Vzdělávací centrum

1        Úvod

Problematikou působení extrémních povětrnostních podmínek na střechy se v ATELIERu DEK zabýváme dlouhá léta. Vydali jsme několik článků v časopisu DEKTIME. Máme spousty zkušeností s navrhováním střech proti účinkům působení větru. Známe střechy, kde bychom očekávali, že fungovat nebudou a ony fungují.  Máme ale také zkušenosti s konstrukcemi, které působení větru neodolaly, viz pár příkladů na Obr. 1.

Obr. 1 - Poškozené konstrukce střech a fasád vlivem působení extrémních povětrnostních podmínek

Negativní vývoj klimatu, snaha zlepšit kvalitu prostředí ve městech, snížit následky přívalových dešťů a obecně lépe hospodařit s vodou, anebo jen snaha dostat více zeleně do měst, jsou důvody, proč se v poslední době s vegetačními střechami setkáváme čím dál častěji. Benefity využívání vegetačních střech jsou asi nepopíratelné. Otázkou je použití na šikmých střechách nebo vícepodlažních budovách.  Úkolem projektanta je zajistit všechny zákonné požadavky kladené na stavby. Mezi ně patří i zajištění únosnosti a stability konstrukcí, ze kterých je budova tvořena. Tzn. zajistit stabilitu nejen vlastní skladby střechy (tepelné izolace, hydroizolace atd.), ale také vegetačního souvrství. Statické posouzení stability takové skladby je velmi komplikovaný úkol, pokud uvažujeme, že definovanému sání větru dle závazných norem čelí pouze vlastní hmotnost jednotlivých vrstev střechy.

Vegetační střechy nejsou jediné, které mají nějaké vrstvy nad hydroizolací. Nesmíme zapomenout na všechny střechy, které se stabilizují kamenivem nebo dlažbou.  Tím se počet realizací s problematickým posouzením stabilizace výrazně zvýší.   

Společnost Stavebniny DEK je největším dodavatelem ucelených stavebních systémů v České republice. Jedním z hlavních cílů společnosti je poskytnout projektantům a realizačním firmám maximální technickou podporu pro návrh a realizaci spolehlivých řešení. Mezi nejpoužívanější zdroje informací, které Stavebniny DEK nabízí, patří webová databáze řešení Stavební knihovna DEK, Katalog Skladby a systémy DEK, Katalog DEK Stavebniny [1] a samozřejmě konzultační technici, kteří zajišťují technické poradenství v jednotlivých regionech. Tvorba nových kvalitních a spolehlivých řešení konstrukcí vyžaduje hledat odpovědi na množství otázek. Zvláště nutné je rozšířit odborné poznání v oblastech:

• působení dynamiky větru na opláštění budov;

• působení větrem hnaného deště;

• stanovení retenčních parametrů vegetačních střech;

• kombinace dlouhodobého statického a dynamického působení větru v kombinaci s mrazivými teplotními podmínkami.

Rozhodli jsme se ve spolupráci s dalšími partnery požádat o grant na vybudování výzkumné infrastruktury, která by měla pomoci rozšířit know-how nejen ve výše zmíněných okruzích problémů. Vyvinuli jsme a postavili světově unikátní zkušební zařízení:

• zkušební zařízení na simulování působení větru, poryvů větru a větrem hnaného deště na konstrukce, viz Obr. 2;

• klimatické víceosé dynamické zkušební zařízení, viz Obr. 3.

Hlavní motivací vývoje zkušebního zařízení na simulování působení větru, poryvů větru a větrem hnaného deště na konstrukce byl výzkum odolnosti konstrukcí proti extrémním povětrnostním podmínkám. Proto jsme v názvu zařízení inspirovali rozsahově nejničivějším povětrnostním jevem, který se na území České republiky a Evropy vyskytuje. Zařízení jsme nazvali DEK ORKAN Simulator.

Možnosti využití těchto unikátních zařízení si představíme v dalších článcích tohoto seriálu o testování odolnosti konstrukcí proti extrémním povětrnostním podmínkám. V tomto díle se zaměříme na stav současné problematiky a popíšeme hlavní myšlenky a důvody, které ovlivnily návrh zkušebních zařízení.

2        Namáhání konstrukcí větrem

Základním dokumentem pro navrhování staveb proti účinkům větru je norma Eurokód 1 [2]. Hlavním cílem normy je co možná nejpřesnější a zároveň dostatečně spolehlivě stanovit povětrnostní podmínky v blízkosti stavby, resp. stanovit statické a dynamické účinky větru působící na budovu.

