Problémy s určením sněhového zatížení pro dimenzování staveb

Postup od naměřených hodnot k výpočtovému zatížení
Výpočtové či návrhové zatížení pro dimenzování staveb se určuje takto:

• A. ČHMÚ provádí měření a spravuje soubor naměřených ročních maxim sněhového zatížení na několika stovkách svých stanic. Uživatelé normy pro zatížení stavebních konstrukcí se domnívají, že tyto naměřené hodnoty vystihují skutečnost dostatečně přesně a že tyto údaje nelze měnit.
• B. Podle doporučení EURO KODU se ze souboru naměřených ročních maxim určí pro každou stanici charakteristická hodnota zatížení jako statisticky určená hodnota s návratností 1x za 50 let. Pro praktické určení charakteristické hodnoty v místě stavby je sestavena mapa sněhových oblastí na území ČR, jež je součástí normy pro zatížení staveb.
• C. Technická normalizační komise TNK 38 určí podle doporučení EURO KODU součinitele, kterými se vynásobí charakteristické hodnoty pro získání výpočtového zatížení stavby.

Roční maxima mají nahodilý průběh, ale jejich registrace po mnoho let na stovkách stanic ČHMÚ by měla poskytnout dostatečně rozsáhlý soubor údajů o sněhovém zatížení na území ČR. Do souboru maxim přibývá každý rok pouze jeden údaj pro každou stanici, z toho vyplývá, že i norma pro zatížení sněhem by měla vykazovat kontinuitu tohoto klimatického jevu.

Pro objasnění důsledků sněhové kalamity v 02/2006 dal ČHMÚ k dispozici soubor [1] dat naměřených ve dnech 6. 2., 13. 2. a 20. 2. 2006. Tabulky uvádějí mimo jiné výšku sněhu SCE v cm a vodní hodnotu SVH v mm v uvedených dnech na 235 stanicích.

Změna ČSN 73 0035 na Č SN EN 1991-1- 3:2005/Z1:2006,
Změnu Z1 navrhli dne 23. 3. 2006 pracovníci Kloknerova ústavu ČVUT, Ing. M. Studničková, prof. Ing. M. Holický a Ing. J. Marková. Cílem úpravy je vypracovat mapu charakteristických hodnot zatížení sněhem pro dobu návratu 50 let. Změnou se výpočtové hodnoty zvýší přibližně o 28 % proti ČSN 73 0035.

Důsledky změny Z1 a jejích kritická analýza
Důsledky změny Z1 se projevily okamžitě při projektování staveb. Byly konkretizovány oblasti, ve kterých se zvedlo výpočtové zatížení 1.5 ×, 1,76 ×, 1,88 ×, 2,0 × a 2,12 ×.

Nová mapa, která dle ČHMÚ nemusí zachovat jakoukoliv kontinuitu normových zatížení, vyvolává absurdní situaci: konstrukce navržené dle ČSN 73 0035 v minulých desetiletích a jež potvrdily svoji spolehlivost přenesením maximálního zatížení v kalamitě 02/2006, jsou najednou po schválení změny Z1 prohlášeny za staticky nespolehlivé a tudíž v provozu nebezpečné.

Kritická analýza situace, navozené změnou Z1, byla provedena v článku [2] Informace a fakta o změně normy ČSN 73 0035 pro zatížení sněhem, platné od 1. 11. 2006, který byl zveřejněn v časopise KONSTRUKCE číslo 2/2007.

Kritika vycházela z názoru, že totální narušení kontinuity normy bylo způsobeno účelovou úpravou naměřených hodnot pro fázi A tvorby normových podkladů, a to činností ČHMÚ.

