Új szelek fújnak? A szél változásának tendenciái.

Átírás

1 Új szelek fújnak? A szél változásának tendenciái. Kakasy Gergely, építészmérnök 2013 Bevezetésként Építészmérnök... hogyhogy...? Eredeti cél: szakmai kiadvány frissítésével áttekintést adni a szélteher számításának aktuális előírásairól tetőhéjalásokra koncentrálva egyszerűsített számítási lehetőségeket mutatni nem-tartószerkezeti Tervezők és Kivitelezők számára! Új cél, az eredetin túlmenően: a várható tendenciákat tudatosítani hidakat építeni építész és szakági tervezők, illetve a Tervezők és a Kivitelezők között lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 1

2 2013 A szél A szél a légkört alkotó levegő közel vízszintes irányú áramlása, amelyet helyi nyomáskülönbségek hoznak létre. Kialakulásának oka a terepfajták eltérő mértékű felmelegedése, és a bolygó forgásából származó erő. (Idézet egy enciklopédiából) Védekezés a szél ellen a kezdetektől napjainkig A szél okát nem ismerte, de erejét az ember a kezdetektől fogva tapasztalta... lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 2

3 2013 Védekezés a szél ellen a kezdetektől napjainkig... így törekedett arra, hogy építményei többek között a szél ellen is védelmet nyújtsanak, illetve a szélnek ellen is álljanak! E küzdelemben eleinte csak természeti adottságokra és közvetlen tapasztalatokon alapuló módszerekre támaszkodhatott. Védekezés a szél ellen a kezdetektől napjainkig Visszatekintve látható, hogy mennyit finomodtak ezek a módszerek, mire napjaink irányelvei és módszerei kialakulhattak. Ezek már egészen más lehetőségeket biztosítanak az épített környezet kialakításához. lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 3

4 2013 Védekezés a szél ellen a kezdetektől napjainkig Napjaink előírásainak és irányelveinek betartása indokolt az épített környezet jobb minősége iránti igény miatt az új anyagok megjelenése miatt az energia- és anyagtakarékosság végett ÉS a tartós biztonság céljából is! Klímaváltozási tendenciák érvek IPCC* SREX összefoglaló Prognózis a 21. századra: a Föld egészén gyakoribbá válnak a szélsőségesen meleg időjárási helyzetek, a hideg szélsőségek ritkulnak. A csapadék egyre inkább rövid ideig tartó, intenzív záporok, zivatarok formájában hullik. *IPCC: Éghajlatváltozási Kormányközi Testület (nemzetközi) OMSZ Éghajlati Osztály & ELTE Meteorológiai Tanszék HREX összefoglalója Magyarországon a nyári és a hőhullámos napok száma növekszik, a fagyos napoké csökken. Nyáron növekszik a száraz időszakok időtartama; tavasszal, ősszel és télen nő a nagycsapadékú napok száma és a csapadék intenzitása VAHAVA* Klíma-21 füzetek 61. száma 2010 májusában és júniusában rendkívüli csapadék esett, és az 1951 óta mért maximális széllökések rekordjai dőltek meg, m/s sebességi értékekkel. *VAHAVA: az MTA és a KvVM Változás-Hatás-Válaszadás projektje lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 4

5 Klímaváltozási tendenciák érvek A klímaváltozási tendenciák összefoglalása: Az utóbbi évek időjárási jelenségei korábbról nem megszokottak. Ezek azonban nem szórványos jelenségek, hanem hosszú távon jelentős változásra kell számítani! A szélsőséges időjárási jelenségek sűrűsödésével egyidejűleg közvetett jelek alapján a szélerősség változása is gyakoribbá válhat! Ezért is egyre fontosabb, hogy legalább a meglévő, minimálisan előírt követelményeket teljesítsük! A jelenleg érvényes hazai előírások Jogszabályok A két legáltalánosabb jogszabály a tervezők számára: OTÉK 253/1997. (XII. 20.) Korm. rendelet az országos települési és építési követelményekről (2013. I. 01. módosítás hatályos) 60. (1) A tető az építmény rendeltetésének megfelelő mértékben álljon ellen az időjárás hatásainak... OTSZ 28/2011. (IX. 6.) BM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról (2012. XI. 13. módosítás hatályos) Az épületek közötti tűztávolság meghatározásánál (460. ), hő-és füstelvezetők létesítésénél (510. és 511. ), valamint túlnyomásos szellőzésű rendszer használatba vételénél (535. ) kell figyelembe venni a szél hatását lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 5

