Opterećenje Vetrom: Ključni faktori u projektovanju

Opterećenje vetrom je jedna od ključnih sila koje utiču na nosivost i stabilnost građevinskih konstrukcija, bilo da je u pitanju zgrada, most, toranj ili bilo koja druga konstrukcija koja se nalazi u otvorenom prostoru, odnosno bilo koja konstrukcija koja je izložena klimatskim i atmosferskim uticajima. Naravno, većina konstrukcija zadovoljava ovaj uslov. Izuzetak su, na primer, industrijske platforme koje se nalaze unutar zatvorene zgrade ili hale, pa su samim tim zaštićene od dejstva vetra. Vetar stvara dejstva upravna na površine objekata (i paralelno u slučaju trenja vetrom), što najčešće izaziva globalne horizontalne i odižuće sile koje mogu dovesti  do gubitka globalne ravnoteže objekta (preturanje, klizanje ili odizanje objekata), povećanja unutrašnjih sila u elementima i spojevima, ili čak oštećenja elemenata ili obloge, ako konstrukcija nije pravilno projektovana.

Dejstvo vetra na konstrukcije je po svojoj prirodi dinamičko dejstvo, ali se u analizi građevinskih konstrukcija posmatra kao statičko dejstvo. Intenzitet sile vetra zavisi od lokacije objekata (brzine vetra, gustine vazduha, topografije i hrapavosti terena) i oblika i geometrije samog objekta. Pravila koja inženjeri koriste za određivanje ovog opterećenja su data u raznim standardima, kao što su Evrokod 1 (EN 1991-1-4), ASCE7 ili AS/NZS 1170.2. Razumevanje efekata koje vetar izaziva na i unutar konstrukcije pomaže u obezbeđivanju sigurnosti objekata i njihove trajnosti, naročito u uslovima sve češćih klimatskih ekstrema. Zbog toga ćemo u ovom tekstu navesti različite tipove konstrukcija, specifičnosti i efekte koje vetar izaziva kod njih, kao i stvari na koje posebno treba obratiti pažnju.

Zgrade

Počećemo, naravno, sa zgradama. Bilo da je u pitanju stambeni ili poslovni objekat ili industrijska hala, sama forma ovog tipa konstrukcije diktira prirodu opterećenja vetrom. Ovaj tip objekta se, u smislu opterećenja vetrom, definiše kao konstrukcija sa krovom, zatvorena sa svih strana zidovima ili fasadnom oblogom, sa malim procentom otvora u oblozi (sama ograničenja u procentu učešća otvora su definisana u standardima). Vetar u najvećem broju slučajeva nije merodavno horizontalno dejstvo za betonske i spregnute konstrukcije u seizmičkim zonama, gde su rezultujući seizmički uticaji dosta veći od uticaja usled vetra, usled veće mase objekta. Naravno, i ovde ima izuzetaka, a to su vrlo visoke zgrade (neboderi), gde se moraju proveriti dinamički efekti vetra na konstrukciju, odnosno mogućnost pojave rezonancije.

Čelične konstrukcije u zgradarstvu, posebno hale, su dosta osetljivije na dejstvo vetra (u statičkom smislu) u odnosu na seizmička dejstva, upravo zbog manje mase objekta u poređenju sa betonskom konstrukcijom istih gabarita. Vetar deluje na zidove i krov objekta pritiskujućim ili sišućim silama. Sam udarni pritisak vetra se određuje prema izrazima datima u standardu, a u funkciji je visine objekta. Vetar deluje na spoljašnju površinu objekta, ali deluje i na unutrašnju, zbog postojanja otvora u oblozi ili zbog propustljivosti i poroznosti same obloge. Ovi efekti su uzeti u obzir preko koeficijenata spoljašnjeg i unutrašnjeg pritiska (u Evrokodu označeni kao c_pe i c_pi). Vrednosti ovih koeficijenata su date za zidove i za krovove, a u funkciji su geometrije i dimenzije ovih konstruktivnih celina, odnosno oblika i dimenzija osnove objekta i oblika krova (ravni, jednovodni, dvovodni krovovi, itd.) i nagiba i dimenzija krovne ravni.