K tomu ČHMÚ v dopise [3] dne 19. 12. 2006 sděluje autorovi: „V závěru tvrdíte, že došlo ke zcela neodůvodněným manipulacím, přestože předchozí hodnoty udával taky ČHMÚ. K tomu je možno říct, že hodnoty se zvýšily především tím, že je zpracovaná jiná charakteristika. Je však pravda, že hodnoty byly zvýšeny i tím, že mnoho stanic, které byly použity jako podklad pro předchozí normy, vodní hodnotu podceňovalo, a naše snaha o úpravu hodnot v některých oblastech směrem nahoru nebyla umožněna tehdejším koordinátorem Ing. Boháčem z T ZÚS v Praze. Nyní jsme použili téměř všechny stanice ČHMÚ a doplněním chybějících hodnot výpočtem jsme získali kvalitní datovou sadu. Výpočet byl proveden tak, aby na profesionálních stanicích bylo dosaženo nejmenší odchylky mezi vypočtenými a naměřenými hodnotami. Tento postup nelze v žádném případě nazvat neodůvodněnou manipulací s daty. Naší základní snahou je pracovat s kvalitními údaji, maximálně věrohodně popisují realitu chování klimatologických charakteristik v krajině.“

Tato argumentace si protiřečí: hodnoty nelze zvýšit a přitom zachovat jejich původní naměřenou velikost.

Kritika a obhajoba změny Z1
Upozornění v [2] na úpravu naměřených hodnot vycházelo z vyhodnocení posunu výpočtových zatížení a narušení kontinuity normy změnou Z1. Kvantifikace rozdílu mezi naměřenými a upravenými hodnotami nemohla být provedena pro nedostatek podkladů. To umožnilo snadné zpochybnění kritických připomínek málo věrohodnými argumenty. Např. v [3] ČHMÚ uvádí: „Mapa sněhových oblastí je založena na charakteristikách sněhové pokrývky a nelze tedy zachovat jakoukoliv kontinuitu normovaných údajů. Je zcela přirozené, že existují objekty navrhované dle dříve platné normy a objekty dle normy nové.“ Takové popření kontinuity normových podkladů jejich tvůrcem ČHMÚ je pro uživatele norem šokující.

Členové komise (TNK 38) se shodli, že původní mapa zatížení sněhem podle ČSN 73 0035 je založena na desetileté době návratu, nyní vychází z požadavku EURO KODŮ, které jsou založeny na padesátileté době návratu. Tím se hladina hodnot zatížení sněhem zvýšila, je v souladu s okolními státy. A dále: …došlo ke změnám klimatických podmínek a měnily se také metody měření zatížení sněhem… Charakteristické hodnoty zatížení sněhem jsou v nové mapě sněhových oblastí v některých oblastech, zejména výše položených, výrazně vyšší, než byla základní tíha sněhu, uvedená v ČSN 73 0035 [viz 2].

V závěrech kritické analýzy [2] se uvádí: „Jestliže ČHMÚ vypracoval pro změnu Z1 mapu na naměřených maximech nezávislou, flagrantně tím porušil svoje zákonité povinnosti.“

Údaje takto zpracované mapy neodpovídají objektivně zjištěnému rozložení sněhového zatížení na území ČR.

Dotčenou stavební veřejnost ohromuje fungování jednotlivých institucí, zúčastněných v procesu normalizace, které umožnily schválení normy, jež výrazně ovlivňuje vztahy i stavební náklady celého stavebnictví bez analýzy, bez přihlédnutí k připomínkám a zdá se i bez jakékoliv zodpovědnosti k vyvolaným důsledkům.

Rozdíly mezi naměřenými a přepočtenými hodnotami
V r. 2009 začal pracovat grant, jehož cílem bylo umožnit určení charakteristické hodnoty zatížení sněhem pro místo stavby, definované souřadnicemi GPS, pomocí internetu, bez mapy sněhových oblastí. Tento postup by zpřesnil hodnoty výpočtového zatížení pro dimenzování staveb.

Pro činnost grantu předal ČHMÚ soubor údajů [4] maxim „naměřených“ ale přepočtených na 787 stanicích v letech 1962 až 2009. Tento nebo podobný soubor maxim sněhového zatížení byl zřejmě použit i pro změnu Z1.

Teprve zveřejnění dvou různých souborů maxim umožnilo jejich srovnání a kvantifikaci rozdílů, vzniklých přepočtem. Podle ČHMÚ mělo být dosaženo co nejmenší odchylky.

