Klimatická zatížení v nové generaci Eurokódů
Druhá generace Eurokódů pro klimatická zatížení, jejichž revize je v technické subkomisi CEN/TC250/SC1 téměř dokončena, má být přehlednější, uživatelsky příznivější, poskytovat informace o zásadách stanovení klimatických zatížení a jejich účincích na konstrukce. V národních přílohách se provede výběr národních parametrů včetně aktualizace národních klimatických map.
1. Úvod
V rámci přípravy nové generace Eurokódů pro navrhování konstrukcí byly v technické subkomisi CEN/TC250/SC1 zpracovány projektovými týmy konečné návrhy norem pro klimatická zatížení z řady Eurokódů EN 1991. V současnosti ještě procházejí tyto normy drobnými úpravami v subkomisi SC1, procesem schvalování v CEN Management centru a hlasováním členských zemí o jejich schválení. Očekává se, že normy pro klimatická zatížení budou k dispozici pro národní překlady a přípravu nových národních příloh v roce 2022. Do revidovaného Eurokódu EN 1990, normativních příloh A1 až A6, byly také převedeny zásady navrhování a kombinace zatížení včetně klimatických zatížení z řady EN 1991 pro zásobníky, nádrže a pro jeřáby a z řady EN 1993 pro ocelové stožáry, věže a komíny.
Kromě Eurokódů pro klimatická zatížení byla zpracována v rámci komise CEN/TC 250 technická zpráva, která analyzuje možné dopady klimatických změn na konstrukce a zda je potřebné tyto vlivy uvažovat při navrhování konstrukcí s delší návrhovou životností, např. u mostů (Fikke a kol., 2018).
Záměrem 2. generace Eurokódů je usnadnit používání a sjednotit dosud existující nekonzistentní pokyny v různých částech Eurokódů a doplnit nebo lépe ozřejmit některá aplikační pravidla. Měla by se také odstranit obdobná, opakující se ustanovení v některých Eurokódech, aby byla uživatelsky příznivější. Snahou je též snížit počet národně stanovených parametrů (NDP), kterých je v současné generaci Eurokódů přes 1500, protože čistě technické parametry není třeba národně volit.
Je obecně známo, že Eurokódy mají přísnější požadavky na zatížení, zejména na klimatická. Příkladem jsou zatížení sněhem a větrem, u kterých se zvýšily návrhové hodnoty až trojnásobně proti původním ČSN. V Eurokódech se vychází při stanovení charakteristické hodnoty klimatických zatížení ze střední doby návratu 50 let, zatímco v našich původních ČSN se počítalo pouze asi s 15letou dobou návratu. Došlo také ke zvýšení dílčích součinitelů pro stanovení návrhových hodnot klimatických zatížení (z hodnot 1,2 až 1,4) na hodnotu 1,5. Problémy tak nastávají při hodnocení spolehlivosti existujících konstrukcí, které byly navrženy na základě dříve platných ČSN. Proto je potřebné kromě Eurokódů použít pro hodnocení spolehlivosti existujících konstrukcí také ČSN ISO 13822 včetně souboru národních příloh uvedených v ČSN 73 0038, která prošla nedávnou revizí v roce 2019. V ČSN 73 0038 se nově uvádějí podrobnější požadavky na hodnocení spolehlivosti existujících konstrukcí s památkovou hodnotu.
2. Zatížení sněhem
Eurokód EN 1991-1-3 obsahuje pokyny pro stanovení zatížení sněhem v normálních i výjimečných sněhových podmínkách. Počet národně stanovených parametrů (NDP) umožňujících národní volbu se podařilo snížit v revidovaném dokumentu téměř o třetinu. Některé země však nebyly spokojeny s omezením volby vybraných parametrů, zejména severské země, které mají v některých oblastech zcela odlišné klimatické podmínky, takže skutečný počet národních parametrů může být ještě upraven.
Obr. 1: Zatížení sněhem na zemi dle národních příloh členských zemí CEN
V EN 1991-1-3 se uvažuje se zatížením konstrukcí sněhem bez návějí a s návějí. Uvádí se zde pokyny pro stanovení zatížení sněhem na střechách různého tvaru, zohlednění zatížení sněhovými převisy i zatížení způsobená navátím sněhu. Zatížení sněhem v závislosti na nadmořské výšce se v mnoha evropských zemích stanoví na základě výpočetních vztahů platných pro specifické klimatické oblasti. Některé nové země CEN včetně ČR však neměly příležitost se společného evropského výzkumu v 90. letech 20. stol. zúčastnit a nepodařilo se již získat finanční prostředky potřebné pro tvorbu celoevropských map pro jednotlivá klimatická zatížení. Proto si tyto země včetně ČR zpracovaly své mapy ve spolupráci s národními hydrometeorologickými instituty. Některé další země CEN si pak ještě ve svých národních přílohách upravily zatížení sněhem na zemi, takže pouze asi 30 % území definovaného dle výsledků společného evropského výzkumu zůstalo zachováno. Zatížení sněhem na zemi dle dostupných národních příloh členských zemí ilustrované v evropské mapě je uvedeno na obr. 1.