6 A jelenleg érvényes hazai előírások Szabványok A szélterhek számítására vonatkozó előírás korábban az MSZ :1986 szabvány része volt. Jelenleg (2013-ban) két szabvány érvényes, melyek az Eurocode tartószerkezeti szabványrendszer részei: MSZ EN :2005/A1:2011 MSZ EN :2007 A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) A fenti képletekben q p a torlónyomás csúcsértéke, melynek számítási módját a szabvány részletesen tárgyalja c a szabvány táblázataiból kikereshető nyomási (alaki) tényező, melynek értéke és előjele függ a tető típusától, a tető hajlásszögétől, a vizsgált tetőfelület helyzetének és a szél irányának viszonyától γ Q a biztonsági tényező, értéke 1,5 lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 6

7 A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) l v (z) a szél örvénylési intenzitása ρ levegő a levegő sűrűsége v m (z) a szél átlagos sebessége a terepszint feletti z magasságban A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) A szél átlagos sebessége: v m (z) = v b c r (z) c 0 (z) ahol v b a szélsebesség alapértéke c r (z) az érdességi tényező c 0 (z) a domborzati tényező A szélsebesség alapértéke: v b = v b,0 c dir c season c prob ahol v b,0 a szélsebesség kiindulási alapértéke; 23,6 m/s c dir az iránytényező; 0,85 c season az évszaktényező; 1,0 c prob valószínűségi tényező; 0,62 v b = v b,0 c dir c season c prob = 12,44 m/s lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 7

8 A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) A szél átlagos sebessége: v m (z) = v b c r (z) c 0 (z) ahol v b a szélsebesség alapértéke c r (z) az érdességi tényező c 0 (z) a domborzati tényező Az érdességi tényező meghatározásához: 1. A helyszínt besoroljuk a szabvány 0 IV. beépítettségi osztályába a környezeti adottságok és szélirány alapján 2. A beépítettségi osztálynak megfelelően megkapjuk a z 0 és z min értékeket a szabvány táblázataiból (z max = 200 m) 3. Számítást végzünk: c r (z) = 0,19 (z 0 / 0,05) 0,07 ln(z / z 0 ) A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) A szél átlagos sebessége: v m (z) = v b c r (z) c 0 (z) ahol v b a szélsebesség alapértéke c r (z) az érdességi tényező c 0 (z) a domborzati tényező A domborzati tényező meghatározásához: 1,0 értékűnek tekinthető, ha a széltámadta oldal felőli terep 3 alatti esésű; Egyéb esetben figyelembe kell venni: a lejtés mértékét (Φ) azt, hogy az épület a szélnek kitett, vagy a szélárnyékos oldalon van -e az épület emelkedőn vagy lejtőn belüli elhelyezkedését az épület magasságát Így a megfelelő szabványi diagramról leolvassuk a domborzati helyzeti tényezőt (s), és a megfelelő számítást elvégezzük. lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 8

9 A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) l v (z) a szél örvénylési intenzitása ρ levegő a levegő sűrűsége v m (z) a szél átlagos sebessége a terepszint feletti z magasságban A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) A szél örvénylési intenzitása: l v (z) = 1 / [(c 0 (z) ln (z / z 0 )] A z 0 és z min értékeket a szabvány táblázataiból kapjuk meg a korábban elvégzett beépítettségi osztályba sorolástól függően (z max = 200 m). lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 9

