Druhá generace Eurokódů pro zatížení staveb v závěrečné etapě své tvorby

1. Úvod

Revize Eurokódů EN 1991 pro zatížení konstrukcí se nachází v závěrečné etapě své tvorby. Technická subkomise SC1 obdržela připomínky členských zemí k Eurokódům předložených k národnímu hlasování ve stádiu ENQ (Enquiry – přezkoumávání), které jsou pak následně zapracovávány v pracovních skupinách této subkomise. Pokud by se zjistilo, že jsou ještě potřebné podstatné technické změny, pak by bylo třeba předložit příslušné části EN 1991 k opakovanému hlasování. Těchto připomínek (edičního i technického charakteru) bývá velmi mnoho, např. nyní u prEN 1991-1-5 pro zatížení teplotou jich bylo zasláno členskými zeměmi celkem 15 stran, u prEN 1991-1-9 pro zatížení námrazou 30 stran. Ukazuje se, že některé členské země v průběhu přípravy jednotlivých částí Eurokódů nebyly dostatečně aktivní a nyní, když se již přibližuje povinnost zemí zavést 2. generaci Eurokódů, teprve vyvíjí zvýšenou aktivitu.

V následujícím textu jsou uvedeny aktuální informace o stavu dokončování revize zatížení v prEN 1991. Po formální stránce zde došlo k úpravě úvodních kapitol a také obrázků a vztahů, aby byly v souladu s dokumentem N 1250, ve kterém jsou uvedeny požadavky na tvorbu Eurokódů po technické i ediční stránce. Byly také provedeny úpravy názvů jednotlivých částí Eurokódů pro zatížení.

V N 1250 se uvádí postupy tvorby 2. generace Eurokódů včetně národních příloh, způsob odkazů na národně stanovené parametry (NDP) a na doplňující literární zdroje, které mohou být uvedeny v bibliografii. V národní příloze je pak uvedeno národní rozhodnutí o statutu příloh, tedy zda budou mít normativní nebo informativní charakter. Uváží se také, zda jsou potřebné odkazy na doplňující informace, která nejsou v rozporu s Eurokódy. Požaduje se, aby jednotlivé revidované části Eurokódů byly doplněny podkladními dokumenty, které by uživateli podrobněji ozřejmily normativní požadavky a doporučení.

2. Zatížení vlastní tíhou, stálá a užitná zatížení

PrEN 1991-1-1 se zabývá pokyny pro stanovení vlastní tíhy, stálými a užitnými zatíženími. Kategorizace užitných ploch byla zachována obdobně jako v 1. generaci Eurokódů. Kategorie ploch A (rezidenční plochy) a B (administrativní plochy) byly rozčleněny do dvou subkategorií podle způsobu jejich používání, např. subkategorie A.1 pro obytné místnosti a chodby a A.2 pro ložnice, koupelny, pokoje v nemocnicích, hotelech nebo hostelech. Pro tyto subkatokategorie byly doporučeny stejné hodnoty užitných zatížení, což lze v případě potřeby upravit v národní příloze.

Pro jednotlivé kategorie užitných ploch se uvádí pouze jedna doporučená charakteristická hodnota užitných zatížení, nikoliv intervaly užitných zatížení, jako jsou uvedeny v nyní platné verzi EN 1991-1-1. Ve většině případů byla vybrána pro užitná zatížení v současnosti doporučená, podtržená hodnota ze stávajícího intervalu hodnot dle současně platného ČSN EN 1991-1-1. Nově jsou definována užitná zatížení pro schodiště jako kategorie S, kde pro kategorii S1 se doporučují použít stejné hodnoty užitných zatížení, jako jsou v kategorii A a B, pro kategorii S2 na schodištích a podestách tribun bez pevných sedadel hodnotu 7,5 kN/m², a pro kategorii S3 použít 5 kN/m². Pro lodžie, terasy a balkóny se doporučují 4 kN/m². Byla upravena doporučení pro užitná zatížení od přemístitelných příček dle jejich vlastní tíhy.

