Zatížení konstrukcí námrazou

• Foto

Pro zatížení konstrukcí námrazou u nás platí mezinárodní norma ČSN ISO 12494 [1], která poskytuje pokyny pro stanovení zatížení námrazou a jejich účinků na stavební konstrukce. V její národní příloze se vysvětlují vybrané pokyny a uvádějí doplňující informace umožňující aplikaci normy v ČR. V některých částech se norma [1] odkazuje na mezinárodní normu ISO 2394 [2] pro zásady navrhování a také na u nás nezavedenou ISO 4354 [3] pro zatížení větrem. Na základě doplňujících pokynů české národní přílohy se ČSN ISO 12494 [1] používá společně se soustavou Eurokódů, zejména s ČSN EN 1990 [4] pro zásady navrhování a s dalšími Eurokódy. V současnosti se plánuje připravit v rámci technické subkomise CEN/TC 250/SC1 nová část EN 1991-1-8 [6] pro zatížení námrazou, která má vzniknout transformací ISO 12494 [1]. Prací na tomto Eurokódu se bude zúčastňovat Kloknerův ústav ČVUT, anglická verze normy by měla být dokončena do roku 2015 a národní zavedení se předpokládá asi o dva roky později [12].

Očekává se, že nový Eurokód pro zatížení námrazou odstraní nedostatky ISO 12494 [1]. Některé pokyny a informace uvedené v ISO 12494 [1] je totiž třeba zestručnit nebo zpřesnit. V první kapitole se tak zatím uživatel může dočíst obecnou radu, že konstrukce se má navrhnout alespoň na odhadnutou hodnotu zatížení, než aby se s námrazou vůbec nepočítalo. Některé informativní přílohy normy [1] nejsou zatím pro uživatele příliš užitečné a měly by být přesunuty do podkladních dokumentů. Zabývají se totiž způsoby sběru a hodnocení dat o zatíženích námrazou a také podrobným popisem procesu utváření ledovky a námrazy a jejich postupném nanášení na konstrukce.

V ČR se navrhovaly konstrukce na námrazu podle již zrušené ČSN 73 0035 [11], součástí které byla také mapa námraz zpracovaná v 80. letech minulého století. Tato mapa však nebyla založena na střední době návratu 50 let v souladu s Eurokódy. K dispozici byly nové údaje o námrazách z posledních několika desetiletí, které bylo potřebné statisticky vyhodnotit a existující mapu námraz aktualizovat. Proto se v rámci zavedení Eurokódů jako výhradních norem pro navrhování konstrukcí v ČR a rušení původních ČSN rozhodlo, aby Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ) zpracoval novou mapu námraz na základě mezinárodních definic, která se pak stala součástí národní přílohy ČSN ISO 12494 [1].

Pro konstrukce zatížené námrazou a sloužící pro energetické účely se používají národně zavedené normy CENELEC. Patří sem ČSN EN 50341-1 [9] a ČSN EN 50341-3 [10], jejíž součástí je národní mapa oblastí námraz. Tuto mapu však nebylo možné použít do národní přílohy ČSN ISO 12494 [1], neboť v normách [9,10] jsou oblasti námraz definovány odlišně.

ČSN ISO 12494 [1] se používá pro navrhování těch konstrukcí, pro které jsou účinky námrazy významné. Patří sem například ocelové stožáry, věže, antény a konstrukce antén, lana, kotvení, lanové dráhy (lanovky), konstrukce lyžařských vleků, různé další konstrukce pozemních staveb a také větrné turbíny.

NÁMRAZA A JEJÍ ÚČINKY
ČSN ISO 12494 [1] rozlišuje několik typů atmosférických jevů, které vyvolávají námrazu, ledovku nebo jinovatku. Pro některé konstrukce může být námraza nebo ledovka významným zatížením, popřípadě mohou být současně ovlivněny dalšími klimatickými zatíženími. Charakteristické hodnoty námrazy a ledovky jsou stanoveny pro střední dobu návratu 50 let na základě statisticky vyhodnocených dat získaných z referenčního kolektoru, kterým je ocelová tyč o délce alespoň 0,50 m a průměru 0,03 m.