Jedním z důležitých kroků při stanovení tlakových sil od větru je definování, zdali posuzuji budovu jako celek, nebo dimenzuji např. kotevní prvky střešního pláště nebo fasádního systému, viz Obr. 4. Při větrných událostech se tlakové podmínky velmi dynamicky liší a je nutné vybrat s definovanou spolehlivostí ty nejhorší, které se mohou v daném místě budovy vyskytnout. Zatímco lze při posouzení stability budovy lokální tlakové extrémy zanedbat, u posouzení kotvených plášťů budov by toto zanedbání mohlo vést k fatální chybě.

Obr. 4 - Uvažované plochy při ověření tlakových poměrů pro účely posouzení stability budovy (vlevo) nebo dimenzování kotevních prvků (vpravo)

Studiem tlakových poměrů na budovách se zabývá celá řada výzkumných institucí po celém světě. V drtivé většině případů se výzkum provádí na zmenšených modelech budov ve specializovaných aerodynamických tunelech, viz např. Obr. 5 nebo Obr. 6. Na zmenšených modelech budov se lze zaměřit pouze na studium tlakových poměrů na budově, viz Obr. 5 anebo sledovat způsob proudění vzduchu v celých městských zástavbách, viz Obr. 6.

Na základě měření na různých tvarech různě velikých budov jsou vytvářena schémata rozložení tlaku na dílčích částech budov (střecha, fasáda atd.). Na Obr. 7 je znázorněno rozložení tlaku na střeše a dvou fasádách při působení větru na jeden z rohů budovy. Po provedení měření ze všech stran budovy je možné na střeše nebo fasádě vymezit oblasti s různě velikou intenzitou namáhání. Tak vzniknou zóny, které již známe z Eurokódu 1, viz schéma na Obr. 8.

Aplikací postupu z Eurokódu 1 [2] se vytváří např. kotevní plány pro stanovení minimálního počtu kotevních prvků na ploché střeše. Příklad je vidět na Obr. 9.

V Eurokódu jsou stanoveny tlakové poměry pro jednoduché tvary budov. U složitějších zástaveb, např. viz Obr. 10 je nutné provést odborný odhad. U staveb velkého významu, jako jsou např. mrakodrapy, se provádějí studie modelů budov a jejich zástavby v aerodynamickém tunelu, viz např. Obr. 6 anebo lze využít numerických simulací, viz příklad na Obr. 11.

Na základě četných experimentů s působením větru prováděných na modelech budov je možné poměrně slušně predikovat namáhání konstrukcí v jednotlivých částech budov. Z měřítka modelů, viz Obr. 6, je ale zřejmé, že není možné získat podrobné informace o působení větru na lokální prvky konstrukcí, jako jsou např. střešní tašky, fasádní panely, dlažba na ploché střeše apod. Tato data lze získat u modelů z numerických CFD simulací, ale otázkou je, zdali výsledek odpovídá realitě. Numerické simulace mají svá úskalí především v potřebné podrobnosti modelu a validitě výsledků, které lze ze simulací získat. Pro získání smysluplných výsledků je nutné mít hluboké znalosti aerodynamiky budov a k dispozici obrovský výpočetní výkon počítače. Obvykle se již takové úlohy řeší na superpočítači nebo počítačovém clusteru. V podmínkách běžného projektanta nebo statika je tento způsob stejně nereálný jako testování ve větrném tunelu. I kdybychom měli k dispozici takové vybavení, je zcela nereálné postihnout v modelu všechny zákonitosti, které se ale na reálné stavbě vyskytují, jako jsou např. tření a vzájemné vazby jednotlivých prvků, imperfekce atd. Jediný způsob, jak stanovit odolnost dílčích prvků konstrukcí tedy stále zůstává v dílčích experimentálních měřeních.

Běžné aerodynamické tunely jsou uzpůsobeny především pro laboratorní měření obtékání vzduchu kolem těles, jako např. aut, modelů letadel nebo budov. Dokonce existují i klimatické tunely, které k proudění přidávají srážky nebo udržují definovanou teplotu. Obvykle ale není možné studovat konstrukce na hranici nebo dokonce za hranicí pevnosti nebo stability měřeného tělesa, protože by poškození měřeného tělesa mohlo způsobit obrovské škody na měřicím zařízení. Stejně tak nejsou běžné aerodynamické tunely uzpůsobeny na vytváření velkých tlakových rázů v proudícím vzduchu. Cílem je naopak usměrnit vzdušninu do co možná nejhomogennějšího proudu.

Našim cílem pro návrh zkušebního zařízení byl pravý opak. Významně turbulentní proudění působící na dílčí prvky konstrukcí s využitím znalostí proudění vzduchu v okolí budov z aerodynamických tunelů.

