Okna - odporność na obciążenie wiatrem

Coraz częściej w Polsce dają o sobie znać gwałtowne zjawiska pogodowe, o których do niedawna dowiadywaliśmy się jedynie z mediów. Zaledwie kilka dni temu solidnie dmuchnęło. W wypadkach zginęło kilka osób. Porywiste wiatry łamią nie tylko drzewa, niszczą także niektóre elementy konstrukcji budowlanych. O tym jak wiatr oddziałuje na okna zainstalowane w budynkach pisze Karol Reinsch, doradca techniczny firmy Aluplast Sp. z o.o. Ciekawa i pouczająca to lektura dla każdego inwestora.

Okno oknu nierówne, czyli wytrzymałość okien na obciążenie wiatrem

W niniejszym artykule spróbujemy wykazać jakie istotne znaczenie w doborze rozwiązania konstrukcyjnego okien ma lokalizacja budynku, jego wymiary oraz rozmieszczenie stolarki względem ścian budynku.

Przeprowadźmy analizę obciążeń wiatrem na przykładzie drzwi balkonowych, 2-skrzydłowych o wymiarach 1800mm x 2300mm.

Na początek nasze okno „zostanie zamontowane” w budynku jednorodzinnym, parterowym, położonym w Poznaniu na terenie zabudowanym. Budynek ma szerokość 10m, długość 12m i wysokość 6m. Bok budynku o wymiarze 10m skierowany jest na zachód, czyli w kierunku, z którego najczęściej wieje wiatr.

Uporządkujmy nasze dane do obliczeń statycznych, zgodnie z normą PN-EN 1991-1-4:

• kategoria terenu IV - Obszary na których przynajmniej 15% powierzchni pokrywają budynki o średniej wysokości przekraczającej 15 m
• wysokość na poziomem morza 80 mnpm (Poznań)
• wysokość montażu 0,5m

wymiary budynku (zgodnie z rys. 7.5 normy PN-EN 1991-1-4), przedstawionym poniżej:

Zgodnie z rys. 7.5 występują 3 typy elewacji:

• elewacja e < d
• elewacja e ≥ d
• elewacja e ≥ 5d

Wartość „e” to mniejsza wartość z b lub 2h.

W naszym przypadku b=10 m, a 2h = 12m, czyli e = 10 m, co kwalifikuje elewację naszego budynku do typu e < d

W tej sytuacji mam do czynienia z następującymi rodzajami ścian budynku, w stosunku do kierunku wiatru:

1. Ściana D – prostopadła do kierunku wiatru, od strony nawietrznej.
2. Ściana E – prostopadła do kierunku wiatru, położona po przeciwnej stronie budynku, w stosunku do ściany D.
3. Ściana A – fragment bocznej elewacji budynku, o szerokości e/5 = 2m, położony w pobliżu narożnika budynku od strony nawietrznej.
4. Ściana B – środkowa część bocznej elewacji o szerokości 4/5e = 8m.
5. Ściana C – fragment bocznej elewacji budynku, o szerokości d - e = 2m, położony w pobliżu przeciwległego narożnika budynku w stosunku do ściany A.

Zobaczmy teraz jakim obciążeniom wiatru będzie poddawane nasze okno w zależności od miejsca jego montażu w budynku. Poszczególne warianty przedstawione zostały w tabeli 1 poniżej.

Tabela 1.

Z wyników obliczeń przedstawionych w powyższej tabeli wynika, że to samo okno, zamontowane w tym samym budynku, ale w różnych jego miejscach poddawane jest bardzo różnym obciążeniom wiatrem. Drzwi balkonowe zamontowane na bocznej elewacji, w okolicach narożnika od strony kierunku wiatru (ściana A) powinny charakteryzować się ponad dwukrotnie większą sztywnością od takiej samej konstrukcji zamontowanej w pobliżu przeciwnego narożnika budynku (ściana C).

„Wybudujmy” teraz, w tym samym miejscu budynek wielorodzinny, dziesięciokondygnacyjny z takimi samymi drzwiami balkonowymi zamontowanymi na ostatniej kondygnacji.