Ledovka vzniká na konstrukcích vlivem mrznoucího deště nebo mrholení a námraza usazováním přechlazených vodních kapek z oblačnosti nebo mlhy. Podrobnosti o způsobu krystalizace, narůstání a účinnosti usazování námrazy jsou uvedeny v informativní příloze C, kde jsou popsány teoretické modely námrazy.

Zatížení konstrukce námrazou bývají zesilována účinky větru. Pokud je vítr dostatečně silný, může také způsobovat opadávání námrazy z konstrukce. Lze tak předpokládat, že současný výskyt plné námrazy na konstrukci a velmi silného větru je téměř nemožný.

Námraza může mít na konstrukci statické účinky, například vznik tahové síly v ocelových lanech, tlakové síly v příhradových konstrukcích a může vést k průhybům a deformacím nosných i nenosných konstrukcí. Námraza také ovlivňuje dynamické chování konstrukce, neboť se vzrůstajícím zatížením vlastní frekvence konstrukce významně klesá. Nesymetrická námraza na lanech může způsobit aerodynamickou nestabilitu a významná kmitání (např. galloping). Silně namrzlé stožáry mohou vyvolat odtrhávání vírů, které způsobují kmitání těchto konstrukcí kolmo na směr větru. Je také potřebné počítat s možným pádem námrazy, která může ohrozit okolí konstrukce včetně přilehlých staveb nebo vést i k poškození lidského zdraví.

Fyzikální vlastnosti a vzhled vytvořené námrazy je výrazně variabilní podle meteorologických podmínek, které nastaly během narůstání námrazy. Maximální množství námrazy závisí na mnoha faktorech, ze kterých jsou nejdůležitější vlhkost, teplota a rychlost narůstání námrazy. Důležitým faktorem jsou také rozměry exponované konstrukce a její orientace ke směru větru. Typické vlastnosti námrazy a ledovky jsou uvedeny v tabulce 1.

Ledovka (G – Glaze) má největší objemovou hmotnost, vzniká mrznutím deště, mrholení nebo mlhy. Obvykle je rovnoměrně rozložená, i když v některých případech se mohou také tvořit rampouchy. Může vzniknout na našem území všude, kde se déšť nebo mrholení vyskytnou při teplotách pod bodem mrazu.

Námraza (R – Rime) je nejběžnějším typem namrzání, na návětrné straně liniových prvků má často oválný tvar, pokud nedochází k jejich rotaci kolem podélné osy vlivem excentrického zatížení ledem. Rychlost nárůstu námrazy se mění zejména podle rozměrů exponovaného objektu, rychlosti větru, množství vlhkosti ve vzduchu, velikosti vodních kapek, jejich rozložení a teploty vzduchu.

TŘÍDY NÁMRAZY A LEDOVKY
Ledovka se kategorizuje do šesti tříd ICG1 až G6 (IC – Ice Class) s tloušťkou ledu od 10 mm do 50 mm pro prvních pět tříd a s objemovou tíhou 0,9 kN/m³, jak uvádí tabulka 2.

Námraza se kategorizuje do 10 tříd ICR1 až R9 s hmotností ledu od 0,5 kg/m až do 50 kg/m, viz tabulka 3. Při extrémních námrazách se má použít nejvyšší třída R10, pro kterou se již v normě [1] neuvádějí žádné informace.

ČSN ISO 12494 [1] doporučuje modely námraz pro ocelové profily typů A až E s objemovou hmotností námrazy 500 kg/m³. Rozlišují se prvky o šířce do 300 mm a prvky širší až do 5 m. Modely narůstání námrazy pro nosné prvky typu A a B jsou pro ilustraci znázorněny na obrázku 1, rozměry jednotlivých modelů jsou uvedeny v tabulkách normy [1].

ZATÍŽENÍ VĚTREM
Základní text ČSN ISO 12494 [1] se pro stanovení zatížení větrem odkazuje na mezinárodní normu ISO 4355 [3], které však nebyla v ČR zavedena, neboť se u nás používá pro zatížení soustava Eurokódů včetně ČSN EN 1991-1-4 [5]. Při stanovení zatížení větrem na namrzlé konstrukci je potřebné uvážit zvětšený odpor způsobený změnou tvaru průřezu. ČSN ISO 12494 [1] uvádí v tabelizované formě hodnoty součinitelů odporu pro konstrukce s ledovkou nebo s námrazou a také součinitelů odporu pro konstrukce bez námrazy. Tyto součinitelé nejsou v normách [1, 3, 5] nijak definovány.

