Obciążenia śniegiem i wodą opadową: skutki dla membrany i obrzeża zbiornika

Śnieg i woda opadowa obciążają dach membranowy ciężarem, który zamienia się na ciśnienie działające na membranę, i dobrze to widać, gdy porówna się je z ciśnieniem powietrza podporowego. Obliczenia są proste: 1 mm wody to 1 kg/m², czyli ok. 10 Pa, a 1 mbar to 100 Pa. Warstwa wody grubości 10 mm obciąża więc membranę jak 1 mbar. Typowe ciśnienia podporowe dachów dwumembranowych są rzędu pojedynczych milibarów, więc nawet niewielka zastoina wody, a tym bardziej zalegający śnieg, może przekroczyć to, co jest w stanie „unieść” poduszka powietrzna.

Jak zbudowany jest dach i gdzie działa obciążenie

Zbiornik gazu z dachem dwumembranowym składa się z membrany wewnętrznej (gazowej) i zewnętrznej (osłonowej). Przestrzeń między nimi jest utrzymywana pod nadciśnieniem przez dmuchawę, co nadaje membranie zewnętrznej kształt i napięcie. Obciążenia z zewnątrz (śnieg, woda, wiatr) przenosi więc napięta membrana oraz jej mocowanie na obrzeżu (obrzeże zbiornika, listwa, profil zaciskowy). Opis budowy i bezpieczeństwa dachu znajduje się w tekście Magazyn biogazu: dach dwumembranowy i bezpieczeństwo.

Porównanie wielkości

Z tego wynika wniosek praktyczny: samo ciśnienie podporu nie jest zabezpieczeniem przed śniegiem. Dach pneumatyczny jest odporny na śnieg dzięki kształtowi (łuk, kopuła), wytrzymałości membrany i mocowania oraz temu, że śnieg ma tendencję do zsuwania się. Zagrożenie pojawia się, gdy śnieg zalega, tworzy nawis, mokry śnieg ma dużą gęstość lub gdy dach traci napięcie.

Najczęstsze mechanizmy uszkodzeń

Utrata ciśnienia podporowego. Awaria dmuchawy, zasilania lub nieszczelność membrany zewnętrznej powoduje zmniejszenie napięcia, a membrana zewnętrzna może opaść na wewnętrzną. Powstają zagłębienia, w których zbiera się woda i śnieg, co jeszcze zwiększa obciążenie.

Zastoiny wody. Zagłębienia (m.in. wokół zaklejek, przy zmarszczkach, w miejscu fałd) zbierają deszcz i roztopy. Woda raz zgromadzona zwiększa ugięcie, więc zbiera jeszcze więcej wody.

Nierównomierne obciążenie. Śnieg zsuwający się po jednej stronie, zaspy od wiatru, nawisy lub spadki z sąsiednich obiektów dają asymetryczne obciążenie, które inaczej obciąża obrzeże niż równomierne.

Lód. Zamarznięta woda tworzy sztywne, ciężkie płaty, których nie można zrzucić. Ponadto lód zwiększa sztywność membrany w niskiej temperaturze i może prowadzić do mikropęknięć. Dochodzi też zamarzanie odpływów i zabezpieczeń cieczowych; zob. Jak dobrać ogrzewanie przeciwzamrożeniowe zabezpieczenia.

Przeciążenie obrzeża. Obciążenie z dachu zbiega się na obrzeżu, czyli elemencie mocującym membranę do ściany. Koncentracja sił powoduje wyciąganie membrany z mocowania, uszkodzenie listwy lub zmęczenie materiału. Woda zalegająca przy obrzeżu przyspiesza korozję i niszczy uszczelnienia.

Co zrobić w projekcie i eksploatacji

1. Dane wejściowe. Obciążenie śniegiem dla lokalizacji wyznacza się z normy PN-EN 1991-1-3 (strefy śniegowe, współczynniki kształtu); obliczeniowa wartość powinna być wpisana w dokumentację dachu. Dokumentacja producenta określa, na jakie obciążenie dach zaprojektowano.
2. Kontrola napięcia i ciśnienia podporowego. Dmuchawa z zasilaniem rezerwowym lub drugą dmuchawą, alarm spadku ciśnienia, regularne sprawdzanie zaworów zwrotnych.
3. Odprowadzanie wody. Dach bez zagłębień, drożne odpływy, kontrola po opadach. Zastoiny należy zgłaszać do serwisu, a nie „obserwować”.
4. Inspekcja po obfitych opadach i przed zimą. Stan szwów, mocowania, obrzeża, listew, śrub i uszczelnień.
5. Plan postępowania na wypadek dużego opadu. Kto decyduje o odśnieżaniu, jak się to robi, jak zabezpiecza się przed upadkiem, jak zabezpiecza się gaz.

Bezpieczeństwo prac przy usuwaniu śniegu

Nie wchodzi się na membranę bez wyraźnej zgody producenta i oceny ryzyka. Ryzyko obejmuje upadek, uszkodzenie membrany (rozszczelnienie, uwolnienie gazu) oraz pracę w strefie zagrożenia wybuchem. Zakres i sposób usuwania śniegu powinny wynikać z instrukcji obiektu i dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem, a prace wykonują przeszkolone osoby z odpowiednim sprzętem; przy uszkodzeniach lub podejrzeniu rozszczelnienia postępuje się zgodnie z procedurą awaryjną obiektu. Zasady zagrożeń dotyczących bezpiecznej pracy w strefach Ex omawia tekst ATEX w biogazowni.

Podsumowanie

Obciążenia z opadów są zwykle większe niż siły, którymi dysponuje powietrze podporowe, dlatego bezpieczeństwo dachu opiera się na geometrii, napięciu, wytrzymałości materiału i obrzeża, na zasilaniu dmuchawy oraz na dyscyplinie eksploatacyjnej. Sprawdzenie zastoin, mocowań i alarmów jeszcze przed sezonem zimowym jest tańsze niż naprawa po opadzie.

Rola obrzeża

Obrzeże, czyli pierścień mocowania membran do ściany zbiornika, jest elementem, w którym skupiają się siły z całego dachu. Zawiera zwykle listwy lub profile dociskające, śruby, uszczelnienia i odpływ wody. Jego stan ocenia się po każdej zimie: korozja śrub, pęknięcia uszczelnień, deformacja listwy i ślady wody pod membraną to sygnały ostrzegawcze. Szczególnie narażone są miejsca, w których tworzą się zastoiny przy samym obrzeżu, bo woda, a zimą lód, zwiększają obciążenie dokładnie w punkcie największego naprężenia. Jeśli w trakcie przeglądu znajdzie się uszkodzenie, naprawę wykonuje się według instrukcji producenta, a zbiornik wyłącza się z obsługi w sposób przewidziany procedurą.

Wnioski do planu eksploatacji

Zimowy plan dla dachu membranowego powinien zawierać: kryteria uruchamiające dodatkową kontrolę (np. wysokość zalegającego śniegu lub prognozowane intensywne opady), osoby odpowiedzialne za decyzje, dostępność zasilania awaryjnego dmuchawy oraz zasady komunikacji z serwisem producenta. Warto też zapisać obserwacje (miejsca, gdzie zbiera się woda lub śnieg), bo pozwalają poprawić napięcie membrany lub odwodnienie przy kolejnej obsłudze serwisowej.