Analiza wytycznych wymiarowania odwodnień dachowych

Woda z opadów atmosferycznych zbierająca się na połaciach dachowych budynków może być odprowadzana zewnętrznym lub wewnętrznym systemem odwadniania. W systemie zewnętrznym grawitacyjnym woda spływa do rynien biegnących wzdłuż krawędzi dachu, a następnie przejmowana jest przez rury spustowe przymocowane do elewacji budynku.

W systemie wewnętrznym woda zbiera się w korytkach lub nieckach dachowych, skąd przechwytywana jest przez wpusty dachowe kierujące ją do przewodów kanalizacji deszczowej znajdujących się wewnątrz budynku. Systemy odwodnienia wewnętrznego mogą być układami grawitacyjnymi lub próżniowymi (syfonowymi), działającymi w warunkach powstającego w przewodach podciśnienia.

System zewnętrzny zalecany jest dla budynków o wysokości do pięciu kondygnacji [1], czyli z pionami dochodzącymi do około 15 m nad poziom terenu. Natomiast systemy wewnętrzne mogą być stosowane zarówno w budownictwie niskim, jak i wysokim i są praktycznie jedynymi możliwymi do zastosowania w obiektach z dużymi powierzchniami płaskich połaci dachowych. Coraz częściej systemy odwodnieniowe służą również do zbierania i transportu wody deszczowej do specjalnych zbiorników, z których po odpowiednim oczyszczeniu (uzdatnieniu) może być ona wykorzystana do celów bytowych, niewymagających wody wodociągowej (tj. spłukiwanie sanitariatów, podlewanie trawników czy mycie samochodów).

Szczególnie płaskie dachy obiektów handlowych czy magazynowych, stanowiące duże powierzchnie zlewni wody deszczowej, stwarzają dobre warunki do jej zbierania. Problem zagospodarowywania wód deszczowych nabrał ostatnio szczególnego znaczenia ze względu na wprowadzanie w niektórych miastach opłat za odprowadzanie wód opadowych z nieruchomości.

Opłata, określana czasami jako „podatek deszczowy”, wprowadzana jest na podstawie zapisów ustawy o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i odprowadzaniu ścieków [2]. Na jej wysokość może wpływać wielkość powierzchni dachu, a czasami również prognozowana ilość opadów.

Zatem przy projektowaniu zarówno elementów systemu odwodnieniowego, jak i elementów służących do rekuperacji wody deszczowej niezbędne jest przyjęcie wiarygodnych parametrów środowiskowych opisujących opad deszczu oraz parametrów technicznych różnych elementów systemu odwodnienia deszczowego.

Specyfika funkcjonowania odwodnień zewnętrznych

Ograniczenia wysokościowe stosowania systemów odwodnienia zewnętrznego związane są przede wszystkim z warunkami ich eksploatacji i występującymi zjawiskami fizycznymi, które mogą doprowadzić do szeregu niepożądanych procesów. Szczególnie niebezpieczne jest:

• przepełnienie rynien przy intensywnych opadach atmosferycznych – może doprowadzić do zalewania i zawilgocenia przez wodę deszczową okapów, ścian zewnętrznych i innych elementów budynku; dodatkowo wystąpić może zawilgocenie i rozmywanie strefy otoczenia budynku, podmycie opaski przy ścianach piwnicznych lub fundamentowych czy też chodników biegnących obok budynku;
• zamarzanie wody w rynnach i pionach występujące w okresie jesienno-zimowym – efektem jest zmniejszenie przepustowości, a nawet pełna niedrożność systemu, może również dojść do zalewania wodą (powstającą z topniejącego lodu) i zawilgocenia elementów zewnętrznych budynku; zamarzająca woda może ponadto doprowadzić do rozszczelnienia systemu odwodnieniowego lub innego uszkodzenia;
• uszkodzenie elementów systemu w rezultacie oddziaływania kilku czynników zewnętrznych, tj.: działanie wiatru, wahania temperatury, wahania natężenia promieniowania słonecznego, zanieczyszczenia chemiczne i mechaniczne, opady gradu czy też zsuwający się po połaci dachu śnieg. Systemy wewnętrzne odwodnienia wód deszczowych nie są narażone na większość wymienionych negatywnych oddziaływań, które towarzyszą systemom zewnętrznym, ze względu na wkomponowanie ich w połać dachową i przebieg przewodów odprowadzających wodę z dachu we wnętrzu budynku.

Zakłada się, że piony spustowe systemów grawitacyjnych wewnętrznych i zewnętrznych, niezależnie od intensywności opadu deszczu, pracują częściowo wypełnione wodą. Takie działanie pionów może zapewnić tylko odpowiedni dobór przepustowości rynny i rury spustowej, tak aby wlot do rury spustowej pozostawał niezatopiony podczas spływu wody rynną czy korytkiem odpływowym. Jeżeli strumień wody przesłania wlot do pionu, pojawia się nierównomierny (pulsacyjny) przepływ w rurze.

