Zatížení sněhem - stanovení tvarových součinitelů, vliv větru

V souvislosti s tvorbou evropských stavebních norem - tzv. eurokódů - se zpracovávalo několik projektů týkajících se zatížení sněhem. Kromě rozsáhlého projektu vytvoření evropských map zatížení sněhem, který se řešil v letech 1997 až 1999, se souběžně pracovalo také na experimentálním vyšetřování zatížení sněhem na střechách s cílem stanovit tvarové součinitele μ nejběžnějších typů střech. Tvarový součinitel vyjadřuje rozdíl mezi sněhovou pokrývkou na zemi a na střeše. Účinky větru a slunce, oteplování střech z vnitřku a členitost tvaru zastřešení způsobují, že na střeše bývá většinou méně sněhu než na zemi a že sníh není na střeše uspořádán rovnoměrně. Jednotlivé země CEN (Evropská asociace národních normalizačních institutů) mají ve svých národních předpisech různé hodnoty tvarových součinitelů a pro eurokód bylo třeba tyto hodnoty objektivizovat a sjednotit.
Výzkum byl prováděn v různých klimatických oblastech, například v italských Alpách a Apeninách, ve Skotsku, Německu a Švýcarsku. Pro měření sněhové pokrývky in situ se použily přímé metody měření. V zimním období na počátku řešení (1997-1998) byly nejprve upraveny a sjednoceny metody měření. V zimě 1998-1999 byla provedena rozsáhlá měření sněhové pokrývky na vybraných střechách a ve větrném tunelu. Z těchto měření byly stanoveny modely zatížení sněhem při různých povětrnostních podmínkách.
Jedním z cílů projektu bylo také sledování přeskupování sněhu a změn uspořádání sněhové pokrývky v souvislosti s působením větru (návěje) a s odtáváním.
Na základě uvedeného výzkumu byly upřesněny některé součinitele μi v ČSN EN 1991-1-3 [1], která je v současné době platnou normou pro zatížení sněhem na území ČR. Zpráva o řešení projektu obsahuje řadu výsledků měření a užitečných informací. Je uvedena v soupisu literatury pod číslem [6] a je uložena u autorky článku.
V souvislosti se zaváděním eurokódů a rušením stávajících původních českých norem k datu 1. března 2010 byla navržena úprava zatížení sněhem u střech přiléhajících k vyšší konstrukci a u markýz. Tato úprava se zavede do národní přílohy současně platné ČSN EN 1991-1-3 [1].

Obecně k zatížení sněhem
Zatížení sněhem s se v normě [1] podobně jako v původní normě [2] vypočítává ze vzorce

s = µi Ce Ct sk (1)

kde µi je tvarový součinitel zatížením sněhem;
sk charakteristická hodnota zatížení sněhem na zemi [kNm-2];
Ce součinitel expozice;
Ct tepelný součinitel.

Zatížení sněhem s a sk se považuje za svisle působící rovnoměrné zatížení, které je vztaženo k půdorysné ploše střechy. Tvarový součinitel µi závisí na tvaru střechy a je v ČSN EN 1991-1-3 uveden pro celou řadu běžných tvarů zastřešení. Charakteristická hodnota zatížení sněhem sk se stanoví buď z nové mapy sněhových oblastí ve změně [3], nebo dotazem v Českém hydrometeorologickém ústavu (ČHMÚ). Mapa podává jen hrubý obraz o zatížení sněhem, protože nemůže vystihnout různé místní podmínky terénu. V různých kotlinách, údolích, v zákrytu hřebenů hor, lesů anebo na vyvýšeninách, pláních a svazích může být sněhová pokrývka silně ovlivněna větrem, zejména s přihlédnutím ke směru převládajících větrů. Proto se doporučuje v problematických případech požádat o zpřesnění údajů přímo ČHMÚ, který k bližšímu určení zatížení může použít údajů z nejbližších stanic i znalost místních klimatických podmínek. Podrobněji o zatížení sněhem viz např. [7].

