Что такое Аэродинамический коэффициент?

Аэродинамический коэффициент представляет собой безразмерный расчетный показатель, который характеризует, как форма, положение и ориентация строительной конструкции влияют на воздействие ветрового потока. Он позволяет перейти от исходного скоростного давления ветра к давлению или отсосу, фактически действующему на конкретную поверхность здания.

Одинаковый ветер по-разному воздействует на вертикальную стену, наклонный скат, парапет, карнизный свес или участок около угла здания. Воздушный поток огибает конструкцию, ускоряется, тормозится, отрывается от поверхности и образует вихри. Поэтому одного значения скорости ветра недостаточно. Необходимо учитывать аэродинамику самого объекта, и именно для этого в расчетах используется аэродинамический коэффициент.

Что показывает аэродинамический коэффициент

Аэродинамический коэффициент связывает давление воздушного потока с воздействием на конкретную поверхность. В упрощенном виде ветровое давление можно представить зависимостью:

p = q × c,

где p является давлением на рассматриваемую поверхность, q обозначает исходное динамическое давление воздушного потока, а c является аэродинамическим коэффициентом.

Например, если исходное давление составляет 600 Па, а для рассматриваемого участка принят коэффициент 0,8, расчетное воздействие без учета других коэффициентов составит:

p = 600 × 0,8 = 480 Па.

Если коэффициент имеет отрицательное значение, речь идет об отсосе, то есть результирующее воздействие направлено от поверхности наружу. При q = 600 Па и c = -1,2 получаем:

p = 600 × (-1,2) = -720 Па.

Знак здесь принципиально важен. Положительное и отрицательное значения описывают разные направления воздействия, поэтому сравнивать коэффициенты только по абсолютному числу нельзя.

Почему коэффициент меняется по поверхности здания

Ветер не создает одинакового давления на всей наружной оболочке. На наветренной стене поток тормозится, и давление обычно направлено внутрь конструкции. После прохождения угла воздух ускоряется и отрывается от поверхности, формируя области разрежения. На боковых и подветренных сторонах поэтому часто возникает отсос.

Еще сложнее распределяется давление по кровле. Результат зависит от уклона ската, направления ветра, высоты здания, положения конька и наличия выступающих элементов. Особенно интенсивные локальные воздействия могут возникать около карнизов, торцов и углов.

По этой причине для расчета крупной поверхности ее могут разделять на зоны. Центральная часть фасада или кровли находится в одних аэродинамических условиях, а крайняя полоса и угол в других.

Именно поэтому одинаковое крепление по всей площади облицовки не всегда является рациональным. Если крайняя зона испытывает более сильный отсос, соединения там должны воспринимать соответствующую расчетную нагрузку.

От чего зависит значение коэффициента

Главный фактор заключается в геометрии объекта относительно воздушного потока. Плоская вертикальная поверхность, наклонная крыша и цилиндрический элемент взаимодействуют с воздухом по-разному.

На значение аэродинамического коэффициента влияют:

• форма и пропорции здания;
• угол наклона кровельной поверхности;
• направление ветра относительно здания;
• положение рассматриваемого участка;
• наличие парапетов, свесов и выступов;
• конфигурация углов и краев;
• проницаемость отдельных ограждающих элементов.

Особенно важен угол атаки потока. Если ветер направлен перпендикулярно фасаду, характер давления отличается от ситуации, когда поток подходит к зданию под углом. При изменении направления меняются и зоны максимального воздействия.

Для кровель изменение уклона также существенно влияет на аэродинамическую картину. На одном скате может преобладать прижимающее давление, а при другой геометрии или направлении ветра на значительной части поверхности возникает отсос.

Поэтому аэродинамический коэффициент нельзя считать постоянным свойством конкретного материала. Металлочерепица, профлист или фасадная кассета сами по себе не имеют одного универсального коэффициента для любого здания. Показатель относится к рассматриваемой поверхности и условиям ее обтекания.

Внешнее и внутреннее давление

На ограждающую конструкцию действует не только воздух снаружи здания. Давление внутри помещения также способно влиять на результирующую нагрузку.

Представим, что наружный поток создает отсос на кровле, то есть стремится поднять покрытие. Если внутри здания одновременно возникает положительное давление, направленное на кровлю изнутри, оба воздействия работают в одном направлении и увеличивают результирующую отрывающую силу.

Особенно заметным внутреннее давление становится при наличии крупных проемов или участков, через которые воздух способен интенсивно поступать внутрь. Поэтому в расчетах наружное и внутреннее аэродинамические воздействия рассматриваются совместно.