V rámci revize EN 1991-1-3 se provedly analýzy tvarových součinitelů, modelů výjimečných sněžení, zpřesnily se modely pro stanovení zatížení sněhem na střeše, pro hromadění sněhu v místech různých překážek na střechách (komíny, sněhové zachytávače), pro vliv velikosti střechy (např. pro ploché, rozsáhlé průmyslové střechy), pro rozdílné způsoby ukládání sněhu a pro tvorbu návějí na různých tvarech střech, např. na válcových střechách nebo na členitých střechách. K dispozici jsou také nové modely pro globální a lokální vlivy. Provedla se analýza nekonzistencí charakteristických hodnot zatížení sněhem na zemi na hranicích jednotlivých členských zemí.
Byl navržen nový postup pro uvážení vlivu velikosti u rozsáhlých plochých střech, zpřesnil se postup stanovení součinitele expozice a doplnila se nová uspořádání sněhu na střechách. Upravil se také model sněhu pro přilehlé střechy v různých výškových úrovních a nově se uvedl postup pro stanovení zatížení na střechách s fotovoltaickými zařízeními.
Při stanovení zatížení sněhem na střeše se bere v úvahu navátý a nenavátý sníh. Pro trvalé a dočasné návrhové situace se uvádí vztah pro zatížení sněhem na střeše
kde μi je tvarový součinitel, Ct je teplotní součinitel a sk je charakteristická hodnota zatížení sněhem na zemi dle sněhové mapy. Pro ploché střechy byl upraven tvarový součinitel (nyní vychází z modelu v nedávno revidované ISO 4355), také s uvážením nových dat z měření:
ve kterém je součinitel expozice Ce,F stanoven podle účinné délky střechy Lc
kde účinná délka střechy (v metrech) je rovna Lc = 2W − W2/L, kde W je kratší rozměr střechy a L její delší rozměr.
3. Zatížení větrem
Revize normy EN 1991-1-4 pro zatížení větrem je zaměřena na zjednodušení pokynů pro běžné typy staveb a na doplnění některých dosud nedostatečně vysvětlených nebo chybějících postupů. V současnosti jsou nově v rozsahu normy stavby až do výšky 300 m. Uvádí se zde postupy, jak stanovit kvazistatické modely zatížení pro běžné druhy konstrukcí, a také postupy pro určení dynamických modelů zatížení větrem u těch konstrukcí, kde může vzniknout významná dynamická odezva na zatížení větrem. Některé vztahy byly upraveny, například pro stanovení maximálního dynamického tlaku větru, pro součinitel drsnosti terénu a intenzitu turbulence podle výšky budovy. Jsou zde pokyny, jak stanovit tlaky větru, jak uvážit místní vlivy (např. dle umístění staveniště, orografie terénu) a tvar střechy. I když byla celá norma mnohokrát přepracovávaná, pro množství výpočetních vztahů a různých odkazů zůstává i v nové generaci Eurokódů text této normy dosti komplikovaný. Ke konečnému návrhu EN 1991-1-4 přišlo velké množství národních připomínek (556), z nichž asi polovina měla technický charakter.