3        Metody pro experimentální stanovení odolnosti konstrukcí proti účinkům větru

Přestože se v tomto článku zaměříme pouze na střešní konstrukce, v zásadě podobné bude platit i pro fasádní systémy. Těmi se budeme ale zabývat v některém z budoucích článků v DEKTIME.

Pro stanovení odolnosti prvků a konstrukcí pro střechy se v praxi používají více, či méně sofistikované zkušební postupy, které se mohou vzájemně doplňovat.

Cílem článku není provést komplexní výčet všech zkušebních metod. Zaměříme se pouze na některé z nich, které jsou ve stavební praxi velmi důležité anebo by důležité měly být.

3.1       Mechanicky kotvené jednoplášťové střechy s povlakovou hydroizolací

Nejlépe zpracovaná metodika pro zkoušení souvrství střech s povlakovou hydroizolací a jejich prvků je známá pod označením Wind uplift test a pochází z již neplatné směrnice ETAG 006 [7]. Dnes je tato metoda zakotvená v normě ČSN EN 16002 [8].

Tato zkouška se provádí ve speciální vakuové komoře pro zkoušení reálných vzorků střechy o rozměrech cca 5 x 2,6 x 0,7 m (d, š, v). Vzorek střechy je vystaven cyklickému střídání tlakových rozdílů, při kterém dochází k reálnému namáhání povlakové hydroizolace, spojů a kotevních prvků současně, viz schéma na Obr. 12. V současnosti nám není známo, že by existovala nějaká dokonalejší zkušební metoda. Způsob namáhání slušně reprezentuje podmínky na reálně střeše. Vzorky jsou ve skutečném měřítku a jsou testovány obvykle desítkami tisíc cyklů, viz Obr. 13, definovaných v normě [8]. Stále je ale nutné mít na paměti, že se nejedná o dokonalou simulaci reálného chování, a to min. ve dvou aspektech. Tím prvním je, že při reálném působení větru nedochází k poklesu tlakového rázu na nulu, ale hydroizolace je „v trvalém“ napětí. Druhým, dle našeho názoru, důležitým aspektem je rychlost náběhu poryvu. Norma uvádí rychlost náběhu v rozmezí 0,7-2,0 s., viz Obr. 13. Reálný poryv však působí v čase zlomku sekundy. Normově nastavené časy odpovídají možnostem zkušebních zařízení, kterých se v Evropě vyskytuje jen několik kusů. V České republice je v současnosti jediné, které představíme v příštím dílu. Přes zjednodušení se jedná o velmi dobrou metodu, kterou se dnes zkouší mechanicky kotvené střechy. Výsledkem je hodnota síly W_adm [N, kN], která odpovídá konkrétnímu typu hydroizolace, kotevního prvku a podkladu, do kterého je skladba střechy kotvena.

3.2       Lepené jednoplášťové střechy s povlakovou hydroizolací

U lepených skladeb střech je problematika o něco složitější. Jsme přesvědčeni, že neexistuje žádná vhodnější metoda zkoušení. O možnosti zkoušení stejným způsobem jako kotvené střechy se již dlouhá léta diskutuje i na půdě evropské normalizační komise (CEN TC 254). Dokonce byl vytvořen i návrh směrnice (normy), nicméně po letech tato metodika pro lepené systémy schválena nebyla.

Protože jsme dosud nedisponovali zkušební vakuovou komorou, prováděli jsme v ATELIERu řadu experimentů na vzorcích v malém měřítku, viz Obr. 14. Výhodou experimentů v malém měřítku je možnost provádět různá variantní nastavení a sledovat různé okolní vlivy, jako např. vliv teploty nebo nerovnosti podkladu na výslednou hodnotu únosnosti lepených spojů. Výsledné hodnoty únosností jsou součástí know-how, které uplatňují technici ATELIERu DEK v návrzích lepených skladeb střech.

Obr. 14 - Odtrhové zkoušky lepených skladeb střech

3.3       Vegetační střechy, střechy s dlažbou nebo kamenivem

Pokud při výpočtu stabilizace skladby střechy podle Eurokódu 1 předpokládáme, že vypočítanému sání větru na střeše musí odolat pouze vlastní hmotnost přitěžovacích vrstev, vychází v rohu budovy běžného panelového domu v Brně i více jak 30 cm kameniva. U vegetační střechy to může být klidně i přes 70 cm substrátu. Nemluvě o tom, že u vegetačních střech může docházet k erozi povrchových vrstev anebo k transportu zrn nebo celých dlaždic po střeše. I tak se většina projektantů nad těmito čísly pousměje a navrhne stabilizaci dle svých zkušeností s diametrálně nižší dimenzí.