Nově zavedeným pokynem je, že pokud působí užitné zatížení z více pater nebo z větší plochy, umožňuje se použít současně pro užitná zatížení redukční součinitele α_n a α_A, je zde však omezení na maximálně 50% redukce hodnoty užitného zatížení. Pro oba redukční součinitele platí také přídavná omezení dle kategorie užitných zatížení. Jsou zde také doporučeny velikosti spolupůsobících ploch pro uvažovaný nosný prvek. Kombinační součinitel ψ lze také kombinovat se součinitelem α_n, což by však mohlo vést k návrhu nedostatečně spolehlivé konstrukce. Tyto pokyny bude zřejmě potřebné ověřit, popř. upřesnit v národní příloze. Upozorňuje se také na zatížení, která vznikají při rytmickém pohybu davu lidí, kdy je nezbytné uvážit dynamické modely pro užitné zatížení (konkrétní modely zde však nejsou uvedeny).

3. Zatížení konstrukcí požárem

V prEN 1991-1-2 pro zatížení konstrukcí vystavených účinků požáru zůstal obsah základních normativních kapitol po technické stránce téměř beze změn. Všechny přílohy mají informativní charakter a lze národně rozhodnout o jejich aplikaci. Některé vztahy v přílohách A až G byly upraveny nebo doplněny, kdy také byly využity výsledky nového výzkumu. Změny se týkají zejména přílohy C zabývající se lokálními požáry (např. u modelu výšky plamene vzhledem ke stropní konstrukci), přílohy E pro hustotu požárního zatížení a přílohy G pro polohový faktor, která byla rozšířena o modelování lokalizovaného požáru. Zcela nově se zde uvádí příloha H pro zatížení dřevěných konstrukcí požárem.

4. Zatížení sněhem

V Eurokódu prEN 1991-1-3 jsou pro zatížení sněhem upraveny některé výpočetní modely, podkladem byly výsledky nových výzkumů a nedávno revidovaná ISO 4355. Součinitel expozice C_e se zavedl přímo do výpočetního vztahu pro tvarové součinitele, upřesňuje se součinitel tepla C_t . Pro rozsáhlé ploché střechy byl uvážen vliv velikosti střechy. Pro střechy vícelodních budov se uvádí nový vztah pro zatížení nenavátým a navátým sněhem a pro válcové střechy nový vztah pro uspořádání navátým sněhem.

Pro střechy přilehlé nebo v blízkosti vyšších staveb byl upraven součinitel μ_W pro zohlednění působení větru na návěje. Doporučil se postup pro zohlednění vlivu deště na zasněžené ploché střeše. Jsou zde také nově uvedena doporučení pro zohlednění návějí na střechách s nainstalovanými solárními panely. Plánuje se, že prEN 1991-1-3 bude předložen k formálnímu hlasování (FV) členských zemí koncem roku 2024, nyní se budou zapracovávat připomínky členských zemí ze stádia ENQ.

5. Zatížení větrem

Rozsah použití prEN 1991-1-4 pro stanovení zatížení větrem je nově rozšířen pro pozemní a inženýrské stavby o výšce do 300 m. V úvodu normy se upozorňuje, že zde nejsou uvedeny pokyny pro nesynoptické větry, jako jsou silné bouře, downburst, tornáda atd. Uvádí se zde zjednodušený přístup pro stanovení dynamických účinků od zatížení větrem.

Vítr je klasifikován jako proměnné volné zatížení. Charakteristická hodnota zatížení větrem je založena stejně jako u dalších klimatických zatížení na střední době návratu 50 let, což je stejné jako v současně platné generaci Eurokódů. Ekvivalentní kvazistatické metody pro stanovení zatížení větrem lze použít pro součinitele konstrukce c_sd ≤ 1,2.

Postupy stanovení zatížení větrem jsou podle typu a výšky konstrukce uvedeny v kapitole 5. Účinky větru na běžné typy konstrukcí se stanoví na základě maximálního dynamického tlaku větru v kapitole 6, s uvážením příslušné klimatické oblasti, drsnosti terénu, orografie a referenční výšky konstrukce (podrobněji uvedeno v příloze B) a s použitím součinitelů vnějšího a vnitřního tlaku dle přílohy C pro budovy a jiné konstrukce (např. pro chladící věže, válcové střechy, zásobníky a nádrže) včetně nepravidelných tvarů konstrukcí a jejich střech.

