Борьба с ветром в высотных зданиях

Ветровое воздействие является основным негативным фактором, влияющим на высотные здания. Его влияние настолько велико, что одними лишь конструктивными мероприятиями по увеличению размеров несущих элементов и класса бетона проблему не решить. Традиционно считается, что при проектировании объектов с авторской архитектурой, инженеры и конструкторы являются второстепенными фигурами, которые только берут под козырек и выполняют любые пожелания и прихоти архитектора.

При проектировании же высотных зданий в эти «традиционные» взаимоотношения вклинивается ветер, который нагружает здание такими громадными нагрузками, что архитектор, конструктор, а также заказчик, садятся рядом и начинают общаться, чтобы прийти к консенсусу.

Как следствие, последние этажи, на которых могли бы разместиться шикарные пентхаусы, отводятся под размещение многотонных маятников-демпферов. Процент полезных площадей падает, поскольку технические помещения занимают не привычные 1,5%, а все 10. А то и форма здания требует серьезных изменений.

Здания, в силу их протяженности и угловатости относятся к категории «плохо обтекаемые объекты», как следствие окружающая среда активно борется с этой помехой, пытаясь здание согнуть, закрутить, опрокинуть, оторвать или вдавить панели фасадов, и, вдобавок — опалить солнечными лучами и создать прочие неприятности.

Рис. Ветер подвергает здания всевозможным нагрузкам

Кстати говоря, максимальная температура кровли (покрытия), которую можно зафиксировать в Москве — 84°С.

Скорость ветра активно растет с высотой, ведь при движении воздуха нижние слои тормозятся о поверхность Земли, и с высотой это воздействие снижается, что приводит к росту подвижности воздушных масс.

Рис. Ориентировочная скорость ветра летом на различной высоте на равнине (иллюстрация из книги «Пулевая спортивная стрельба», А.А. Юрьев, 1973 г.)

Если бы ветровые нагрузки были статичными, то проектирование здания не представляло каких-то чрезмерных трудностей для профессионального конструктора — при увеличении скорости ветровая нагрузка растет вполне предсказуемо.

Однако, в реальных условиях воздух не обтекает здание гладко — возникают завихрения, которые приводят к появлению мощной переменной боковой силы, и при некотором значении скорости ветра ее значение скачкообразно растет. Эту нагрузку невозможно оценить по СП или СНиПам, она может быть определена только по результатам математического моделирования или при испытаниях в аэродинамической трубе.

Слева - Вихревые образования создают мощную боковую переменную силу, действующую на здание. Справа - При определенной скорости ветра эта боковая сила может скачкообразно вырасти

Возникающие вокруг здания вихри и турбулентность постоянно меняют характер нагружения, что приводит к раскачиванию и дрожанию здания, что не только вызывает интенсивный износ конструкций, но и создает неприятные условия для людей, находящихся в здании.

Рис. Характер обтекания здания, показывающий турбулентность и переменчивость нагрузок. Изменение цвета соответствует возрастанию скорости воздуха: синий, голубой, зеленый, желтый, красный

Если взять квадратное высотное здание, которое является крайне неудачным для обтекания воздуха, то существует четыре основных способа, которые позволяют улучшить аэродинамику такой башни.

Рис. Квадратная башня и четыре способа улучшить ее аэродинамику: конусообразность, «вырезы», изменение сечения, скругление углов

Давайте посмотрим, какие оригинальные решения принимаются для борьбы с ветром на примере самых интересных небоскребов мира.

Очевидно, что лучший способ снизить ветровые нагрузки на здание – это придать ему форму, близкую к аэродинамически совершенной, например, как капля, крыло самолета, овальная или круглая.

Рис. Схема движения ветра. Рисунок Нормана Фостера здания Swiss Re в Лондоне

В квадратном, угловатом здании ветер с силой сталкивается с плоской поверхностью, устремляется вниз, сбивая с ног пешеходов, а также ударяется об углы здания, создавая дополнительную турбулентность и, как следствие, переменчивые нагрузки на конструкции. В круглом здании эти потоки мягко огибают его, что хорошо видно на примере здания Swiss Re.

Чтобы сохранить прямоугольную или квадратную форму зданий, которая наиболее удобна с точки зрения архитектурных планировок, архитекторы готовы пожертвовать углами, позволив их немного «смягчить». Казалось бы, чего можно добиться при незначительном скруглении краев, но в действительности разница – колоссальная. Математическое моделирование показывает, что ширина возмущенного потока с 20 метров уменьшилась почти до 10 метров, а следовательно, здание противостоит меньшей мощи потока.

Рис. Слева – обтекание воздухом квадратной башни. Справа – квадратная башня с закруглениями. Обратите внимание на длину пунктирной линии, которая показывает ширину возмущенного потока

Расчет также демонстрирует, что ветровые нагрузки на здание с закругленными краями уменьшаются почти в три раза по сравнению с острогранным сооружением! Более того, посмотрите, как в течение двух минут на квадратное здание действуют две пиковые нагрузки, в то время как нагрузка на закругленное здание почти не меняется со временем.