Woda przemieszcza się pionami spustowymi w tzw. korkach wodnych rozdzielonych pęcherzami powietrznymi. Pęcherze co pewien czas pękają, co powoduje wibrację rury spustowej. Wibracja ta jest niepożądana, ponieważ stanowi dodatkowy czynnik mogący uszkodzić rury spustowe na połączeniach poszczególnych odcinków, w miejscach mocowania ich do ściany, a w przypadku rur stalowych naruszeniu ulec może powłoka ochronna, co sprzyja korozji.

Wytyczne projektowania odwodnienia zewnętrznego dachu

Projektowanie systemu odwodnieniowego polega na odpowiednim dopasowaniu parametrów meteorologiczno-hydrologicznych lokalnego opadu deszczu do możliwości hydraulicznych elementów składowych odwodnienia. Poszczególne kroki postępowania można zawrzeć w następujących punktach:

1. Określenie tzw. ekwiwalentnej powierzchni odwadnianej połaci dachu (EPD), do której oprócz samej powierzchni dachu zaliczane powinny być również inne powierzchnie, z których zbierana będzie woda deszczowa. Mogą to być powierzchnie ścianek kolankowych, attykowych i innych ścian lub urządzeń wysuniętych ponad połać dachową. Z reguły obliczenia te upraszcza się, biorąc pod uwagę jedynie wymiary dachu. Wówczas wartość EPD równa jest przy spadku połaci do 10° powierzchni połaci dachowej, a przy spadkach powyżej 10° wyznacza się ją z zależności:

lub

gdzie:

W – szerokość rzutu połaci dachowej (ze spadkiem w kierunku rynny) [m],

H – wysokość połaci dachowej [m],

L – długość połaci dachowej [m],

α – nachylenie połaci dachowej [°].

2. Określenie natężenia dopływu wód deszczowych zbieranych z powierzchni EPD – Q_d:

gdzie:

ψ – współczynnik spływu powierzchniowego, z reguły przyjmowany w przedziale 0,8–1,0,

q_m – natężenie deszczu miarodajnego [l/(s×ha)].

3. Wybór gabarytów (średnic, przekrojów) rynien i rur spadowych oraz usytuowania (odległości między wlotami) rur spadowych wynikający z ich przepustowości, dokonywany z reguły na podstawie zestawień tabelarycznych.

Analiza wytycznych projektowych podawanych przez kilku polskich producentów i dystrybutorów systemów odwodnieniowych wskazuje na znaczne i właściwie trudno wytłumaczalne rozbieżności wskazań dotyczących maksymalnych powierzchni odwadnianych połaci dachowych EPD_max. Ilustrują to zestawienia zalecanych maksymalnych wartości EPD_max z odpowiadającymi im wymiarami średnic rynien (półokrągłych lub o przekroju zbliżonym do półokrągłego) (rys. 1, 2, 3, 4).

Zalecenia te z reguły są zróżnicowane na przypadek dopływu wody do rury spustowej z jednego kierunku, czyli usytuowania spustu w pobliżu naroża odwadnianej połaci dachu, i dopływu z dwóch kierunków, czyli przy usytuowaniu spustu w strefie środkowej krawędzi odwadnianej połaci. Stąd i dwa zestawienia w formie wykresów – dla przypadku dopływu jednokierunkowego (rys. 1) i dla przypadku dopływu dwukierunkowego (rys. 2) [3]. Porównanie wytycznych różnych producentów dotyczących doboru średnicy rynien wskazuje na bardzo duży rozrzut wartości EPD_max, który przy średnicy 12,5 cm przekracza nawet 100%.

W przypadku wytycznych dotyczących doboru średnicy rur spustowych również porównano dwie sytuacje – dopływ jednokierunkowy wody do rury spustowej (rys. 3) i dopływ z dwóch stron (rys. 4) [3]. Porównanie wykazuje jeszcze większy rozrzut wartości EPDmax niż w przypadku rynien. Odnosi się to w szczególności do przypadku dopływu wody do spustu z jednej strony. Przykładowo dla średnicy rury 9 cm (dopływ jednostronny) można znaleźć wytyczne zalecające stosowanie rur tego wymiaru od 50 do prawie 250 m² EPD_max i od 116 do 355 m² EPD_max dla dopływu dwustronnego.

Tak znaczna rozbieżność w przytaczanych w wytycznych wartościach EPDmax może być wynikiem założenia w obliczeniach różnego obciążenia systemu odwodnieniowego wartością natężenia deszczu miarodajnego q_m. Chociaż z drugiej strony w kilku wytycznych podawana jest identyczna wartość natężenia deszczu miarodajnego, wynosząca 75 mm/h, co odpowiada opadowi deszczu o natężeniu q_m = 208 l/(s×ha).