EN 1991-1-4 je členěna na 10 základních kapitol a 13 příloh A až M. Postup stanovení tlaků větru na vnější a vnitřní povrchy konstrukcí je uveden v kapitole 7, rozlišuje se, zda se jedná o jednoduché stavby nebo složitější konstrukce. Příloha A uvádí informace o mapách výchozích základních rychlostech větru v současných národních přílohách, které jsou porovnány v evropské mapě rychlostí větru. Způsob uvážení vlivu terénu je uveden v příloze B. Revidované součinitele vnějších a vnitřních tlaků, součinitele výsledných tlaků a součinitele sil jsou v přílohách C až E. Příloha F uvádí postup pro stanovení kmitání konstrukce ve směru větru, součinitele síly na konstrukce s námrazou a na nosné konstrukce mostů. Příloha G uvádí postupy pro stanovení odezvy s ohledem na kroutivé kmitání a kmitání konstrukce od turbulence větru v příčném směru. Příloha H se zabývá postupy pro dynamickou a aeroelastickou odezvu štíhlých konstrukcí. Dynamické charakteristiky konstrukce jsou obsahem přílohy I. Zatížení větrem na příhradové věže a stožáry jsou uvedena v příloze J. Příloha K zcela nově uvádí metodiku stanovení návrhových hodnot parametrů pro modely konstrukcí ve větrném tunelu. Příloha L uvádí postupy odvození rychlostí větru na základě měření z meteorologických stanic a příloha M se zabývá způsobem odvození charakteristické hodnoty zatížení větrem, pokud jsou známa pravděpodobnostní rozdělení jednotlivých veličin. Doplnily se také některé pokyny pro zatížení mostů větrem a pro aeroelastickou odezvu konstrukcí. Projektový tým provedl porovnání výchozích základních rychlostí větru podle národních příloh jednotlivých členských zemí. V některých zemích se hodnoty základních rychlostí větru na hranicích výrazně liší, jiné hodnoty byly také dříve uvedeny v evropské mapě rychlostí větru zpracované k předběžnému Eurokódu ENV 1991-2-4. Snahou bylo též harmonizovat přístupy obsažené v různých národních přílohách členských zemí.
4. Zatížení teplotou
EN 1991-1-5 uvádí pokyny pro stanovení zatížení od klimatických teplot na různé typy konstrukcí pozemních a inženýrských staveb včetně mostů. Norma se nově člení na devět základních kapitol, dvě normativní a jednu informativní přílohu. U budov byly zjednodušeny tabulky s doporučenými hodnotami teplot pro vnitřní a vnější prostředí a také zohledňující působení sluneční radiace na stavbu s ohledem na barvu, strukturu povrchu a orientaci stavby vůči světovým stranám. Klimatické změny s možným nárůstem teplot, které se dle různých teorií predikují v rozmezí 2 až 5 °C do konce příštího století, nebyly do současných modelů zatížení teplotou zahrnuty, lze je uvážit v národní příloze.
Konstrukce mostů jsou kategorizovány do tří základních tříd podle typu materiálu: ocel, beton a ocelobeton. Pokud by bylo potřebné uvážit další materiály, jak např. požadovalo Norsko pro dřevěné mosty, je možné postup doporučit na národní úrovni. Rovnoměrná složka teploty mostů se stanoví na základě charakteristické hodnoty teploty vzduchu ve stínu a doporučeného převodu dle příslušného typu konstrukce. V normě je nadále možné zvolit mezi dvěma alternativními postupy stanovení svislé rozdílové složky teploty, a to lineárním nebo nelineárním průběhem teplot. Tyto přístupy se nepodařilo sjednotit, takže oba alternativní postupy zůstaly národně volitelné.
V ČSN EN 1991-1-5 se uvádí rozsah rovnoměrné složky teploty ΔTN pro stanovení posunů (expanze nebo kontrakce) mostních ložisek, mostních závěrů a dilatací stavebních konstrukcí jako rozdíl mezi výchozí teplotou T0 a rovnoměrnou složkou teploty konstrukce TN na základě vztahů
kde maximální/minimální rovnoměrná složka teploty TN,max/TN,min vychází z charakteristické hodnoty teploty vzduchu ve stínu a převodních vztahů pro tři základní typy nosných konstrukcí mostů. V současně platném Eurokódu je výchozí teplota T0, při které dochází k omezení (kompletaci) konstrukce mostu, doporučena hodnotou 10 ºC, pokud nejsou k dispozici podrobnější údaje na základě provedených měření. Země CEN ze střední a východní Evropy tuto hodnotu převzaly, země v oblasti Středomoří ji většinou zvýšily na 15 ºC, zatímco některé severské země uvádějí rozdílné hodnoty pro letní a zimní období, (Markova, 2018). V ČSN EN 1991-1-5 se pro navrhování mostních ložisek a závěrů doporučuje maximální/minimální rozsah teplot uvážením přídavné hodnoty ± 20 °C, a pokud není známa výchozí teplota T0, pak se mají brát hodnoty (ΔTN,con+20) ºC a (ΔTN,exp+20) ºC. Pokud by byla známa výchozí teplota, při které jsou instalována ložiska a závěry, pak lze tento teplotní rozsah snížit na ± 10 °C. Výchozí teplota se v ČSN EN 1991-1-5 tedy zavedla pouze konstantní hodnotou, bez uvážení přídavných nejistot při jejím určení.
