CC BY
49il
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 1 (4)
УДК 692.2 : 699.82
DOI 10.24411/2686-7818-2020-10004
ВЛИЯНИЕ ДОЖДЕЙ НА ПРОЦЕСС СТАРЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НАРУЖНЫХ СТЕН. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ДОЖДЕЙ
© 2020В.Н. Куприянов, А.С. Петров, Д.Г. Чебышева**
В статье приведен анализ методов расчета косых дождей. Показано, что известные методы используют параметры дождя, отсутствующие в систематических наблюдениях на метеостанциях, что дает ошибки в расчетах на 200-500%. Предложен метод расчета, основанный на параметрах дождя, которые широко представлены в справочной литературе по климату.
Ключевые слова: количество осадков, интенсивность осадков, диаметр капель, скорость ветра, направление ветра, косые дожди.
Воздействие дождя негативно влияет на эксплуатационные свойства материалов наружных стен. Прежде всего происходит увлажнение фасадных покрытий, в силу чего снижается теплозащита, возникают коррозионные процессы, развивается плесень. Периодическое увлажнение и высушивание материалов изменяет их структуру за счет вымывания водорастворимых фракций. Попеременное замораживание и оттаивание увлажненных материалов приводит к их разрушению.
Во-вторых, дождевые капли несут кинетическую энергию и оказывают механическое воздействие на поверхность стеновых материалов. Это воздействие тем выше, чем выше скорость падения капель и их диаметр(мас-са). При ветре капли дождя отклоняются от вертикали и попадают на стены зданий, при этом энергия ветра добавляется к кинетической энергии свободного падения капель.
Исследованию прихода дождей к наружным стенам, так называемых «косых дождей», посвящено большое количество работ [1-5], однако ряд вопросов остается неизученным.
Регламентация дождей, как фактора старения стеновых материалов складывается из решения двух задач: определения количества дождей, приходящих к наружным стенам и расчет энергии дождевых капель, значимо влияющих на изменение свойств материалов.
Настоящая статья посвящена решению первой задачи -определению количества дождей, приходящих к наружным стенам зданий, которое может привести к увеличению влажности стеновых материалов со всеми негативными последствиями.
Для решения поставленной задачи требуется статически обеспеченная информация о параметрах дождя. Это приход жидких осадков на горизонтальные и вертикальные поверхности (мм) за определенные интервалы времени(час, месяц, год). Продолжительность дождя (часы или минуты). Интенсивность дождя (мм/мин). Диаметр капель дождя (мм) и скорость их падения (м/с). Скорость ветра во время дождя (м/с).
В известных климатических справочниках [4-7] систематизированная информация представлена только по количеству осадков
* Работа представлена на Всероссийской научно-технической конференции, посвящённой 75-летию Заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, профессора Селяева В.П. (3-5 дек. 2019 г., Саранск) «Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций».
** Куприянов Валерий Николаевич (kuprivan@kgasu.ru) - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН; Петров Артем Сергеевич (ruarty@mail.ru) - кандидат технических наук; Чебышева Диляра Георгиевна (ruarty@mail.ru) - магистрант; Казанский государственный архитектурно-строительный университет, Россия.
Архитектура и строительство
Таблица 1 - Эмпирические формулы по определению диаметра дождевых капель
и скорости их падения
fl
Параметр дождя Формула Источник
Диаметр капли dK = 0,63 • г0'25 (1) dK = 1,105 • 4г0,323 (2) Kelkar V.N [11] Blocken B.J.E [8]
Скорость падения капли VK = 4,5 • г0'107 (3) V = 3,75 • i0'2 (4) V =-0,166033 + 4,91844• d -0,054888• d3 (5) к ' ' к ' к v ' Kelkar V.N [11] Богданова А.В [5] Blocken B.J.E [9]
Примечание: qг - количество дождя на горизонтальной поверхности.
на горизонтальную поверхность и продолжительности дождей. Остальные параметры дождя в явном виде в справочниках не представлена.
Самым неопределенным параметром дождя является интенсивность в силу нестабильности процесса каплеобразования. Формирование капель дождя происходит внутри облаков, где образуются капли разных размеров. Скорость падения крупных капель выше, чем мелких и в общем потоке дождя происходит соударение крупных капель, в результате чего происходит разрушение или укрупнение капель вплоть до 5-6ммв диаметре, что, в свою очередь, еще больше увеличивает скорость их падения.
