Sposoby monitorowania obciążenia śniegiem i sposoby jego usuwania z dachów płaskich, cz. 1

Rys. 1. Schemat systemu diagnostyki i monitoringu obciążenia dachu śniegiem

Wprowadzenie
Minione zimy cechowały opady znaczne opady śniegu, a w nadchodzących sezonach zimowych należy spodziewać się jeszcze większych. Aktualizacja przepisów budowlanych w roku 2010 wymagająca instalacji monitorujących stan konstrukcji dachów o dużych rozpiętościach dotyczy głównie dachów płaskich. Artykuł dotyczy problematyki monitorowania grubości powłoki śniegu, jego gęstości i sposobów usuwania z połaci dachowej. Temat jest aktualny z racji zbliżającej się zimy oraz doświadczeń z lat ubiegłych.

Szczególnie ostatnie lata dały się odczuć jako śnieżne co do ilości opadów i długości okresu zalegania śniegu. Wpłynęło to na koszty utrzymania obiektów związane z odśnieżaniem dachów, nieraz kilkukrotnym. Przy cenie od 2 do 5 zł za 1 m² odśnieżanego dachu i powierzchniach po kilka i kilkanaście tysięcy metrów kwadratowych kwoty za odśnieżanie są znaczne. Są one na tyle duże, że zmuszają do poszukiwania rozwiązań pozwalających na ich obniżenie, przy zagwarantowaniu wymaganego poziomu bezpieczeństwa dachu. Ważne jest więc stwierdzenie poziomu obciążenia śniegiem, które uzasadnia podjęcie decyzji o ewentualnym odśnieżaniu dachu (nieuzasadnione odśnieżanie dachu generuje zbędne koszty). Stąd poruszenie w dalszej części artykułu problematyki monitoringu dachów. Niemniej jednak podjęcie decyzji o odśnieżaniu dachu stawia właściciela lub zarządcę przed wieloma nowymi problemami związanymi z bezpiecznym sposobem odśnieżania, stroną logistyczną (czym, jak i gdzie wywozić śnieg) oraz kosztami usuwania śniegu i sprawą gwarancji na pokrycie dachowe. Dlatego w drugiej części artykułu poruszona została sprawa przygotowania dachu płaskiego do zimy, sposoby usuwania śniegu z połaci oraz wdrażane innowacje w tej dziedzinie.

Jak wykazują raporty publikowane przez Instytut Techniki Budowlanej i Główny Urząd Nadzoru Budowlanego, wzrastająca w ostatnich latach liczba awarii i katastrof w Polsce świadczy zarówno o błędach popełnianych na etapie projektowania i wznoszenia obiektów, jak i o ich przeciążaniu podczas eksploatacji. Najczęstszą przyczyną uszkodzenia dachów są nadmierne opady śniegu, mające często charakter anomalii pogodowych.

W okresie występowania intensywnych opadów śniegu, do obowiązków właścicieli i zarządców obiektów budowlanych należy usuwanie nadmiaru śniegu z dachów. Zgodnie z art. 61 pkt. 2 ustawy z 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (Dz. U. z 2006 r. Nr 156, poz. 1118 z późn. zm.) W razie wystąpienia czynników, które mogą mieć wpływ na uszkodzenie obiektu budowlanego lub bezpośrednie zagrożenie takim uszkodzeniem, mogącym spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, bezpieczeństwa mienia lub środowiska, właściciele i zarządcy zobowiązani są do zapewnienia bezpiecznego użytkowania obiektu budowlanego.