Obr. 2: Charakteristická hodnota maximálního protažení (ΔTN,exp) a zkrácení (ΔTN,con)
V revidovaném Eurokódu EN 1991-1-5 pro zatížení teplotou se nově uvažuje kromě hodnoty výchozí teploty T0, při které dochází k omezení konstrukce mostu, s nejistotami při stanovení příslušné hodnoty výchozí teploty. Pokud nejsou k dispozici podrobnější data specifická pro oblast staveniště, pak lze hodnotu výchozí teploty uvážit jako průměr z minimální/maximální teploty vzduchu ve stínu (Tmin a Tmax), pokud by nebyla v národní příloze vybrána vhodnější hodnota pro národní použití. Horní a dolní hodnotu výchozí teploty vlivem expanze/kontrakce lze zapsat vztahy
a pro charakteristickou hodnotu maximálního protažení a zkrácení (obr. 2) platí
Dílčím úkolem při přípravě revize normy bylo provést analýzu nekonzistencí charakteristických hodnot zatížení teplotou vzduchu ve stínu a rovnoměrné složky teploty na hranicích jednotlivých zemí CEN. Charakteristické hodnoty maximálních teplot vzduchu ve stínu Tshade na česko-slovenské hranici jsou ilustrovány v tab. 1, na česko-rakouské hranici v tab. 2, kde jsou také uvedeny maximální a minimální rovnoměrné složky teploty pro tři kategorie mostů a jejich rozdíly ΔTN.
| Oblast | CZ – Tmax | SK – Tmax | ΔTN,max | CZ – Tmin | SK – Tmin | ΔTN,min |
|---|---|---|---|---|---|---|
| severní | 34–32 | 40 | 8–6 | −34–(−36) | −30 | −2–(−4) |
| střední | 36–34 | 40 | 6–4 | −32–(−34) | −28 | −4–(−6) |
| jižní | 40–38 | 40 | 2–0 | −30–(−32) | −28 | −2–(−4) |
| Nadm. výška | CZ − Tmax | A − Tmax | ΔTN,max | CZ − Tmin | A − Tmin | ΔTN,min |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 600–900 | 38–36 | 35,4–33,6 | 2,6–2,4 | −32–(−34) | −19,6–(−21,4) | −12,4–(−12,6) |
| 470–500 | 40–38 | 36,2–36 | 3,8–2 | −30–(−32) | −18,8–(−19) | −11,2–(−13) |
| 400–500 | 38–36 | 36,6–36 | 1,4–0 | −28–(−30) | −18,4–(−19) | −9,6–(−11) |
| 200–250 | 40–38 | 37,8–37,5 | 2,2–0,5 | −28–(−30) | −17,2–(−17,5) | −10,8–(−12,5) |
5. Zatížení námrazou
Zatížení námrazou je uvedeno ve zcela nové normě EN 1991-1-9. Podkladem pro tvorbu byla mezinárodní norma ISO 12494, kdy došlo k celé řadě zjednodušení a některé přílohy z ISO normy byly přesunuty do podkladního dokumentu (původní velikost této ISO normy o 57 stranách byla zredukována v EN 1991-1-9 pouze na 27 stran s 11 volitelnými parametry NDP). Norma obsahuje 8 základních kapitol a 4 informativní přílohy A až D.
EN 1991-1-9 popisuje způsob tvorby námrazy a ledovky a jak uvážit zatížení námrazou na konstrukce. Základní zatížení námrazou mb se stanovuje na základě formálně obdobného vztahu jako u rychlosti větru
kde mb,0 je výchozí zatížení námrazou, které má být uvedeno v národní příloze, cdir je součinitel směru, cobject je součinitel tvaru, corient je součinitel polohy (svislé nebo vodorovné) a ch je součinitel výšky.
V základním textu normy jsou nyní uvedeny pouze výpočetní vztahy pro stanovení charakteristických hodnot zatížení námrazou, kdy celá řada tabulek byla z původní ISO 12494 vynechána. Modely tvarů námrazy nebo ledovky na různých typech kovových profilů byly zjednodušeny, klasifikace tříd námraz a ledovky byla zachována. EN 1991-1-9 uvádí třídy námrazy (R1 až R10) až do 50 kg/m, ve třídě R10 je potřebné kontaktovat národní meteorologické ústavy pro podrobnější informace. Rozlišují se třídy ledovek G1 až G6. V EN 1991-1-9 se kromě toho umožní i přímé použití charakteristických hodnot hmotnosti námrazy nebo její tloušťky bez potřeby použití doporučených tříd. Zpřesnil se také vztah pro součinitel výšky ch pro námrazu a ledovku, kterým se zohledňuje při stanovení těchto zatížení výška konstrukce nad terénem (např. pro vysoké věže).
