ANALIZA WPŁYWU RÓŻNYCH CZYNNIKÓW NA OBCIĄŻENIE ŚNIEGIEM DACHÓW.pdf

Prof. dr hab. inŜ. Andrzej FLAGA

Politechnika Krakowska i Lubelska

ANALIZA WPŁYWU RÓ ś NYCH CZYNNIKÓW NA OBCI Ąś ENIE

Ś NIEGIEM DACHÓW

ANALYSIS OF INFLUENCE OF DIFFERENT FACTORS ON SNOW LOADS ON ROOFS

Streszczenie W pracy przedstawiono analizę wpływu róŜnych waŜnych czynników na obciąŜenie śniegiem

dachów. Specjalną uwagę połoŜono fizycznej stronie zjawisk wpływających na formowanie się pokrywy

śnieŜnej i na jej redystrybucję. Ponadto opisano podstawowe zagadnienia związane z badaniami obciąŜenia

śniegiem dachów w tunelach aerodynamicznych.

Abstract In the paper , analysis of influence of different important factors on snow loads on roofs has

been presented. Special attention has been paid on physical aspects of phenomena influencing forming of snow

cover and its redistribution. Moreover, basic problems concerning wind tunnel experiments on snow loads on

roofs has been also described.

1. Wst ę p

Istnieje szereg zjawisk prowadzących do ostatecznego uformowania się pokrywy śnieŜnej

na dachach i wynikających z niej obciąŜenia śniegiem dachów. NajwaŜniejsze z nich to:

Opad dyspersji śnieŜnej w warunkach wiejącego wiatru lub bez wiatru;

Tworzenie się pokrywy śnieŜnej na gruncie i na dachach przy opadzie dyspersji

śnieŜnej;

Redystrybucja pokrywy śnieŜnej przy wiejącym wietrze;

Zmiany własności fizycznych pokrywy śnieŜnej w wyniku oddziaływania róŜnych

pól fizycznych.

W rzeczywistości wszystkie te zjawiska mogą występować równocześnie, albo teŜ

niektóre z nich mogą występować równocześnie. Jeśli pokrywa śnieŜna będzie się tworzyła w

warunkach opadu śniegu przy słabym wietrze lub bez wiatru będziemy, wówczas mówili o

akumulacji pierwotnej śniegu. Gdy zaś występuje redystrybucja pokrywy śnieŜnej

spowodowana wiatrem ale bez opadu śniegu, wówczas w miejscach wymiatania śniegu

będziemy mówili o erozji śniegu, a w miejscach dodatkowego odkładania się śniegu – o

akumulacji wtórnej śniegu.

W przypadku opadu śniegu przy silnym wietrze występuje zarówno akumulacja

pierwotna, jak i redystrybucja powiązana z erozją oraz akumulacją wtórną śniegu.

Zjawiska wyszczególnione powyŜej przedstawiono schematycznie na rys. 1 oraz

omówiono szerzej w dalszym ciągu rozwaŜań niniejszej pracy. Więcej na ten temat moŜna

znaleźć w pracach [1, 2, 3, 4].

Rys.1. Zjawiska wpływające na kształt pokrywy śnieŜnej [2,3]

2. Tworzenie si ę pokrywy pierwotnej

Chmura śniegowa jest zbiorowiskiem kryształków lodu o bardzo róŜnych formach: od

najbardziej znanych dendrytów, po płytki i igły. WyróŜniono w [5] aŜ ponad 80 róŜnych

kształtów kryształów śniegu (rys. 2). Tym samym róŜne są takŜe ich wielkości: od około

0.1 mm do 4 mm. Dodatkowo wskutek wzajemnych zderzeń moŜe dochodzić do sklejania się

kryształów w większe płaty.