Zásady pro stanovení zatěžovacích schémat
Pro základní a nejběžnější tvary střech jsou zatěžovací schémata uvedena v ČSN EN 1991-1-3 [1]. Pro netypická zastřešení je třeba využít nejbližší ze schémat a zároveň pro upřesnění respektovat některé zásady. Jak je uvedeno např. v [4] a [5], především platí:

• vítr odnáší sníh z ploch větru vystavených a hromadí ho v závětří nebo na závětrných plochách;
• sníh sklouzává po skloněných plochách a hromadí se v úžlabích nebo padá z vyšší úrovně zastřešení na nižší;
• vítr může měnit směr, musí se tedy uvažovat různé směry větru;
• při sestavování zatěžovacího obrazce jsou návějová schémata pro rozdílné úrovně střech nadřazena všem ostatním schématům, schémata pro nástavby, atiky a jiné překážky jsou nadřazena schématům pro základní tvary objektů. To znamená, že návěj vznikající při rozdílné úrovni střech překrývá ostatní návěje a návěj od překážky překrývá základní vrstvu sněhu na střeše;
• dále lze předpokládat, že návěje se uvažují při výpočtu těch prvků konstrukce, které přímo zatěžují. Další nosné prvky se zpravidla již navrhují jen na základní rovnoměrnou vrstvu sněhu, protože dílčí návěj nemá na jejich návrh vliv. Je však třeba uvážit rozlehlost a mohutnost návěje.

Obecně je třeba mít na paměti, že schémata zatížení sněhem mohou mít jen omezenou platnost. Schémata uvedená v normách jsou jistou aproximací hodnot naměřených v různých oblastech na různých typech střech. Měření byla prováděna většinou v horských oblastech evropských zemí (viz úvod), a jsou výstižná proto spíše v našich oblastech podhorských a horských. Pro oblasti s nestálou sněhovou pokrývkou zatím nebyla ověřena. Proto pokud je pro místo stavby ověřeno na stávajících stavbách určité uspořádání zatížení sněhem, je třeba tomuto uspořádání dát přednost před uspořádáním uvedeným v normě. Totéž platí i pro charakteristickou hodnotu zatížení sněhem, která se ve skutečnosti může od hodnoty uvedené v mapě lišit dost významně. A to ve smyslu zvýšení i snížení této hodnoty.
Jak je uvedeno např. v [4] a [5], byla zatěžovací schémata stanovena z pozorování zejména severských a hornatých států a z měření v aerodynamických tunelech. Některá z nich jsou proto výstižná spíše v oblastech s klimatickými podmínkami blízkými našim horským a podhorským oblastem. Proto je třeba některá návějová schémata pro nižší sněhové oblasti upravit.
Pokud je navrhována střecha, pro kterou neexistuje zatěžovací schéma v normě [1], ale je k dispozici ověřené schéma v literatuře, nebo v jiné normě, lze tato schémata použít. Je však třeba vycházet z toho, že pro metodiku eurokódu [1] se předpokládá, že pro rovnoměrné zatížení sněhem (sníh padá za bezvětří nebo při rychlosti větru do 4 m/s) se na střeše uvažuje o 20 % nižší hodnota zatížení sněhem než na zemi, tedy základní hodnota tvarového součinitele µi = 0,8.

Tvarové součinitele střech - rozdílná úroveň střech
Součinitele µi pro různé tvary střech jsou pro normální podmínky definované v ČSN EN 1991-1-3 [1], kapitole 5. Pro střechy různých úrovní a pro markýzy jsou uvedeny v článku 5.3.6, jak je uvedeno dále, a do národní přílohy byly v roce 2005 přejaty doporučené hodnoty těchto součinitelů bez upřesnění pro různé sněhové oblasti. V současné době se připravuje změna některých článků národní přílohy k ČSN EN 1991-1-3 [1] v souvislosti s rušením ČSN 73 0035 k březnu 2010. V dalším textu je uveden způsob výpočtu zatížení sněhem na střechách různých úrovní, jak jej předepisuje eurokód a návrh úpravy pro ČR.
Pro střechy různých úrovní stanoví norma [1] zatěžovací schémata uvedená na obr. 1. Tvarové součinitele zatížení sněhem jsou definovány následujícími vztahy:

µ1 = 0,8 (za předpokladu, že nižší střecha je plochá) (2)

µ2 = µs + µw (3)

kde µs je tvarový součinitel zatížení sněhem zohledňující sesuv sněhu z horní střechy, přičemž
pro α ≤ 15° je µs = 0
pro α > 15° se µs stanoví z přídavného zatížení o velikosti 50 % maximálního celkového zatížení sněhem na přilehlém sklonu vyšší střechy vypočítaného pro příslušnou střechu.
µw je tvarový součinitel zatížení sněhem zohledňující působení větru definovaný v [1] jako

µw = (b1 + b2)/2h ≤ γh/sk (4)

