Архитектура и ветровые нагрузки

Словосочетание «ветровые нагрузки» – это отнюдь не прихоть проектантов, а важный строительный параметр, пренебрежение которым может привести к разрушению здания. Ураганные ветры, скорость которых достигает 100 км/ч, для континентальной Евразии являются аномалией, однако вероятность которой нельзя исключать, поскольку климат на планете меняется.

Ветровые нагрузки подразумевают не только влияние сильных ветров, но и перемещающихся воздушных масс с нормальной скоростью. Полное отсутствие ветра – явление достаточно редкое. В норме воздушные массы перемещаются со скоростью 3-7 м/с. И уже такие перемещения способны вызвать некоторую, хотя и не критическую, нагрузку на строительные конструкции, обладающие парусностью. Если скорость ветра превышает норму, то такой ветер представляет серьезную опасность, особенно при продолжительном воздействии на строительные конструкции. Масштабы разрушений зависят от силы воздушного напора:

•  до 20 м/с – мелкие наружные повреждения кровли и других элементов здания, а также поломка зеленых насаждений;
•  от 20 до 30 м/с – повреждение линий электропередач и более значительные разрушения элементов зданий;
•  от 30 до 50 м/с – срыв кровли, разрушение стропильной конструкции, вырывание деревьев с корнем, обрыв линий электропередач и наружных трубопроводов;
•  свыше 50 м/с – стихийные разрушения с масштабными последствиями вплоть до полной потери целостности зданий и инфраструктуры.

Сильные ветры и смерчи относятся к погодным аномалиям. Строить жилища, способные противостоять таким ветрам, теоретически можно, но это очень дорого. С другой стороны, еще дороже потерять жилье в результате проектирования без учета значительных ветровых нагрузок. Особенно это актуально для домов, которые строятся в ветроопасных регионах.

В непогоду строительным конструкциям угрожает не только непосредственно воздушные массы, но и летящие сломанные ветки, обломки соседских крыш, падающие столбы и деревья. При этом пострадать могут не только строительные конструкции, но и наружное оборудование, например, дымоходы, вентиляционные выводы, блоки кондиционеров, освещение и т.д.

Говоря о ветре, нельзя не упомянуть проблему переохлаждения зданий. Продолжительные ветры способны буквально выдувать тепло из ограждающих конструкций, поэтому последние нуждаются в правильном и достаточном утеплении. Теплоизоляция также улучшает акустический комфорт и минимизирует гул ветра во время сильных порывов.

Особенности проектировки. С точки зрения аэродинамики, наилучшей формой плана застройки является квадрат или прямоугольник с небольшой разницей сторон. Круглые дома никто не строит, поскольку они неудобны для планировочных решений, поэтому такая форма нами не рассматривается. Любые отклонения от плоскости наружных конструкций рассматриваются как факторы, увеличивающие ветровые нагрузки. Иначе говоря, дом, который не боится ветра, – это обтекаемый дом. Кроме того, сложность архитектуры повышает вероятность ошибок при строительстве, что в свою очередь снижает прочность строения.

В регионах с большой вероятностью ураганов, рекомендуется строить приземистые дома с крышей, скаты которой расположены под довольно большим углом. Такая крыша лучше противостоит ветровым нагрузкам, а также минимизирует задувание воды под кровлю. Это не распространяется на многоэтажные дома, которые, благодаря своей большой массе, выдерживают значительные ветровые нагрузки, хотя и не без повреждений.

Оптимальный вариант для крыши частного дома – двухскатная или четырехскатная конструкция, а также плоская крыша. Если необходим второй этаж, то лучше делать его мансардным. Это позволит снизить высоту дома.

При расположении пятна застройки на плане участка и проектировании дома особое значение имеет так называемая роза ветров. Дома прямоугольной формы необходимо располагать таким образом, чтобы их длинные стороны были параллельны направлению преобладающих ветров. Короткая сторона такого дома будет направлена навстречу ветровому потоку.

Одним из важных условий строительство ветроустойчивого дома является надежное основание. Если грунт слабый, то дом будет неустойчивым даже в районе со спокойной ветровой обстановкой. Достаточно надежными считаются грунты из крупнозернистого песка, а также скалистые и глинистые грунты. Уровень грунтовых вод в весенний период должен находиться на глубине не выше 2,5 м. Если вода после дождя собирается на участке в лужи и подолгу стоит, то это неблагоприятный фактор. Лучше искать сухой участок. В противном случае необходимы дополнительные мероприятия: устройство дренажа, увеличение мощности фундамента, работы по усилению грунта и т.д. Усилить почву помогают деревья с развитыми корневыми системами, а также искусственные геотекстили и георешетки.

