CC BY
535
А СТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
№2 (40) 2017. с. 103-108.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ Светлана Юрьевна Скрипченкова Астраханский государственный университет [email protected]
Высотные здания, ветровая нагрузка, конструкции, защищающие небоскрёбы от ветра.
Одной из основных проблем высотных здания во всём мире является воздействие на отдельно стоящие здания и комплексы зданий ветровых нагрузок. Для решения ветровых проблем небоскрёбов архитекторами, инженерами и представителями других специальностей из 25 стран было создано международное Интернет -сообщество «ВОРТЕКС-Виндс», основными функциями которого является общение и решение вопросов противодействия ветру небоскрёбов, путём сбора банка данных о ветровых проблемах, аэродинамических исследованиях в данной области. В итоге определился ряд мер, рекомендуемых для борьбы с ветром. Это -рекомендации по проектированию определённой формы фасадов, устройство гасящих колебания здания демпферов и выработка ряда других рекомендаций для проектирования и строительства высоток.
EFFECTS OF WIND LOADS ON TALL BUILDINGS Svetlana Yurievna Skripchenkova Astrakhan State University
High-rise buildings, wind loading, design, protecting skyscrapers from the wind.
One of the main problems of high-rise buildings all over the world is the impact of wind loads on detached buildings and complexes of buildings.To solve the problem of winds architects, engineers and representatives of different professions from 25 countries have formed the International Internet Group "VORTEX-Winds". The main function of which is communication and resolution of the problem of counteraction of skyscrapers to wind through the formation of database on wind-related research on aerodynamics in the architectural field.As a result, a variety of measures have been determined, which are recommended in the fight against wind. These are design recommendation for the shape of the building facades, the installation of dampers to lessen building swaying, and a number of other recommendations for the design and construction of skyscrapers.
Интересно рассмотрение высотных зданий с точки зрения экологического влияния на них окружающей природы, а также изменения окружающих природных условий вследствие их строительства. Проектирование небоскрёбов - это решение комплекса различных задач, среди которых архитектурные, геологические, природно-климатические и др. Последние включают в себя восприятие ветровых нагрузок на здание и их использование.
По всему миру замечено влияние высотных зданий на корректировку погодных условий и не всегда эти изменения положительные. Например, известно, что при ветровом воздействии в основании зданий возникают сильные вихревые потоки, за счёт изменения скорости ветра, которые затрудняют движение проходящих людей, охлаждают нижнюю часть здания, что вызывает дополнительные расходы на отопление, а конструкции этой части зданий испытывают повышенную аэродинамическую нагрузку и раньше времени приходят в нерабочее состояние, что требует дополнительных расходов на их закрепление и ремонт.
Верхняя часть здания от ветра раскачивается, при этом с наветренной стороны конструкции испытывают растяжение, а с подветренной - сжатие. При этом нарушается вертикальность внешнего остекления и стекла могут трескаться. Строгая вертикальность требуется и для нормальной работы лифтов. Вода в раковинах и ваннах верхних этажей начинает плескаться, что создаёт негативные ощущения у жильцов и работников офисов.
Ветер оказывает и негативное звуковое влияние, проникая в небольшие щели и отверстия, отчего раздражающе «завывает», как в этих местах, так и вокруг всего здания.
Самое большое воздействие ветер оказывает в середине наветренной стороны, откуда почти половины потока уходит вниз и иногда ветровая нагрузка на входе в здание может превышать нагрузку на высоте 100м.
Перед началом проектирования небоскрёба производится аэродинамическое и математическое испытание модели здания, учитывающее характер и направление ветра, определяются места воздействия наибольшей ветровой нагрузки, возникновения шумов и вибраций.