Evrokod daje vrednosti koeficijenata pritiska za vertikalne zidove samo za zgrade kvadratne ili pravougaone osnove, dok u praksi često imamo situacije da je osnova nepravilnog oblika. U ovom slučaju možemo raditi aproksimacije i deliti osnovu na određene celine, te na taj način primenjivati pravila data u Evrokodu ili eventualno potražiti neki drugi referentni standard u kome možemo pronaći koeficijente pritiska za željeni slučaj. Na primer, povučeni britanski standard BS 6399-2 (nasledio ga je upravo Evrokod, ali ne sadrži odredbe navedene u daljem tekstu) daje uputstva za određivanje vrednosti koeficijenata pritiska i dimenzija zona delovanja za određene tipove zgrada sa unutrašnjim uglovima  i upuštenim delovima, kao i za zgrade sa nejednakim visinskim segmentima.

Slična je situacija i sa koeficijentima pritiska za krovove. Ukoliko ne možemo pronaći odgovarajući slučaj u zvaničnom standardu, moramo naći neki drugi način za određivanje ovih vrednosti. Jedan takav slučaj smo imali na projektu hale sa rešetkastim lučnim krovom koji se izvodi na teritoriji SAD. U ovom slučaju se analiza opterećenja vetrom vrši prema ASCE7. Međutim, ovaj standard ne sadrži koeficijente za lučnu geometriju krova te smo, uz odobrenje odgovornog sertifikovanog inženjera iz SAD, vrednosti i raspodelu ovog opterećenja odredili prema kanadskom standardu NBC, koji sadrži koeficijente za ovaj oblik krova.

Izuzetno je bitno napomenuti da upotreba standarda koji nisu zvanični u određenoj zemlji, kao što je upotreba NBC standarda u SAD, ili standarda koji nisu više validni, kao što je pomenuti BS standard, mora biti posebno naglašena u izveštaju proračuna konstrukcije i upotreba istog mora biti odobrena od strane nadzora, tehničke kontrole ili bilo koje druge vrste nadležnog lica. Naravno, pre svega toga, opravdanost korišćenja ovih standarda prvo mora sam projektant da utvrdi, a u tome mu najbolje može pomoći razumevanje ponašanja i interakcije vetra i razmatrane konstrukcije.

Nadstrešnice

U smislu analize opterećenja vetrom, krov nadstrešnice se definiše kao krov konstrukcije koja nema stalne zidove. Ovo je bitno, jer se samo strujanje vazduha razlikuju u odnosu na zgradu sa zidovima. Još jedna stvar koja je vrlo bitna za strujanje vazduha je postojanje prepreke za slobodno strujanje vazduha ispod nadstrešnice. Evrokod ovo naziva stepenom zatvorenosti i u zavisnosti od ovoga koeficijenta varira i intezitet sile, jer su dati različiti koeficijenti sile pritiska u zavisnosti od vrednosti stepena zatvorenosti – što je veći stepen, veće je i dejstvo pritiska vetra koje deluje na donju stranu krova. Vrlo je bitno razgraničiti koeficijent globalne sile (cf) i koeficijente neto pritiska  (c_p,net) koji su dati u tabelama u Evrokodu.

Ukupni koeficijent sile se koristi za dobijanje rezultujuće sile koja deluje na krov, dok se neto koeficijenti pritiska koriste za dobijanje lokalnih pritisaka, koji su najveći na ivicama krova i koji se koriste pri proračunu krovnog pokrivača i njegovih veznih elemenata za konstrukciju. Kada se pogleda tabela sa vrednostima koeficijenata, može se videti da neto koeficijenti pritiska imaju veće vrednosti od ukupnog koeficijenta pritiska, pa vrlo lako može nastati zabuna da je ovaj slučaj nepovoljniji i da bi ga trebalo koristiti pri proračunu konstrukcije. Međutim, ako se pogleda slika u tabeli 7.6 i 7.7 u Evrokodu, može se videti da su zone na kojima deluju pritisci dobijeni preko neto koeficijenta pritiska simetrično raspoređene po konturi krova, a da zone sa najvećim vrednostima koeficijenta zauzimaju relativno malu površinu duž ivica krova. S druge strane, ako pogledamo slike 7.16 i 7.17 u Evrokodu, vidimo da rezultujuća sila dobijena putem ukupnog koeficijenta pritiska deluje na rastojanju od navetrene strane koje je jednako jednoj četvrtini dužine krova paralelne sa pravcem duvanja vetra.