10 A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) l v (z) a szél örvénylési intenzitása ρ levegő a levegő sűrűsége v m (z) a szél átlagos sebessége A ρ levegő ajánlott értéke: 1,25 kg/m 3 a terepszint feletti z magasságban A részletes szélteher-számítás lépései az Számításba vett jellemzők: Falakkal határolt épületeken lévő nem szabadon álló tetők héjalására Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) q p (z) = [1 + 7 l v (z)] 0,5 ρ levegő v m 2 (z) A c pe külső nyomási (alaki) tényező értéke a szabvány táblázataiban található meg; a c pi belső nyomási (alaki) tényező pedig az épület áttörtségétől függően a szabványban megadott értékű, vagy a c pe értékből számítandó, a szabványban ismertetett szabályok szerint. (Vigyázat: ha legalább 2 oldalon (homlokzaton, vagy tetőn) a nyílások aránya 30% feletti, akkor már szabadon álló tetőnek minősül... ) lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 10

11 Összesítés: A részletes szélteher-számítás lépései az A torlónyomás csúcsértékét is részletes számítással kapjuk (az MSZ :1986 szabvány idején ez táblázatból vehető volt) Pontosan figyelembe lehet (és kell) venni a környezet beépítettségét, és a domborzat hatásait (a jelenlegi 0 IV. beépítettségi osztállyal szemben az MSZ :1986 csak általános és csökkentett kategóriát különböztetett meg, a környezet beépítettségétől függően) Az alaki tényezők az MSZ :1986 szabványhoz képest nagyobb számban, pontosabb bontásban állnak rendelkezésre. A pontos számítási műveletek olyan összetettek, hogy alkalmazásukhoz gyakorlott tartószerkezettervezői rutin szükséges. Az egyszerűsített számítás alapja: Az Eurocode bevezetésével felmerülő nehézségek miatt Európa-szerte készültek a számításokat bemutató, magyarázó, rövidített kiadványok. Az itt bemutatott módszer lényege az MSZ EN :2007 szabványban, illetve a BMGTE Épületek tartószerkezeteinek tervezése az Eurocode alapján című kiadványában bemutatott, egyszerűsített elvek tetőhéjalásokra szűkítése. Az egyszerűsített számítás alkalmazásának feltételei: Az épület szél felőli oldalán lévő terep átlagos lejtése 3 alatti a szabvány ilyen, síknak tekinthető terepen enged egyszerűsítéseket a számításban Az épület környezetében nincsen annak átlagos magasságánál kétszer magasabb épület vagy más objektum lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 11

12 Nem alkalmazható az egyszerűsített számítás: Nyitott épületeken, melyeken minimum 2 oldalon (akár tetőn is) a nyílásfelületek aránya 30% feletti Szabadon álló tetők, pilletetők Oldalain nyitott nyeregtetők és pilletetők Sorolt félnyereg-és nyeregtetők Sorolt pilletetők Dongatetők Kupolák Szabadon álló táblák, zászlók, napkollektorok, napelemek és egyéb szerkezeti elemek szélterhei Az egyszerűsített számítás lépései: 1. Az építési helyszínt a 0 IV beépítettségi kategóriák egyikébe soroljuk. 0 nyílt tenger I nyílt terep; szélirányban min. 5 km hosszú tó, illetve egyenletes sík szárazföldi terület akadályok nélkül II mezőgazdasági terület kerítésekkel, elszórtan építményekkel, fákkal III alacsony beépítettségű külvárosi, vagy ipari területek, erdők IV intenzív beépítettség, a földfelület min. 15%-án az átlagos épületmagasság min. 15 m Az épület körül 1 km sugarú körben lévő terep tagoltságát vizsgáljuk, adott szélirányhoz a középpontból mért ±15 -os körcikkenként; Mindig a kedvezőtlenebb számjelű kategóriát kell figyelembe venni; A kör összterületének 10%-ánál kisebb egységeket figyelmen kívül hagyhatjuk; lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 12

13 Az egyszerűsített számítás lépései: 2. A torlónyomás értékének részletes számítását elkerüljük a) a szabvány sík vidékre alkalmazható számítási módszerével: q p (z) = ½ ρ levegő v b 2 c e (z) z [m] ahol ρ levegő = 1,25 kg/m 3 v b = v b,0 c dir c season c prob = 23,6 m/s 1,0 1,0 1,0 c e (z) a kitettségi tényező, ami a szabvány diagramjairól leolvasható a beépítettségi osztály (0 IV) és a terepszint feletti magasság (z) függvényében! c e (z) Az egyszerűsített számítás lépései: 2. A torlónyomás értékének részletes számítását elkerüljük b) táblázatos értékek használatával; pl. az említett egyetemi kiadvány* tartalmaz olyan táblázatot, melyben az a) pontban bemutatott módon számított torlónyomás-értékek vannak összegyűjtve. * Épületek tartószerkezeteinek tervezése az Eurocode alapján BMGTE, 2006 lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 13