В ряде случаев воздействие вихревых потоков можно значительно снизить. Это задача проектировщиков, которая состоит в разработке такой формы небоскрёба, которая заставила бы ветер снизить свою нагрузку. У архитекторов и инженеров появилось выражение «обмануть ветер». Приоритеты форм следующие: лидеры - здания с круглым, овальным, каплевидным планом; следующая группа - здания с треугольным планом со скруглёнными углами; далее - прямоугольные, квадратные, четырёхугольные планы и за ними следуют спаренные башни, волнообразные и другие сложные объёмно-пространственные решения. Хорошо себя зарекомендовали конусные и иглообразные фасады, уменьшающиеся от основания к вершине в плане высотки, а также здания с уступами и в виде пирамиды (московские высотки), где жесткость конструкции за счёт формы повышается на 10-50%. Примером такого строительства является на сегодняшний день «Бурдж Халифа» в г. Дубае Объединённых арабских эмиратов, имеющий в сечении трёхлепестковый план, за основу которого был взят растущий в этом регионе цветок - гименокаллис. С высотой горизонтальная ветровая нагрузка растёт, а размеры плана этажей уменьшаются. Аэродинамические испытания модели 828-ми метрового великана в аэродинамической трубе показали, что разработанная обтекаемая иглообразная форма здания позволяет значительно снизить горизонтальную ветровую нагрузку за счёт обтекания ветра, который разбивается на мелкие слабые потоки.
Жалобы людей, проживающих в разных стран, живущих вокруг небоскрёбов и в проблемных ветровых районах, заставили проектировщиков в 2008г. создать Интернет-сообщество «ВОРТЕКС-Виндс» (VORTEX-Winds - Виртуальная организация по снижению отрицательного воздействия ураганного ветра на общество), которое рассматривает проблемы и даёт рекомендации по их устранению и решению. Сегодня это сообщество включает учёных, архитекторов, инженеров 25 стран.
На сайте сообщества размещены научно-информационные базы данных по аэродинамике, сведения о проектах ветроустойчивых конструкций, базы данных факторов ветровых угроз, собранных от разных участников проекта и объединённые вместе. Желающие могут заочно обучиться «ветровому» проектированию в режиме онлайн, также предоставляются услуги по дистанционной диагностике проблемных зданий, есть доска электронных объявлений. Это один из интересных примеров международного научного взаимодействия.
Уже к 2008 году определился следующий перечень форм фасадов небоскрёбов, рекомендуемых для строительства в районах с повышенной ветровой нагрузкой, не ухудшающих своим появлением естественного природного состояния:
- элементы фасада здания со скруглёнными, «мягкими» углами (Международный финансовый центр Гуанчжоу в Китае) (см рис.1);
- иглообразная форма здания (пример - Бурдж Халифа в ОАЭ);
- уступы на здании(Тайбэй 101 в Тайване);
- изменение поперечного сечения здания по высоте;
- наличие пор, сквозных отверстий или рассеивателей на фасаде.
Примером таких отверстий является 492-х метровый Шанхайский всемирный финансовый центр в Китае с отверстием наверху, которое было спроектировано для пропуска сильного ветрового потока в верхней части здания и дало зданию прозвище «Открывашка».
Международный финансовый центр Гуанчжоу в Китае
Бурдж Халифа в ОАЭ
Тайбэй 101 в Тайване
■Шанхайский всемирный финансовый центр в Китае («Открывашка»)_
Рис.1. Формы высотных зданий, «обманывающих» ветер.
Как можно видеть на рис. 2 на изменение природных условий влияет как месторасположение здания, так и его окружение. Так, вокруг группы высотных домов создаётся зона рециркуляции, в которой вихревые потоки, возникшие около одного здания, гасятся или усиливаются у других.
Рис.2. Изменение ветровых потоков около Рис.3. Образование вихревых ветровых одиночной высотки потоков вокруг группы зданий и
сооружений
Космические съёмки демонстрируют такие изменения.
Определено, что в центрах городов на высоте460м существует пограничная зона, до которой ветер активно меняет направление и характер воздействия, а колебания, которые он
вызывает можно соизмерить с 4-5-ти бальным землетрясением. Скорость ветра до пограничной зоны может возрастать в 4 раза. Действие этого ветра тормозится поверхностью земли и стоящими рядом зданиями и сооружениями. А выше пограничной зоны скорость ветра становится постоянной. Значит, ориентируя и располагая здания определённым образом можно добиться значительного снижения ветровой нагрузки.
Следующей возможностью противостояния высоток ветру является устройство аутригерных поясов. Аутригеры - это мощные, в основном металлические конструкции, опоясывающие небоскрёб, благодаря которым нагрузка при воздействии ветра равномерно распределяется между ядром и колоннами каркаса, а также другими несущими конструкциями. Часто аутригерные этажи делают техническими, располагая в них инженерное оборудование и коммуникации или аварийное место пребывания людей во время пожара.