Porovnání [5] souboru [1] maxim z r. 2006 a souboru [4] maxim přepočtených provedl Ing. V. Křivý ( VŠB – TU Ostrava). Bylo zjištěno:

• Hodnoty maxim souboru [4] jsou u všech stanic v průměru 1,51 × vyšší, než hodnoty souboru [2]
• V oblasti intenzivní stavební činnosti vykazují stanice do 550 m n. m. zvýšení 1,58 ×, stanice nad 550 m n. m. zvýšení 1,39 ×.
• V hodnotách násobných součinitelů nelze vypozorovat žádný systém, koeficienty se pohybují mezi hodnotami od 1,02 do 2,2, výjimečně se ale vyskytují násobky 0,72 nebo i větší než 3.

Mapa charakteristických hodnot je zkreslena až o dvě sněhové oblasti. Hodnoty ročních maxim sněhového zatížení, uvedené v souboru [4], který je dnes oficielním podkladem ČHMÚ, jsou cca 1,5 × vyšší, než naměřené hodnoty. Soubor obsahuje hodnoty, jaké nebyly nikdy naměřeny. Údaje tohoto souboru by se pro normové určení výpočtových hodnot zatížení staveb sněhem neměly vůbec používat. Změna Z1, která jejich užití do praxe zavedla, by měla být co nejdříve nahrazena změnou Z2.

Měření hodnot napadaného sněhu
Hodnoty napadaného sněhu se měří na stanicích ČHMÚ týdně. Zjišťuje se VODNÍ HODNOT A SVH napadaného sněhu v mm (100 mm SVH = 1 kN/m²). Přitom se měří i VÝŠKA SNĚHU SCE v cm.

Napadaný sníh začne ihned měnit svoji krystalickou strukturu, přitom se mění výška sněhu SCE (cm) i jeho objemová hmotnost g (kN / m³). Mezi oběma hodnotami se vytváří funkční vztah, závislý na mnoha faktorech: na čase, na nadmořské výšce stanice, na průběhu teploty atd. Tento vztah lze odvodit na základě dlouhodobých zkušenosti nebo jej lze definovat matematicky funkcí. Obojí lze pak užít v praxi pro určení SVH = SCE x g, což je méně namáhavé, než přímý odběr a vážení vzorků, zejména při větších hodnotách SCE.

Objemová hmotnost čerstvě napadaného sněhu se málo odchyluje od hodnoty 1 kN/m³. Kdyby byla měřena a sečtena výška spadu (nebo zvážena a sečtena hmotnost) všech sněhových srážek, byla by určena limitní hodnota SVH jako roční maximum.

Měření hodnot napadaného sněhu při malých výškách SCE lze provádět snadno pomocí odběrných nádob či válců, po rozpuštění nebo zvážení odebraného vzorku se získají zcela hodnověrné údaje. Pokud je výška ulehlého sněhu větší, je odběr vzorků obtížný a pak je „výhodné“ provést výpočet vodní hodnoty SVH z výšky SCE ulehlého sněhu pomocí odhadnuté hodnoty objemové hmotnosti g ulehlého sněhu.

Správnost výsledků tohoto zdánlivě výhodného postupu „měření“ nelze ale zkontrolovat, poněvadž není k dispozici limitní hodnota SVH, a při nesprávně určené hodnotě objemové hmotnosti g lze dojít ke zcela mylným výsledkům, které jsou mnohem vyšší, než limitní hodnota SVH. To je v zásadním rozporu s fyzikálním principem zachování hmoty, hmotnost napadaného sněhu se nemůže s časem zvyšovat. Soubor [4] ročních maxim uvádí i hodnoty SVH 400 až 700 mm, které by mohly nastat, kdyby postupně napadalo 4 až 7 m sněhu. Takové hodnoty nikdy nebyly naměřeny, pouze ČHMÚ vypočteny.

Existuje soubor charakteristických hodnot pro stanice ČHMÚ?
Skutečnost, že ČHMÚ předal pracovníkům grantu v r. 2009 jako podklad pouze soubor [4] upravených ročních maxim evokuje otázku, proč nebyl předán soubor charakteristických hodnot, vypracovaný pro etapu B podle metodiky EURO KODU. Je vůbec tento soubor zpracován ČHMÚ nebo v Kloknerově ústavu? V tomto materiálu nelze na tuto otázku odpovědět. Odpověď má ale zásadní význam pro posouzení oprávněnosti provedení změny Z1. Je vůbec mapa charakteristických hodnot ve sněhových oblastech vypracována ze správného podkladu? Pokud je mapa sněhových oblastí odvozena přímo ze souboru [4], došlo by nejen k dalšímu zkreslení hodnot, ale i k popření celého principu změny Z1.

