{"id":4859,"title":"\u0422\u0435\u0441\u0442 \u0434\u043b\u044f \u043f\u0440\u043e\u0434\u0430\u043a\u0442\u043e\u0432: vc.ru \u0432 \u0432\u0430\u0448\u0438\u0445 \u0440\u0443\u043a\u0430\u0445","url":"\/redirect?component=advertising&id=4859&url=https:\/\/vc.ru\/special\/bettervc&hash=06e04557a2c39e6c33fa846ba405896b7fed5804f421a1db543b59166c87d7da","isPaidAndBannersEnabled":false}

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.

Круглые здания

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.

Скругление углов

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.

​Рис. Башня Taipei 101 в Тайване

Сужение к верхней части

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

Организация проемов

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».

Закручивание

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%!

Амортизаторы

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»

{ "author_name": "Траст Инжиниринг", "author_type": "self", "tags": ["\u0441\u0442\u0440\u043e\u0438\u0442\u0435\u043b\u044c\u0441\u0442\u0432\u043e","\u0436\u0438\u043b\u044c\u0435","\u0431\u0430\u0448\u043d\u0438","\u0430\u0440\u0445\u0438\u0442\u0435\u043a\u0442\u0443\u0440\u0430"], "comments": 7, "likes": 16, "favorites": 17, "is_advertisement": false, "subsite_label": "flood", "id": 122593, "is_wide": true, "is_ugc": true, "date": "Tue, 28 Apr 2020 11:14:02 +0300", "is_special": false }
0
7 комментариев
Популярные
По порядку
Написать комментарий...
3

умно, красиво и интересно. Но не для vc статья. Нужен заголовок: Почему власти запрещают строить красиво. А потом текст. Будет тысяча комментов.

Ответить
1

Прожженый пользователь vc.ru 😂

Ответить
0

сейчас везде так. А если еще связать с ковид- успех обеспечен.

Ответить
0

Пятый способ улучшить аэродимику: спираль

Ответить
3

Принцип, если я не ошибаюсь, в статье уже был описан - это завихрение потоков воздуха

Ответить
1

Спасибо за статью, для офтопа самое то. Пишите больше!

Ответить
0

А почему не работают "ветровики" в проемах таких зданий? Или это будет не эффективно из-за скорости потока, а не объема?

Ответить
Читать все 7 комментариев
«Стартап-полка»: Самокат набирает производителей альтернативных продуктов

Онлайн-ритейлер Самокат совместно с Ассоциацией Производителей Альтернативных Пищевых Продуктов объявляют сбор заявок от инновационных производителей продуктов для участия в «стартап-полке» Самоката. Лучшие продукты попадут в постоянный ассортимент Самоката в раздел «Супермаркет» уже этой осенью.

Можно ли продолжать работать в той же компании после выгорания: история продакт-менеджера Тинькофф

В Тинькофф — 28 000 сотрудников, и у каждого своя история. Кто-то легко справляется с работой, и после всех задач спокойно отключается и идет отдыхать. Другим все может даваться труднее, даже сложно в уйти в отпуск — думает, «как я всё здесь брошу». Мы начинаем серию статей от лица наших сотрудников, которые делятся своим опытом: какие появлялись…

DeepFake — от стыдного термина до нового медиа, которое убил Сбер

Привет, реальный мир.

Пластиковый «дом будущего» должен был решить проблему нехватки жилья, а стал аттракционом в Диснейленде Статьи редакции

В конце 50-х архитекторы в США построили здание из пластмассы и «оснастили» его бытовыми предметами грядущих десятилетий — атомной микроволновкой, ультразвуковой посудомойкой, движущимися проекторами, гигантским экраном, пластиковой мебелью и посудой.

У Дома будущего Monsanto было четыре крыла Iconichouses
Разоблачение аналитиков IPO (и меня тоже)

Решил записать свои мысли на счёт изучения IPO. Сперва хотел сделать это только для себя, но публично интереснее — отношение к себе более критичное и нет возможности приукрасить положение вещей.

4 скрытых трат на программное обеспечение, которые необходимо предвидеть ПОСЛЕ публикации приложения

Давайте представим, что после нескольких месяцев напряженной работы ваше мобильное приложение, наконец, готово к работе. Но когда вы просматриваете свои финансовые отчеты, вы замечаете, что ваши ежемесячные расходы не уменьшились, а наоборот- выросли. Что происходит?

NASA и SpaceX отправят научный зонд для поиска жизни на спутнике Юпитера в 2024 году Статьи редакции

Запуск миссии Europa Clipper обойдётся в $178 млн — столько NASA выделяет компании Илона Маска по условиям контракта.

Возможности, как в корпорации, а гибкость, как у стартапа. Что думают о своей работе сотрудники DiDi

Пять представителей российского офиса компании рассказали о корпоративной культуре, рабочем дне, языковом барьере, профессиональных вызовах.

Как мы создали программный продукт для НКО, не имеющий аналогов в России, и (пока что) заработали на нём только геморрой

Это история о том, что бывает, когда одна типичная для некоммерческих организаций черта – ожидание всяческих преференций – выходит на первый план, превращается в требовательную инфантильность и рубит все отношения между заказчиком и исполнителем.
Мы почти бесплатно сделали ПО для НКО на базе Битрикс24, не имеющее аналогов в России, а вместо…

Восточная Техника успешно автоматизирует процессы управления складами на базе решения Columbus-WMS
Тренды мобильных игр в 2021 году — обзор индустрии мобильных игр

Индустрия мобильных онлайн-игр — анализ, тенденции и статистика

null