Příprava druhé generace Eurokódů pro zásady navrhování a zatížení

V technické komisi CEN/TC 250 a jejích subkomisích SC1 až SC11 je téměř dokončena 1. fáze dalšího rozvoje 2. generace Eurokódů a v 2. fázi rozvoje jsou k dispozici dva pracovní návrhy pro připomínkování členskými zeměmi. V současnosti se subkomise SC10 zabývá edičními úpravami finální pracovní verze klíčového dokumentu prEN 1990 pro zásady navrhování. Mohou se zde provádět zejména ediční úpravy (každá část Eurokódu prochází revizí technického recenzenta) a řešit dílčí úkoly vyplývající z požadavků členských zemí, které nebyly zahrnuty v úkolech PT, popř. se zabývat různými nekonzistencemi, které mohou vznikat při souběžné tvorbě dalších částí Eurokódů.

Předpokládá se ještě zapracování výsledků tří pracovních skupin působících v rámci subkomise SC10 pro kalibrace dílčích součinitelů zatížení, zásady navrhování mostů a nelineární metody navrhování. Konečná verze prEN1990 se dokončí na podzim 2019, kdy bude schválena v subkomisi SC10 a předána do CEN Management Centra pro hlasování členskými zeměmi.

Plánuje se, že další přílohy A3 až A6 pro zásady navrhování dalších typů konstrukcí budou schváleny a vydány později jako druhá, samostatná část EN 1990. V rámci nového PT se nyní připravuje druhý pracovní návrh přílohy A2 pro zásady navrhování mostů. V příloze A3 budou uvedeny zásady navrhování pro stožáry a věže, v příloze A4 pro zásobníky a nádrže, v příloze A5 pro jeřáby, v příloze A6 pro zásady navrhování na zatížení vlnami a mořskými proudy. Přílohy A3 až A5 připravují ad hoc skupiny, které jsou řízeny CEN/TC 250.

Rozvoj souboru Eurokódů EN 1991 pro zatížení se připravuje v rámci subkomise SC1. Působí zde pracovní skupiny WG pro námrazy, pro zatížení mostů dopravou, pro zatížení požárem, pro klimatická zatížení (zatížení sněhem, větrem, teplotou), pro požáry, pro zatížení vodními proudy a pro zásobníky a nádrže. Prácemi na přípravě nových částí Eurokódů jsou pověřeny PT, které svým příslušným WG, a pak také subkomisi SC1 předkládají pracovní verze nových částí Eurokódů pro možnost jejich připomínkování a schvalování. Jednotlivé PT tyto připomínky zapracovávají, jsou společně se subkomisí SC1 zodpovědné za výsledná znění jednotlivých částí EN 1991.

V závěrečné fázi dokončení se nyní nachází prEN 1991-1-2 pro navrhování na požáry a prEN 1991-2 pro zatížení mostů dopravou. V rámci PT pro klimatické změny byla zpracována technická zpráva CEN s doporučeními pro doplnění pokynů do jednotlivých částí EN 1991 a také pro revize národních klimatických map (předpokládá se perioda revizí asi 15 let).

V 2. fázi rozvoje norem jsou k dispozici dva pracovní návrhy několika norem pro zatížení, které byly poskytnuty členským zemím k připomínkám. Na základě těchto připomínek se v projektových týmech připraví třetí, konečná znění těchto částí Eurokódů (zatížení sněhem, větrem, teplotou a zatížení zásobníků a nádrží). Připravují se také dvě zcela nové části EN 1991 na základě transformace mezinárodních dokumentů ISO 21650 pro zatížení vlnami a vodními proudy, nově jako EN 1991-1-8, a ISO 12494 pro zatížení námrazou, nově jako EN 1991-1-9.

Ve 3. a 4. fázi rozvoje EN 1991 se připravují pokyny pro uvážení spolupůsobení klimatických zatížení, pro revizi pokynů do EN 1991-1-1 pro užitná zatížení, do EN 1991-1-6 pro zatížení během provádění a EN 1991-1-7 pro mimořádná zatížení, zejména s ohledem na požadavky pro robustnost staveb a zpřesnění modelů mimořádných zatížení. V EN 1991-3 se provádí revize zatížení jeřáby.

Požadavkem CEN/TC 250 je, aby se počet národně stanovených parametrů (NDP) omezil. Čistě technické parametry, které jsou obecně užívané nebo je již země přijaly v 1. generaci Eurokódů, není třeba národně měnit. Konečné návrhy norem projdou revizí, aby byly v souladu s edičními zásadami CEN a také byla zajištěna jejich harmonizace napříč Eurokódy, na to dohlíží technický recenzent vybraný CEN/TC 250.

V následujícím textu jsou stručně uvedeny aktuální informace o probíhající revizi některých částí EN 1991.

Zatížení vlastní tíhou, stálá a užitná zatížení
Revize prEN 1991-1-1 vychází z národních připomínek členských zemí, předpokládá se, že zde nově budou doplněny pokyny pro užitná zatížení způsobená rytmickým a synchronizovaným pohybem davu, např. ve společenských sálech a tělocvičnách. Dolní a horní meze charakteristických hodnot užitných zatížení pro různé kategorie užitných ploch budou ověřeny, zejména těch v kategoriích A až D, kde v některých případech byly doporučeny v dosti širokém rozmezí. Vliv výběru meze užitných zatížení pro kategorii B kancelářských prostor na index spolehlivosti β pro příklad krátkého ocelového sloupu navrženého podle Eurokódů na dolní a horní mez užitných zatížení podle EN 1991-1-1 je ilustrován na obr. 1 pro tři varianty základní kombinace zatížení (a), (b) a (c) představující vztah (6.10), dvojici vztahů (6.10a, 6.10b) a dvojici (6.10a_mod – jen se stálými zatíženími, 6.10b) uvedené v současně platné ČSN EN 1990 pro mezní stav únosnosti. Z obr. 1 je patrné, že při zvolení dolní meze užitných zatížení a doporučených hodnot dílčích součinitelů dle Eurokódů je dosažena směrná hodnota indexu spolehlivosti β_t = 3,8 jen u kombinace zatížení (6.10). V ČR jsme zvolili hodnotu užitných zatížení 2,5 kN/m², která se nachází uprostřed intervalu užitných zatížení kategorie B (2 až 3 kN/m²) podle EN 1991-1-1. Podrobnosti spolehlivostních analýz a porovnání dopadu výběru parametrů spolehlivosti pro 20 zemí CEN jsou uvedeny v JRC Report [1], která je volně dostupná na webu JRC. Na obr. 1 se analyzovaný nosný prvek považuje za spolehlivý, pokud jsou vypočtené indexy spolehlivosti větší, než je směrná hodnota indexu spolehlivosti β = 3,8 pro referenční dobu 50 let.

Některé členské země požadují, aby se doplnily dosud chybějící informace o užitných zatíženích, např. pro kategorii A (rezidenční plochy, atiky, podkrovní prostory, schodiště, balkony), pro B1 (kanceláře, lehké průmyslové provozy) a B2 (skladové prostory v kancelářských budovách). Redukční součinitele α_A a α_n, kterými lze redukovat užitná zatížení působící na vodorovné nebo svislé nosné prvky zatížené z větší plochy nebo z více pater stejným typem užitného zatížení, zřejmě doznají dílčích úprav a zpřesní se rozsah jejich použití. Hodnoty zatížení od přemístitelných příček se ověřují, některé země je považují za příliš konzervativní.

Zatížení sněhem
Eurokód prEN 1991-1-3 doznal celé řady změn, nově se zde uvažuje jen s výjimečným sněžením, výjimečné návěje jsou vynechány. Pro stanovení zatížení sněhem na střeše byly upraveny výpočetní modely, podkladem byly výsledky nedávných výzkumů a také nedávno revidovaná ISO 4355. Součinitel expozice C_e se nově zavedl přímo do vztahu pro tvarové součinitele a upřesnil se součinitel tepla C_t. Pro rozsáhlé ploché střechy se zohledňuje vliv rozměru střechy. Pro sedlové střechy je uveden nový vztah pro tvarový součinitel µ, zahrnuje se vliv součinitele expozice. Pro střechy vícelodních budov se uvádí nový vztah pro zatížení nenavátým a navátým sněhem, pro válcové střechy nový vztah pro uspořádání navátým sněhem, pro střechy přilehlé nebo v blízkosti vyšších staveb upravený součinitel µ_w.

Postup stanovení zatížení sněhem pro lokální ověření doznal změn. Pro návěje na výstupky, překážky a atiky se uvádí nový vztah včetně vlivu součinitele expozice. Doplnily se pokyny, jak uvážit přídavné zatížení deštěm na střechu zatíženou sněhem. Jsou zde nově doporučení pro zohlednění návějí na střechách s nainstalovanými solárními panely. Přílohy A a B se zřejmě zruší, vybrané pokyny budou uvedeny v hlavním textu normy. V příloze C se vynechají mapy se zatížením sněhem na zemi a uvedou návody, které by měly sloužit členským zemím pro aktualizaci svých národních sněhových map. Přílohy D a E nedoznají významnějších změn, v příloze F jsou uvedeny návody pro stanovení součinitele tepla.

Zatížení větrem
Revidovaný prEN 1991-1-4 by měl být uživatelsky příznivější, došlo k mnoha zpřesněním, zjednodušení i doplnění pokynů. Uvádí se zde zjednodušený přístup pro stanovení zatížení větrem s určitými omezujícími předpoklady. Podrobnější informace o modelech zatížení větrem, o součinitelích tlaků a sil a zvláštních pravidlech pro specifické typy konstrukcí jsou v přílohách této normy. Možnost omezit počet NDP souvisí s dosažením konsensu členských zemí o modelech zatížení větrem, o hodnotách součinitelů tlaku a sil. Provedla se revize a harmonizace součinitelů vnitřních a vnějších tlaků větru. Navrhly se doplňující pokyny pro dynamickou odezvu a opatření pro omezení kmitání od vírového buzení.

EN 1991-1-4 je v současnosti členěn na 10 základních kapitol a 13 příloh. Postup stanovení zatížení větrem na konstrukce je uveden v kapitole 7, rozlišuje se, zda se jedná o jednoduché stavby nebo složitější konstrukce. Součástí příloh C až E je řada nových hodnot součinitelů tlaků, součinitelů výsledných tlaků a součinitelů sil. Do přílohy M byly převedeny požadavky na odezvu ocelových stožárů a věží na zatížení větrem, které byly dosud obsaženy v EN 1993. Projektový tým provedl porovnání výchozích základních rychlostí větru podle národních příloh jednotlivých členských zemí. V některých zemích se hodnoty základních rychlostí větru na hranicích výrazně liší, nejsou také v souladu s evropskou mapou rychlostí větru zpracovanou v předběžném Eurokódu ENV 1991-2-4.

Zatížení teplotou
V revidované prEN 1991-1-5 se provedla analýza charakteristických hodnot teploty vzduchu ve stínu a rovnoměrné složky teploty u konstrukcí z oceli, betonu a ocelobetonu na základě 30 národních příloh. Některé země mají zpracovány mapy minimálních a maximálních teplot vzduchu ve stínu, které pak převádějí na rovnoměrnou složku teploty s použitím normativních vztahů, další země ve svých národních přílohách přímo uvádějí doporučený rozsah charakteristických hodnot rovnoměrné složky teploty pro konstrukce z různých materiálů.

Pro výchozí teplotu vzduchu T₀, při které se uvažuje, že je nosný prvek omezen (zabudován), se nově zavádí rozsah výchozí teploty ΔT₀. Připravují se nové pokyny pro stanovení vlivu teplot na ložiska a mostní závěry, které jsou koordinovány se zásadami navrhování mostů současně připravovanými v nové příloze A2, EN 1990. Odstranily se nekonzistence týkající se rovnoměrné a rozdílové složky teploty pro mosty. Z přílohy A byla vynechána metodika postupu tvorby národních map a doporučená hodnota výchozí teploty, bude se zde uvádět pouze postup stanovení teploty vzduchu ve stínu pro jinou než 50letou dobu návratu na základě Weibullova rozdělení. Pro stanovení charakteristických hodnot teploty vzduchu ve stínu s jinou než 50letou střední dobou návratu bude možno použít zobecněné extremální rozdělení. Příloha B s modely pro uvážení nelineární složky teploty bude drobně upravena, příloha C pro součinitele teplotní délkové roztažnosti se vynechá (součinitele jsou obsaženy v materiálově zaměřených Eurokódech, popř. v dalších zdrojích), příloha D s průběhem teplot v budovách a dalších konstrukcích se nemění. Pro stanovení svislé složky teploty mostu bude nadále možno se národně rozhodnout, zda uvážit lineární nebo nelineární průběh teplot. Zatížení teplotou na dřevěné konstrukce se v ČSN EN 1991-1-5 nebude specificky uvádět, v případě potřeby lze doporučit doplňující pokyny v národní příloze.

Dílčím úkolem při revizi prEN 1991-1-5 je provést analýzu nekonzistencí stanovení charakteristických hodnot zatížení teplotou vzduchu ve stínu a rovnoměrné teploty na hranicích jednotlivých zemí CEN. Příklad nekonzistence charakteristických hodnot teploty vzduchu ve stínu na hranicích mezi ČR a Slovenskem je uveden v tabulce 1, kde pro maximální teploty jsou rozdíly až 8 °C a pro minimální 6 °C. 

Tabulka 1: Porovnání charakteristických max./min. hodnot teploty vzduchu ve stínu na hranici ČR se Slovenskem

Zatížení mostů dopravou
Konečný návrh EN 1991-2 pro zatížení dopravou se v současnosti edičně upravuje, očekává se na doplňující návrhy subkomise SC10 pro zásady navrhování, zejména pro namáhání na únavu, kmitání a robustnost (celistvost) mostu. Doplnil se ještě speciální model pro geotechnické konstrukce (doporučen model pro lokomotivu, odvozen od LM71) a edičně se upravily některé pokyny na základě doporučení technického recenzenta.

Zatížení zásobníků a nádrží
V prEN 1991-4 se uvádí revidované zásady navrhování a zatížení sypkými materiály a tekutinami na různé typy zásobníků a nádrží. Zásady navrhování a pravidla pro kombinace zatížení se z této normy přesunou do nové přílohy A.4 EN 1990. Některé aspekty se dosud řeší, například souvislost kategorizace zásobníků podle následků poruchy (třídy CC – Consequence Class) s třídami zatížení AAC (Action Assessment Class). Důležitým hlediskem je geometrie a objem zásobníků dle tříd AAC, kde zejména návrhu velkoobjemových zásobníků je třeba věnovat značnou pozornost. Dosud dochází k výskytu mnoha disproporčních poruch zásobníků, zejména těch klasifikovaných do nejvyšší třídy zatížení AAC3. Důležitým aspektem je také vyprazdňování různých typů zásobníků, při kterých dochází k jejich značnému namáhání.

Pro stanovení tlaků na zásobníky existují různé teorie, které však mohou vést k rozdílným výsledkům. Experimentální testy a měření tlaků v zásobnících je složité a nákladné, zatím je obtížné je nahradit pouze teoretickými analýzami. Skutečné vlastnosti skladovaných materiálů bývají obtížně předvídatelné, i očekávané chování celkem dobře známého materiálu jako pšenice se může každoročně měnit vlivem klimatu nebo souviset s lokalitou pěstování. Působení nesymetrického zatížení náplní jsou rozdílné u ocelového a betonového zásobníku. Zatímco u betonového zásobníku dochází k namáhání na ohyb a ke vzniku trhlin, u ocelového vznikají membránová napětí, která mohou vést k boulení.

Některé vztahy pro zásobníky v prEN 1991-4 byly upraveny, například tlaky od vyprazdňování na svislé stěny při velké výstřednosti toku materiálů a v symetrických výsypkách. Jsou zavedeny pokyny pro stanovení tlaků na vnitřně invertní typy zásobníků, zpřesněny součinitele pro symetrické a excentrické vyprazdňování a také parametry skladovaných materiálů.

V pokynech pro zásady navrhování zásobníků uvedených v příloze A prEN 1991-4 se uvádí celá řada tabulek s doporučeními, jak stanovit návrhové hodnoty zatížení a jejich kombinace pro ověření mezních stavů. Zásady navrhování zásobníků a nádrží a doporučení pro hodnoty dílčích součinitelů se plánují přesunout do přílohy A.4 EN 1990. Navrhování zásobníků je založeno zejména na předchozích zkušenostech, chybí dostatek informací o experimentálních měřeních skutečně působících tlaků a jejich vyhodnocování, takže při stanovení dílčích součinitelů a součinitelů kombinace je nezbytné uvážit různé typy nejistot pro účinky zatížení a odolnost konstrukce.

Stanovení účinků zatížení pro nádrže je oproti zásobníkům snadnější, jsou navrhovány pro skladování specifických kapalin o známé objemové tíze, tlaky jsou zde dobře definované, takže je možné uvažovat menší hodnoty dílčích součinitelů. Životnost zásobníků je obvykle ovlivňovaná četností jejich plnění, provozování a vyprazdňování.

V rozsahu EN 1991-1-4 dále chybí pokyny pro navrhování zásobníků pro senáže a siláže, u nás proto zůstanou v platnosti v samostatné, nedávno revidované ČSN 73 5570.

Zatížení námrazou
Základem pro nový Eurokód EN 1991-1-9 pro zatížení námrazou je ISO 12494, která je u nás zavedena od roku 2006 a její národní příloha uvedena v ČSN 73 0034. PrEN 1991-1-9 je oproti původní ISO 12494 podstatně zjednodušena. Některé přílohy obsažené v této ISO normě budou přesunuty do podkladního dokumentu (došlo téměř k poloviční redukci). V základních kapitolách normy jsou nyní uvedeny pouze výpočetní vztahy pro stanovení charakteristických hodnot zatížení námrazou, více než 20 tabulek obsažených v původní ISO 12494 se vynechalo. Došlo také asi k 50% redukci nebo i vynechání příloh této ISO normy.

EN 1991-1-9 uvádí třídy námrazy (R1 až R10) a ledovky (G1 až G6) v souladu s ISO 12494. V EN 1991-1-9 se nově umožňuje i přímé použití charakteristických hodnot hmotnosti námrazy nebo její tloušťky, které mohou být stanoveny ČHMÚ pro místo staveniště. Kombinace zatížení námrazou s dalšími zatíženími budou z EN 1991-1-9 přesunuty do normativní přílohy A3 EN 1990 pro zásady navrhování věží, stožárů a komínů. Součinitele tlaku zohledňující působení větru na konstrukci s námrazou budou přesunuty do EN 1991-1-4.

V informativní příloze A budou již pouze informativně uváděny odstupové vzdálenosti pro veřejnost, které je potřebné dodržovat, aby nedošlo ke zranění osob padající námrazou z vysokých staveb, které jsou citlivé na tvorbu námrazy. V příloze B se uvede způsob tvorby námrazy na konstrukcích, v příloze C typy námraz a sběr dat, v příloze D informace o způsobu použití této normy v praxi.

Závěrečné poznámky
Poslední pracovní návrhy revize jednotlivých částí souboru Eurokódů EN 1991 pro zatížení ukazují, že některé normy budou zcela přepracovány, doplněny o dosud chybějící pokyny, lépe vysvětleny a došlo k celé řadě zjednodušení. Připravují se nové části EN 1991 pro zatížení vlnami a mořskými proudy a pro zatížení námrazou.

V některých případech se podařilo snížit počet národně stanovených parametrů, takže dochází k větší harmonizaci Eurokódů pro zatížení, přibyly i nové doplňující postupy, které dosud chyběly a pro které bylo potřebné zavést volitelné parametry. U klimatických zatížení však redukce počtu národně volitelných parametrů NDP již byla menší, protože země musí mít možnost si své klimatické parametry zvolit.

Pro operativní zavedení nové generace Eurokódů bude třeba zpracovat nové národní přílohy, ve kterých bude potřebné optimálně nastavit hodnoty národně stanovených parametrů včetně kalibrací dílčích součinitelů pro zatížení a materiálové vlastnosti, aby byla zajištěna spolehlivost, bezpečnost a hospodárnost našich staveb.
JANA MARKOVÁ

Literatura:
1) prEN 1990 Eurocode: Basis of structural and geotechnical design, 11/2019.
2) EN 1991-1-1 Eurocode 1 Actions on structures – Part 1-1: General actions – Densities,self-weight, imposed loads for buildings.
3) prEN 1991-1-3 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-3: General actions – Snow actions, 11/2018.
4) prEN 1991-1-4 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-4: General actions – Wind actions, 01/2019.
5) prEN 1991-1-5 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-5: General actions – Thermal actions, 01/2019.
6) prEN 1991-1-8 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-8: General actions – Actions from waves and currents on coastal structures, 06/2018.
7) prEN 1991-1-9 Eurocode 1 Actions on structures, Part 1-9: General actions – Atmospheric icing, 11/2018.
8) prEN 1991-2 Eurocode 1 Actions on structures, Part 2: Traffic loads on bridges, 06/2018.
9) prEN 1991-4 Eurocode 1 Actions on structures, Part 4: Silos and tanks, 01/2019.
10) Markova et. al., Reliability analysis of structural members designed according to NDPs of the Eurocodes selected by Member States, JRC Report, 2018 (https://publications.europa.eu).

Doc. Ing. Jana Marková, Ph.D., (*1955)
je absolventkou Fakulty stavební ČVUT v Praze. Působí v Kloknerově ústavu ČVUT, kde se zabývá výzkumem v oblasti spolehlivost stavebních konstrukcí, zásad navrhování a zatížení, pravděpodobnostních metod teorie spolehlivosti, metod analýz a hodnocení rizik konstrukcí. Pracuje také v Centru technické normalizace, kde spolupracuje s ÚNMZ při zavádění Eurokódů v ČR, účastní se evropských normotvorných aktivit v technických subkomisích CEN/TC 250/SC1 a SC10 pro zatížení a zásady navrhování, kde je vedoucím a členem pracovních týmů pro zatížení stavebních konstrukcí teplotou, námrazou a pro spolupůsobení klimatických zatížení.