Упрощенно результирующую разность можно представить как:

Δc = ce - ci,

где ce относится к наружной поверхности, а ci характеризует воздействие внутреннего давления.

Если наружный коэффициент составляет -0,9, а внутренний +0,2, разность равна:

Δc = -0,9 - 0,2 = -1,1.

То есть результирующее отрывающее воздействие оказывается сильнее, чем при рассмотрении только наружной поверхности.

Как коэффициент связан с креплением кровли и фасада

Аэродинамический коэффициент непосредственно влияет на усилие, которое должны воспринимать крепежные элементы. После определения давления его переводят в нагрузку на конкретную площадь.

Допустим, расчетное давление на фасадную панель составляет 900 Па, а площадь панели равна 1,5 м². Общая сила составит:

F = 900 × 1,5 = 1350 Н.

Это приблизительно соответствует 138 кгс. Такое усилие распределяется между точками крепления, но не обязательно совершенно равномерно. На фактическую работу влияют жесткость панели, расположение крепежа и расстояние до краев.

Для кровельного листа аналогичный принцип применяется при отрывающем воздействии. Если наиболее нагруженная зона расположена около карниза, именно здесь крепеж может воспринимать более высокие усилия, чем на центральной части ската.

Увеличивать шаг крепежа без учета этого распределения нельзя. Чем больше площадь покрытия приходится на одну точку, тем выше потенциальная нагрузка на соединение при одинаковом давлении.

Аэродинамический коэффициент поэтому имеет практическое значение не только для общего расчета здания. Он влияет на выбор шага подконструкции, расположение кронштейнов, количество крепежа и конструкцию крайних участков облицовки.

Локальные коэффициенты и краевые зоны

Среднее воздействие на большую поверхность не всегда определяет наиболее опасное состояние. Небольшой участок около угла может испытывать существенно более интенсивный отсос из-за вихревого движения воздуха.

Это особенно важно для крупноформатных фасадных кассет, профилированных листов, карнизных планок и других элементов с относительно небольшой собственной массой. Локальное воздействие стремится отогнуть край, после чего нагрузка концентрируется на ближайшем крепеже.

Поэтому при проектировании необходимо различать среднее воздействие на поверхность и локальное воздействие в наиболее нагруженных зонах. Использование одного усредненного значения для всей стены способно скрыть критическую нагрузку около угла.

Аналогичная ситуация возникает на кровле. Центральная часть большого ската может работать без заметных деформаций, тогда как крайние листы испытывают более сильные отрывающие усилия.

По этой причине проблемы после сильного ветра нередко сначала появляются около карнизов, торцов и углов: ослабляется крепеж, деформируются кромки или начинают вибрировать доборные элементы.

Чем аэродинамический коэффициент отличается от ветрового давления

Эти показатели нельзя использовать как взаимозаменяемые. Ветровое давление имеет размерность, например Па или кПа, и характеризует непосредственно нагрузку на единицу площади. Аэродинамический коэффициент безразмерный и показывает, как форма и положение конструкции изменяют воздействие воздушного потока.

Если скорость ветра возрастает, динамическое давление увеличивается. При этом геометрия здания может оставаться прежней, поэтому соответствующий аэродинамический коэффициент для рассматриваемой расчетной ситуации не обязательно меняется.

Условно можно сказать, что давление отвечает на вопрос «насколько велико воздействие», а коэффициент помогает определить «как воздушный поток воздействует именно на этот участок конструкции».

Не следует также путать аэродинамический коэффициент с коэффициентом сопротивления материала. В строительной практике рассматривается взаимодействие потока с геометрией здания и его отдельных поверхностей, а не только свойства материала облицовки.

Практическое значение показателя

Аэродинамический коэффициент необходим прежде всего для перехода от общей характеристики ветра к нагрузке на реальную конструкцию. Без него нельзя корректно учесть различия между центральной частью фасада, углом здания, скатом кровли или карнизным участком.

Наиболее важным является не поиск одного универсального значения, а правильное определение расчетной зоны. Коэффициент выбирается для конкретной поверхности, направления ветра и характера воздействия. Затем с его помощью получают давление или отсос, которые уже используются при оценке панелей, листов, крепежа и подконструкции.

Поэтому аэродинамический коэффициент следует рассматривать как характеристику взаимодействия формы здания с воздушным потоком. Он объясняет, почему при одной скорости ветра разные участки наружной оболочки испытывают неодинаковые нагрузки и почему края, углы и выступающие элементы требуют отдельного внимания при проектировании кровельных и фасадных систем.