Oddziaływanie huraganowego ...

Oddziaływanie huraganowego wiatru na budowle, Budownictwo0, c) artykuły

[ Pobierz całość w formacie 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
0,0–0,5
(0,0–0,2)
Cisza
Bezwietrznie, dym unosi się pionowo, liście
drzew nieruchome
1
0,6–1,7
(0,3–1,5)
Powiew
Dym odchyla się od pionu
2
1,8–3,3
(1,6–3,3)
Słaby wiatr
Wyczuwalny ręką i ciałem, porusza proporce
i liście drzew
3
3,4–5,2
(3,4–5,4)
Łagodny wiatr
Porusza chorągwie i cienkie gałązki drzew
4
5,3–7,4
(5,5–7,9)
Umiarkowany
wiatr
Porusza gałęzie drzew
5
7,5–9,8
(8,0–10,7)
Dość silny wiatr Kołysze małe gałęzie drzew
6
9,9–12,4
(10,8–13,8)
Silny wiatr
Zgina grube gałęzie drzew
7
12,5–15,2
(13,9–17,1)
Bardzo silny
wiatr
Poruszają całe drzewa, chodzenie pod wiatr jest
utrudnione
8
15,3–18,2
(17,2–20,7)
Gwałtowny wiatr
(wicher/sztorm)
Łamie gałęzie drzew, chodzenie pod wiatr jest
niemożliwe
9
18,3–21,5
(20,8–24,4)
Wichura
Wiatr powoduje niewielkie uszkodzenia budyn-
ków (zrywa dachówki, porywa małe przedmioty)
10
21,6–25,1
(24,5–28,4)
Silna wichura
Powoduje uszkodzenia budynków, wyrywa
drzewa z korzeniami
11
25,2–29,0
(28,5–32,6)
Gwałtowna
wichura
Powoduje znaczne uszkodzenia budynków, zry-
wa dachy, łamie i wyrywa drzewa
12
> 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
F0
<33
Lekkie szkody
: Niektóre kominy uszkodzone, połamane gałęzie drzew,
wyrwane słabo zakorzenione drzewa, zniszczone szyldy i reklamy
F1
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
F2
51-70
Znaczne szkody:
zerwane dachy z domów, ruchome domy zdemolo-
wane, duże drzewa wyrwane z korzeniami, samochody unoszone ponad
ziemię
F3
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
F4
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
F5
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-
la
Pręd-
kość
wiatru
[m/s]
Opis tornada
Opis szkód
T0
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.
T1
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.
T2
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.
T3
42-51 Mocne
Poprzewracane ruchome domy, lekkie przyczepy zniszczone,
garaże i budynki o lekkiej konstrukcji zniszczone, niektóre duże
drzewa połamane lub wyrwane.
T4
52-61 Gwałtowne
Unoszenie samochodów, domy ruchome unoszone w powie-
trze, zerwane dachy z domów, ściany szczytowe budynków
porozrywane, liczne drzewa powyrywane lub połamane.
T5
62-72 Intensywne
tornado
Unoszenie ciężkich pojazdów, poważniejsze szkody budynków
niż w T4, zawalone stare, słabe budynki, stoją ściany domów.
T6
73-83 Umiarkowanie
niszczące
Utracenie przez domy dachów i ścian, zawalona większość
budynków.
T7
84-95 Silnie niszczą-
ce
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-
ce
Samochody porozrzucane na dużą odległość, drewniane domy
i ich zawartość rozproszone na dużej powierzchni, domy ka-
mienne nienaprawialnie zniszczone, konstrukcje stalowe powy-
ginane.
T9
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.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl