Дождевая нагрузка на здание: канадский подход

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 (рисунок 1).

Рисунок 1 — Как возникает косой дождь

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 2 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.

Рисунок 2 — Коэффициент осаждения дождя (RDF)

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 (рисунок 3).

Рисунок 3 — Влияние свеса крыши на ветер около здания

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.

Рисунок 4 — Изменение скорости ветра с высотой для различных местностей

Влияние топографии на скорость ветра

Хорошо известно, что скорость ветра возрастает, когда он сталкивается с холмами или откосами (рисунок 5). 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.

Рисунок 5 — Влияние холмов и откосов на усиление ветра

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 6 представлена роза годового осаждения косого дождя на вертикальную плоскость в условиях свободного ветра

Рисунок 6 — Роза годового косого дождя (в дюймах) для Торонто (Канада)

Пример применения

Описанный выше подход применяли для двух различных стен в Торонто:

западная стена бунгало (170 мм в год косого дождя по рисунку 6);
восточная стена 50-ти метрового здания с плоской крышей (380 мм в год косого дождя по рисунку 6).

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.

Таким образом, дождевая нагрузка на восточную стену многоэтажного здания почти в 20 раз выше, чем на западную стену одноэтажного и защищенного бунгало.