Dachy płaskie są szczególnie narażone na zagrożenie awarią lub katastrofą w wyniku przeciążenia przez nadmierną warstwę śniegu. Sytuacja taka jest wynikiem bądź intensywnych ponadnormatywnych opadów śniegu, mających czasami charakter opadów katastrofalnych, bądź jest spowodowana tworzeniem się zasp i worków śnieżnych w miejscach dachu na to podatnych (attyki, świetliki i partie dachu przyległe do budynków wyższych). Dachy płaskie to w większości przekrycia wielkopowierzchniowych hal projektowanych w ostatnim dwudziestoleciu, ale i w latach poprzedniego systemu gospodarczego. Obciążenie śniegiem przyjmowane było na znacznie niższym poziomie w stosunku do obecnie obowiązujących wymagań. Polska Norma PN-77/B-02010 przyjmowała obciążenie śniegiem na poziomie 70 kN/m2 ze współczynnikiem częściowym obciążenia
gf = 1,4, który w latach 90. zwiększono do wartości gf = 1,5. Według normy PN-EN-1991-3 obciążenie charakterystyczne śniegiem gruntu wynosi 90 kN/m2 ze współczynnikiem obciążenia gf =1,5. Odpowiada to grubości pokrywy sypkiego śniegu o gęstości 245 kg/m3 (wartość normowa) wynoszącej 29 cm. W normie tej wskazano na konieczność uwzględniania zmiennej gęstości śniegu w zależności od jego stanu (śnieg zleżały) i wilgotności. Maksymalna gęstość śniegu wynosi 800 kg/m3 w sytuacji mokrego śniegu (np. deszcz po opadach śniegu, co zdarza się często podczas odwilży). Nakazuje się również uwzględnić możliwość zalegania lodu ze stopionego śniegu na połaci dachowej. Dachy przy tych wymaganiach projektowane były i są w sposób optymalny z punktu widzenia zużycia stali, tj. z maksymalnym wykorzystaniem nośności obliczeniowej konstrukcji przy normowych obciążeniach, w tym głównie śniegiem. Ponadnormatywne opady śniegu stanowią więc dla tych konstrukcji zagrożenie awarią lub katastrofą.

Widać więc, że obciążenie śniegiem według aktualnie obowiązującej normy znacznie przekracza wartości przyjęte do projektowania. W celu zapewnienia wymaganego normą PN-EN-1990 poziomu bezpieczeństwa należy ograniczyć możliwość zalegania śniegu na tych dachach do grubości warstwy sypkiego śniegu wynoszącej 15 cm, a mokrego (podczas odwilży i opadach deszczu na śnieg) do warstwy o grubości 10 cm. Praktyka pokazuje, że częstokroć na dachach zalega warstwa śniegu o większej grubości i nie powoduje to objawów stanu awaryjnego lub katastrofy, ale oznacza to pracę konstrukcji na niższym od wymaganego poziomie zapewnienia bezpieczeństwa.

Na etapie projektowania (jak i przed przystąpieniem do robót) bardzo często prowadzona jest optymalizacja konstrukcji, wykonywana najczęściej ze względu na kryterium kosztów. Obiekty wielkopowierzchniowe, ze względu na możliwość uzyskania znacznych korzyści z optymalizacji (odchudzania) masy konstrukcji, są najbardziej narażone na ryzyko wystąpienia stanów awaryjnych i katastrof w sytuacji nawet niewielkiego przekroczenia przyjętego do obliczeń poziomu obciążeń śniegiem. Uzasadnia to stosowanie systemów diagnostyki i monitoringu w celu podniesienia stopnia bezpieczeństwa tych obiektów.

Obciążenia normowe konstrukcji określane są na podstawie średnich oddziaływań w określonym czasie, (tzw. czas powrotu obciążenia ekstremalnego, wynoszący średnio 50 lat). Zmiany klimatyczne przyniosły istotne zwiększenie wartości maksymalnych oddziaływań środowiskowych (w tym śnieg), często znacznie przekraczającymi maksymalne wartości normowe. W przypadku konstrukcji zaprojektowanej na styk (w sposób optymalny z punktu widzenia metodyki projektowania) może to prowadzić do zagrożenia katastrofą

Dlatego też dla zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji dachu i tym samym całego obiektu należy usuwać nadmiar warstwy śniegu ponad wartości dopuszczalne przyjęte na etapie projektowania. Nie ma uzasadnienia dla usuwania całości warstwy śniegu z dachu, który powinien niewielkie obciążenia od śniegu przejąć w sposób bezpieczny. Należy przy tym zauważyć, że pozostawienie niewielkiej warstwy śniegu zabezpiecza pokrycie przed działaniem sprzętu do odśnieżania i ewentualnymi uszkodzeniami przez obuwie pracowników. Ważne jest, aby odśnieżanie dachów wykonać przed przekroczeniem maksymalnej dopuszczalnej wysokości pokrywy śnieżnej, gdyż uwzględnić należy czas w którym na nie odśnieżonej jeszcze powierzchni zdąży powstać warstwa śniegu większa od dopuszczalnej.