14 Az egyszerűsített számítás lépései: 3. A c pe külső alaki tényezőt a szabvány táblázataiból kikeressük a tető típusának, a tető hajlásszögének a tetőfelület helyzetének és a szél irányának megfelelően. A pozitív alaki tényező szélnyomást, a negatív alaki tényező negatív nyomást, azaz szélszívást jelent. A γ Q biztonsági tényező értékét 1,5-nek vesszük. Belső szélnyomás??? Az egyszerűsített számítás lépései: Belső szélnyomás w i = q p c pi ( γ Q ) Ha a tető héjalása alatti légtér nem zárt tér (ide nem értve az átszellőztetett légréseket), akkor a héjalásra a külső szélszívással egyidejűleg a belső tér felől nyomás is hathat! A két igénybevétellel a következők szerint kell együttesen számolni: Ha az épület legalább 2 oldalán (homlokzatán, tetején) a nyílásfelületek aránya 30% feletti, akkor szabadon álló tetőkre vonatkozó, részletes szélteher-számítás szükséges! Ha az épületnek nincsen olyan oldala (homlokzata, teteje), amin a nyílásfelületek 2/3-a koncentrálódik, akkor a külső szélnyomással (szélszívással) együtt c pi = +0,2 belső nyomási tényező értékkel kell a belső szélnyomást előjel-helyesen figyelembe venni. Ha az épületnek van olyan oldala (homlokzata, teteje), amin a nyílásfelületek 2/3-a koncentrálódik, akkor a külső szélnyomással együtt c pi = 0,9 c pe értékkel kell a belső szélnyomást figyelembe venni. lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 14

15 Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: Példa félnyeregtetős épület Kiindulási feltételek, feltételezések: - Beépítettségi osztály: III - A környező terep átlagos lejtése 3 alatti - Az épület körül nincsen olyan építmény, mely az épület magasságának kétszeresét meghaladja - A tetőfedés aljzata alatt zárt tér van, így most csak külső nyomási tényezőkkel számolunk - Elemenként 1 m 2 -t meg nem haladó méretű tetőfedő elemekre jutó terheket számítunk, melyekre a szél szívó hatása jelent veszélyt Egyenlet: w e = q p c pe ( γ Q ) Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: Példa félnyeregtetős épület e = min {b; 2h} Az épület tetőtípusának megfelelően a szabványban megtaláljuk az adott tetőtípuson az egyes szélirányok esetén kialakuló szélnyomási zónákat (F, F low, F up, G, H, I). lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 15

16 Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz:... meghatározzuk a torlónyomás nagyságát: A beépítettségi osztály: III α = 15 d = 15 m b = 30 m h = 12,05 m Az épület tényleges Így a torlónyomás q p (z) = 0,655 kn/m 2 méreteinek ismeretében... Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: e = min {b; 2h} = min {30; 2 12,05} = 24,1 m e/10 = 2,41 m e/4 = 6,03 m α = 15 d = 15 m b = 30 m h = 12,05 m Az épület tényleges méreteinek megfelelően kiszámítjuk, hogy hol és mekkora kiterjedésű szélnyomási zónák alakulnak ki az adott tetőn. lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 16