Во многих исследованиях [1,9,14] расчеты по приходу дождей к стенам зданий базируются на их интенсивности i, мм/мин (мм/ час). Через величину интенсивности определяются и диаметр капель дождя, мм и скорость их падения ук, м/с. В таблице 1 приведены несколько наиболее известных эмпирических формул.
Круглова А.И [1] изучала закономерности прихода дождей к стенам зданий (qг, мм) в зависимости от интенсивности дождей (/', мм/мин), скорости ветра ) и количества осадков, выпадающих на горизонтальную поверхность (qг, мм), рис. 1. Из рис.1 видно, что дожди малой интенсивности в большей степени отклоняются ветром от вертикали и их количество, приходящее к стенам зданий, в несколько раз может превышать приход дождей на горизонтальную поверхность. Кругловой А.Н [1] предложена формула для расчета прихода дождей к стенам зданий
Чс
V 7 V / V / M
/ /г/ // \/
Ш, / / /у
/У/\Ь "V у
О
Ve, м /сек
5 10
Рис. 1. Соотношение количества дождей, выпадающих на стены дс и на горизонтальную поверхность qг, в зависимости от интенсивности дождей i и скорости ветра Ув
(qс) в зависимости от прихода дождей к горизонтальной поверхности (qг), скорости ветра (V) и скорости падения капель (Ук).
V
4 = 4 г
(6)
Формула имеет простой вид, но ее использование представляет известные труд© АНО "Институт судебной строительно-технической экспертизы", 2020 29
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 1 (4)
Ф
ности в связи с неопределенностью ¥к, которая зависит как от интенсивности дождя, так и от диаметра капель дождя. Если количество дождя на горизонтальную поверхность и скорость ветра широко представлены в климатических справочниках, то скорость падения капель, их диаметр и интенсивность дождя в метеорологической литературе представлена спорадически, в основном путем расчета. Ошибка в расчетах скорости падения капель может достигать 200500%.
С учетом неопределенности оценки скорости падения дождевых капель ¥к, в работе [9] предложено соотношение, в основе которого использован приход дождя на горизонтальную поверхность qг и скорость ветра ¥в:
дс = к V • дг, (7)
Коэффициент к вычислен в [9] на основе анализа многочисленных экспериментальных данных и получено значение к = 0,222 с/ м. Формула (7) примет вид:
дс = 0,222 V • Яг0,88 « 0,222 -¥в • дт. (8)
Формула (8) позволяет определять приход дождя к стенам зданий на основе известных данных по V и дг, измеряемых на метеорологических станциях или имеющихся в справочной климатологической информации.
Следует отметить, что при использовании коэффициента свободного дождя к = 0,222, У = 1/0,222) = 4,5 м/с и ¿к = 1,2 мм. Такие капли формируются при интенсивности дождя i = 0,0333 мм/мин или 2 мм/час.
Таким образом, для решения первой задачи - увлажнение ограждающих конструкций дождевой влагой получено расчетное выражение, основанное на метеорологических параметрах, широко представленных в справочной литературе.
Следует отметить, что фасад зданий при любой ориентации подвержен воздействию ветра, а следовательно, воздействию косых дождей, с трех направлений, как это показа-
С
ю
Рис. 2. Схема к расчету количества дождей, приходящих к фасаду здания
юго-восточной ориентации, стрелками показано направление ветра
но на рис. 2. В связи с этим общее количество дождей, поступающих на фасад, определяется суммированием дождей по направлениям в соответствии с величиной повторяемости ветра по этим направлениям.
Пример. Рассчитать приход дождей, выпадающих на стену юго-восточной ориентации в условиях Казани.
Для решения этой задачи использовано среднемесячное количество осадков на горизонтальную поверхность дг,представленную в табл. 43 [10], а скорость ветра по направлениям, м/с и его повторяемость в %, по этим направлениям и представлены в табл. 20 [10]. Для наглядности фрагмент табл. 20 [10] для теплого периода года (IX-5- X) и направлений Ю, ЮВ и В представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Средняя скорость (м/^ и повторяемость(%) ветра
по направлениям (фрагмент таблицы 20 [10])
Месяц В ЮВ Ю
IV 4.0/8 4.4/17 4.2/20
V 4.5/10 4.2/12 4.3/15
VI 3.7/9 3.7/10 3.6/12
VII 3.9/11 3.3/10 3.3/10
VIII 3.9/13 3.8/13 3.5/11
IX 3.5/6 4.0/11 4.0/19
X 4.1/6 4.4/10 4.5/18
Расчет количества дождей выполнен по формуле (8), а результаты приведены в табл. 3.
