Wind and construction: how to bring them together?

Сучасна архітектура рухається до збільшення площі світлопрозорих конструкцій складної форми. Інколи вони займають 100% зовнішньої поверхні. Додаємо сюди збільшення висоти та ущільнення забудови — і дедалі більше набирає актуальності питання: як розраховувати та враховувати вітрові навантаження з такими умовами?

Для початку ознайомимося з базовими положеннями щодо вітрового навантаження. Одним із критеріїв, що визначає силу вітру, є шкала Бофорта. Вона наводить параметри вітру у спрощеній формі.

За шкалою бачимо, що сильний вітер ми сприймаємо, наче це — їзда на автівці чи мотоциклі зі швидкістю 50-60 км/год. Це серйозне навантаження для вікон. Якщо воно буде ще більшим, нас очікує руйнування скла чи огороджувальної конструкції.

Щоб запобігти критичним ситуаціям, проєктувальники орієнтуються на нормативні документи. Деякі з них були створені понад 50 років тому, але не втратили актуальності — наприклад, «Інструкція з проєктування, монтажу і експлуатації склопакетів» СН 481-75». Серед чинних нормативів — ДБН В.1.2-2:2006. «Навантаження і впливи».

Однак ці документи розглядають окремі випадки впливу вітрового навантаження на будівлі та споруди. Тобто, не можуть бути використані для визначення фактичних вітрових навантажень для будівель складних форм. Не стануть вони в нагоді і для визначення рівнів впливу взаємного розташування будівель підвищеної поверховості (висотних) за умови ущільненої забудови.

Висотна будівля як така — уже складний об’єкт аеродинамічного дослідження. Обтікання повітряними потоками висотних будівель має свою специфіку.Для них вплив зовнішніх кліматичних факторів та величини градієнтів переміщення потоків маси та енергії всередині будівлі є екстремальними.

В аеродинаміці будівель під висотною розуміємо таку, висота якої перевищує ширину підвітряного фасаду в три і більше разів. Нижче наводимо дані про розподіл аеродинамічних коефіцієнтів на фасаді квадратної в плані висотної будівлі за різних напрямків вітру.

Розгляд значень аеродинамічних коефіцієнтів на фасаді квадратного в плані висотного будинку за різних напрямків вітру показує: якщо напрямок вітру перпендикулярний до фасаду будівлі, аеродинамічні коефіцієнти на цьому фасаді позитивні та їхні значення зменшуються у напрямку до бічних фасадів будівлі та у напрямку до верхньої частини фасаду.

На збільшення значення аеродинамічних коефіцієнтів у верхній частині фасаду висотної будівлі також впливає підвищення швидкості вітру зі збільшенням висоти. Вже на цьому простому прикладі видно, що рівень вітрового впливу нерівномірний.

Ба більше, у певних зонах виникають негативні (відтягувальні) зусилля. Їхні значення можуть досягати коефіцієнта, який у два, а то і більше разів перевищує значення ДБН В.1.2-2:2006. «Навантаження і впливи» — на відміну від позитивних значень, які не можуть мати коефіцієнт більше 1, тобто відповідати значенням, що визначаються вітровим районом місцевості згідно з тим самим ДБН.

Пояснимо на прикладі. Якщо пряма дія максимального вітрового навантаження на стіну будівлі визначена в ДБН В.1.2-2:2006. «Навантаження і впливи» у розмірі 27 кг/кв.м, то у разі складної форми будівлі відтягувальне (негативне) зусилля на стіну будівлі може досягати величини — від –50 до –80 кг/кв.м.А це накладає певні обмеження на вибір тримальної конструкції фасаду з відповідним заповненням її світлопрозорими елементами. У такому разі не слід забувати, що залежність характеристик міцності конструкції від зміни навантаження є нелінійною функцією. Тобто за збільшення навантаження у 2 рази ми не зможемо просто збільшити товщину металу та скла у 2 рази. Усе буде значно складніше.

Повернімося до питання обтікання будівлі повітряним потоком з урахуванням розташованих поруч інших будівель та споруд, особливостей рельєфу місцевості тощо. Цей вплив особливо помітний, якщо навколишні об'єкти розташовані на відстані меншій за п’ятикратну висоту будівлі. Такий взаємний вплив можна розрахувати за допомогою кінцево-елементних програмних комплексів без проведення випробування в аеродинамічній трубі.

Приклад. Спеціалісти компанії Aestech оцінили взаємний динамічний вплив трьох веж у Печерському районі Києва. Для дослідження обрали будинки за адресами вулиця Велика Васильківська, 91 та 93, вулиця Предславинська, 22 та 7/20, вулиця Лабораторна, 11а літ. «Б». Інструментом послужив програмний комплекс «ААСВ», розроблений фахівцями компанії раніше, для проведення аеродинамічного дослідження зручнообтічних тіл панельним методом. Також провели порівняльний аналіз протоколу результатів досліджень, проведених АНТК ім. О.К.Антонова, для визначення розподілених вітрових навантажень на зовнішніх поверхнях макетів будівель проєктованого висотного комплексу на вул.Предславінській, 7/20 в аеродинамічній трубі.

• Високе позитивне вітрове навантаження
• Помірне позитивне вітрове навантаження
• Низьке позитивне вітрове навантаження
• Низьке негативне вітрове навантаження
• Помірне негативне вітрове навантаження
• Високе негативне вітрове навантаження

Дослідження показали: дані отримані в результаті розрахунку панельним методом комплексом «ААСВ» корелюють з даними, отриманими після обробки результатів продувки макетів будівель в аеродинамічній трубі. Обидва методи показали, що вежі спричиняють значний аеродинамічний вплив одна на одну. Відтак, варто провести додаткові розрахунки міцності світлопрозорих конструкцій.

Також аеродинамічні розрахунки подібних конструкцій вносять коригування в проєктування вентиляції будівель, розрахунок повітряних потоків усередині будівлі, оцінку впливу будівлі на аеродинамічний режим прилеглої території.

Крім того, через підвищені коефіцієнти вітрового тиску всередині будівель можуть виникати сильні повітряні потоки, що вимагає спеціальних рішень. Наприклад, шлюзування вхідних дверей, сходових секцій, герметизації сміттєпроводів тощо. Є ще низка питань, пов'язаних з аеродинамікою будівель, розташуванням пішохідних доріжок, утворенням снігозаносів тощо.

Аналогічна методика визначення впливу вітрових навантажень на вибір огороджувальних конструкцій пентхауса була застосована для будівлі складної форми в м.Києві, вул. Гетьмана Павла Скоропадського, 39.

Розрахунки показали, що розподіл навантаження на будівлю і, зокрема, на світлопрозорі конструкції значно змінюється залежно від кута впливу потоку, і в певних місцях відтягувальне зусилля може досягати коефіцієнта –2,25 раза щодо прямого впливу вітрового потоку.

Вітрове навантаження — складний елемент проєктування. Нехтування його показниками може призвести до руйнування. А завищення — до надмірного посилення конструкцій та заповнювальних елементів, і, як наслідок, до збільшення кошторису будівництва та експлуатації будівлі. Належна ж увага до вивчення аеродинаміки допомагає архітекторам та будівельникам прикрашати міста надійними, економічними й естетичними спорудами.

Автори статті:
Команда конструкторського бюро Aestech