Einfluss des Windes auf die Architektur

Die moderne Architektur tendiert dazu, die Fläche von lichtdurchlässigen Strukturen mit komplexen Formen zu vergrößern. Manchmal nehmen sie 100 % der Außenfläche ein. Hinzu kommen die zunehmende Höhe und die Verdichtung der Gebäude. Im Bezug darauf stellt sich immer wieder Frage, wie die Windlasten für Hochhäuser in Form von komplexen architektonischen Formen und in der Regel in dicht bebauten Gebieten zu berechnen und zu berücksichtigen sind?

Zunächst muss man die grundlegenden Parameter für die Windlast kennenlernen. Ein Kriterium, das die Stärke des Windes bestimmt, ist die Beaufortskala. Darin werden in einer vereinfachten Form die Windparameter angeführt.

Die Skala zeigt, dass eine Person starken Wind ähnlich wahrnimmt wie das Fahren eines Autos oder Motorrads mit einer Geschwindigkeit von 50-60 km/h. Dies ist eine erhebliche Belastung für eine Fensterkonstruktion. Ist die Belastung noch größer, kann das Glas oder die umschließende Struktur brechen.

Es ist bereits klar, dass die Fenster unter solchen Belastungen eine schwere Zeit durchmachen, und mit zunehmender Windstärke kann es bereits zu verschiedenen Problemen in Form von Glaszerstörung oder der Zerstörung der Gebäudehülle selbst kommen.

Um solche Fälle zu vermeiden, stehen den Planern in der Ukraine verschiedene Regelwerke zur Verfügung (einige wurden vom Staatlichen Baukomitee der Sowjetunion übernommen, haben aber nichts von ihrer Aktualität eingebüßt, wie z.B. die "ANWEISUNGEN FÜR DIE PLANUNG, DIE INSTALLATION UND DEN BETRIEB VON GLASPACKUNGEN" SN 481-75 "), und die bestehende Richtlinie — DBN V.1.2-2:2006. "BELASTUNGEN UND EINWIRKUNGEN".

Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass diese Dokumente Sonderfälle der Auswirkungen von Windlasten auf Gebäude und Strukturen berücksichtigen und nicht zur Bestimmung der tatsächlichen Windlasten bei komplexen Gebäudeformen sowie des Einflusses der relativen Position von Hochhäusern unter der Bedingung einer verdichteten Bebauung verwendet werden können.

Ein Hochhaus an sich ist bereits ein recht komplexer Gegenstand der aerodynamischen Forschung. Die Luftströmungen um Hochhäuser haben ihre eigenen Charakteristika, da bei ihnen die Auswirkungen äußerer klimatischer Einflüsse und die Größe der Stoffaustauschgradienten und Energieströme im Inneren des Gebäudes von extremer Bedeutung sind.

Bei der Untersuchung der Aerodynamik von Gebäuden versteht man unter einem Hochhaus ein Gebäude, dessen Höhe die Breite der windabgewandten Fassade um das Dreifache oder mehr übersteigt. Nachfolgend sind die Daten über die Verteilung der aerodynamischen Werte an der Fassade eines quadratischen Hochhauses für verschiedene Windrichtungen aufgeführt:

Die Analyse von dem Strömungswiderstandskoeffizient oder cw-Wert an einer quadratischen Hochhausfassade bei verschiedenen Windrichtungen zeigt, dass die aerodynamischen Koeffizienten an der Fassade positiv sind, wenn die Windrichtung senkrecht zur Fassade ist, und dass ihre Werte zu den Seitenfassaden des Gebäudes und zum oberen Teil der betrachteten Fassade hin abnehmen. Der Anstieg von dem Strömungswiderstandskoeffizient in der Nähe des oberen Teils der Fassade wird auch durch die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe beeinflusst. Dieses einfache Beispiel zeigt bereits, dass der Grad der Windeinwirkung ungleichmäßig ist und darüber hinaus in bestimmten Zonen negative (ziehende) Kräfte auftreten, deren cw-Wert im Gegensatz zu den positiven Werten keinen größeren Wert als 1 haben kann (d.h. sie entsprechen den Werten, die durch die Windregion des Gebiets gemäß DBN V.1.2-2:2006. "BELASTUNGEN UND EINWIRKUNGEN"), können einen Koeffizienten erreichen, der zwei oder sogar mehr Mal höher ist als der Wert von DBN V.1.2-2:2006. "BELASTUNGEN UND EINWIRKUNGEN".