Pro stanovení námrazy se doporučil postup pro sběr námrazy na rotující referenční tyči o profilu 30 mm. Diskutovalo se, zda je takto zjišťovaná námraza na rotující tyči dostatečně reprezentativní pro skutečné konstrukce nebo jejich prvky zatížené námrazou. V některých zemích se provádí sběr námrazy pouze na pevné tyči, v dalších zemích včetně ČR na rotující tyči ve vertikální nebo horizontální poloze.
Kombinace zatížení námrazou se zatížením větrem byla přesunuta do normativní přílohy A3 EN 1990 pro zásady navrhování věží, stožárů a komínů (Markova, Holicky, 2015). Doplnily se také pokyny pro zatížení ocelových lan u zavěšených mostů námrazou do přílohy A2, s odkazem na metodiku stanovení námrazy v EN 1991-1-9. Součinitele sil, kterými se uvažuje zvětšení odporu na namrzlou konstrukci při současném působení větru s námrazou, byly přesunuty do EN 1991-1-4. Normativní pokyny pro odstupové vzdálenosti pro veřejnost uvedené v ISO 12494 pro zabránění zranění osob pádem námrazy z vysoké konstrukce byly přesunuty do informativní přílohy A. V příloze B jsou uvedeny informace o způsobu tvorby námrazy na konstrukcích, v příloze C podrobnosti o typech námrazy a sběru dat, v příloze D informace pro uživatele o způsobech použití této normy pro stanovení velikosti námrazy.
6. Závěrečné poznámky
Eurokódy pro klimatická zatížení, jejichž revize je v rámci technické subkomise CEN/TC250/SC1 téměř dokončena, by měly být přehlednější, uživatelsky příznivější, poskytovat podrobné informace o zásadách stanovení modelů klimatických zatížení a jejich účinků na konstrukce, které se budou používat při navrhování v členských zemích CEN.
Pro účinné a hospodárné zavedení norem pro klimatická zatížení nové generace Eurokódů do systému ČSN bude důležité správně rozhodnout o národně volitelných parametrech. K tomu bude nutné provést celou řadu nových porovnání, porovnávacích výpočtů i pravděpodobnostních analýz spolehlivosti. Volba národně stanovených parametrů bude mít bezesporu dopad na navrhování nových konstrukcí i hodnocení existujících konstrukcí včetně památkově chráněných staveb.
V národních přílohách zpracovaných pro zavedení 2. generace Eurokódů bude potřebné aktualizovat národní mapy pro klimatická zatížení. Mapy musí být stanoveny v souladu s novými evropskými definicemi a vycházet z dlouhodobých klimatických měření zahrnujících nově dostupná měření. Předpokládá se proto provedení aktualizace našich klimatických map ve spolupráci s ČHMÚ.
7. Literatura
- EN 1990 Eurocode Basis of structural and geotechnical design, 11/2019
- EN 1991-1-3 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-3: General actions – Snow actions, 04/2020
- EN 1991-1-4 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-4: General actions – Wind actions, 04/2020
- EN 1991-1-5 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-5: General actions – Thermal actions, 04/2020
- EN 1991-1-9 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-9: General actions – Atmospheric icing, 04/2020
- ISO 4355 Bases for design of structures — Determination of snow loads on roofs, 03/2013
- ISO 12494 Atmospheric icing of structures, 03/2017
- Markova J., Holicky M., Reliability Assessment of Towers and Masts, Conference Esrel, Zurich, 2015
- Markova J., Models of Thermal Actions for Steel and Composite Bridges based on Monitoring, 9th International symposium on steel bridges, Prague, 2018
- Fikke S. M., Markova J. et al., Climate Change, TC250/SC1 Technical Report, 2018
Poděkování
Tento výsledek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MŠMT v rámci projektu LTT18003 „Pravděpodobnostní rozbor degradujících konstrukčních systémů“.
Development of the second generation of Eurocodes for climatic actions in the framework of the technical subcommittee CEN/TC250/SC1 is nearly finished. Revised Eurocodes should be more transparent, user-friendly and provide information about the basis of climatic actions and their effects on structures. National selection of the National Determined Parameters is expected to be given in the National Annexes including updated climatic maps.
