Oddziaływanie huraganowego wiatru na budowle.pdf

241

® X Konferencja Naukowo-Techniczna

PROBLEMY RZECZOZNAWSTWA BUDOWLANEGO

Warszawa Miedzeszyn, 22-24 kwietnia 2008 r.

Jerzy Antoni Żurański *

Mariusz Gaczek **

ODDZIAŁYWANIE HURAGANOWEGO WIATRU

NA BUDOWLE

1. Wprowadzenie

Każdy obiekt budowlany powinien być zaprojektowany i wykonany zgodnie z odpowied-

nimi przepisami techniczno-budowlanymi i powiązanymi z tymi przepisami normami. Należą

do nich także normy oddziaływań klimatycznych. Powszechnie przyjęto, że wartości charak-

terystyczne tych oddziaływań, podane w normach, powinny mieć okres powrotu 50 lat. Ozna-

cza to, że powinny to być wartości, które bywają przewyższane średnio raz na 50 lat. Takie

wartości wyznacza się opracowując, za pomocą metod statystki matematycznej i rachunku

prawdopodobieństwa, wyniki pomiarów wykonywanych przez stacje meteorologiczne. Jed-

nakże nie wszystkie zdarzenia dają się opisać za pomocą dotychczas stosowanych metod.

Należą do nich zdarzenia rzadkie, lecz o charakterze katastrofalnym [1], takie jak huragany

lub trąby powietrzne. Dość powszechny jest pogląd, że w Europie rośnie częstość występo-

wania takich zjawisk [2]. Zmusza to do zajęcia się zagadnieniem wpływu tych zwiększonych

oddziaływań na konstrukcje.

W referacie przedstawiono zagadnienia, związane z oddziaływaniem huraganowych wia-

trów na budowle, z którymi może mieć do czynienia inżynier budowlany w swojej praktyce

rzeczoznawcy.

2. Rodzaje wiatrów katastrofalnych w Polsce

Istnieje kilka rodzajów wiatru, które przynoszą zagrożenia dla konstrukcji. Nazwano je tu

„wiatrami katastrofalnymi”. W Polsce można wyróżnić ich cztery główne rodzaje [3]:

1. Wiatry sztormowe, wywoływane rozległymi i głębokimi układami niżowymi w umiarko-

wanych szerokościach geograficznych, od około 40 0 do około 60 0 . Układy te mogą się

rozciągać na odległości 1000 km i większe. W takim układzie niżowym silny wiatr o pra-

wie niezmiennym kierunku, chociaż o różnej intensywności, może trwać kilka dni. Do te-

go rodzaju wiatru odnosi się przede wszystkim stacjonarny przepływ turbulentny w war-

stwie przyziemnej. W naszym kraju jest to najczęstszy rodzaj silnego wiatru, zwłaszcza na

wybrzeżu. Najsilniejsze wiatry tego rodzaju występują w okresie od jesieni do wiosny.

* doc. dr hab. inż. – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa

** dr inż. – Politechnika Poznańska, Poznań

242

2. Wiatry burzowe, towarzyszące gwałtownym burzom w czasie przejścia frontu chłodnego.

Obejmują one zwykle dość ograniczony obszar i trwają kilka do kilkunastu minut. Cha-

rakteryzują się niestacjonarnym przebiegiem prędkości, gwałtownymi porywami przy sto-

sunkowo niskiej prędkości średniej.

3. Wiatry fenowe w górach, u nas zwane wiatrem halnym, powstają w wyniku wpływu łań-

cucha górskiego na przepływ powietrza w głębokim układzie niżowym. Wiatr halny roz-

wija się na zawietrznych skłonach gór, jest silnie porywisty, powietrze jest suche i ciepłe.

W Polsce jest to wiatr południowy w Karpatach, a zwłaszcza w Tatrach.

4. Tornada, lokalne „trąby powietrzne”, występujące najczęściej na rozległych, płaskich ob-

szarach o klimacie kontynentalnym. U nas zdarzają się lokalnie, o stosunkowo ograniczo-

nym zasięgu, lecz o znacznej gwałtowności. Ostatnią, o stosunkowo szerokim zasięgu, by-

ła trąba powietrzna w okolicy Częstochowy [4].

