Известно, что некоторые поверхности зданий более чем другие подвержены осаждению и проникновению дождя. Скорость ветра также влияет на то, как много дождя попадает на различные поверхности здания. Важным фактором является направление ветра: надветренные стены больше подвергаются воздействию, чем подветренные стены. Различные участки одной и той же стены подвергаются различным силам ветра, особенно в более широких и высоких зданиях.
Ниже представлен обзор канадского подхода к оценке дождевой нагрузки на стены, который учитывает многие факторы. Этот подход частично уже применяется в канадских строительных нормах.
что такое косой дождь
Строительная физика определяет косой дождь как количество дождя, который проходит через вертикальную плоскость в атмосфере. Косой дождь возникает, когда капли дождя, которые падают на землю, подвергаются воздействию ветра.
Количество косого дождя в свободном неограниченном потоке ветра можно вычислить достаточно точно. Скорость, с которой капли дождя падают вниз, зависит от размера капли. С увеличением размера капли ее скорость увеличивается. Капля получает от ветра горизонтальную составляющую движения за счет ее лобового сопротивления движению воздуха, то есть ветра.
Простым и практическим подходом для оценки выпадения дождя на здания является разделение зависимости осаждения косого дождя на вертикальную стену здания на два воздействующих фактора:
- влияние силы ветра
- влияние аэродинамики здания
влияние силы ветра
Комбинация силы тяжести и силы воздействия ветра определяет траекторию капли. Из геометрических соображений можно оценить количество дождя, которое проходит через вертикальную плоскость. Конечно, такую оценку осложняет то, что размеры капель одного и того же дождя могут значительно отличаться друг от друга.
Фактор влияния силы ветра на скорость осаждения дождя на вертикальную плоскость учитывают в виде так называемого «коэффициента косого дождя»:
- «Коэффициент косого дождя» (Driving Rain Factor, DRF). Учитывает взаимодействие ветра и дождя при невозмущенном ветре, то есть, так сказать в «чистом поле».
влияние аэродинамики здания
Когда ветер сталкивается со зданием, то он образует вокруг него линии тока и градиенты давления. Хотя и понятно, что косой дождь перенаправляется этими линиями тока воздуха, рассчитать траекторию капель не так-то просто.
- «Коэффициент осаждения дождя» (Rain Deposition Factor, RDF). Учитывает влияние формы здания и его размеры на осаждение на нем дождя.
Скорость осаждения дождя на вертикальную стену
С учетом введенных выше коэффициентов скорость осаждения дождя на вертикальную стену здания выражается в виде:
(Скорость осаждения дождя на вертикальную стену здания) = (Скорость выпадения дождя без воздействия ветра) х
- Х (Коэффициент осаждения дождя) х
- х (Коэффициента косого дождя) х
- х (Скорость ветра) х
- х (Косинус угла между перпендикуляром к стене и направлением ветра)
Когда ветер разделяется, чтобы пойти вокруг и сверху здания, в центре стены образуется «подушка» воздуха с высоким давлением, но относительно спокойного. Эта «мертвая зона» защищает эту область стены от дождя. Ветер ускоряется вокруг боковых и верхних кромок здания и дождь воздействует на эти части здания особенно сильно.
Влияние формы здания на осаждение дождя
На рисунке показаны типичные величины кооэффициента RDF для зданий различной формы. Расчеты и эксперименты показали, что кромки зданий могут получать в 20, а то и в 50 раз большее количество дождя, чем центр стены. Это различие в интенсивности намокания стены становится тем больше, чем выше здание и чем больше соотношение его высоты к его ширине.
Влияние материала фасадной облицовки
Различие в степени намокания различных участков фасада здания зависит также от вида отделки поверхности стены. Пористые поверхности, такие как кирпичные, впитывают больше воды, чем отражают, а затем медленно выделяют ее путем диффузии. По непроницаемой поверхности фасада здания, например, из металла или стекла, вода просто стекает по поверхности стены и поэтому этот поток воды может достигать больших объемов, когда он достигает подножья высокого здания.
Проникновение воды через вертикальные стыки
Ветер, который дует вокруг углов и парапетов, может также толкать воду в боковом направлении и даже вверх. Этот боковой поток может «загонять» воду в вертикальные стыки, которые часто более склонны к протеканию воды. Поэтому понимание закономерностей распределения ветра и намокания стен здания дает возможность предпринимать меры по предотвращению проникания воды в здание.
Влияние крыши на намокание стен
Широкий свес крыши всегда был эффективным средством по снижению количества дождя, который осаждается на стену, причем независимо от размеров здания. Например, добавление к многоэтажному зданию полутораметрового навеса дает значительное снижение для величины коэффициента осаждения дождя [1]. Аналогично, крыша с крутым скатом не только лучше противостоит протеканию воды, чем крыша с более пологим скатом, но снижает количество осаждаемого дождя на стену за счет отражения ветра.
Зависимость скорости ветра от высоты
Скорость ветра с высотой над уровнем земли довольно быстро возрастает. Это означает, что осаждение косого дождя для высоких зданий является намного более высоким, чем для низких зданий. На рисунке 4 показаны типичные различия в градиенте скорости ветра с увеличением высоты в открытой (сельской) местности, в малоэтажном пригороде и в центре крупных городов.
Влияние топографии на скорость ветра
Хорошо известно, что скорость ветра возрастает, когда он сталкивается с холмами или откосами. Более сильный ветер приводит к более высокому осаждению косого дождя и более высокому давлению на здания. Это приводит к тому, что проблемы с проникновением воды в здания возрастают. Теоретические и экспериментальные зависимости скорости ветра от топографии местности применяют для корректировки скорости ветра в конкретной местности.
Оценка дождевой нагрузки на стены здания
При проектировании здания выполняют следующее:
- определяют дождевую нагрузку на здание для ближайшего климатического района с учетом ориентации здания;
- оценивают строительную геометрию здания и выбирают для нее величины коэффициента осаждения дождя;
- учитывают зависимость скорости ветра от высоты;
- оценивают при необходимости влияние на скорость ветра топографических особенностей местности.
По полученным данным находят расчетную дождевую нагрузку для самого худшего направления по скорости ветра, годовое осаждение дождя на стены и другие показатели.
На рисунке представлена роза годового осаждения косого дождя на вертикальную плоскость в условиях свободного ветра
Пример применения
Описанный выше подход применяли для двух различных стен в Торонто:
- западная стена бунгало (170 мм в год косого дождя по рисунку );
- восточная стена 50-ти метрового здания с плоской крышей (380 мм в год косого дождя по рисунку ).
Результат расчетов:
- Дождевая нагрузка на западную стену бунгало составила 30 литров на квадратный метр в год.
- Дождевая нагрузка на восточную стену многоэтажного здания составила 575 литров на квадратный метр в год.