Šta ovo zapravo znači? Zamislimo da imamo nadstrešnicu sa ravnim kvadratnim krovom koji je u sva četiri ćoška oslonjen na stubove. Ukoliko je opterećenje simetrično, dobićemo jednu rezultantnu silu koja deluje u težištu krova, odnosno u sredini, na rastojanju d/2 od stubova. Ova sila će se podjednako raspodeliti na stubove objekta kao zatežuća sila u njima, koja se dalje prenosi na temelje preko ankera (naravno, pretpostavili smo da je u pitanju čelična nadstrešnica, ali poenta je ista za bilo koji tip materijala). Međutim, iz najosnovnijeg poznavanja statike možemo zaključiti da, ako je sila bliža osloncu (u ovom slučaju stubu), kao što je sila dobijena preko c_f, samim tim je i reakcija bližeg oslonca veća, a u ovom slučaju je to zatežuća sila u stubu i dalje, u ankerima.

Tako se može desiti situacija da čak i ako je rezultanta simetričnog opterećenja od c_p,net veća od ukupne sile, relevantna reakcija oslonca može biti veća u slučaju sile c_f. Čelični stub verovatno neće imati problem sa povećanom silom zatezanja (ali povećanje sile svakako treba uzeti u obzir), ali se dovode u pitanje ankeri, beton koji ih okružuje i samo povećanje odižuće sile koja narušava globalnu stabilnost, odnosno odizanje temelja. Ovo vrlo lako može da se desi u slučaju da je temelj proračunat na osnovu kriterijuma nosivosti betona, gde se može desiti situacija da je usvojeni temelj malih dimenzija, odnosno male težine, koja se ne može suprotstaviti ovoj odižućoj sili. Naravno, kad smo kod globalne stabilnosti, ovo nije jedini efekat koji može biti pogrešno analiziran korišćenjem simetričnih opterećenja. U slučaju krova pod nagibom, budući da rezultujuća sila deluje na jednoj četvrtini dužine, dobijamo veći momenat preturanja, kojim se opet narušava globalna stabilnost konstrukcije, a i dešava se drugačija raspodela sila u osloncima. Ovaj efekat se povećava sa povećanjem nagiba krova, a na slikama ispod predstavili smo jednu analizu koju smo uradili, kako bismo bolje dočarali ovu situaciju.

Prva slika pokazuje efekte koji se dešavaju kada je krov ravan. Kao što je već rečeno, intuitivno se da zaključiti da je reakcija oslonca veća kada je sila bliža osloncu.

Druga slika pokazuje efekte nagiba krova. Može se videti da usled dodatnih uticaja momenta preturanja koji deluje na celu konstrukciju, ne samo da je reakcija oslonca bliža rezultantoj sili vetra (levi oslonac) veća u odnosu na slučaj kada sila deluje u sredini raspona, nego reakcija oslonca dalja od sile (desni oslonac) može da ima drugačiji znak! Intenzitet i znak reakcije, naravno, zavise od geometrije konstrukcije i vrednosti sile vetra, ali je ovo samo slikovit primer kako pogrešnim usvajanjem koeficijenata možemo da potcenimo vrednost sile u stubu i vezi za temelj.