Każdy z tych rodzajów wiatru może mieć charakter katastrofalny, może powodować ka-

tastrofalne skutki. Zależy to od jego intensywności.

Niektóre z wymienionych rodzajów wiatru mają swoje „rozwinięcia”, pewne zróżnico-

wanie pod względem ich genezy i odrębne nazwy. Pewne określenia dotyczą jednak wszyst-

kich rodzajów silnego wiatru.

● Huragan – wiatr o prędkości powyżej 32 m/s (115 km/h), 12 o w skali Beauforta [5]

● Orkan – gwałtowny, silny wicher, zwykle połączony z burzą, huragan, nawałnica [6]

● Sztorm – wiatr na morzu o sile 10 o w skali Beauforta; na lądzie nazywany wichurą; w lite-

raturze anglojęzycznej mianem sztormu określa się także silny wiatr na lądzie.

● Szkwał – nagły, krótkotrwały (np. kilkuminutowy) wzrost prędkości wiatru (niekiedy po-

wyżej 20 – 30 m/s), często połączony ze zmianą jego kierunku; zjawisku może towarzy-

szyć silny opad i burza. Najczęściej powstaje przed frontem chłodnym; jego zwiastunem

jest chmura cumulonimbus, ciemna, silnie postrzępiona od dołu.

● Tornado – silna trąba powietrzna występująca w Ameryce Północnej, o średnicy do kilku-

set metrów, powodująca nieraz katastrofalne skutki [5].

● Trąba powietrzna (w Stanach Zjednoczonych nazywana tornadem od hiszpańskiego słowa

tornada oznaczającego burzę lub łacińskiego tornare - obracać) „jest wiatrem wirowym

wokół osi pionowej, o ograniczonej średnicy (kilkadziesiąt metrów), w postaci wirującego

słupa (tuba) zwisającego z rozbudowanej chmury Cumulonimbus do powierzchni Ziemi;

prędkość wiatru wewnątrz trąby może przekraczać 100 m/s” [4, 5].

● Uskok wiatru – nagłe i gwałtowne osiadanie powietrza w dolnej części troposfery, towa-

rzyszące aktywnym frontom chłodnym lub niskotroposferycznym prądom strumieniowym;

najczęściej występuje w pobliżu chmur burzowych z rozwiniętym kołnierzem burzowym,

gdy może wytworzyć się silny strumień opadającego powietrza o prędkościach 75-135

km/h (21 – 38 m/s). Na różnych wysokościach występują różne kierunki i prędkości wiatru

[5].

Można przyjąć, że nazwy huragan i orkan odnoszą się zwykle do wszystkich rodzajów

wiatru o dużej prędkości. Sztorm to stosunkowo długotrwały wiatr „synoptyczny”, natomiast

szkwał i uskok wiatru to wiatry w sytuacjach burzowych. Trąby powietrzne także powstają

w takich sytuacjach.

243

3. Skale klasyfikacyjne

Od dawna próbowano sklasyfikować oddziaływanie wiatru, najpierw, co jest oczywiste,

na morzu. W roku 1805 admirał Francis Beaufort podał skalę, odnoszącą się do prędkości

wiatru na morzu, którą także dostosowano do potrzeb oceny prędkości wiatru na lądzie.

W zależności od sposobu dostosowania (np. zaokrąglanie wartości granicznych, prędkości lub

ciśnienia) skale lądowe często różnią się nieco między sobą zakresem prędkości lub opisem

oddziaływania wiatru. Jedną z różnic jest przyjęcie wartości progowej huraganu, 29 m/s albo

32,6 m/s.

W tablicy 1 podano jedną z wersji, według [7] ze zmianami.

Tablica 1. Skala prędkości wiatru Beauforta. Prędkości wg WMO podano w nawiasach.

