Pri stavbe domu alebo inej budovy si ľudia zvyčajne predstavia pevné základy, steny a strechu. No jedným z najdôležitejších, ale menej viditeľných aspektov konštrukcie, je statika – disciplína, ktorá sa zaoberá tým, ako sa stavby vyrovnávajú s rôznymi vonkajšími silami. Medzi tieto sily patrí aj vietor, ktorý má na stavby veľký vplyv.
Vietor, hoci ho často vnímame len ako jemné prúdenie vzduchu, môže v extrémnych prípadoch vyvolávať sily tak silné, že dokážu ohroziť bezpečnosť aj tých najpevnejších budov. V tomto príspevku si vysvetlíme, ako tieto sily pôsobia a prečo je dôležité, aby boli stavby navrhnuté tak, aby im odolali.
Ako vietor pôsobí na stavby
Pri náraze vetra na stavbu sa sila vetra prenáša cez steny a strechu do základov. Tieto sily môžu spôsobiť rôzne druhy porúch, ak nie sú správne zvládnuté. Medzi najčastejšie patria:
- Ohýbanie a prehnutie – Pri silnom vetre sa môžu steny alebo stĺpy prehýbať alebo ohýbať, čo môže viesť k ich oslabeniu alebo dokonca k zrúteniu. Aj keď si to možno nevieme predstaviť tak aj murované a dokonca aj betónové steny sa ohýbajú.
- Zdvíhanie konštrukcií – Veterné prúdy pôsobiace na konštrukcie vyvolávajú na ich záveterných stranách sanie a pri dostatočne silnom vetre môže konštrukciu, alebo jej časť doslova „odtrhnúť“ od zvyšku stavby. Tento jav je obzvlášť nebezpečný pri plochých alebo zle upevnených strechách. Pri ľahkých konštrukciách ako sú napríklad drevené prístrešky, plechové strechy ale aj drevodomy sa musí statik intenzívne zaoberať problematikou zdvihnutia alebo prevrátenia konštrukcie.
- Šmykové sily – Silný vietor môže vyvolávať šmykové sily, ktoré sa prejavujú horizontálnym pohybom stien, alebo konštrukčných prvkov, čo môže viesť k prasklinám alebo kolapsu. Práve v dnešnej dobe keď sú v móde otvorené dispozície domov, navrhnuté bez ohľadu na statiku, čiže bez vnútorných šmykových stien je téma pôsobenia vetra na domy veľmi aktuálna a žiaľ veľmi podceňovaná.
Tlak a sanie vetra: Ako vznikajú?
Keď vietor narazí na budovu, vytvára oblasti tlaku a sania. Tieto dva javy majú zásadne odlišný efekt:
- Tlak vetra vzniká na náveterných stranách stavby, teda na tej strane, ktorá je priamo vystavená veternému prúdu. Na tejto strane sa vzduch spomaľuje a zhromažďuje, čím vzniká tlak na povrch budovy.
- Sanie vetra sa objavuje na záveternej strane stavby alebo na strechách. Keď vietor preteká cez budovu, na záveternej strane vytvára znížený tlak vzduchu, ktorý spôsobuje tzv. sanie. Tento efekt doslova „vyťahuje“ časti stavby smerom von. Pri strechách je sanie obzvlášť nebezpečné, pretože môže strechu zdvihnúť, ak nie je správne upevnená.
Rozdiel medzi tlakom a saním je teda v tom, že zatiaľ čo tlak tlačí konštrukciu do vnútra, sanie pôsobí opačne a ťahá časti budovy smerom von. Obe tieto sily však musia byť pri navrhovaní stavby brané do úvahy, aby bola konštrukcia dostatočne pevná a odolná.
Obr. 1) Názorná ukážka deformácie spôsobenej tlakom a saním vetra
Koľko sily dokáže vietor vytvoriť?
Sila vetra sa obvykle vyjadruje v Pascaloch (Pa) alebo v Newtonoch (N) na plochu teda na meter štvorcový m2, ale pre lepšiu predstavu ju prepočítame na tonáže. Pre príklad si zoberieme veterné prúdy s rôznymi rýchlosťami, pričom budeme uvažovať s plochou steny na ktorú vietor pôsobí 30 m² čo zodpovedá stene bežného rodinného domu s dĺžkou 10 m a výškou 3 m:
- Vietor s rýchlosťou 50 km/h: Priemerný vietor v meste, ktorý človek pociťuje ako „silný“, vyvoláva silu približne 116 N na meter štvorcový plochy. Pre stavbu s fasádou o rozlohe 30 m² to znamená silu asi 3 500 N. To je zhruba 350 kg pôsobiacich na stenu.
- Vietor s rýchlosťou 100 km/h: Pri silnom vetre, aký sa vyskytuje počas búrok, môže sila vetra narásť na 463 N/m². To znamená, že na rovnakú fasádu bude pôsobiť 13 900 N, teda približne 1,39 tony.
- Vietor s rýchlosťou 150 km/h: Takýto vietor, ktorý sa vyskytuje pri hurikánoch alebo veľmi silných búrkach, môže vytvoriť tlak 1042 N/m². Na stenu s rozlohou 30 m² to vytvára tlak 31 300 N, čo je ekvivalent 3,13 tony!
(Pri výpočte bolo uvažované so zjednodušeným výpočtom F=0,6⋅v2⋅A, pre presnejšiu hodnotu treba použiť vzorec F=1/2⋅ρ⋅v2⋅A⋅Cd)
Tieto čísla jasne ukazujú, aké obrovské sily môže vietor vyvolať a ako veľmi záleží na tom, aby bola stavba správne navrhnutá.
Príklady z praxe
- Lietajúce strechy – ak sa nejakým obývaným miestom preženie veterná smršť, môžeme často na druhý deň v správach vidieť hrôzostrašné zábery zničených striech. Tieto občasné veľmi silné vetri preveria správnosť návrhu a vyhotovenia strešných konštrukcií. Každá strecha by mala byť navrhnutá na namáhanie vetrom stanovené národnou prílohou technickej normy. Tá vychádza z meteorologických štatistík. Správne navrhnuté strechy by mali odolať aj silným búrkam s rýchlosťou vetra nad 100 km/h.
- Stany na festivaloch – obľúbené festivaly nám čoraz častejšie prerušujú prudké lokálne búrky sprevádzané veľkým nárazovým vetrom. Hlavnou príčinou prerušenia festivalu je práve tento vietor, ktorý má na veľkoplošné stany veľmi nepriaznivý účinok. Tieto konštrukcie sú otvorené a tak sa v určitých situáciách správajú ako padák, alebo krídlo lietadla. Na vrchu stanu pôsobí sanie a ťahá ho smerom hore a vietor vchádzajúci pod stan ho zase tlačí hore. Takéto namáhanie nevydrží často ani pomerne robustne navrhnuté kotvenie a konštrukcia.
- Lietajúce predmety – ako bolo už spomenuté za rohmi budov na jejich záveterných stranách vzniká veľké sanie. Za rohmi, na okraji strechy a za prekážkami na plochej streche je toto sanie najväčšie. Preto sa často stáva aj pri menšom vetre že sanie vetra uchytí nejaký predmet z balkóna, okna alebo strechy.
- Kývajúce sa mosty – zaujímavým fenoménom ktorý môže postihnúť aj vysokú budovu alebo komín je rezonancia vzniknutá od prúdenia vetra okolo konštrukcie. Vietor môže svojím prúdením okolo mosta, budovy alebo komína prúdiť tak že ju rozkýve až do stavu rezonancie kedy je výchylka kývania (amplitúda) tak veľká že konštrukcia toto namáhanie neunesie a zrúti sa.
Ako sa stavby bránia vetru?
Aby stavby odolávali vetru, sú navrhnuté s niekoľkými kľúčovými technológiami a prístupmi:
- Vystužené steny a stĺpy – Použitie ocele alebo betónu v kombinácii so správnym rozmiestnením výstuží pomáha zabezpečiť pevnosť a stabilitu stavby.
- Špeciálne kotvenie strechy – Strechy musia byť správne ukotvené k stenám budovy, aby sa zabránilo ich odtrhnutiu.
- Aerodynamické tvary budov – Aj v prípade nižších budov je dôležité dbať na tvar strechy a fasády, aby sa minimalizoval účinok sania vetra.
Prečo sa stavby neubránia tornádu alebo hurikánu?
Pri návrhu stavieb statik vychádza z noriem opierajúcich sa o štatistiky hydrometeorologického ústavu. Norma nám udáva pre rôzne oblasti konkrétne návrhové hodnoty rýchlosti vetra s ktorými sa odporúča pri návrhu v danej oblasti počítať. Na príklad pre oblasť okolo Bratislavy sa ráta so základnou rýchlosťou vetra 26 m/s, čo je necelých 100 km/h. To však neznamená že budovy v Bratislave neodolajú vetru s rýchlosťou väčšou ako 100 km/h. Výsledné namáhanie závisí od tvaru okolitého terénu, výšky objektu, jeho tvaru a pod..
Tento spôsob výpočtu a posúdenia na účinky vetra je vo väčšine prípadov dostačujúci. Takto navrhnuté objekty a ich súčasti odolajú aj príležitostným namáhaniam prekračujúcich normové hodnoty.
Skutočným dôvodom prečo sa stavby nenavrhujú tak aby odolali aj sile tornáda v ktorom vietor dosahuje rýchlosť prevyšujúcu 200 km/h je ich ekonomickosť. Také budovy by boli extrémne robustné a pre bežné podmienky predimenzované a tým pádom veľmi drahé na realizáciu.
Výpočet tlakovej sily vetra na plochu objektu
Na výpočet tlakovej sily vetra pôsobiacej na plochu stavby sa používa jednoduchý fyzikálny vzorec, ktorý vyjadruje vzťah medzi rýchlosťou vetra a tlakom na plochu:
F=1/2⋅ρ⋅v2⋅A⋅CdF
Kde:
- F je sila vetra pôsobiaca na plochu (v Newtonoch, N),
- ρ je hustota vzduchu (približne 1,225 kg/m³ pri teplote 15 °C),
- v je rýchlosť vetra (v metroch za sekundu, m/s),
- A je plocha objektu, na ktorú vietor pôsobí (v metroch štvorcových, m²),
- C_d je koeficient odporu vzduchu, ktorý závisí od tvaru objektu (pre ploché povrchy ako steny je to obvykle medzi 1,0 až 1,3).
Príklad výpočtu:
Ak predpokladáme, že rýchlosť vetra je 100 km/h (čo je približne 27,8 m/s) a pôsobí na stenu s plochou 100 m², použijeme vzorec takto:
F=1/2⋅1,225⋅(27,8)2⋅100⋅1,2 = 56 803,74 N ≈ 5,7 tony
Po dosadení a výpočte dostaneme silu vetra v Newtonoch (N), ktorú môžeme následne prepočítať na tonáže (1 000 N = 0,1 tony). Týmto spôsobom je možné odhadnúť, aký tlak vietor vyvíja na konkrétnu stavbu.
Záver
Vietor je prirodzený jav, ktorý môže mať výrazný vplyv na stavby. Preto je dôležité, aby sme pri ich návrhu mysleli na jeho možné účinky. Dobrý statik dokáže navrhnúť budovu tak, aby odolala aj tým najhorším veterným podmienkam, a tým ochránila majetok a životy jej obyvateľov.
Zdroje:
- https://www.shmu.sk/sk/?page=1
- STN EN 1991-4 Zaťaženia konštrukcií. Všeobecné zaťaženia – zaťaženia vetrom
- Článok bol vytvorený s pomocou AI nástroja ChatGPT