Monitorowanie obciążenia śniegiem dachu płaskiego
Rozporządzenie ministra infrastruktury z 12 marca 2009 r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowania w par. 240 ust 7. zawiera wymaganie, aby budynki użyteczności publicznej z pomieszczeniami przeznaczonymi do przebywania znacznej liczby osób, takie jak: hale widowiskowe, sportowe, wystawowe, targowe, handlowe, dworcowe powinny być wyposażone, w zależności od potrzeb, w urządzenia do stałej kontroli parametrów istotnych dla bezpieczeństwa konstrukcji, takich jak: przemieszczenia, odkształcenia i naprężenia w konstrukcji. Oznacza to formalną konieczność instalacji na obiektach nowo projektowanych i istniejących systemów monitoringu stanu konstrukcji. Analiza przyczyn powstałych awarii i katastrof wskazuje, że jednym ze sposobów ich uniknięcia lub ograniczenia ich skutków jest stosowanie systemów monitoringu i ostrzegania przed nadmiernym obciążeniem śniegiem. Nakłady finansowe poniesione na system monitoringu i działania zmniejszające obciążenie dachu śniegiem są znacznie mniejsze niż te, które trzeba przeznaczyć na ewentualne wzmocnienia lub remont w przypadku uszkodzenia dachu, bądź też odbudowę – przy jego całkowitym zniszczeniu. Nie bez znaczenia są również czynniki ekonomiczne, wynikające z przerwy w funkcjonowaniu obiektu i oddziaływania psychologiczne i marketingowe związane ze złą sławą obiektu.

Celem monitoringu jest informacja o stanie konstrukcji i ostrzeganie przed wystąpieniem w konstrukcji stanów zagrożenia bezpieczeństwa jej użytkowania. Pewnym uproszczeniem, ale uzasadnionym względami praktycznymi jest monitorowanie stanu bezpieczeństwa konstrukcji przez pomiar grubości pokrywy śnieżnej w różnych miejscach połaci dachowej. Za stan alarmowy uznaje się wówczas przekroczenie dopuszczalnej grubości pokrywy śnieżnej przy stwierdzonym ciężarze objętościowym zalegającego śniegu. Pozwala to na wyznaczenie obciążenia połaci i umożliwia na tej podstawie podjęcie decyzji o odśnieżaniu bądź nie dachu.

Pomiary mogą być dokonywane w prosty sposób wizualnie na wskaźnikach bądź z wykorzystaniem czujników i automatyki w ramach złożonego systemu diagnostycznego. Pomiar ciężaru śniegu analogicznie w prosty sposób za pomocą wagi lub w systemie automatycznym czujników płytowych ciśnienia i nacisku. Diagnostyka pełna stanu konstrukcji przy obciążeniu śniegiem o zróżnicowanym rozkładzie (zaspy i worki śnieżne) możliwa jest przy zastosowaniu systemu diagnostyki pokazanego na rysunku.

System monitorujący realizuje ciągły pomiar różnych wielkości fizycznych: począwszy od odkształceń elementów, poprzez pomiar przemieszczeń wybranych elementów konstrukcji, a na określaniu wartości oddziaływań i warunkach pogodowych kończąc. Ciągła rejestracja wyników pomiarów umożliwia kontrolowanie w czasie sposobu pracy konstrukcji pod wpływem zmieniających się obciążeń (wywołanych m.in. śniegiem). Uzupełnieniem sytemu diagnostycznego jest zestaw kamer telewizji przemysłowej (z opcją przybliżania) wraz z systemem oświetlenia wskaźników pokrywy śnieżnej (opady nocne).    