Архитектура и строительство
&)
о 1_
4
О
5
а.
0) с
■О С
ш
X
го
4
т <и
I
<и
ь
5
0
1 X
о
I-
U
о
m
О |_
Q х
к
ч
о
X
ш
ч
X
о
ш
X
о
U ГО О-
го J X
VO го
2
>-
CL О
-О
=Г
с;
0
<и
01 х d ш
О.
U
LO
СО 2
CQ 2
LO
ГО
ID
2
CQ 2
O) cn
CO ID
2
CQ 2
O) cri
cn
<X>
2
CQ 2
cn
C\I
2
CQ 2
Гч| О
LO
CD S О
Q.
О
Гч|
Гч|
СП ID ID
4 ID
00
Ol
Расчеты показали, что фасады юго-восточной ориентации будут испытывать «водяное воздействие» в 114 мм осадков за теплый период года или 114 литров дождя на квадратный метр стены.
Библиографический список
1. Климат и ограждающие конструкции /
A. И. Круглова. - М.: Стройиздат, 1970. - 167 с.
2. Об учете косого дождя и капиллярных свойств материалов при оценке влагосодержа-ния ограждающих конструкций / В.И. Никитин,
B.А. Кофанов // Вестник Брянского ГТУ. Строительство и Архитектура. - 2013.- № 1. - С.91-95.
3. Руководство по специализированному обслуживанию экономики климатической информацией, продукцией и услугами / Н.В. Кобышева и др.-СПб.: ГГО им. А.И. Воейкова, 2008.- 336 с.
4. Атмосферные осадки на территории СССР / Ц.А. Швер. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. -302 с.
5. Специализированные характеристики интенсивности осадков для прикладных целей: ав-тореф. дис. ... канд. геогр. наук / Иванова Е.В. -СПБ., 2011. - 20 с.
6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, выпуск 12, части 1-6. -Л.: Гидрометеоиздат,1988. - 647 с.
7. ГОСТР 53613-2009. Воздействия природных внешних условий на технические изделия.
- Введ. 2011-11-11. - М.: Стандартинформ, 2011.
8. Intercomparison of wind-driven rain deposition models based on two case studies with full-scale measurements / B.J.E. Blocken, M. Abuku, K. Nore, P.M. Briggen, H.L. Schellen, J.V. Thue, S. Roels, J.E. Carmeliet // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. - 2011. - №. 99 (4),
- P.448-459.
9. Areview of wind-driven rain research on building science/ B.S.E.Blocken, J.E.Carmeliet // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. - 2004. - №92(13), - P. 1079-1130.
10. Климат Казани. / Ц.А. Швер, Н.В. Колобова, Э.П. Наумова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
- 187 с.
11. Kelkar V.N. Sizedistributionofraindrops. Part III // Indian Journal of Meteorology Geophysics. -1961. -Vol.12. № 4.
Поступила в редакцию 17.01.2020 г.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 1 (4)
RAIN IMPACT ON AGING AND DESTRUCTION OF EXTERNAL WALLS MATERIALS. THE AMOUNT OF RAIN CALCULATION
© 2020 V.N. Kupriyanov, AS. Petrov, D.G. Chebysheva
*
The article gives a method analysis of slanting rains calculation. It is shown that the known methods use parameters of rain, which are absent in systematic observations on weather stations, and that gives errors in calculations by 200-500%. Suggested a method of calculation that is based on the parameters of rain, which are widely presented in the climate reference literature.
Keywords: amount of precipitation, precipitation intensity, drop diameter, wind speed, wind direction, slanting rain.
* Kupriyanov Valery Nikolaevich (kuprivan@kgasu.ru) - Dr. of Technical, Prof., Academician of RAABS; Petrov Artem Sergeevich (ruarty@mail.ru) - Candidate of Technical; Chebysheva Dilyara Georgievna (ruarty@mail.ru) - undergraduate; Kazan State University of Architecture and Civil Engineering, Russia.
Received for publication on 17.01.2020