Rys.2. Przykładowe postaci kryształków śniegu: a) igła; c) płytka; d) dendryt; e) krupa [3]

Cząstki lodowe kierowane siłami cięŜkości i siłami aerodynamicznymi wynikającymi

z ich ruchu względem powietrza kierują się ku podłoŜu. Ruch wielkiej ilości cząstek opisuje

się najczęściej jako ruch dyspersji , charakteryzowanej przez uśrednione własności ruchu

cząstek składowych. Jedną z takich własności jest koncentracja dyspersji, czyli stosunek

masy rozproszonych cząstek w pewnej objętości do tej objętości. Na znacznej wysokości pole

prędkości wiatru moŜna uznać za jednorodne, a tym samym jednorodne są warunki na jakie

wystawione są cząstki dyspersji. Koncentracja zatem jest takŜe jednorodna – wszelkie

zagęszczenia, czy teŜ rozrzedzenia zostaną szybko zniwelowane ze względu na pewną

chaotyczność w ruchu cząstek. Oczywistym jest, Ŝe w warunkach idealnie bezwietrznych

śnieg osadza się wszędzie równomiernie w odniesieniu do powierzchni rzutu poziomego

obszaru. Wiatr moŜe w istotny sposób zmieniać akumulację pierwotną śniegu. Ruch

powietrza wpływa bowiem na trajektorie cząstek tworzących dyspersję. Na duŜych

wysokościach dyspersja zachowuje się w sposób jednorodny, poniewaŜ jednorodne są

warunki atmosferyczne na jakie jest wystawiona. Jednak w pobliŜu gruntu, przepływ

powietrza jest zaburzony z powodu istnienia na gruncie przeszkód (budynków, drzew,

wzniesień itp.). Ta niejednorodność przepływu przenosi się takŜe na niejednorodność ruchu

dyspersji, a ostatecznie skutkuje niejednorodnością akumulacji pierwotnej (rys. 3). W

miejscach w których koncentracja została zwiększona warstwa pokrywy śnieŜnej będzie

tworzyła się szybciej, niŜ w miejscach o zmniejszonej koncentracji. Oznacza to, Ŝe juŜ na

etapie opadu śniegu moŜe dojść do róŜnic w jego ilości w zaleŜności od połoŜenia, jeŜeli opad

ten zachodzi w warunkach wiatru.

Za charakterystyczne zmiany intensywności akumulacji pierwotnej pod wpływem

obecności przeszkody i wiatru moŜna uznać:

Spiętrzenie – zwiększenie akumulacji tuŜ „przed” przeszkodą

Osłanianie – zmniejszenie akumulacji tuŜ „za” przeszkodą

PłuŜenie – zwiększenie akumulacji po bokach „za” przeszkodą

Nierównomierność akumulacji po samej przeszkodzie (połać nawietrzna i

zawietrzna przeszkody - dachu)

Rys. 3. Wpływ budynku na rozkład pokrywy śnieŜnej na gruncie i na dachu.

KaŜdy z aktów opadu śniegu powoduje powstanie pierwotnej pokrywy ś nie Ŝ nej –

nowej warstwy świeŜego śniegu. Spąg pokrywy śnieŜnej moŜe składać się z kilku warstw

pochodzących z róŜnych opadów.

3. Przemiany fizyczne pokrywy ś nie Ŝ nej

Pokrywa śnieŜna jest porowatą substancją złoŜoną z lodu. Podczas długotrwałego

zalegania śniegu na gruncie lub dachu dochodzi do zmian jego własności. Zmiany te

związane są głównie z przemianami fazowymi wody. Czynnikami wywołującymi te zmiany

są głównie: wiatr, wilgotność i temperatura powietrza. Najbardziej charakterystycznym

zjawiskiem jest ciągłe zwiększanie się gęstości pokrywy śnieŜnej w czasie (Tab. 1). Wynika

to oczywiście ze stałego zmniejszania się porowatości struktury śniegu. CięŜar wyŜej

połoŜonych warstw pokrywy śnieŜnej, a takŜe wpływ parcia wiatru powodują mechaniczne

sprasowanie śniegu. Znaczenie mają takŜe subtelne przemiany struktury śniegu oparte na

ciągłej sublimacji i resublimacji kryształów lodu. Powodują one zarówno zwiększenie

gęstości jak i powstanie wiązań pomiędzy, wcześniej luźno ułoŜonymi, cząstkami lodu.