Do transmisji danych wykorzystuje się sieć przewodową lub radiową lokalną oraz sieci dowolnej telefonii komórkowej. Informacje zbierane przez lokalne systemy pomiarowe przesyłane są do centrum monitorowania, gdzie na ich podstawie generowane są raporty o stanie obciążenia i wytężenia konstrukcji. Raporty przesyłane są do osób odpowiedzialnych za stan techniczny obiektów, służb ochrony, lokalnego centrum kryzysowego i właścicieli itp. (rys. 1).

Wymóg stosowania systemu diagnostyki może być spełniony również w sposób znacznie uproszczony, ale wystarczający dla zapewnienia konstrukcji dachu wymaganego poziomu bezpieczeństwa.

Prostym sposobem monitorowania grubości pokrywy śnieżnej na połaci dachowej jest ustawienie na pokryciu (poprzez wklejenie lub nadstawki) wskaźników w formie słupków (tzw śniegowskazów) ze znakowaniem pasami kolorowymi co 10 cm w kolorach białym i czerwonym. Warto również na stałych elementach dachu (kominy, ściany budynków sąsiednich, świetliki, wentylatory i stacje klimatyczne na dachu) umieścić przed zimą łaty wskazujące naprzemiennie malowane z podziałką co 10 cm (jak na łatach mierniczych). Monitorowanie grubości pokrywy śnieżnej w różnych partiach dachu prowadzone jest przez system kamer przemysłowych.

Innym przykładem stosowanych prostych wskaźników stopnia obciążenia dachu śniegiem są wskaźniki ugięć mocowane do konstrukcji stalowej od spodu. Zmiana krzywizny dźwigara jest widoczna cięgnie pomiarowym rozpiętym pomiędzy słupkami i wskazuje na stopień zaawansowania obciążenia śniegiem. Jest to uproszczona ocena jakościowa, ale połączona z obserwacja stanu pokrywy śnieżnej na dachu (grubość warstwy śniegu, ewentualne zaspy) jest wystarczająca dla podjęcia decyzji o odśnieżaniu dachu.

Usuwanie śniegu z dachu
Podstawowym problemem logistycznym jest nieokreśloność w czasie wystąpienia opadów śniegu i ich intensywność. Często są to dni świąteczne lub wolne od pracy, kiedy pozyskanie osób lub firmy do odśnieżania jest trudne, a czasami wprost niemożliwe. Dlatego też należy przygotować się do sezonu zimowego opracowując plan odśnieżania, zawierając umowy z firmami odśnieżającymi lub szkoląc i wyposażając odpowiednio personel firmy wyznaczony do odśnieżania dachu. Plan odśnieżania powinien wskazywać sposób odśnieżania dachu, sposób przemieszczania śniegu po dachu, miejsca i sposób zrzutu z dachu oraz składowanie, przemieszczanie lub załadunek i wywóz śniegu w miejsca uprzednio przewidziane lub wskazane przez władze miejskie. Przygotowanie dachu do zimy i odśnieżania to również wzmocnienie pokrycia (na etapie realizacji obiektu lub jako robota dodatkowa) w miejscach transportu śniegu po połaci dachowej, w miejscach ścieżek komunikacyjnych i w miejscach zrzutu śniegu z dachu (wymaga to wzmocnienia pokrycia krawędzi dachu w pasie o szerokości min. 2 m).

Ponadto na konstrukcji dachu należy wykonać miejsca mocowania lin zabezpieczających pracowników podczas odśnieżania o nośności zapewniającej utrzymanie człowieka podczas spadania z dachu. Dotychczasowe doświadczenia z prowadzenia robót na dachach pokazały, że wiele wskazywanych przez zarządcę obiektu miejsc mocowania na dachu nie posiadało dostatecznej nośności. Przy działaniu znacznych sił, porównywalnych z ograniczeniem spadania pracownika o masie około 100 kg, ulegały one zniszczeniu lub odkształceniom powodującym uszkodzenia dachu lub pokrycia.

Na sposób odśnieżania dachu mają wpływ powierzchnia dachu i jego ukształtowanie oraz otoczenie budynku. Duża powierzchnia dachu oznacza duże ilości śniegu do zrzucenia z dachu (w tym jego przemieszczanie po dachu) i wywiezienia. Nieraz jest to kilkadziesiąt kursów samochodów ciężarowych.