Přibližné stanovení hodnoty součinitele konstrukce v grafické podobě je uvedeno v kapitole 8. Podrobnější postupy stanovení dynamické odezvy různých typů konstrukcí na zatížení větrem (budovy, mosty, stožáry, věže a další inženýrské konstrukce) jsou uvedeny v příloze F, kde jsou podrobněji zpracovány než v současně platné ČSN EN 1991-1-4.

Příloha A s přehledem hodnot výchozího základního větru v členských zemích byla vynechána, předpokládá se, že si jednotlivé země zpracují aktualizované národní mapy větrných oblastí. Zatím nebyly nalezeny finanční prostředky pro tvorbu celoevropských klimatických map, ve kterých by byly odstraněny v současnosti existující nekonzistence národních map na hranicích jednotlivých zemí.

Provedla se také revize a harmonizace součinitelů vnitřních a vnějších tlaků větru. Součinitele výsledného tlaku pro stěny a střechy jsou uvedeny v příloze D. Součinitele síly pro konstrukce a konstrukční prvky včetně příhradových konstrukcí, věží, stožárů, komínů, ocelových lan, lešení a hlavních nosných konstrukcí mostu jsou uvedeny v příloze E.

Postupy pro stanovení příčné dynamické a aeroelastické odezvy pro citlivé budovy jsou uvedeny v Příloze G, pro štíhlé konstrukce v příloze H (doplňují se tak informace v kapitole 10). Dynamické charakteristiky konstrukcí (vlastní frekvence, modální tvary, ekvivalentní hmotnosti, logaritmický útlum), které mají lineárně elastické chování, jsou uvedeny v příloze I. Do přílohy J byly převedeny a upraveny požadavky na odezvu ocelových stožárů a věží na zatížení větrem, které jsou nyní obsaženy v platné EN 1993. Příloha L uvádí postupy stanovení rychlostí větru na základě měření z meteorologických stanic. Nově je do prEN 1991-1-4 zařazena kapitola K s postupy modelování zatížení větrem na konstrukce ve větrném tunelu, což umožňuje zpřesnit parametry pro specifické konstrukce nebo pro podmínky konstrukce v konkrétním projektu. Simulace zatížení konstrukce větrem na vytvořeném modelu konstrukce je již zavedeno i do některých komerčních softwarů. Příloha M uvádí pokyny pro pravděpodobnostní modelování zatížení větrem.

Doporučení pro uvážení účinků klimatických změn a jejich vliv na predikci charakteristických hodnot zatížení větrem byla zatím z EN 1991-1-4 vynechána, neb provedení predikcí u zatížení větrem ovlivňuje mnoho faktorů a jsou zde značné nejistoty týkající se budoucího vývoje zatížení větrem.

Předložení prEN 1991-1-4 do stádia schvalování ENQ se plánuje na 03/2024.

6. Zatížení teplotou

V prEN 1991-1-5 byly provedeny úpravy pokynů pro zatížení budov, kdy byly sloučeny a zpřesněny tabulky pro rozsahy teplot, které jsou v současnosti uvedeny v ČSN EN 1991-1-5. U mostů došlo k dílčím aktualizacím a zjednodušením, byl vynechán diagram pro převod teploty vzduchu ve stínu na rovnoměrnou složku teploty a uvedeny pouze výpočetní vztahy.

Pro nerovnoměrnou svislou složku teploty mostu jsou zachovány dva alternativní návrhové postupy, které mohou být zvoleny v národní příloze (tj. lineární nebo nelineární průběh teplot).

Výchozí teplota konstrukce T₀, která byla doporučena podle současně platné normy hodnotou 10 °C, tedy pokud nebyla tato teplota přesněji stanovena měřením, byla doplněna o odchylku ΔT₀, kterou se vyjadřují nejistoty při stanovení výchozí teploty.

V prEN 1991-1-5 se uvádí také doporučení pro přípravu národních map minimálních a maximálních izoterm, s jejich předpokládanými pravidelnými aktualizacemi po cca 15 až 20 letech. Současně platná příloha C se součiniteli teplotní roztažnosti byla z normy vynechána. Postup aktualizace charakteristických hodnot teplot vzduchu ve stínu a také faktor klimatické změny lze doporučit v národní příloze.