Рис. График нагрузок от ветра для двух зданий. Красная линия – квадратное здание с острыми гранями, синяя – с скругленными. Обратите внимание на разницу в величине нагрузок и два больших пика для красной линии

Скажем в самобытной высотке Taipei 101 высотой 508 метров, закругления выполнены в виде вырезов.

Вы могли заметить, что в мире трудно встретить небоскреб, который заметно расширяется к верхней части. Большинство небоскребов сужаются по мере движения к вершине, делая это плавно или уступами, тем самым значительно снижая «парусность» объекта и снижая интенсивность возникновение вихрей. Примеров таких объектов очень много — от зданий 100-летней давности до самых современных.

Слева - Новый «Осколок» в центре Лондона. Справа - Ступенчатый «Вулворт» в Нью-Йорке

Еще одним способом снижения влияния сильных ветров на высотные здания является увеличение их «пористости» или ветровой проницаемости – выполнение проемов, позволяющих воздуху организованно пройти сквозь здание.

Рис. Аэродинамика здания с проемами значительно улучшается

Особенно это актуально для тонких зданий, которые отличаются высоким соотношением ширины и высоты. Скажем, в башне Парк Авеню 432 было принято решение не закрывать фасадами шесть технических этажей, чтобы обеспечить свободное движение воздуха через здание.

Слева - 432 Парк Авеню – «вырезы» выполнены в виде незакрытых фасадами технических этажей. Справа - «Вырез» в здании финансового центра, Шахнай

В некоторых зданиях в этих организованных пространствах размещают ветрогенераторы, чтобы мощь ветра перевести в электричество. Хотя заметного вклада в электроснабжение здания «ветряки» не вносят, они тем не менее являются яркой демонстрацией желания девелопера использовать «зеленые технологии».

Это самое сложное, но красивое как с эстетической, так и с технической точки зрения решение проблемы ветрового воздействия на небоскребы. Как и в авиации, главный аэродинамический бич высотных зданий — срыв потока воздуха, при котором гладкое обтекание объекта воздухом нарушается и образуются завихрения, при этом резко растет нагрузка, появляется пульсация, раскачивание и прочие негативные эффекты.

Рис. Срыв потока с крыла, который может привести к штопору самолета

Самый яркий пример использования этого метода — грандиозная Шанхайская Башня высотой в умопомрачительные 632 метра (второе здание в мире после Бурж Халифа).

Рис. Башня Шанхая закручивается по всей высоте, сводя к минимуму срыв потока

В результате анализа, математического моделирования и испытаний в аэродинамической трубе инженеры смогли придать такую плавно скручивающуюся форму здания, что с какой бы стороны поток воздуха не сталкивался с башней, он мягко соскальзывает с минимально возможным образованием вихрей. Как следствие, ветровые нагрузки на здание снизились на 24%!

В особо сложных случаях, когда другими мероприятиями добиться должного комфорта и безопасности здания не удается, инженеры прибегают к использованию массивных демпферов.

Их смысл довольно прост – в верхней части здания размещают огромный, практически свободно подвешенный груз, который раскачивается в противоположную сторону от колебаний здания. Если вершина небоскреба под действием ветра или землетрясения отклоняется влево, массивный маятник, отклоняется в обратную сторону, увлекая за собой башню.

Рис. Два демпфера по 650 тонн в 432 Парк Авеню

Вообще, в отличие от обычных, невысотных зданий, в которых конструкторы уменьшают толщину плит перекрытия, а значит и вес верхней части здания, в высотках стоит противоположная задача. В зданиях, которые не имеют заметного сужения, наоборот стремятся увеличить вес верхней части, чтобы снизить подверженность колебаниям. Скажем, в очень тонком доме 432 Парк Авеню толщина перекрытий в верхней части вырастает до 450 мм по сравнению с 250 мм перекрытиями нижних этажах.

В Башне Шанхая невозможно было разместить демпфер необходимого веса, поэтому инженеры усилили амортизационный эффект с помощью мощного электромагнита. Среди зданий, упомянутых в нашем выпуске, демпферы применяются в следующих из них: 432 Парк Авеню (1300 тонн) , Тайпей 101 (660 тонн), Шанхайская башня (1000 тонн).

Цена вопроса

Давайте возьмем одиночный жилой дом высотой около 200 метров, расположенный в Москве и определим, сколько может стоить математическое моделирование или аэродинамические испытания на предмет ветровых воздействий?

Минимальный состав работы:

Определить ветровые нагрузки на здание с учетом окружающего рельефа и застройки.
Выполнить анализ ветровой комфортности пешеходных зон в окрестности здания.

Цена математического моделирования, скажем в программном комплексе Ansys, составляет около 1 500 000 руб. Стоимость испытаний в аэродинамической трубе — 2 000 000 руб.

В заключение хочется привести мнение инженера-конструктора башни Бурж Халифа о том, где находится предел человеческих возможностей: «Мы (человечество) можем выстроить здания вдвое выше этого небоскреба или даже больше… Мы можем легко достичь километровой высоты… Сейчас мы можем достичь высоты в одну милю и, возможно, еще немного выше».

Александр Иванов
Руководитель проектной мастерской «Траст инжиниринг»