Usunięcie śniegu z dachu w większości przypadków odbywa się ręcznie przez odśnieżanie łopatami i zrzut poza krawędź dachu. Śnieg zbierany jest plastykami łopatami (ze szczotkowym grzebieniem ochronnym z tworzywa sztucznego) na wysokości około 5 cm powyżej pokrycia dachowego. Pozwala to na bezpieczne usuwanie śniegu bez zagrożenia uszkodzeniem pokrycia. Na powierzchniach z których usunięto śnieg z pozostawieniem warstwy ochronnej (pokrycie) o grubości około 5 cm można zastosować środek chemiczny do roztapiania lodu i śniegu, tzw. antylód. Pozostała warstwa śniegu, zwykle w strefie zrzutu śniegu w pobliżu krawędzi dachu i ścieżek transportu może tworzyć przegrodę utrudniającą odprowadzenie wody z roztopionego śniegu i lodu z połaci dachowej podczas odwilży lub słonecznego dnia. Gromadząca się przed przegrodą woda roztopowa w ciągu dnia zamarza nocą tworząc lodową zastoinę, zwiększając obciążenie dachu i utrudniając odpływ wody z wyżej położonych partii dachu. Antylód w formie granulatu służy do zwalczania lodu i śliskości śniegowej z dachów i tarasów oraz może służyć do usuwania zalegającego lodu w rynnach. Roztapiając lód i śnieg w temp. do –30°C jest skuteczny do 3 dni bez nowych opadów śniegu i nie stanowi zagrożenia dla wód odprowadzanych do kanalizacji deszczowej. Również oddziaływanie wód z roztopowych które odprowadzane są w otoczeniu budynku na tereny zielone jest dużo mniejsze niż innych środków (np. soli odladzających drogowych). Ponadto środek ten nie wpływa niszcząco na marmur, beton, cegłę i tworzywa sztuczne oraz nie powoduje korozji metali.

Przy dużych powierzchniach dachu nie ma zwykle miejsca na składowanie przy budynku śniegu zrzuconego. Dachy wielopołaciowe (hale fabryczne, centra handlowe i inne) stanowią duże wyzwanie dla firm zajmujących się odśnieżaniem, gdyż droga usuwania śniegu ze środka dachu do krawędzi (miejsc zrzutu) jest długa (czasami jest to ponad 100 m). Śnieg musi być transportowany taczkami lub kolebami (co jest ryzykowne lub nawet niemożliwe przy niektórych rodzajach pokrycia podatnych w niskich temperaturach na przebicia). Rozwiązaniem jest transport śniegu na plandekach i matach ciągniętych po połaci, co zapewnia równomierny nacisk na pokrycie i zabezpiecza je przed uszkodzeniami. Wymaga to sporego wysiłku ze strony osób odśnieżających, głównie ze względu na śliskość dachu (ubity śnieg, oblodzenie). Coraz częściej stosuje się sprzęt mechaniczny, tj. odśnieżarki z bocznym wyrzutem śniegu, ale ich stosowanie ograniczone jest do krawędzi dachu i miejsc gdzie w otoczeniu budynku nie ma przeciwwskazań do zrzutu śniegu (jest on rozpylany w znacznej strefie o średnicy do 100 m). Przydatność tego sprzętu może okazać się duża, jeżeli jest on zastosowany do mechanicznego zrzutu śniegu przesuwanego z dalszych partii dachu i w sytuacji, gdy krawędź dachu jest oblodzona i praca związana ze zsuwaniem śniegu jest zbyt niebezpieczna.

CDN
dr inż. Władysław Ryżyński
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa
w Suwałkach
Autor od 20 lat prowadzi samodzielne biuro usług inżynierskich w Białymstoku
CZYTAJ WIĘCEJ

Nowatorski system odśnieżania dachów
Jaka jest wytrzymałość dachu płaskiego i ile ona kosztuje?
Odśnież dach!
Urządzenie do pomiaru ciężaru śniegu Śniegomierz
Automatyczne odśnieżanie dachów. System Snow Out

---