Často se setkáváme s názorem, že je současný Eurokód 1 předimenzovaný. S tímto tvrzením však nelze tak jednoznačně souhlasit, protože během nejsilnějších povětrnostních podmínek, které se v České republice vyskytly, jako např. orkán Kiril (2007), byly na některých místech překonány normou stanovené hodnoty větru. Zde bych tedy velký prostor pro optimalizaci neviděl.

Pokud víme, na území Evropy dosud není platná žádná norma, která by se problematkou chování a spolupůsobení jednotlivých vrstev střech zabývala. Projektant je v této oblasti tudíž vystaven pouze své intuici, zkušenostem a odvaze.

Bohužel lze také konstatovat, že ani metoda uvedená v kapitole 3.1 není samostatně zcela vhodná pro testování odolnosti volně přitěžovaných střech, protože pro správné hodnocení soudržnosti vrstev je nutný souvislý proud vzduchu. Takové podmínky jsou možné v aerodynamickém tunelu. Problematika je velmi složitá, znalostí velmi málo a zkušenosti z reálných staveb příliš neodpovídají tomu, co po nás požaduje Eurokód 1. Tento dlouhodobý neuspokojivý stav by silnou motivací pro vývoj vlastních zkušebních zařízení, uzpůsobených k provádění potřebných experimentů.

3.4       Šikmé střechy se skládanou střešní krytinou

Situace v oblasti dimenzování skládaných krytin na šikmých střechách je velmi podobná, jako bylo popsáno v kapitole 3.3, s tím rozdílem, že existují opravdu velké historické zkušenosti, které jsou zapracované v různých oborových pravidlech. Někteří výrobci používají zkušební metody založené na mechanickém zvedání střešních tašek speciálními vahadly. Zde ale nelze očekávat, že se takové namáhání podobá tomu reálnému na střechách. Vychází se tak z historicky a veřejně akceptovaných zkušeností, u kterých se při dodržení obvyklých pravidel nic moc nestane. A když už se vyskytne větrná událost, kdy dojde k poškození, tak pojišťovny nemají problém vyplácet pojistné plnění. Je ale otázkou, jak dlouho.

 Přestože byla hlavní pozornost při vývoji zařízení věnována výše zmíněné problematice, byl kladen velký důraz na možné univerzální využití pro širokou škálu testování, nejen v oblasti stavebnictví.

Na tento článek chceme navázat bližším popisem vyvíjených zařízení a prvními zkušenostmi z testování. Předpokládané termíny vydání dalších dílů seriálu článků:

• Díl 2.: září - říjen 2024: Popis a příklady využití zkušebního zařízení na simulování působení větru, poryvů větru a větrem hnaného deště na konstrukce.

• Díl 3.: leden - březen 2025: Popis a příklady využití klimatického víceosého dynamického zkušebního zařízení.

Obě vyvíjená zařízení uvedená v úvodu článku byla vyvíjena ve spolupráci s firmou GRIPPER SYSTEMS s.r.o. v rámci operačního programu Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost, programu APLIKACE s názvem DEK FUTURE BUILDING   CZ.01.1.02/0.0/0.0/17_176/0015727.

Literatura a podklady

[1]        Katalog DEK Stavebniny. https://www.dek.cz/pobocka-brno/obsah/technicka-podpora/katalog [online].

[2]        Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1- 4: Obecná zatížení – Zatížení větrem.

[3]        BIELEK Milan, ČERNÍK Peter, TAJMIR Mirko. Aerodynamika budov. V: Alfa. Bratislava, 1990, 188 s. ISBN 80-05-00632-2.

[4]        GOLIBER Matthew Robert. Pressure distribution on the roof of a model low-rise building tested in a boundary layer wind tunnel. Graduate Theses and Dissertations, Iowa State University, 2009.

[5]        FREDERIKSEN Carsten. The List of Wind Tunnel Testing Facilities. https://dewesoft.com/blog/list-of-wind-tunnel-testing-facilities [online].

[6]        MACHEAD Engineering. https://www.mechead.com/urban-simulation-with-ansys-from-lidar-file-to-3d-city-model/ [online].

[7]        ETAG 006. European organisation for technical approvals (EOTA). Brussels, 2000, český překlad 62 s.

[8]        ČSN EN 16002 Hydroizolační pásy a fólie - Stanovení odolnosti proti zatížení větrem mechanicky kotvených pásů a fólií pro hydroizolaci střech. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2019.