Cząstki śniegu po utworzeniu pierwotnej pokrywy śnieŜnej są ze sobą słabo związane. Z

czasem następuje ich konsolidacja .

Tab. 1: Gęstość śniegu w zaleŜności od jego rodzaju [6]

Rodzaj śniegu

Gęstość pokrywy śnieŜnej

[kg m -3 ]

„dziki śnieg”

(świeŜy śnieg w niskiej temperaturze)

10 – 30

świeŜy śnieg

50 – 70

wilgotny świeŜy śnieg

100 – 200

ustabilizowany śnieg

200 – 300

głęboka zmarzlina

200 – 300

śnieg zagęszczony działaniem wiatru

350 – 400

firn

400 – 850

mokry śnieg lub firn

700 – 800

lodowiec

850 – 910

Naturalnie zwiększenie temperatury powyŜej 0°C powoduje stopnienie części lub

całości pokrywy śnieŜnej i pojawienie się wody w stanie ciekłym. To takŜe powoduje

zwiększenie gęstości śniegu, a po ponownym obniŜeniu temperatury – powstanie lodu.

PodwyŜszenie temperatury moŜe wynikać z ocieplenia się powietrza na skutek zjawisk

pogodowych, ale takŜe pod wpływem ciepła płynącego z wnętrza budynku. Ta druga sytuacja

ma miejsce szczególnie na dachach słabo ocieplonych i charakteryzuje się takŜe

wystąpieniem w warstwie śniegu znacznego gradientu temperatury. Oznacza to, Ŝe stopieniu

moŜe ulec wtedy tylko spodnia warstwa, poniewaŜ temperatura w warstwach wierzchnich

będzie w zimie na ogół ujemna.

Same przemiany pokrywy śnieŜnej nie powodują zmiany obciąŜenia śniegiem,

poniewaŜ masa nie jest transportowana, a zwiększeniu gęstości towarzyszy zmniejszenie

grubości pokrywy. Warstwy w spągu pokrywy mogą występować w bardzo szerokim zakresie

postaci: od lekkiego puchu, przez śnieg gęsty, wilgotny, zwartą skorupę, aŜ do lodu i wody.

KaŜda z tych postaci jest w innym stopniu podatna na późniejszą redystrybucję i to stanowi o

istotności tych procesów przy przewidywaniu rozkładu obciąŜenia śniegiem.

4. Redystrybucja pokrywy ś nie Ŝ nej

Jednym z przypadków przemieszczania się masy pokrywy śnieŜnej jest sytuacja, w

której zostanie ona częściowo lub w całości stopiona. JeŜeli podłoŜe na którym jest

zgromadzona jest chłonne (w szczególności chodzi o grunt), to woda powstała na spodzie

warstwy śniegu przesączy się w głąb tego podłoŜa. W pozostałych przypadkach (czyli na

przykład na dachach) woda będzie w przybliŜeniu zachowywać się tak jak woda deszczowa,

choć oczywiście warstwy jeszcze nieroztopionego śniegu będą stawiały jej opór.

