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.
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 коэффициента 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.
Роза годового косого дождя (в дюймах) для Торонто (Канада)
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.