Pro stanovení zatížení větrem na běžnou konstrukci s námrazou se podle ČSN ISO 12494 [1] postupuje tak, že se nejprve určí zatížení větrem na konstrukci bez námrazy podle ČSN EN 1991-1-4 [5]. Z tabulek uvedených v normě [1] se pak určí pro příslušný typ konstrukce poměr C_i/C₀ mezi součinitelem odporu C_i pro konstrukci s ledovkou (nebo námrazou) a součinitelem C₀ pro konstrukci bez námrazy. Poměrem součinitelů C_i/C₀ se pak přihlédne ke zvýšení zatížení konstrukce větrem vlivem jejího zvětšeného tvaru.

KOMBINACE ZATÍŽENÍ NÁMRAZOU A VĚTREM
Podle základního textu normy ČSN ISO 12494 [1] se mají uvažovat dvě základní kombinace zatížení pro ověřování mezních stavů únosnosti. V první kombinaci se uvažuje zatížení námrazou jako zatížení hlavní a zatížení větrem jako vedlejší, v druhé kombinaci se předpokládá zatížení námrazou jako vedlejší a hlavním zatížením je vítr. Pravidla pro kombinace zatížení jsou pak upřesněna v české národní příloze.

Pro stanovení kombinací zatížení se v ČR postupuje podle Eurokódu ČSN EN 1990 [4]. ČSN ISO 2394 [2] má pouze informativní charakter a neposkytuje operativní postupy pro navrhování konstrukcí, neuvádí numerické hodnoty dílčích součinitelů a dalších prvků spolehlivosti, nebyla také zpracována národní příloha ČR.

Pro kombinace zatížení větrem Wk s námrazou Q_k,ice se v národní příloze ČSN ISO 12494 [1] v souladu s ČSN EN 1990 [4] uvažuje, že jedno proměnné zatížení je hlavní a další proměnná zatížení jsou vedlejší, a zjistí se rozhodující návrhová situace. Pro příslušné mezní stavy únosnosti se použijí stejné hodnoty dílčích součinitelů zatížení námrazou γ_ice jako pro obdobná proměnná zatížení podle ČSN EN 1990 [4]. Pro kombinaci zatížení námrazou s dalšími proměnných zatíženími jsou doporučeny redukční součinitele}_0,ice = 0,5,}_1,ice = 0,2 a}_2,ice = 0. Součinitel}_0,W pro kombinační hodnotu zatížení větrem se uvažuje}_0,W = k, kde součinitel k je doporučen v závislosti na třídě ledovky ICG nebo námrazy ICR a je uveden v příslušných tabulkách normy [1]. Součinitel pro kombinační hodnotu zatížení námrazou pro případ kombinace s větrem je doporučen}*_0,Ice = kψ_0,Ice.

Pokud se bude uvažovat základní kombinace zatížení podle dvojice vztahů (6.10 a,b) [4] pro ověření mezních stavů únosnosti typu STR, pak pro případ, kdy se uvažuje stálé zatížení G, námraza Q_ice jako hlavní zatížení a vítr W jako vedlejší zatížení, zapíšou se pro návrhovou hodnotu účinků zatížení Ed vztahy:

E_d = γ_G G_k + γ_ice}*_0,Ice Q_ice,k + γ_W}_0,W W_k        (1)
E_d = ξ γ_G G_k + γ_ice Q_ice,k + γ_W}_0,W W_k               (2)

z nichž rozhodující se uváží v návrhu konstrukce.

Poznamenáme, že dílčí pokyny o zatížení některých typů ocelových konstrukcí větrem a jejich kombinace s námrazou jsou také uvedeny v ČSN EN 1993-3-1 [7]. Použití těchto pokynů však vede k menší spolehlivosti ocelových konstrukcí než při použití ČSN ISO 12494 [1]. Proto se doporučuje pro navrhování konstrukcí na zatížení námrazou používat normu [1]. Předpokládá se, že se některé nekonzistence podaří odstranit v rámci technické komise CEN/TC 250 a také ve spolupráci s CENELEC. Pokyny o zatížení větrem se v budoucnosti přesunout do revidované EN 1991-1-4 [7] a provede se kalibrace dílčích součinitelů a součinitelů kombinací napříč Eurokódy. Příklad kolapsu stožárů zatížení námrazou je znázorněn na obrázku 3.

V národní příloze ČSN ISO 12494 [1] je také uvedena mapa námrazových tříd, která se má používat pro stanovení zatížení námrazou pro stavby na území ČR. Tato mapa uvádí osm tříd námraz R2 až R9 a je založena na střední době návratu 50 let. Byla zpracována ČHMÚ, při zpracování mapy se předpokládalo Gumbelovo rozdělení pravděpodobností, které se doporučuje v Eurokódech pro klimatická zatížení. Uživatel má počítat s tím, že se kdekoliv na našem území může vytvořit námraza o velikosti alespoň 0,9 kN/m.

POROVNÁNÍ SOUČASNĚ PLATNÝCH PŘEDPISŮ PRO ZATÍŽENÍ
Pro navrhování konstrukcí pro energetické účely a také pro další účely jako například věže, stožáry, lanové dráhy existují v současnosti značné nekonzistence v předpisech normotvorných organizací CEN a CENELEC, které zahrnují terminologii a definice, modely zatížení větrem a námrazou, pravidla pro kombinace zatížení, zásady diferenciace spolehlivosti, směrné úrovně spolehlivosti, hodnoty dílčích součinitelů a dalších prvků spolehlivosti.

ČSN EN 1990 [4] uvádí zásady kategorizace spolehlivosti v příloze B, kde se rozlišují tři třídy spolehlivosti konstrukcí RC1 až RC3. Pro běžnou třídu RC2 se doporučuje směrná hodnota indexu spolehlivosti β_t = 3,8. Podrobnější kategorizace se uvádí v ČSN ISO 2394 [2], kde se uvažují následky porušení a náklady potřebné pro bezpečnostní opatření. ČSN EN 1993-3-1 [7] také uvádí tři třídy spolehlivosti pro věže a stožáry a ČSN EN 1993-3-2 [8] pro komíny. V těchto normách však nejsou uvedeny směrné hodnoty indexů spolehlivosti. Přestože se oba dokumenty odvolávají na zásady navrhování podle ČSN EN 1990 [4], tak použití doporučených, nižších hodnot dílčích součinitelů zatížení uvedených v těchto předpisech vede k menší spolehlivosti navržených konstrukcí.

Přehled hodnot dílčích součinitelů zatížení podle ČSN EN 1993-3-1 [7] a ČSN EN 50351-1 [9] je uveden v tabulce 4 a redukčních součinitelů} 0 v tabulce 5. Poznamenáme, že tyto hodnoty byly ve většině případů převzaty do národních příloh ČR, vedou však nepochybně k rozdílné spolehlivosti navrhovaných konstrukcí. Významně nízké hodnoty dílčích součinitelů pro vlastní tíhu ukazují, že se v normách [7, 9, 10] neuvážily modelové nejistoty pro zatížení a účinky zatížení. Zatím se nepodařilo sjednotit modely pro zatížení námrazou podle norem CEN a CENELEC. Pro námrazu se v ČSN EN 50341-3 [10] uvažují oblasti a pro ČSN ISO 12494 [1] třídy, porovnání je patrné z tabulky 6.

Úroveň spolehlivosti jednoduchého ocelového prvku navrženého na základě doporučených, avšak rozdílných hodnot dílčích součinitelů a součinitelů kombinace uvedených v evropských a mezinárodních předpisech je znázorněn na obrázku 2 podle spolehlivostní studie v příspěvku [13]. Ukazuje se, že spolehlivost nosného prvku pro obvyklé poměry | zatížení proměnných k zatížením celkovým v rozmezí 0 až 0,6 je dostatečná při použití návrhu podle doporučených hodnot dílčích součinitelů a redukčních součinitelů v ČSN ISO 12494 [1] a ČSN EN 1990 [4]. Použití ČSN EN 1993-3-1 [7] i ČSN EN 50341 [9] však vede k menší úrovni spolehlivosti konstrukcí, než doporučuje ČSN EN 1990 [4], kde směrná hodnota indexu spolehlivosti pro běžné konstrukce je β_t = 3,8.

ZÁVĚREČNÉ POZNÁMKY
ČSN ISO 12494 poskytuje zásady pro stanovení zatížení konstrukcí námrazou a pro kombinace námrazy s dalšími typy zatížení. Charakteristické hodnoty zatížení námrazou, dílčí součinitele zatížení a redukční součinitele pro ČR jsou uvedeny v národní příloze. Je zde také k dispozici nová mapa tříd námraz. Očekává se, že se asi do tří let zpracuje nový Eurokód pro zatížení námrazou, který bude vycházet z mezinárodní normy ISO 12494 a ve kterém se zpřesní nebo doplní některé dosud chybějící pokyny.

Při navrhování konstrukcí pro energetické účely na zatížení námrazou se používají normy CENELEC, které však doporučují podstatně menší hodnoty dílčích součinitelů zatížení a vedou k návrhu konstrukcí s nedostatečnou úrovní spolehlivosti. Také konstrukce navržené podle Eurokódů EN 1993-3-1 a EN 1993-2-2 mají menší úroveň spolehlivosti, než doporučuje základní Eurokód ČSN EN 1990. Hodnoty dílčích součinitelů spolehlivosti a dalších součinitelů kombinací uvedené v těchto předpisech bude proto potřebné prověřit a optimalizovat. Příspěvek je součástí řešení grantového projektu GAČR 103/09/0693 „Hodnocení bezpečnosti a rizik technických systémů“.

Literatura:
[1] ČSN ISO 12494 Zatížení konstrukcí námrazou, ÚNMZ, 2010
[2] ČSN ISO 2394 Obecné zásady spolehlivosti konstrukcí, ÚNMZ, 2003
[3] ISO 4354 Wind actions on structures, ISO/TC 98, 2009 (v ČR nezavedena)
[4] ČSN EN 1990 Zásady navrhování konstrukcí, ÚNMZ, 2004.
[5] ČSN EN 1991-1-4 Eurokód 1, Zatížení konstrukcí, Část 1-4 Obecná zatížení – Zatížení větrem, ÚNMZ, 2007
[6] EN 1991-1-8 Eurokód 1, Actions on structures, Part 1–8 General actions – Icing, CEN/TC 250/SC1, připravuje se (k dispozici bude asi v roce 2016)
[7] ČSN EN 1993-3-1 Eurokód 3, Navrhování ocelových konstrukcí – Část 3-1: Stožáry a komíny – Stožáry, 2008
[8] ČSN EN 1993-3-2 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí - Část 3-2: Stožáry a komíny – Komíny, 2009
[9] ČSN EN 50341-1 Elektrická venkovní vedení s napětím nad AC 45 kV – Část 1: Všeobecné požadavky – Společné specifikace, ÚNMZ, 2002
[10] ČSN EN 50341-3 Elektrická venkovní vedení s napětím nad AC 45 kV – Část 3: Soubor Národních normativních aspektů, ÚNMZ, 2002
[11] ČSN 73 0035 Zatížení konstrukcí, 1986 (v současnosti již neplatná)
[12] N 802 The Eurocodes and the construction industry, Medium-term strategy 2008–2013, CEN/TC 250
[13] Marková J., Holický M., Probabilistic analysis of iced structures, In: Reliability, Risk and Safety. Back to the Future, London: Taylor & Francis, p. 1 500–1 504, 2010

Atmospheric Icing on Structures
Recently, the international standard ČSN ISO 12494 for the design of structures and related atmospheric icing on structures has been introduced in the Czech Republic and a national version, which explains the selected provisions and lists a new map of icing classes, has been prepared. Currently, the Technical Subcommittee CEN/TC 250/SC1 is planning to create a new Eurocode EN 1991-1-8 for the atmospheric icing on structures. It turns out that the standards of CEN and CENELEC for the atmospheric icing on structures will have to be further harmonized.

Autoři

• Doc. Ing. Marková Jana PhD.
• Prof. Ing. Holický Milan Dr.Sc.