Délka návěje je určena vztahem:

ls = 2h (5)

Doporučené omezení podle [1] je 5 m ≤ ls ≤ 15 m. Stejné hodnoty uvádí i původní norma [2].
Pokud je b2 < ls, jak je uvedeno ve druhé části obr. 1, pak se součinitel na okraji nižší střechy stanoví interpolací mezi hodnotami µ1 a µ2 ohraničenou okrajem dolní střechy.
Pokud jsou střechy uspořádané podle obr. 2, dosazuje se do vztahu (4) jako h hodnota h1.
Ve vzorci (4) je γ objemová tíha sněhu, kterou lze pro tento výpočet uvažovat hodnotou 2 kN/m3. Původ vzorce (4) se nepodařilo zjistit ani ze zprávy [6]. Výraz γh/sk vyjadřuje podmínku, že sněhová návěj není vyšší než výška h.
Poznámka v normě [1] umožňuje upřesnit limitní hodnoty součinitelů µw v národní příloze. V ČSN 73 0035 v tabulce 15 se pro nižší sněhové oblasti uvažuje pouze rovnoměrné zatížení (jako pro zatěžovací obrazec (i) v obr. 1) a teprve pro vyšší sněhové oblasti se uvažuje návěj. Na základě těchto údajů bylo doporučeno Technickou normalizační komisí 38 Spolehlivost stavebních konstrukcí upravit znění článku NA.2.20 v [1] takto:

NA.2.20 Článek 5.3.6 Střechy sousedící a přiléhající k vyšším stavbám, odstavec (1).
Maximální hodnoty součinitele μw se odlišují podle sněhových oblastí takto:

Spodní hranice součinitele μw je pro všechny sněhové oblasti 0,8.
Zatěžovací délka ls se pro ČR nemění.

Vzhledem k tomu, že původní znění článku NA.2.20 umožňovalo ve všech sněhových oblastech využít maximální hodnotu součinitele µw = 4,0, je navrhovaná úprava článku blíže k realitě a umožňuje i hospodárnější návrh. Úprava článku bude zavedena do ČSN EN 1991-1-3 v souvislosti se zrušením ČSN 73 0035 nejpozději v březnu 2010.

¤ Obr. 1. Tvarove součinitele zatiženi sněhem pro střechy přilehajici k vyššim stavbam

¤ Obr. 2. Rozdilna uroveň střech - přilehajici střecha ve sklonu

Doporučení
I když bude uvedená úprava článku v národní příloze zavedena do normy [1] až později, mohou projektanti a ostatní účastníci stavebního řízení využít snížení maximálních hodnot návějí po dohodě se zadavatelem a zodpovědným úřadem již teď. Eurokódy obecně, a tedy i [1], jsou koncipovány tak, že umožňují zavedení národně stanovených parametrů do normy. Zejména pro klimatická zatížení je závazné použití metodiky, ale nikoli např. klimatických map. Pokud je pro danou oblast stanovena hodnota meteorologických parametrů přesněji, např. z údajů ČHMÚ nebo ze zkušenosti, má se pro výpočet využít tato hodnota.

Autorka pracuje v Kloknerově ústavu ČVUT v oddělení mechaniky a zabývá se převážně problémy dynamických zatížení konstrukcí, zatížení sněhem a účinky větru na stavební konstrukce.

Použitá literatura
[1] ČSN EN 1991-1-3:2005 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí - Část 1-3: Obecná zatížení - Zatížení sněhem. ČNI, 2005
[2] ČSN 73 0035:1986 Zatížení stavebních konstrukcí. ÚNMZ, 1986
[3] ČSN EN 1991-1-3 Změna Z1 Eurokód 1: Zatížení konstruk- cí - Část 1-3: Obecná zatížení - Zatížení sněhem. ČNI, 2006
[4] Boháč, A., Pirner, M., Tichý, M.: Zatížení stavebních konstrukcí. Komentář k ČSN 73 0035. ÚNM Praha 1978
[5] Tichý, M., a kol.: Zatížení stavebních konstrukcí. Technický průvodce 45, SNTL 1987
[6] Sanpaolesi, L., a kol.: Scientific Support Activity in the Field of Structural Stability of Civil Engineering Works - Snow Loads, Final Report. University of Pisa, September 1999
[7] Studničková, M.: Navrhování staveb na zatížení sněhem. Stavebnictví. 2007, roč. 1, č. 2, s. 24-25