Аутригеры могут быть одно- и многоэтажными, горизонтальными и диагональными, металлическими и железобетонными, сплошными и стержневыми системами, со связями и без них.
Рис.4.Двухэтажный аутригер «Лахта- Рис.5. Проект одноэтажного аутригера.
Центра» в Санкт-Петербурге.
Конструкция аутригера для каждого здания проектируется индивидуально и имеет следующиефункции: повышение изгибной жесткости здания, противостояние прогрессирующему обрушению в случае потери прочности отдельной конструкцией, устойчивость к ветровым нагрузкам. Обычно они устраиваются через несколько этажей.
Другой конструкцией противостояния ветру является пассивный маятниковый демпфер. Это маятник с большой массой, который при сильных порывах ветра и раскачивании верхней части небоскрёба начинает тоже приобретать свои колебания, но другой частоты, которые гасят колебания здания. В здании может быть один или несколько демпферов. Например, в башне Taipei101 на 92 этаже подвешена тросах один 800-тонный пассивный маятниковый демпфер (рис.6, 7).
А в небоскрёбе Бурдж-аля-Араб («Парус») в г. Дубае ОАЭ равномерно от основания до вершины здания по двум диагоналям размещены десять резонансных амортизирующих 5-ти тонных грузов-демпферов.
Следующим фактором защиты от ветра являются правильный выбор ограждающих конструкций. Сегодня - это в основном прозрачные фасадные системы из высокопрочного стекла на каркасе, которые выполняют ограждающую, теплоизолирующую и солнцезащитную функцию. Ранее считалось, что окна могут быть невентилируемыми, а для хорошего воздухообмена достаточно налаженной системы кондиционирования. Но в последнее время по требованию людей, располагающихся в высотках, которые требуют притока в здания свежего воздуха, решаются различные конструкторские задачи по естественному проветриванию.
В итоге можно составить группу следующих параметров и конструкций высотных зданий, правильно проектируя которые можно значительно снизить ветровую нагрузку:
1. выбор оптимальной формы небоскрёба;
2. ориентация здания в соответствии с «розой ветров»;
3. одиночное или групповое расположение высотки, учитывающее снижение ветровой нагрузки;
4. устройство аутригеров;
5. установка пассивных маятниковых демпферов;
6. эффективное внешнее ограждение.
Кажется, что для нашего региона строительство небоскрёбов является далёкой перспективой. И указанные выше данные и результаты исследований могут не пригодится для будущих архитекторов, которых готовят в Астраханском государственном университете при изучении дисциплины «Архитектура высотных зданий». Но замечено, что в цикле конструкторских дисциплин она вызывает повышенный интерес у студентов. Во многом это связано с тем, что строительство небоскрёбов - это область деятельности, которая мотивируется амбициями, желанием богатых корпораций, фирм, государственных деятелей удивить и заявить о себе миру. Поэтому, как правило, заказчики высотных зданий не экономят на исследованиях, разработках и внедрении новых строительных материалов и технологий строительства, что редко можно встретить при серийном типовом строительстве. А вот результаты исследований и разработок, полученные при высотном строительстве могут быть полезны и учтены при традиционном многоэтажном строительстве. Кроме этого
не так давно даже 9-ти этажные дома удивляли жителей Астрахани своей высотой. Может быть скоро мы увидим и небоскрёбы.
Литература
1.Маклакова Т.Г. Высотные здания. М.: МГСУ 2008.С.1-50.
2.Маклакова, Т.Г. Архитектурно-конструктивное проектирование зданий. Т.1. Жилые здания: М.: Архитектура-С, 2010. С.196-200.
3.Инженерное оборудование высотных зданий. Под общ. ред. М.М. Бродач 2-е изд. ; испр. и доп. - М. : АВОК-ПРЕСС, 2011.С.43-53.
4.Пономарёв В.А. Архитектурное конструирование - М.: Архитектура-С, 2009.С.263-278.
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
5.Деловой квартал. Интернет-портал о современной архитектуре и строительстве. Проектирование высотных зданий - специфика С.1 -7.