Příloha A uvádí postup stanovení teploty vzduchu ve stínu pro jinou než 50letou dobu návratu založenou na Weibullovu rozdělení, na základě kterého je možno uvážit zatížení konstrukce teplotou pro dočasné návrhové situace nebo zbytkovou dobu její životnosti.

7. Zatížení během provádění

PrEN 1991-1-6 uvádí postupy a doporučení, jak stanovit zatížení a jejich kombinace během jednotlivých etap provádění staveb. Norma se podrobněji zabývá staveništními zatíženími, která jsou specifická pro stádia provádění. Staveništní zatížení jsou zde klasifikována do 6 tříd (Q_ca až Q_cf), pro které jsou doporučeny hodnoty užitných zatížení. Nově se zde uvádí třída Q_cf , která například zohledňuje účinky dočasných podpor, dočasné závěsy, zatížení od dočasného předpětí, zatížení během betonáži, hydratační teplo, zatížení během manipulace.

Charakteristická hodnota klimatických zatížení se stanovuje obdobně jako v ČSN EN 1991-1-6, jsou zde nyní upraveny doby trvání etap provádění (do 5 dnů, nad 5 dnů až do roka a přes jeden rok). V případě potřeby je nezbytné zahrnout vlivy ročních období. Zásady navrhování pro dočasné návrhové situace, kombinace zatížení, dílčí součinitele a součinitele kombinace pro staveništní zatížení u budov jsou převedeny do přílohy A.1 EN 1990.

8. Mimořádná zatížení

PrEN 1991-1-7 uvádí zásady navrhování konstrukcí s ohledem na předem určená mimořádná zatížení. Pokyny pro uvážení předem neidentifikovaných mimořádných zatížení byly přesunuty do EN 1990, přílohy E pro robustnost konstrukcí. Revidovaná norma se zabývá mimořádnými zatíženími konstrukcí od nárazů silničních a železničních vozidel, vrtulníků, vysokozdvižných vozíků a plavidel. Jsou zde dále uvedeny zásady navrhování konstrukce na výbuchy plynu nebo prachu ve vnitřních prostorech.

Hodnoty ekvivalentních statických nárazových sil zůstaly nezměněny pro jednotlivé kategorie dopravy (byly zpřesněny rozsahy sil pro námořní plavidla). Došlo k přesunutí požadavků na nárazové síly na svodidla a konstrukce v parkovacích garážích z EN 1991-1-1 do prEN 1991-1-7.

Kategorizace konstrukcí do tříd následků CC1 až CC3 byla převedena z přílohy A do hlavního, normativního textu normy. Postupy ověřování konstrukce kategorizované do příslušné třídy následků jsou lépe vysvětleny. Ve třídě CC3 se uvádí možnost kromě použití analýzy rizik aplikovat např. dynamickou analýzu, nelineární metody a uvážit interakci mezi zatíženími a konstrukcí.

Pokyny pro dynamické analýzy uvedené v příloze C byly upraveny a zjednodušeny, přibližný model pro stanovení nárazové síly od vozidla při tvrdém nárazu (např. do mostního pilíře) byl vynechán. Zjednodušený model pro měkký náraz vozidla na svodidla je zde však v současné podobě obtížně uplatnitelný. Požadavky na zatížení na svodidla jsou uvedeny v souboru ČSN EN 1317.

V prEN 1991-1-7 je nová příloha E s ekvivalentními silami zatížení od účinků nehodových trosek a úlomků pro budovy třídy A v oblasti železničních tratí.

9. Zatížení jeřáby

V prEN 1991-3 byla zjednodušena klasifikace zatížení, upřesněny některé kombinace zatížení a doplněny pokyny pro namáhání konstrukcí od účinků jeřábů na únavu (upravena klasifikace zatížení). K dispozici jsou nové podkladní dokumenty. PrEN 1991-3 poskytuje pokyny pro jednotlivé typy zatížení, které jsou potřebné uvažovat, a také doporučené hodnoty dynamických součinitelů. V tabelizované podobě jsou uvedena zatížení pro ověření návrhových situací pro mezní stavy únosnosti a použitelnosti. Zásady navrhování a hodnoty dílčích součinitelů jsou uvedeny v EN 1990, příloze A.5.