Nasz nowy budynek ma wymiary:

• b = 50m
• d = 40m
• h = 30m

W tej sytuacji e = 50m i jest większe od d, co oznacza, że mamy do czynienia z elewacją typu e ≥ d, w której, zgodnie z rysunkami powyżej, występują ściany D, E, A i B.

Wartości obciążeń dla takiej sytuacji przedstawia tabela 2.

Tabela 2.

Porównując wartości ciśnień wiatru z tabel 1 i 2 można zauważyć, że nasze drzwi balkonowe z domku jednorodzinnego zamontowane na 10 piętrze budynku wielokondygnacyjnego, zlokalizowanego w tym samym miejscu, mogą być poddawane nawet ponad 2,5 krotnie wyższym obciążeniom niż w poprzednim wypadku. Taka sytuacja wymusza zastosowanie zupełnie innej, dużo mocniejszej, konstrukcji drzwi. Obrazuje to również przeskok z 1 do 3 klasy odporności na obciążenie wiatrem.

Przenieśmy teraz nasz budynek na północ Polski do II strefy wiatrowej i umieśćmy go nad brzegiem Bałtyku celem stworzenia urokliwego hotelu z widokiem na morze. W takim przypadku mamy do czynienia z kategorią terenu 0 - morze, obszar brzegowy otwarty na morze. Rodzaj elewacji budynku pozostaje bez zmian. Wartości obciążeń dla powyższych warunków przedstawia tabela 3.

Tabela 3.

Mamy tu do czynienia ze skrajnie wysokimi wartościami obciążenia wiatrem, które w praktyce wymagają zastosowania niestandardowych rozwiązań konstrukcyjnych, np. takich jak podział dwuskrzydłowych drzwi balkonowych na dwie osobne konstrukcje połączone tzw. łącznikiem statycznym.

Podsumujmy naszą analizę skupiając się na skrajnych, aczkolwiek wcale nie nietypowych przypadkach obciążeń zamieszczonych w tabelach 1, 2 i 3:

1. Dom jednorodzinny, I strefa obciążenia wiatrem, teren zabudowany: obciążenie 320 Pa, klasa 1.

2. Dom wielokondygnacyjny, I obciążenia wiatrem, teren zabudowany: obciążenie 890 Pa, klasa 3.

3. Dom wielokondygnacyjny, II obciążenia wiatrem, teren nadmorski: obciążenie 2220 Pa, klasa E2220.

Analizowane drzwi balkonowe, w zależności od miejsca ich zamontowania mogą być poddane nawet 7 krotnie wyższym obciążeniom w stosunku do najbardziej korzystnych warunków montażu. Takie różnice wymuszają zastosowanie diametralnie różnych rozwiązań konstrukcyjnych, w teoretycznie takich samych 2-skrzydłowych drzwi balkonowych. Widać wyraźnie, że bardzo trudno jest, lub wręcz niemożliwe, stworzenie konstrukcji uniwersalnej, która spełniać będzie wszystkie wymagania obciążeń wiatrem. Można oczywiście zbudować okno, które sprosta najwyższym wymogom, ale jest to ekonomicznie nieopłacalne. Taka konstrukcja musi być zaopatrzona w cały szereg niestandardowych elementów, (np. łącznik statyczny), których stosowanie w przypadku niższych klas obciążenia wiatrem jest całkowicie nieuzasadnione i niepotrzebne. Jeszcze gorsze byłoby gdybyśmy takie same okna, zbudowane z takich samych elementów chcieli zastosować w parterowym domu jednorodzinnym i w dziesięciopiętrowym budynku położonym nad brzegiem morza.

W trakcie projektowania stolarki okiennej należy mieć świadomość, że okna, które na rysunkach wyglądają identycznie, w praktyce mogą być wyrobami o zupełnie różnych konstrukcjach – okno oknu nierówne.

Autor: Karol Reinsch – doradca techniczny Aluplast Sp. z o.o.
Opracowanie i redakcja: OKNOTEST.PL