Архитектурно-строительная аэродинамика

При возведении зданий строители сталкиваются с воздействием ветра — с так называемыми ветровыми нагрузками. Потоки воздуха обтекают здания, сооружения, строительные механизмы (краны и т.д.) и стремятся опрокинуть их. При ветре на поверхности домов возникают зоны повы­шенного и пониженного давления, что может привести к продавливанию ограждающей кон­струкции или к её отрыву. При сильных ветрах срывает крышу или отдельные её элементы. Перепад давлений с разных сторон дома приводит к сквознякам в помещениях через окна, балконные двери и даже через стены. Рассмотрим аэродинамическую суть этих явлений.

При обтекании здания воздушным потоком линии тока огибают его коробку, причём за зданием в подветренной зоне образуется вихрь и область пониженного давления (рис. 30). В передней же наветренной части давление воздуха, наоборот, повышается.

Ветровое давление вычисляется по формуле

_,

где kв — коэффициент изменения ветрового давления по высоте;

C_аэр — аэродинамический коэффициент (безразмерный);

pд = rv2/2 — динамическое давление, Па;

r »1,22 кг/м3 — плотность воздуха, принимаемая в строительных расчётах;

v — скорость ветра, м/с.

Коэффициент ветрового давления по высоте kвс увеличением высоты от поверхности земли возраста­ет обычно с 0,4 до 1,5 (ветер с высотой усиливается). В первом приближе­нии его можно принимать kв » 1 .

Аэродинамический коэффициент C_аэр в общем случае является функцией формы обтекаемого тела и числа Рейнольдса. Он характеризует условия обтекания здания в зависимости от его конфигурации в плане и разрезе и ориентации по отношению к господствующему направлению вет­ров. В строительных расчётах его принимают в виде констант.

Аэродинамический коэффициентC_аэр имеет значения между 1 и 0 (по аб­солютной величине).

Например, для на­ветренной (фронтальной) стены дома C_аэр = +0,8 , а с противоположной (подветренной) стороны дома коэффициент C_аэр = –0,6(рис. 31). Знак «минус» указывает, что дав­ление ветра направлено от стены, то есть ветер стремится оторватьконструкцию от здания. Знак «плюс» — давление направлено кстене.

Для выяснения картины распределения ветрового давления p_ветр по поверхности здания строят эпюры давления (см. рис. 31). Их ординаты вычис­ля­ются по формуле ветрового давления. Значения динамического давления p_д принимаются в готовом виде по нормативной литературе для рассмат­ри­ваемого географического района строительства или же p_д вычисляется по скорости ветра v из наблюдений метеорологов, если район малоизучен. Реальные эпюры ветрового давления p_ветр имеют криволинейное очерта­ние, од­нако в строительных расчётах применяют упрощённо прямоуголь­ные эпю­ры (см. рис. 31).

Фильтрация газа

Фильтрация газа, то есть его движение через пористые среды, в об­ласти строительства имеет особое значение для ограждающих конструк­ций зданий: стен, покрытий.

Зимой холодный воздух проникает в помещения через поры и микро­трещины стен, через щели окон, балконных дверей — происходит так назы­ваемая инфильтрация воздуха, порождающая сквозняки и понижение температуры. Поэтому проницаемость ограждающих конструкций зданий ограничивается строительными нормами.

Для расчёта скорости фильтрации газа используется закон Дарсú :

,

где k_o — проницаемость пористой среды, м2;

m — динамическая вязкость газа, Па·с;

Dp_пр — разность приведённых полных давлений, вызывающая движение газа, Па;

l — длина пути фильтрации, м.

Закон Дарси в этой записи для газа применяется во всех областях тех­ники. Однако в строительстве для расчётов фильтрации воздуха через ограж­дающие конструкции зданий этот закон применяют в другом виде

,

где r — плотность воздуха, кг/м3;

R_u — сопротивление воздухопроницаемости строительного материала, м2· ч· Па/кг (принимается по строительным нормам для соответствую­щей толщины материала d);

n = 1 — для стен и покрытий (ламинарный режим фильтрации);

n = 2/3 — для окон и балконных дверей (турбулентный режим).

Таким образом закон Дарси позволяет вычислять расход газа (воздуха) Q = v_фw, проходящего через конструкцию толщиной l (или d) с площадью поперечного сечения w.