Ova situacija sa koeficijentima sile pritiska vrlo je slična situaciji i u ASCE7 standardu, mada se ovde možda teže može napraviti zabuna (lično mišljenje), jer su koeficijenti sila jasno razdvojeni po poglavljima. Koeficijenti sile za glavnu konstrukciju (u standardu nazvani „main wind force resisting system“, odnosno skraćeno „MWFRS“) dati su u zasebnim poglavljima (dve različite procedure), dok su koeficijenti pritiska za obloge dati u drugom poglavlju. Ako pogledamo raspodelu pritiska na krov za spomenute „MWFRS“, jasno se vidi da su veće vrednosti sile bliže navetrenoj strani, dok je situacija za proračun obloge vrlo slična onoj u Evrokodu – lokalni pritisci su najveći uz ivice krova i opadaju ka sredini.

Šta ako postoji zid?

Vratimo se sada malo na stepen blokade. U Evrokodu je blokada zamišljena kao neka prepreka strujanju vazduha, kao npr. vozila ili uskladištena roba (barem sudeći prema skicama datim u poglavlju za krovove nadstrešnica). Ali naravno, ova prepreka može biti i zid. S druge strane, rečeno je da je nadstrešnica konstrukcija bez stalnih zidova. Bez obzira na ovu definiciju, mi možemo ovaj krov posmatrati kao krov nadstrešnice, jer je, na kraju krajeva, bitno kakva je priroda strujanja vazduha ispod krova, a ne definicija nadstrešnice u standardu. Međutim, ovo pominjemo iz drugog razloga: kako analizirati ovaj zid na uticaje vetra? I šta ako ima više od jednog zida? Evrokod, nažalost, uopšte ne prepoznaje ovu situaciju.

Naravno, ako postoji jedan zid, možemo taj slučaj analizirati prema pravilima za zidove i parapete datim u odgovarajućem poglavlju. Ali, ako imamo više od jednog zida, situacija postaje malo komplikovanija. Možemo svakako i dalje upotrebljavati prethodno pomenuta pravila i raditi određene aproksimacije, ali da li ćemo tako predstaviti realno strujanje vazduha i pritiske vetra i da li ćemo analizirati sve potrebne pravce? Naravno, ovi slučajevi se mogu kategorizovati kao otvorene zgrade, ali ih ipak pominjemo u delu vezanim za nadstrešnice. U ovom slučaju se isto možemo obratiti za pomoć starim standardima kao što su nemački DIN 1055-4 ili već pomenuti BS 6399-2. Ovi standardi prepoznaju ovu situaciju i daju koeficijente unutrašnjeg pritiska za zgrade otvorene sa jedne, dve ili tri strane, kao i relevantne pravce duvanja vetra koje treba analizirati. ASCE 7 takođe klasifikuje zgrade prema stepenu otvorenosti u oblozi i u skladu sa tim daje koeficijente unutrašnjeg pritiska.

CFD Analiza

Za slučajeve koji nisu pokriveni standardima mogu se upotrebiti i napredne analize koristeći neke od CFD („Computional Fluid Dynamics“) softverskih alata dostupnih na tržištu. Mi smo za potrebe projekta nadstrešnice za parking mesta koja je zatvorena sa tri strane (ili po nekim definicijama, zgrade otvorene sa jedne strane) koristili probnu verziju softvera RWIND, kako bismo stekli bolji utisak o strujanju vazduha oko i unutar nadstrešnice i kako bismo mogli da poredimo ove rezultate sa rezultatima iz odgovarajućih standarda koje smo gore naveli. Iako nismo eksperti u CFD analizi (barem ne još), postigli smo rezultate koji nam deluju realno i koji su uporedivi sa informacijama iz standarda.

Ovim zaključujemo prvi deo teksta, u kom smo razmotrili najbitnije stvari na koje treba obratiti pažnju prilikom analize opterećenja vetrom zgrada i nadstrešnica. U sledećem delu teksta ćemo se posvetiti drugim tipovima konstrukcija, kao što su mostovi, rešetkaste konstrukcije i dimnjaci.

Nadamo se da vam je ovaj tekst bio koristan i da je pružio jasniji uvid u važnost analize opterećenja vetrom. Radujemo se što ćemo vam u sledećem delu predstaviti još detalja i pozivamo vas da nas pratite kako biste saznali više o sigurnosnim aspektima projektovanja različitih tipova konstrukcija.