Normy [1, 4] zalecają przyjmowanie do obliczeń systemów odwodnienia deszczowego wartość q_m ≥ 300 l/(s×ha), a więc znacznie większą. Pewien wpływ na zróżnicowanie wartości EPD_max w różnych systemach odwodnieniowych może mieć współczynnik spływu oraz nachylenie połaci, jednak nie powinny one powodować 3–5-krotnej zmiany wartości ekwiwalentnej powierzchni odwadnianej dachu.

Jeszcze większe znaczenie mógł mieć spadek podłużny rynien i związana z nim prędkość przepływu wody na wlocie do rur spustowych, a w konsekwencji i wydatek przelewu tworzącego się na krawędzi otworu wlotowego rury. Niestety, omawiane wytyczne nie uwzględniają spadków ułożenia rynien przy wyznaczaniu wartości EPD_max. Jest to duże niedociągnięcie, mogące skutkować nieracjonalnym doborem elementów systemu i w efekcie przyczyniać się do nieefektywnego działania systemów odwodnieniowych dachów budynków.

Natężenie deszczu miarodajnego

Ponieważ systemy odwodnieniowe powinny zapewniać szybkie odprowadzenie wód deszczowych, przy ich wymiarowaniu należy uwzględniać deszcze ulewne, a więc występujące w krótkim okresie i pojawiające się z określonym prawdopodobieństwem. Do obliczeń przyjmuje się deszcze o krótkim czasie trwania, ponieważ takie opady w początkowej fazie mają największe natężenie i wówczas spływ wody deszczowej zagraża zalaniem elementów budynku. Z reguły do obliczeń przyjmuje się natężenie deszczu w okresie 5 minut.

Ważnym parametrem, od którego zależy natężenie deszczu miarodajnego, jest przyjęte prawdopodobieństwo jego występowania. Wraz ze zmniejszeniem tego prawdopodobieństwa zwiększa się zabezpieczenie systemu pod względem przekroczenia założonego natężenia opadu. Prawdopodobieństwo 1% wskazuje na możliwość powtórzenia się deszczu o założonym natężeniu, a więc i jego przekroczenia, raz na 100 lat, natomiast prawdopodobieństwo 100% wskazuje na możliwość wystąpienia deszczu raz w roku, a więc i przekroczenia natężenia w kolejnym roku.

W systemach zewnętrznych odwodnień dachowych przyjmuje się z reguły prawdopodobieństwo 50%, czyli powtarzalność opadu raz na dwa lata. Normy niemieckie [5] przyjmują podobny poziom prawdopodobieństwa dla odwodnień zewnętrznych, ale już dla odwodnień wewnętrznych, jako systemów stwarzających potencjalnie większe zagrożenie dla obiektu i warunków jego eksploatacji, zakładają prawdopodobieństwo 1% (opad raz na 100 lat).

Powszechnie przytaczaną w różnych poradnikach dotyczących kanalizacji deszczowej zależnością do wyznaczania natężenia deszczu miarodajnego dla terenu Polski jest wzór Błaszczyka:

gdzie:

A – parametr zależny od wartości średniej rocznej sumy opadów (przy średniej rocznej sumie opadów równej 600 mm A = 470),

C – częstotliwość jednorazowego przekroczenia danego natężenia deszczu [lata],

t – czas trwania opadu deszczu [min].

Dla deszczu pięciominutowego pojawiającego się raz na dwa lata natężenie deszczu miarodajnego według wzoru równe jest 202 l/(s×ha), co jest zbliżone do wartości 208 l/(s×ha), odpowiadającej 75 mm/h. Jednakże obecnie zależność Błaszczyka ocenia się jako niezbyt dokładnie odzwierciedlającą natężenie opadów deszczu dla terenu Polski [6, 7]. Z badań [8] wynika, że maksymalne natężenia deszczu dla różnych regionów są różne i charakteryzują się inną zależnością względem czasu trwania opadu i jego intensywności, niż to wynika z zależności Błaszczyka. Bogdanowicz i Stachy zaproponowali następujące równanie do wyznaczenia q_m:

gdzie:

p – założone prawdopodobieństwo wystąpienia opadu deszczu,

a – parametr zależny od położenia i czasu trwania deszczu, wyrażony dla deszczu o czasie t = 5–30 min i regionu deszczowego północno-zachodniego (na potrzeby tego artykuły określonego jako region deszczowy I), ograniczonego w przybliżeniu linią Zielona Góra – Poznań – Olsztyn, zależnością:

a dla pozostałej części kraju (bez Sudetów i Karpat – na potrzeby tego artykułu określonych jako region deszczowy II) i czasu występowania deszczu t = 5–120 min zależnością:

Zróżnicowanie obliczeniowego natężenia opadów deszczu na terenie Polski jest podejściem właściwym, gdyż lepiej odzwierciedla rzeczywiste warunki klimatyczne w tym zakresie, co można zaobserwować chociażby na mapach rozkładu opadów deszczu (rys. 5, 6). Zależność natężenia deszczu od jego prawdopodobieństwa, dla obydwu regionów deszczowych, według wzorów Bogdanowicza-Stachy ilustruje wykres (rys. 7).