Klasifikaci podpěrných konstrukcí jeřábů uvádí příloha A. Pokyny pro zjednodušený výpočet zatížení od mostových jeřábů obsahuje příloha B a také postup stanovení vodorovných sil od konzolových pojízdných jeřábů. Návody pro konzolové jeřáby jsou uvedeny v příloze C. Příloha D s „obecným“ přístupem, jak postupovat pro navrhování konstrukcí pro různé typy jeřábů, která byla připravená v rámci CEN/TC 250 Adhoc skupiny, byla nakonec vynechána, neb se na jejím technickém obsahu neshodly země CEN. Doplňující informace budou uvedeny v podkladním dokumentu k prEN 1991-3.

10. Zatížení zásobníků a nádrží

K dispozici je také konečné znění prEN 1991-4, snahou bylo dořešit některé nekonzistence této normy se zásadami navrhování uvedenými v EN 1990, Příloze A4 pro zásady navrhování zásobníků a nádrží. Souvislost kategorizace zásobníků podle následků poruchy (třídy CC – Consequence Class) a tříd zatížení AAC (Action Assessment Class) je uvedena na základě rizikové matice.

Velmi důležitým hlediskem při navrhování zásobníků a nádrží je geometrie a velikost zásobníků dle tříd AAC, kde hlavně návrhu velkoobjemových zásobníků je třeba věnovat značnou pozornost, zejména v nejvyšší třídě zatížení AAC3. Dominantní problémem je obvykle vyprazdňování zásobníků. I když se podařilo provést některá zjednodušení a přesunout části zásad navrhování do přílohy A4 v prEN 1990, přesto zůstává text prEN 1991-4 na některých místech zbytečně obsáhlý a nepříliš uživatelsky přehledný, s mnoha empirickými vztahy.

11. Zatížení námrazou

PrEN 1991-1-9 pro zásady navrhování a zatížení konstrukcí námrazou a ledovkou vznikl transformací ISO 12494, která byla do systému ČSN zavedena v r. 2010 a její národní příloha je obsažena v ČSN 73 0034.

V prEN 1991-1-9 byl výrazně zkrácen text, je uživatelsky příznivější. Pro stanovení charakteristických hodnot zatížení námrazou jsou uvedeny výpočetní vztahy, takže množství tabulek nyní obsažených v ČSN ISO 12494 bylo vynecháno. Jsou zde také uvedeny návody pro sběr dat o námraze a postupy pro zpracování národní mapy námraz, které však běžný projektant jistě nevyužije a v případě potřeby se obrátí na ČHMÚ. Součinitele pro stanovení zatížení větrem na konstrukce pokryté námrazou jsou obsaženy v prEN 1991-1-4. Zásady navrhování a kombinace zatížení na různé typy konstrukcí, ve kterých je třeba uvažovat s námrazou, jsou uvedeny v Příloze A3, prEN 1990.

PrEN 1991-1-9 obsahuje informativní přílohy, ve kterých jsou uvedeny doplňující pokyny o vlivu námrazy na konstrukce a také o nebezpečí, že může dojít k pádu námrazy z konstrukce a k ohrožení kolemjdoucích.

Pro uvážení námrazy na konstrukce byla u nás zpracována mapa námraz, která uvádí oblasti s jednotlivými třídami námraz, kdy při stanovení velikosti námrazy se uvažuje s jejich horní hodnotou. Kromě toho prEN 1991-1-9 umožňuje použít charakteristickou hodnotu hmotnosti námrazy nebo její tloušťky, která může být pro jednotlivé oblasti uvedena v tabelizované podobě nebo také prostřednictvím interaktivní mapy.

12. Zatížení vlnami a proudy na pobřežní konstrukce

PrEN 1991-1-8 (plánuje se předložení na schvalovací proces CEN Enquiry 03/2024) se zabývá pokyny pro zatížení vlnami a proudy na pobřežní konstrukce. Lze jej použít například pro návrhy podmořských potrubí, pro trvale zakotvené plovoucí konstrukce, pro přímořské konstrukce nebo konstrukce vlnolamů. Jedná se zde o zcela nový Eurokód vzniklý na základě transformace ISO 21650, který byl ale významně upraven. Bylo zde potřebné zcela nově zpracovat standardizované zásady navrhování a zatížení na základě metody dílčích součinitelů a také s použitím pravděpodobnostních metod založených na zásadách Eurokódů. Dokument je obsáhlý, má asi 200 stran textu (13 kapitol a 6 informativních příloh). Zásady navrhování konstrukcí na mořské vlny a proudy jsou pak obsaženy v EN 1990, Příloze 6.