Sto-

pień

Prędkość

wiatru m/s

Rodzaj wiatru

Oddziaływanie wiatru

0,0–0,5

(0,0–0,2)

Cisza

Bezwietrznie, dym unosi się pionowo, liście

drzew nieruchome

0,6–1,7

(0,3–1,5)

Powiew

Dym odchyla się od pionu

1,8–3,3

(1,6–3,3)

Słaby wiatr

Wyczuwalny ręką i ciałem, porusza proporce

i liście drzew

3,4–5,2

(3,4–5,4)

Łagodny wiatr

Porusza chorągwie i cienkie gałązki drzew

5,3–7,4

(5,5–7,9)

Umiarkowany

wiatr

Porusza gałęzie drzew

7,5–9,8

(8,0–10,7)

Dość silny wiatr Kołysze małe gałęzie drzew

9,9–12,4

(10,8–13,8)

Silny wiatr

Zgina grube gałęzie drzew

12,5–15,2

(13,9–17,1)

Bardzo silny

wiatr

Poruszają całe drzewa, chodzenie pod wiatr jest

utrudnione

15,3–18,2

(17,2–20,7)

Gwałtowny wiatr

(wicher/sztorm)

Łamie gałęzie drzew, chodzenie pod wiatr jest

niemożliwe

18,3–21,5

(20,8–24,4)

Wichura

Wiatr powoduje niewielkie uszkodzenia budyn-

ków (zrywa dachówki, porywa małe przedmioty)

21,6–25,1

(24,5–28,4)

Silna wichura

Powoduje uszkodzenia budynków, wyrywa

drzewa z korzeniami

25,2–29,0

(28,5–32,6)

Gwałtowna

wichura

Powoduje znaczne uszkodzenia budynków, zry-

wa dachy, łamie i wyrywa drzewa

> 29,0

(> 32,6)

Huragan

( niem. Orkan)

Unosi dachy, niszczy budynki

W latach 70. ubiegłego wieku opracowano dwie skale intensywności tornad: Fujity (a na-

stępnie Fujity – Persona) w Stanach Zjednoczonych (tabl. 2) i TORRO [8] w Wielkiej Bryta-

nii (tabl. 3). Przytoczono je poniżej wg [4].

244

Na świecie szeroko stosowana jest skala Fujity, jednak wiele europejskich służb meteoro-

logicznych stosuje skalę TORRO (od nazwy TOR nado and Storm R esearch O rganisation)

z tego względu, że została oparta zarówno na pomiarach, jak i badaniach naukowych, w tym

analizie wytrzymałościowej zniszczonych obiektów i dotyczy również warunków klimatycz-

nych charakterystycznych dla Europy [4].

Tablica 2. Skala Fujity [4].

Skala

Fujita

Prędkość

wiatru

[m/s]

Typowe szkody i ich opis

<33

Lekkie szkody : Niektóre kominy uszkodzone, połamane gałęzie drzew,

wyrwane słabo zakorzenione drzewa, zniszczone szyldy i reklamy

33-50

Umiarkowane szkody: zerwane poszycie dachów, ruchome domy (nie

związane z podłożem) przesuwane lub poprzewracane, jadące samo-

chody zdmuchiwane z drogi, garaże mogą być zniszczone

51-70

Znaczne szkody: zerwane dachy z domów, ruchome domy zdemolo-

wane, duże drzewa wyrwane z korzeniami, samochody unoszone ponad

ziemię

71-92

Gwałtowne szkody: dachy i niektóre ściany domów o wzmocnionej

konstrukcji zerwane lub zniszczone, poprzewracane pociągi, większość

drzew w lesie powyrywanych, ciężkie samochody uniesione nad ziemię

i rzucone w dal

93-116 Niszczące szkody: domy o mocnej konstrukcji zrównane z ziemią, bu-

dowle o słabych fundamentach zdmuchnięte i przeniesione na pewną

odległość, samochody w tym ciężarowe przenoszone na pewną odle-

głość

117-142 Niewyobrażalne szkody: domy o silnej konstrukcji zrównane z ziemią,

zerwana kora z drzew, przedmioty wielkości samochodów rzucone na

odległość ponad 100 m (109 jardów). Konstrukcje żelbetowe poważnie

uszkodzone. Po przejściu huraganu krajobraz porównywalny z krajo-

brazem po wybuchu bomby atomowej

Oprócz skal klasyfikujących tornada, stosowane są skale dotyczące huraganów, rozumia-

nych jako cyklony tropikalne. Najbardziej znaną z nich jest skala Saffira-Simpsona. Została

ona opracowana w roku 1971 przez inżyniera Herberta Saffira i meteorologa Roberta Simp-

sona. Zasadniczo w skali tej wyróżnia się pięć kategorii, uszeregowanych wg rosnącej inten-

sywności. Przykładowo, kategorii 1 odpowiada wiatr o prędkości 33-42 m/s, a kategorii 5 –

wiatr o prędkości ≥ 70 m/s. Pojawiają się jednak opinie sugerujące wprowadzenie kategorii 6,

której proponuje się przypisać huragany z wiatrem o prędkości większej niż 78-80 m/s. Skala

ta w warunkach naszego kraju jest jednak mało przydatna w praktyce.