Pro grant 2009 byly zpracovány charakteristické hodnoty sněhového zatížení pro 787 stanic ze souboru [4] ročních maxim. Ale vzhledem k tomu, že soubor [4] nemůže zaručit splnění poslání grantu ve zpřesnění návrhových hodnot sněhového zatížení, bude zřejmě nutno další postup prací v grantu ještě posoudit.

Pokus o počítačový model nebo snaha o zvýšení naměřených údajů?
Pokud by pracovníci ČHMÚ chtěli vytvořit počítačový model vystihující skutečné rozložení sněhového spadu na území ČR, byl by to záměr chvalitebný, i když značně obtížný. Na základě naměřených údajů z omezeného počtu stanic, jež by charakterizovaly zimu, by musel umět výpočetní postup s přesností do cca 15 % vymodelovat hodnoty maxim na ostatních stanicích.

Zatím tento výpočetní postup zvyšuje naměřené hodnoty maxim cca 1,5 ×, což je pro normalizaci výpočtových zatížení zcela nepřijatelné zkreslení výchozích údajů. Oprávněnost takového zvýšení naměřených hodnot nelze ničím zdůvodnit.

Skutečnost, že tímto přepočtem byly upraveny naměřené hodnoty maxim za celé období sledování zpětně, a dokonce vypočteny hodnoty nikdy nenaměřené a to i na stanicích dříve neexistujících, vytvořilo ze souboru [4] ročních maxim podklad pro tvorbu zatěžovací normy zcela nepoužitelný. Je to soubor virtuálních údajů, které již nemají nic společného s vysledovaným rozložením sněhu na území ČR.

Model rozložení SVH na území ČR, jež má výchozí hodnoty zvýšené 1,5 ×, lze použít pouze pro prognózu nebezpečí povodní při jarním tání. Součinitel bezpečnosti cca 1,5 je pro tento účel optimální.

Závěr
Změna Z1 s použitím nereálných hodnot nesmyslně zvedla sněhové zatížení ve vyšších sněhových oblastech, přitom v nejnižší oblasti s největším stavebním ruchem ponechává zatížení na nižší úrovni, než uvažovala stará ČSN 05 0110, což na S lovensku napravili již v r. 1986. Výchozí záměry ani použité hodnoty a vyvolané důsledky změny Z1 nebyly prověřeny oponenturou, nebylo přihlédnuto k připomínkám a upozorněním. Je čas dodatečně zhodnotit chyby změny Z1 a připravit nápravu změnou Z2.

LITERATURA:
[1] ČHMÚ: Soubor dat naměřených ve dnech 6. 2., 13. 2. a 22. 2. 2006 na 235 stanicích
[2] Ing, Danko: Informace a fakta o změně normy ČSN 73 0035 pro zatížení sněhem, platné od 1. 11. 2006, časopis KONSTRUKCE, č. 2/2007
[3] ČHMÚ: Dopis pro ing. Danka z 19. 12.2006
[4] ČHMÚ: Soubor maxim přepočtený výpočetním postupem ČHMÚ, na 787 stanicích v letech 1962 až 2009
[5] Ing. V. Křivý, VŠB – TU Ostrava: Porovnání hodnot souboru [1] s hodnotami souboru [4]

Problems with Determination of Snow Loads for Building Dimensioning
In Konstrukce 2/2007, we published an article with critical comments on change Z1 of the standard for construction load by snow. When writing an article, the author did not have the updated analyses of ČHMÚ (Czech Hydrometeorological Institute) data for 2006 available. However, at the end of winter we are once again getting back to the topic with material that has already been sent to members of TNK 38 and Standardization institute. Change Z1, using unrealistic values, absurdly increased the snow loads in higher snow areas, while in the lowest area with the busiest construction activities the load remains at a lower level than the one considered in previous ČSN 05 0110, which was corrected in the Slovak Republic already in 1986. Starting intentions and used values as well as consequent effects of changes Z1 were not examined by opposition and comments and warnings were not taken into account. It is time to additionally assess mistakes in Z1 change and rectify the situation with change Z2.

Autor

• Ing. Danko Vladimír