Фундамент ветроустойчивого дома при отсутствии подвала должен быть заглублен в грунт на 1 м и более в зависимости от географической широты. При этом ширина ленты фундамента планируется на 50 см шире, возводимой на нем стены. Исключение составляют плитные фундаменты, которые, благодаря своей большой массе становится непоколебимыми.

Оптимальным вариантом для ветроустойчивого дома является относительно недорогой ленточный фундамент. Железобетонная лента отливается под всеми стенами, а также колонами и опорами. При строительстве на прочных грунтах можно остановиться и на столбчатом фундаменте, но только в случае, если надстройка выполняется из легких материалов.

Стены одноэтажных домов не испытывают больших ветровых нагрузок. Из практики известно, что при сильны ураганах у дома чаще всего срывает крышу, но стены при этом остаются на месте. Ветер больше влияет на их тепловую эффективность. Чем сильнее обдувается дом, тем труднее в нем сохраняется тепло. Именно поэтому специалисты рекомендуют с подветренной стороны защищать здание высокими кустарниками, деревьями, заборами, а также вспомогательными постройками. При этом подветренные стороны дома должны иметь усиленную теплоизоляцию – только в этом случае дополнительных «ветровых» теплопотерь можно будет избежать.

Что касается выбора стенового материала, то здесь каких-либо ограничений нет. Однако, чем он тяжелее, тем, согласно законам физики, воздушным массам тяжелее сдвинуть или разрушить коробку дома. В этом смысле каркасные дома менее устойчивы к ветровым нагрузкам. Но и их можно защитить, сделав обтекаемыми и надежно закрепив обшивку.

Исходя из главных требований к ветроустойчивому дому, – прочности и хорошей теплоизозоляции, – имеет смысл рассматривать одновременно прочные и теплосберегающие стеновые материалы либо их комбинацию. Так, чемпионом по прочности среди стеновых материалов является полнотелый керамический кирпич. При наличии внутренних пустот в кирпиче, его прочность снижается, но растут теплосберегающие характеристики. Наружные стены можно возводить в два слоя: наружный слой – из путсотелого, а внутренний – из полнотелого. Между этими слоями располагается слой утеплителя (трехслойная стена). При этом между утеплителем и наружным слоем предусматривается зазор 3-5 см (вентилируемый фасад).

Газобетон является очень подходящим стеновым материалом. Его теплопроводные характеристики позволяют возводить однослойные стены. То же можно сказать и о керамоблоках. Если выбирать газобетон, то лучше остановиться на автоклавном варианте. Размеры блоков автоклавного газобетона очень точные, позволяющие вести кладку на тонком шве с помощью клеевого раствора. Стены из этого материала не нужно выравнивать обычным способом, а можно наносить тонкослойную штукатурку, что экономит время и ресурсы. Прочность газобетонной стены ниже, чем у кирпичной, но ее хватает, чтобы противостоять значительной ветровой нагрузке.

Деревянные дома по шкале ветроустойчивости относятся к надежным, особенно выполненные из клееного бруса. Для улучшения устойчивости к ветру, элементы таких домов скрепляются резьбовыми стяжками, а вся конструкция прочно фиксируется к капитальным фундаментным анкерам.

Надежного крепления требует и стропильная система, поскольку она страдает от ветровых нагрузок больше всего. Все ее элементы должны быть максимально надежно связаны между собой, а вся конструкция – прикреплена к коробке.

При боковом ветре у стены возникает воздушное завихрение, большая часть которого ударяет в карниз и стремится его приподнять. В это же время давление ветра нажимает на скат крыши. В результате стропильная система испытывает нагрузку, направленную на деформацию посредине ската, которая в худшем случае приводит к слому стропил. Но есть еще одна сила, действующая на крышу при сильном ветре. Речь идет о подъемной силе, которая возникает из-за разности давления с подветренной стороны дома и сверху него. При планировке крыши ветроустойчивого дома необходимо учитывать все три указанных вектора. Особое внимание следует уделять креплению водосточной системы, которая страдает от сильного ветра в первую очередь.