Pokrywa śnieŜna na powierzchniach nachylonych moŜe ulec zsunięciu pod wpływem

własnego cięŜaru (rys. 1). Zjawisko to podobne do lawiny, choć zachodzące w mniejszej

skali, powstaje gdy siły spoistości w warstwie śniegu, bądź siły tarcia na styku śniegu i

podłoŜa, zostaną przezwycięŜone przez siły cięŜkości. PoniewaŜ wspomniane siły spoistości

są trudne do określenia, zjawisko zachodzi niespodziewanie. Jest wręcz niemoŜliwe

przewidzenie czy nastąpi, a tym samym najczęściej konieczne jest zakładanie najbardziej

niekorzystnej sytuacji. PoniewaŜ odspojenie części pokrywy powoduje nagłe, dalsze

przemieszczanie się śniegu, zjawisko to powinno być rozpatrywane jako zachodzące

dynamicznie, to jest z uwzględnieniem dynamicznej reakcji konstrukcji. Takie zalecenie

zawiera między innymi [7].

Długotrwałym procesem przemieszczającym masy śniegu jest przenoszenie śniegu

przez wiatr. Jak wspomniano wcześniej, cząstki tworzące pokrywę śnieŜną są ze sobą

powiązane. Jednak przy dostatecznie silnym oddziaływaniu wiatru wiązania te mogą ulec

rozerwaniu. Oswobodzone cząstki powtórnie tworzą dyspersję śnieŜną i podobnie jak podczas

opadu są transportowane przy udziale wiatru. Dokument [7] zaleca przyjmowanie średniej

prędkości wiatru podczas zimy równej 4m/s. Wpływ ma tu jeszcze otoczenie budowli.

W najprostszym przypadku obiekty otoczenia połoŜone są na tyle daleko, Ŝe wpływają

na rozpatrywany obiekt tylko przez zmianę profilu prędkości średniej wiatru (rys. 4a). Jest to

efekt tak zwanej ekspozycji , którą wyraŜa się ją zwykle przez kategorię terenu (np.: teren

miejski – kategoria „B”). Jej wpływ na redystrybucję śniegu uwzględniają na przykład normy

[7, 8, 9]. BliŜej połoŜone obiekty mogą wpływać na rozpatrywany obiekt poprzez zmianę

chwilowych prędkości wiatru. Dochodzi wtedy do interferencji wiatrowej (

Rys. 4b) – rozpatrywany budynek znajduje się w cieniu aerodynamicznym przeszkody

i jest wystawiony na wywoływane przezeń turbulencje, co ma wpływ na redystrybucję śniegu.

JeŜeli sąsiednia budowla połoŜona jest dostatecznie blisko, to oprócz wspomnianego wyŜej

zjawiska moŜe dojść do przedostawania się śniegu z jednego obiektu na drugi, czyli

interferencji wiatrowo- ś niegowej (

Rys. 4c). W takim wypadku naleŜałoby właściwie rozpatrywać oba budynki łącznie –

jako jeden obiekt. NaleŜy tu zwrócić uwagę na dwie rzeczy: asymetrię interferencji (budynki

wpływają na siebie nawzajem w róŜny sposób) i kolejność realizacji budynków.

Nowoprojektowany obiekt (jeŜeli jest umiejscowiony dostatecznie blisko) będzie wpływał na

juŜ istniejące budynki, tym samym uniewaŜniając wcześniej poczynione dla nich

przewidywania rozkładu obciąŜenia śniegiem. O ile w przypadku ekspozycji musi zajść

istotna zmiana (na przykład przekształcenie się obszaru podmiejskiego w centrum miasta), to

w przypadku interferencji obu typów juŜ jeden obiekt sąsiadujący moŜe znacząco wpłynąć na

rozkład obciąŜenia śniegiem. Interferencję uwzględnia w bardzo uproszczony sposób na

przykład norma [9].

Rys. 4. Wpływ otoczenia na redystrybucję śniegu (dokładny opis w tekście): a) ekspozycja; b) interferencja

wiatrowa; c) interferencja wiatrowo-śniegowa [3].

Szczególny udział w zjawisku transportu śniegu przez wiatr ma podłoŜe, które jest

naturalną granicą jego zachodzenia. Właśnie ze względu na to w jakim stopniu podłoŜe (i tym

samym pokrywa śnieŜna) uczestniczy w transporcie śniegu indukowanym wiatrem

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: