Nowy Eurokod 1: Obciążenie śniegiem dla dachów z panelami słonecznymi

Projektowanie zgodnie z normą EN 1991-1-3:2025 (Eurokod 1 drugiej generacji)

Gwałtowny wzrost liczby instalacji fotowoltaicznych na dachach płaskich spowodował pojawienie się nowych, wcześniej nie występujących scenariuszy obciążenia śniegiem, których nie da się wiarygodnie uwzględnić przy użyciu tradycyjnych modeli obciążenia równomiernego. Rzędy nachylonych paneli działają jak przeszkody aerodynamiczne, co prowadzi do lokalnej erozji i gromadzenia się śniegu. Eurokod drugiej generacji EN 1991-1-3 wyraźnie odnosi się do tego problemu, wprowadzając specjalny model obciążenia dla dachów płaskich z rzędami nachylonych paneli. Niniejszy artykuł przedstawia podstawy normatywne, model obciążenia oraz jego praktyczne konsekwencje dla projektowania konstrukcji.

1. Wprowadzenie

Płaskie dachy wyposażone w panele fotowoltaiczne są obecnie powszechnym rozwiązaniem w budynkach przemysłowych, handlowych i użyteczności publicznej. Z punktu widzenia konstrukcji panele fotowoltaiczne nie są elementami neutralnymi: ich geometria i położenie w znacznym stopniu wpływają na przemieszczanie się śniegu pod wpływem działania wiatru. Obserwacje i badania eksperymentalne wskazują, że śnieg ma tendencję do gromadzenia się za rzędami paneli, tworząc lokalne zaspy, których obciążenie może znacznie przekraczać równoważne obciążenie śniegiem dachu.

W pierwszej generacji Eurokodów zjawiska te nie zostały wyraźnie uwzględnione, co często prowadziło do stosowania uproszczonych lub niespójnych założeń projektowych. Norma EN 1991-1-3:2025 wypełnia tę lukę, wprowadzając jasny i uzasadniony fizycznie model obciążenia śniegiem dla dachów płaskich z nachylonymi panelami.

2. Ogólne zasady obliczania obciążenia śniegiem dla dachów

Zgodnie z normą EN 1991-1-3:2025 charakterystyczne obciążenie śniegiem dachu określa się przy użyciu:

gdzie:

• s jest charakterystycznym obciążeniem śniegiem na dachu,
• sk jest charakterystycznym obciążeniem śniegiem na gruncie,
• Ct współczynik termiczny,
• μi wspólczynik kształtu dachu zależny od funkcji Ce,
• Ce wspólczynnik ekspozycji.

Należy przyjmować, że obciążenie działa pionowo na obszarze rzutu dachu na płaszczyznę poziomą.

3. Dachy płaskie bez paneli – punkt odniesienia

W przypadku dachów płaskich bez znaczących przeszkód norma przewiduje rozkład obciążenia śniegiem jako zrównoważony, przy zastosowaniu współczynnika kształtu μ₁. W normie EN 1991-1-3:2025 wartość μ₁ zależy od rzeczywistych wymiarów dachu, co zapewnia większą spójność w przypadku dużych powierzchni dachowych i pozwala uniknąć niepotrzebnego konserwatyzmu.

Przypadek ten stanowi punkt odniesienia przy ocenie wpływu dodatkowych elementów, takich jak panele fotowoltaiczne.

4. Dachy płaskie z panelami fotowoltaicznymi

W przypadku dachów płaskich z równoległymi rzędami nachylonych paneli (np. paneli fotowoltaicznych lub słonecznych) norma EN 1991-1-3:2025 wymaga zastosowania modelu obciążenia śniegiem z rozkładem asymetrycznym. Model ten odzwierciedla fizyczny proces redystrybucji śniegu spowodowany działaniem wiatru oraz geometrią paneli.

Rysunek 1. Rozkład obciążenia śniegiem dla dachów płaskich z nachylonymi panelami (rys. 7.2 normy EN 1991-1-3:2025)

gdzie:

μp stanowi górną granicę współczynnika kształtu obciążenia śniegiem dla dachów płaskich z nachylonymi panelami,
y gęstość objętościowa śniegu (wartość zalecana: 2,0 kN/m³),
h to wysokość panelu nad powierzchnią dachu,
sk jest charakterystycznym obciążeniem śniegiem na gruncie.

Ograniczenie to wynika z faktu, że wysokość zaspy śnieżnej nie może przekraczać wysokości panelu.

Charakterystyczną długość zaspy śnieżnej za rzędem paneli określa wzór:

Rysunek 2. Rozkład obciążenia śniegiem dla dachów płaskich z nachylonymi panelami (rys. 7.2 normy EN 1991-1-3:2025)

Długość zasięgu wiatru rośnie wraz z wysokością panelu i zależy od narażenia terenu na działanie wiatru, określonego za pomocą współczynnika Ce . W praktyce powoduje to powstanie stref dryfu rozciągających się na kilka metrów za każdym rzędem paneli.

5. Efekty lokalne i miejsca szczególne

Norma rozróżnia różne rodzaje oddziaływań lokalnych w zależności od geometrii panelu:

• jeśli szerokość rzędu paneli w <2h , to rząd paneli traktowany jest jako lokalna przeszkoda

Rysunek 3. Kształt obciążenia śniegiem w miejscach przeszkód (przypadek, gdy szerokość powierzchni paneli jest mniejsza niż dwukrotność wysokości paneli) (rys. 8.1 normy EN 1991-1-3:2025)

• jeśli w≥2h to rząd paneli traktuje się podobnie jak attykę

Rysunek 4. Kształt obciążenia śniegiem na attykach (przypadek, gdy szerokość powierzchni paneli jest większa niż dwukrotność wysokości paneli) (rys. 8.2 normy EN 1991-1-3:2025)

Chociaż czynniki te mogą nie mieć decydującego wpływu na ogólne zachowanie konstrukcji, często determinują one lokalne obliczenia i szczegóły zbrojenia.

6. Praktyczne wykorzystanie projektowe i przykład z praktyki

Wprowadzenie szczegółowych przepisów dotyczących paneli fotowoltaicznych w normie EN 1991-1-3:2025 ma kilka istotnych konsekwencji dla praktyki inżynierskiej:

• jednorodne rozłożenie dotyczące obciążenia śniegiem są niewystarczające w przypadku dachów płaskich z instalacjami fotowoltaicznymi,
• lokalne obciążenia śniegiem za panelami mogą znacznie przekraczać równoważne obciążenie dachu śniegiem,
• wysokość, nachylenie i rozstaw paneli mają bezpośredni wpływ na oddziaływania konstrukcyjne,
• koordynacja między projektem rozmieszczenia paneli fotowoltaicznych a projektem konstrukcyjnym może mieć kluczowe znaczenie na wczesnych etapach projektu.

Zignorowanie tych czynników może prowadzić do systematycznego niedoszacowania obciążeń śnieżnych oraz do niekonserwatywnego projektowania elementów dachowych.

Poniżej znajduje się przykładowy projekt dachu płaskiego z nachylonymi panelami:

Szerokość dachu a = 20  m
Długość dachu b = 30  m
Wysokość nachylonych paneli na dachu hp = 1  m

Wartość charakterystyczna obciążenia śniegiem na gruncie sk = 1  kN/m2 (zależne od lokalizacji)

Gęstość śniegu γ = 2  kNm3

Długość krótszego boku dachu W = min ( a; b )  = min ( 20 m; 30 m )  = 20 m
Długość dłuższego boku dachu L = max ( a; b )  = max ( 20 m; 30 m )  = 30 m
Długość efektywna dachu Lc = (2 · W − W2L) · m = (2 · 20 − 20230) · m = 26,67 m [§7.5.2.1(2)]

Warunki narażenia na działanie wiatru

Współczynnik narażenia na działanie wiatru Ce = 1   (7.1 (NDP))
Współczynnik termiczny Ct = 1  [§7.4]

Ce,F = {if Lc ≤ 50 m: Ce
jeśli Lc > 50 m and Lc < 400 m: Ce +  ( 1,25 − Ce )  · Lcm – 50350  (7.4)
jeśli Lc ≥ 400 m: 1,25 = 1

Współczynnik kształtu obciążenia śniegiem μ1 = 0,8 · Ce,F = 0,8 (7.3)
Górna granica współczynnika kształtu obciążenia śniegiem dla dachów płaskich z nachylonymi panelami
μp = min(max(μ1; γ · hpsk); 1) = 1 (7.5)

 Obciążenie śniegiem na dachu płaskim 

dla podstawowych (trwałych i przejściowych) sytuacji projektowych
bez przeszkód s = μ1 · Ct · sk = 0,8 kN/m2 (7.1)
w części z pochyłymi panelami sp = μp · Ct · sk = 1 kN/m2 (7.6)
Długość zaspy śnieżnej wokół przechylonych paneli ls = 4 · hpCe = 4 m
Szerokość powierzchni panelu w = 5  m , wysokość paneli hp = 1 m
Stosunek szerokości do wysokości whp = 5
w ≥ 2  hp = 1

Perturbacje w przednim i ostatnim rzędzie paneli zgodnie z pkt 8.3, przemieszczające się wzdłuż attyk 

Długość zasp śnieżnych ls = max(5 m; min(4 · hpCe; 15 m)) = 5 m (8.4)
Współczynnik maksymalny μ7,max = 4 (8.3)
Współczynnik kształtu obciążenia śniegiem dla śniegu nawianego μ7 = min(0,8 · 2 · aCe · ls; 0,8 · γ · hpCe · sk; μ7,max) = 1,6 (8.3)
Obciążenie śniegiem na przeszkodzie (pierwszy i ostatni rząd) sobstr = μ7 · Ct · sk = 1,6 kN/m2

7. Wnioski

Norma EN 1991-1-3:2025 zapewnia jasne, spójne i uzasadnione fizycznie ramy modelowania obciążeń śnieżnych na dachach płaskich wyposażonych w panele fotowoltaiczne. Dzięki wyraźnemu powiązaniu powstawania zasp śnieżnych z geometrią paneli i narażeniem na działanie wiatru nowe przepisy eliminują niejasności i zwiększają bezpieczeństwo konstrukcji.

Panele fotowoltaiczne należy traktować nie tylko jako dodatkowe obciążenia stałe, ale jako elementy aktywnie modyfikujące zmienne oddziaływania śniegu. Ich wpływ należy uwzględnić zgodnie z modelem Eurokodu jako integralną część projektu dachu.