17 Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: a) Szélirány a tetőélre merőleges, tetősík a széltámadta oldalon van w = q p (z) * c * γ Q III beépítettségi osztálynál ha h = 13 m, akkor q p (z) = 0,655 kn/m 2 γ Q = 1,5 Alaki tényezők és szélteher az egyes zónákban: A szélteher az egyes zónákban: F: 0,655 * ( 2,0) * 1,5 = 1,96 kn/m 2 G: 0,655 * ( 1,5) * 1,5 = 1,47 kn/m 2 H: 0,655 * ( 0,3) * 1,5 = 0,29 kn/m 2 Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: b) Szélirány a tetőélre merőleges, tetősík a szélárnyékos oldalon van w = q p (z) * c * γ Q III beépítettségi osztálynál ha h = 13 m, akkor q p (z) = 0,655 kn/m 2 γ Q = 1,5 Alaki tényezők és szélteher az egyes zónákban: A szélteher az egyes zónákban: F: 0,655 * ( 2,8) * 1,5 = 2,75 kn/m 2 G: 0,655 * ( 2,0) * 1,5 = 1,96 kn/m 2 H: 0,655 * ( 1,2) * 1,5 = 1,18 kn/m 2 lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 17

18 Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: c) Szélirány a tetőéllel párhuzamos w = q p (z) * c * γ Q III beépítettségi osztálynál ha h = 13 m, akkor q p (z) = 0,655 kn/m 2 γ Q = 1,5 Alaki tényezők és szélteher az egyes zónákban: A szélteher az egyes zónákban: F low : 0,655 * ( 2,4) * 1,5 = 2,36 kn/m 2 F up : 0,655 * ( 2,9) * 1,5 = 2,85 kn/m 2 G: 0,655 * ( 2,5) * 1,5 = 2,45 kn/m 2 H: 0,655 * ( 1,2) * 1,5 = 1,18 kn/m 2 I: 0,655 * ( 1,2) * 1,5 = 1,18 kn/m 2 Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: d) Szélirány a tetőéllel párhuzamos w = q p (z) * c * γ Q III beépítettségi osztálynál ha h = 13 m, akkor q p (z) = 0,655 kn/m 2 γ Q = 1,5 Alaki tényezők és szélteher az egyes zónákban: A szélteher az egyes zónákban: F low : 0,655 * ( 2,4) * 1,5 = 2,36 kn/m 2 F up : 0,655 * ( 2,9) * 1,5 = 2,85 kn/m 2 G: 0,655 * ( 2,5) * 1,5 = 2,45 kn/m 2 H: 0,655 * ( 1,2) * 1,5 = 1,18 kn/m 2 I: 0,655 * ( 1,2) * 1,5 = 1,18 kn/m 2 lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 18

19 Gyakorlati példa az egyszerűsített számításhoz: A bemutatott a) - d) kombinációk alapján ezen a félnyeregtetőn a következő szélterhelési zónák, illetve terhek kialakulására kell számítani: A felelősség kérdése Az Építési törvény és a Kivitelezői kódex alapján a Tervező felelős az általa készített építészeti-műszaki tervek műszaki tartalmának szakszerűségéért a jogszabályok, szabályzatok, építési előírások, szabványok és egyéb szakmai szabályok betartásáért megfelelő szakismerettel és jogosultsággal rendelkező szakági tervezők kiválasztásáért Tetők szélterhei az építész tervező mérlegelje: saját maga képes e / jogosult -e megoldani a feladatot épület és feladat jellege léptéke teher meghatározása egyértelmű? héjalás elemei tartószerkezet érintettsége? jól felkészült, jogosult szakági tervezők kiválasztása tetőfedés = határterület számonkérés! lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 19

20 A felelősség kérdése Az Építési törvény és a Kivitelezői kódex alapján a Kivitelező felelős az engedélyezési / a kiviteli tervekben előírtak betartásáért és betartatásáért,a jogszabályok, szabályzatok, építési előírások, szabványok és egyéb szakmai szabályok betartásáért az elvégzett szakmunkák eredményeként létesült szerkezetek, berendezések, építmény, építményrész rendeltetésszerű és biztonságos használhatóságáért Tetők szélterhei a Kivitelező: mérlegelje, hogy a terv intézkedett e a szélnek kitett elemek megfelelő rögzítési megoldásairól kétség esetén kérje a Tervező, illetve a Szállító számszerű adatszolgáltatását Köszönöm a figyelmet! Kakasy Gergely, építészmérnök 2013 lehetséges. Az anyagok idézése a forrás megjelölésével, felhasználása az előadó hozzájárulásával lehetséges. 20