13. Technická zpráva o interakci klimatických zatížení

Dokončená a schválená technická zpráva CEN/TC250/SC1 se zabývá interakcí klimatických zatížení. Pravděpodobnostní metody byly použity pro analýzy spolupůsobení klimatických zatížení. Technická zpráva uvádí hlavní fyzikální charakteristiky klimatických zatížení a způsoby modelování klimatických zatížení. Zavádí se klimatický zatěžovací řetězec s jednotlivými klimatickými zatíženími a vlivy, součinitele expozice, součinitele interakce a dynamické součinitele. Pro jednotlivé klimatické zóny v Evropě jsou analyzována klimatická zatížení.

Zpráva se též zabývá klimatickými změnami a jejich dopadem na navrhování konstrukcí. Očekává se nárůst střední hodnoty klimatického zatížení, zvětšení variačního koeficientu a změny v distribučních funkcích. U větru se očekává změna v podílu různých typů mechanismů vyvolávajících větrné bouře. Dílčí součinitele pro kombinace zatížení sněhem a větrem analyzované v několika případových studiích této technické zprávy se stanovily v rozmezí 1,75 až 2, což jsou větší hodnoty, než je doporučeno v EN 1990 pro proměnná zatížení.

14. Závěrečné poznámky

Soubor Eurokódů řady prEN 1991 byl doplněn o některé dosud chybějící pokyny, je lépe vysvětlen a došlo zde k řadě úprav a zjednodušení. Konečnými edičními nebo technickými úpravami dosud prochází většina norem. V pokročilém stádiu přípravy se nacházejí prEN 1991-2 pro zatížení mostů dopravou a EN 1991-1-2 pro zatížení požárem, které již budou předloženy pro konečné hlasování do stádia FV.

Většinou se podařilo snížit počet národně stanovených parametrů v Eurokódech, takže došlo k jejich větší harmonizaci. Přibyly také nové doplňující postupy, které dosud chyběly nebo byly dosti obecné, a to včetně některých nových zatížení, namáhání konstrukcí na únavu a upřesnění způsobů použití nelineárních metod.

Předpokládá se, že v rozmezí následujících asi dvou let bude potřebné začít připravovat nové národní přílohy, doporučit hodnoty některých nových národně stanovených parametrů a uvážit potřebu kalibrace dílčích součinitelů a dalších prvků spolehlivosti pro zatížení. Důležité bude také připravit nové klimatické mapy pro zatížení sněhem, větrem, teplotou a námrazou na základě statistického zpracování dat z posledních dvou desetiletí.

Zdroje

1. prEN 1990 Eurocode: Basis of structural and geotechnical design.
2. prEN 1991-1-1 Eurocode 1 Actions on structures - Part 1-1: Specific weight of materials, self-weight of construction works and imposed loads on buildings.
3. prEN 1991-1-2 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-2: Actions on structures exposed to fire.
4. prEN 1991-1-3 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-3: Snow actions.
5. prEN 1991-1-4 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-4: Wind actions.
6. prEN 1991-1-5 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-5: Thermal actions.
7. prEN 1991-1-6 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-6: Actions during execution.
8. prEN 1991-1-7 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-7: Accidental actions.
9. prEN 1991-1-8 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-8: Actions from waves and currents on coastal structures.
10. prEN 1991-1-9 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-9: Atmospheric icing.
11. prEN 1991-2 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 2: Traffic loads on bridges and other civil engineering works.
12. prEN 1991-3 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 1-3: Actions induced by cranes and machinery.
13. prEN 1991-4 Eurocode 1 - Actions on structures - Part 4: Silos and tanks.
14. N 1250 Policy guidelines and procedures.
15. Technical report CEN/TC250/SC1, Probabilistic basis for determination of partial safety factors and load combination factors, Interdependence of climatic actions, Background document.