Dies soll anhand eines Beispiels erläutert werden. Wenn die direkte Einwirkung der maximalen Windlast auf die Gebäudewand in DBN V.1.2-2:2006 definiert ist. "LASTEN UND EINWIRKUNGEN" in Höhe von 27 kg/qm definiert ist, dann kann bei einer komplexen Gebäudeform die ziehende (negative) Kraft auf die Gebäudewand Werte von –50 bis –80 kg/qm erreichen, was gewisse Einschränkungen bei der Wahl der Tragkonstruktion der Fassade mit entsprechender Füllung ihrer lichtdurchlässigen Elemente mit sich bringt. In diesem Fall sollte man nicht vergessen, dass die Abhängigkeit der Festigkeitseigenschaften der Struktur von der Veränderung der Belastung eine nicht lineare Funktion ist, d.h. bei einer 2-fachen Erhöhung der Belastung kann man nicht einfach die Dicke des Metalls und des Glases um das 2-fache erhöhen, und alles wird viel komplizierter.

Nun zurück zum Thema der Luftströmung um das Gebäude herum, wobei andere Gebäude und Strukturen in der Nähe, Geländemerkmale usw. berücksichtigt werden müssen. Dieser Einfluss macht sich besonders bemerkbar, wenn die umgebenden Objekte weniger als das Fünffache der Gebäudehöhe entfernt sind. Diese gegenseitige Beeinflussung kann mit Hilfe von Finite-Elemente-Software-Systemen berechnet werden, ohne dass ein Test im Windkanal erforderlich ist.

Hierzu ein Beispiel. Spezialisten von Aestech heben eine aerodynamische Studie von stromlinienförmigen Körpern nach der Panel-Methode eine vorläufige Bewertung des gegenseitigen aerodynamischen Einflusses der drei Gebäudetürme auf dem Gebiet der Gebäude Krasnoarmeiska Str. Nr. 91 und Nr. 93, Predslavinskaja Str. Nr. 22, im Pechersky Bezirk von Kyiv durchgeführt. Der zuvor von den Spezialisten des Unternehmens entwickelte Softwarekomplex "AASV" wurde als Werkzeug dafür verwendet. Außerdem wurden die Ergebnisse der vom Kyiver Ingenieurbüro Büro "Antonov" durchgeführten Studie verglichen, indem die verteilten Windlasten auf die Außenflächen der Gebäudemodelle des geplanten Hochhauskomplexes in der Predslavinskaya Str. 7/20 im Windkanal ermittelt wurden.

• Hohe positive Windlast
• Mäßige positive Windlast
• Geringe positive Windlast
• Geringe negative Windlast
• Mäßige negative Windlast
• Hohe negative Windlast

Es kann festgestellt werden, dass die Daten, die als Ergebnis der Berechnung nach der Plattenmethode unter Verwendung der AACB-Software erhalten wurden, gut mit den Daten korrelieren, die als Ergebnis der Verarbeitung der Ergebnisse des Durchblasens von Gebäudemodellen in einem Windkanal erhalten wurden, und beide Methoden zeigten einen signifikanten gegenseitigen aerodynamischen Einfluss von drei Türmen, was eine Voraussetzung für zusätzliche Festigkeitsberechnungen von lichtdurchlässigen Strukturen ist.

Die aerodynamischen Berechnungen solcher Bauwerke erfordern auch Anpassungen bei der Planung der Belüftung von Gebäuden, der Berechnung der Luftströme innerhalb des Gebäudes und der Bewertung des Einflusses des Gebäudes auf das aerodynamische Regime des angrenzenden Gebiets.

Darüber hinaus können aufgrund erhöhter Winddruckkoeffizienten im Gebäudeinneren starke Luftströmungen auftreten, die besondere Lösungen erfordern: Verriegelung von Eingangstüren, Treppenabschnitten, Abdichtung von Müllschächten usw.

Es gibt noch zahlreiche andere Fragen im Zusammenhang mit der Aerodynamik von Gebäuden, der Lage von Fußwegen, der Bildung von Schneeverwehungen usw.

Ein ähnliches Verfahren zur Bestimmung des Einflusses von Windlasten auf die Wahl der Envolvente do edifício des Dachgeschoßes wurde auf ein Gebäude mit komplexer Form in Kyiv, L. Tolstoy, Str. 39, angewendet.

Die Berechnungen haben gezeigt, dass sich die Verteilung der Last auf das Gebäude und insbesondere auf die lichtdurchlässigen Strukturen in Abhängigkeit vom Winkel des Auftreffens der Strömung erheblich verändert, und an bestimmten Stellen kann die Zugkraft einen Faktor von –2,25 mal im Vergleich zum direkten Auftreffen der Windströmung erreichen.

Windlast ist ein komplexes Element der architektonischen Gestaltung. Die Vernachlässigung dieses Indikators kann zur Zerstörung von Gebäudestrukturen führen. Und eine Überschätzung führt zu einer übermäßigen Verstärkung der Tragkonstruktion, was wiederum zu einer unangemessenen Erhöhung der Kosten für den Bau und den Betrieb des Gebäudes führt. Die gebührende Aufmerksamkeit für das Studium der Aerodynamik hilft Architekten und Bauherren, unter Berücksichtigung aller Aspekte, Städte mit zuverlässigen, wirtschaftlichen und ästhetischen Strukturen zu dekorieren.

AutorInnen:
Das Team des Designbüros Aestech