Przedstawiono na nim wyniki obliczeń maksymalnego natężenia deszczu dla 50-proc. prawdopodobieństwa wystąpienia deszczu (opad raz na dwa lata). Dla strefy I wynosi ono 227 l/(s×ha), a dla strefy II – 276 l/(s×ha). Jak widać, są to wartości większe od 202 l/(s×ha), jakie otrzymano z wzoru Błaszczyka.

Na wykresie zamieszczono dodatkowo wyniki obliczeń wartości q_m dla prawdopodobieństwa 1% (opad raz na 100 lat). W tym przypadku są to wartości znacznie większe od 300 l/(s×ha), jakie zwykło się przyjmować do wymiarowania wewnętrznych odwodnień deszczowych.

Wnioski

Wykorzystywane obecnie wytyczne projektowania odwodnień deszczowych dachów nie uwzględniają aktualnych charakterystyk opadów deszczu, a zalecenia producentów co do wymiarowania systemów są bardzo rozbieżne. Wytyczne projektowe odnoszące się do różnych systemów nie wykazują zbieżności w dostosowaniu parametrów meteorologiczno-hydrologicznych opadów deszczu do parametrów hydraulicznych systemów odwodnieniowych.

Tak znacząca rozbieżność w wytycznych projektowych wydaje się być związana z brakiem powiązania ich ze spadkami podłużnymi ułożenia rynien, prędkościami przepływu wody i wydatkami rynien oraz wydatkami przelewu na wlocie do otworu wlotowego rury spustowej. Prowadzić może to do nieracjonalnego doboru elementów systemu i do późniejszego nieefektywnego działania systemów odwodnieniowych dachów.

Do określenia maksymalnego natężenia deszczu (natężenia miarodajnego) zamiast wzoru Błaszczyka wskazane jest stosowanie wzorów Bogdanowicza i Stachy. Zależności te precyzyjniej odzwierciedlają zmienność charakterystyk opadów deszczu na terenie Polski. Wartości obliczeniowe natężenia opadu dla systemów odwodnienia zewnętrznego są różne dla różnych regionów kraju (I i II strefa deszczowa) i wynoszą odpowiednio q_mI = 227 l/(s×ha) i q_mII =276 l/(s×ha).

Tereny zurbanizowane o specyficznych warunkach mikroklimatycznych, w tym związanych z opadami deszczu, wymagają wyjątkowej dbałości w przyjmowaniu obliczeniowych danych meteorologicznych i dostosowaniu do nich parametrów hydraulicznych systemów odwodnieniowych.

Problem ten może mieć szczególne znaczenie w obliczu wdrażania w niektórych miastach opłat za odprowadzanie z nieruchomości wód opadowych i możliwości odstąpienia od takiej opłaty, jak również dla obniżenia kosztów pozyskania wody wodociągowej dzięki zastosowaniu urządzeń do rekuperacji i wykorzystania wód deszczowych w celach bytowych, technologicznych i innych.

Literatura

1. PN-B-01707:1992 Instalacje kanalizacyjne – Wymagania w projektowaniu (norma wycofana bez zastąpienia).
2. Ustawa z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (DzU nr 72, poz. 747).
3. Ujma A., Wpływ parametrów środowiskowych na wymiarowanie odwodnień dachowych, referat na III Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej „Tendencje rozwoju budownictwa miejskiego i przemysłowego”, Politechnika Częstochowska, 22 listopada 2008 r.
4. PN-EN 12056-3:2002 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków – Część 3: Przewody deszczowe – Projektowanie układu i obliczenia.
5. DIN 1986-100 Urządzenia kanalizacyjne dla budynków i działek budowlanych, część 100 – Postanowienia dodatkowe do DIN EN 752 i DIN EN 12 056.
6. Maciejewski M, Ostojski M.S. red., Ekstrema pogodowe w Polsce. Obserwacje, pomiary, prognozy, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa 2008.
7. Linczar P., Łomotowski J., Analiza chwilowych natężeń deszczów miarodajnych we Wrocławiu, „Ochrona Środowiska” nr 2/2005.
8. Bogdanowicz E., Stachy J., Maksymalne opady deszczu w Polsce – charakterystyki projektowe, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa 1998.
9. Lorenc H. red., Atlas klimatu Polski, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa 2005.