu spektru, které se obvykle používá. Integrální délka turbulence v podélném směru, která charakterizuje velikost vírů, byla vyčíslena hodnotou Lu = 0,207 m. Podrobnější popis použité modelované atmosférické vrstvy lze nalézt např. v [9].

Celý článek naleznete v archivu čísel 11/2018.