Niestety, klasyfikacja oparta na sile wiatru jest tylko teoretyczna, ponieważ nikomu dotąd

nie udało sie zmierzyć siły wiatru podczas trwania tornado. Z tego względu tornada są oce-

niane po szkodach przez nie spowodowanych. Prowadzi to do tego, że doświadczeni meteoro-

lodzy na podstawie zniszczeń przypisują temu samemu zjawisku różne klasy F według skali

Fujity.

245

Tablica 3. Skala intensywności trąb powietrznych (tornad) TORRO [4].

Ska-

Pręd-

kość

wiatru

[m/s]

Opis tornada

Opis szkód

17-24 Lekkie

Unoszenie z powierzchni ziemi i nadanie spiralnego ruchu lek-

kim śmieciom, uszkodzenia markiz i dużych namiotów, wyry-

wanie pojedynczych dachówek, łamanie małych gałązek, do-

strzegalny tor zniszczeń.

25-32 Łagodne

Leżaki, małe rośliny, ciężkie śmieci wprawiane w ruch i uno-

szone w powietrzu, drobne uszkodzenia budynków, wyrywanie

dachówek, lekkie uszkodzenia kominów, wywracanie płotów

drewnianych, lekkie uszkodzenia żywopłotów i drzew, odła-

mywanie pojedynczych konarów.

33-41 Umiarkowane Przestawianie ciężkich ruchomych (nie przytwierdzonych do

podłoża) domów, lekkie przyczepy turystyczne wywiewane,

ogrodowe altany zniszczone, dachy garaży pozrywane, duże

szkody w drzewostanie, wirowanie niektórych gałęzi, wyrywa-

nie małych drzew.

42-51 Mocne

Poprzewracane ruchome domy, lekkie przyczepy zniszczone,

garaże i budynki o lekkiej konstrukcji zniszczone, niektóre duże

drzewa połamane lub wyrwane.

52-61 Gwałtowne

Unoszenie samochodów, domy ruchome unoszone w powie-

trze, zerwane dachy z domów, ściany szczytowe budynków

porozrywane, liczne drzewa powyrywane lub połamane.

62-72 Intensywne

tornado

Unoszenie ciężkich pojazdów, poważniejsze szkody budynków

niż w T4, zawalone stare, słabe budynki, stoją ściany domów.

73-83 Umiarkowanie

niszczące

Utracenie przez domy dachów i ścian, zawalona większość

budynków.

84-95 Silnie niszczą-

Zdemolowane całkowicie drewniane domy, niektóre kamienne

ściany domów zawalone, konstrukcje stalowe lekko powygina-

ne. Lokomotywy wywrócone, dostrzegalne zrywanie kory z

drzew przez latający gruz.

T8 96-107 Ostroniszczą-

Samochody porozrzucane na dużą odległość, drewniane domy

i ich zawartość rozproszone na dużej powierzchni, domy ka-

mienne nienaprawialnie zniszczone, konstrukcje stalowe powy-

ginane.

108-

120

Intensywnie

niszczące

Wiele budynków o konstrukcji stalowej bardzo zniszczonych.

Lokomotywy i wagony kolejowe porozrzucane na duże odle-

głości, kompletnie pozrywana kora z pni drzew.

T10

121-

134

Super tornado Całe domy szkieletowe i podobne do nich budynki podnoszone

w całości z fundamentów i przenoszone na pewną odległość.

Zniszczenia poważnej natury z pozostawieniem szerokiego

liniowego śladu w znacznym stopniu pozbawionego roślinno-

ści, drzew i budowli wzniesionych przez człowieka.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: