почему сносит крышу ветром

Разрушение крыш и других конструкций от ветра

В последнее время климатические факторы становятся все более изменчивыми. Увеличиваются перепады температур, больше осадков выпадает за один раз, сильнее порывы ветра. Сильные грозы и ураганы теперь обычные погодные явления и в условиях умеренного климата. В случае же комбинации неблагоприятных климатических воздействий и открытой местности ветер может являться причиной сильных повреждений и разрушения крыш.

На крыши и другие конструкции оболочек зданий действуют нагрузки от ветра (рис. 1), которые возрастают по мере увеличения его скорости. В настоящее время строительные конструкции, в том числе крыши, рассчитываются исходя из максимальной скорости ветра, равной примерно 100 км/час. Очевидно, эту расчетную скорость пора увеличить.

Ветер воздействует на кровельное покрытие, а в особенности на его верхний слой, за счет:
— давления (подсоса);
— разрежения (отсоса);
— трения;
— комбинации вышеуказанных силовых факторов.

Самым худшим вариантом ветрового воздействия является сочетание отсоса и поддувания воздуха под водоизоляционный ковер, или, иначе говоря, комбинация отрывающей этот ковер силы ветра и парусного эффекта. Методы расчета конструкций на действие ветровых нагрузок должны в настоящее время соответствовать европейским и, разумеется, местным строительным нормам. Конечно, здесь можно привести нормативные методики по расчету кровель на воздействие ветровых нагрузок. Однако в рамках данной статьи поставлена задача разобраться с основными безрасчетными вещами, связанными с ветровыми воздействиями на здания. Ветер способен сорвать с крыши (далее в списке самый опасный вариант указан первым, наименее опасный — последним):

— все элементы, в том числе и несущие конструкции;
— водоизоляционную систему (кровельный ковер, теплоизоляцию, крепежные детали и другие элементы);
— кровельный ковер и элементы покрытия парапетов (в частности, металлические фартуки);
— только дополнительные металлические и иные элементы с поверхности крыши.

Причем в большинстве случаев в полет отправлялись элементы жестяницкой работы (например, парапетные фартуки), которые или не были изначально правильно закреплены, или имели механически нарушенные в ходе эксплуатации соединения, или работали в условиях прогрессирующей коррозии. В том случае, когда водоизоляционное обустройство парапета является самостоятельным, водоизоляция тоже работает самостоятельно и с жестяницкими элементами указанного обустройства не взаимодействует (рис. 2, слева). Значит, при таком решении разрушение изоляции парапетной стенки к разрушению кровельного ковра привести не может. Если же изоляция парапета и кровельное покрытие конструктивно взаимосвязаны, то при разрушении парапетных элементов произойдет и разрушение кровельной гидроизоляции (рис. 2, справа). То же касается места сопряжения водоизоляции с жестяницким обустройством края кровли, когда имеет место наружный водоотвод (рис. 6). Различные варианты разрушений, описанных в этом абзаце, показаны на рис. 3-5 и 7.

Весьма опасен случай, приведенный на рис. 8. Здесь мы видим кровельное покрытие, уложенное на разреженную обрешетку из досок. Такое решение приводит к усилению давления на кровельное покрытие со стороны подкровельного (чердачного) пространства. В результате сложения всех сил, отрывающих водоизоляцию от обрешетки, весьма высока вероятность разрушения кровли. На рис. 11 и 12 показано то опасное состояние, когда кровельная водоизоляция подвергается действию не только ветрового отсоса, но и парусного эффекта. Вышеуказанные явления происходят, если ветер получает возможность дуть под кровлю.

На рис. 13 зафиксировано разрушение силой ветра выступающей наружу конструкции здания. Часто такие конструкции на ветровые воздействия не рассчитываются, но представляется, что соответствующие расчеты все же следует выполнять в обязательном порядке. При ликвидации последствий разрушений кровель необходимо не только заменять поврежденные и разрушенные конструктивные элементы. Следует также непременно проверять, нет ли с виду неповрежденных, но ослабленных деталей. Их, конечно, необходимо ремонтировать или, если это невозможно, заменять. Все показанные в статье разрушения и повреждения произошли при скорости ветра более 120 км/час.

Марек НОВОТНЫ, авторизованный инженер и судебный эксперт в области строительной изоляции и строительной физики
Фото: Л. НОВАК, Я. ЛИНХАРТ. Графика: K. ГОУДОВ. Перевод: В. КОРНЕШКОВ. Использованы материалы компании A.W.A.L. s.r.o. Чешская Республика

Рис. 1. Общая схема ветровых воздействий на здание.

Рис. 2. Схемы воздействия ветра на парапет: в случае фартука, не соединенного с водоизоляцией (рисунок слева); в случае фартука, соединенного с водоизоляцией через специальный угловой изоляционный элемент.

Рис. 3. Фото разрушенной конструкции парапета вследствие комбинации ветрового отсоса и давления.

Рис. 4. Фото оторванного кровельного покрытия; разрушены также и элементы жестяницкого обустройства парапета, в результате чего и произошел отрыв водоизоляции.

Рис. 5. Фото оторванной водоизоляции; в этом случае процесс ее отрыва тоже (см. рис. 4) начался после разрушения жестяницких элементов парапета.

Рис. 6. Схема разрушения кровли у жестяницкого элемента (фартука) ее края в месте его соединения с кровельным ковром.

Рис. 7. Фото последствий реализации схемы разрушения, показанной на рис. 6.

Рис. 8. Схема силовых воздействий на кровельную водоизоляцию, когда не обеспечена воздухонепроницаемость несущей конструкции крыши.

Рис. 11. Фото вздутия кровельного ковра.

Рис. 12. Фото волн на кровельном ковре; он готов взлететь.

Рис. 13. Фото разрушения выступающей конструкции силой ветра.

Подготовил к печати Дмитрий ЖУКОВ

Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 46 за 2007 год в рубрике материалы и технологии

Источник

При каком ветре срывает крыши с домов. Почему ураган сносит крыши домов

Жить на морском побережье – мечта для многих людей. Однако в таких регионах, как и в горной местности, вблизи озера или реки часто дуют сильные ветры. И этот фактор нельзя не учитывать при строительстве крыши дома.

Аэродинамические параметры

Угол наклона ската – важнейшая величина при расчете нагрузок на крышу. Боковое давление ветра на крутые скаты может привести к опрокидыванию.

Ветер оказывает меньшее давление на более пологие конструкции, с небольшим уклоном. Такая форма крыши подойдет для местности с сильными ветрами.

Но слишком пологую крышу воздушный поток стремится приподнять, сорвать.

При столкновении потока с препятствием – и венчающей здание конструкцией – происходит завихрение: не вдаваясь в подробности, можно сказать, что на крышу воздействуют две касательные силы и одна подъемная. От угла наклона ската зависит значение каждой из этих сил. Пологую крышу можно частично оградить от воздействия – к примеру, с помощью выложенного парапета.

Грамотный проект должен быть составлен с учетом географического положения здания, особенностей климата и рельефа местности. На ветроустойчивость влияет также парусность кровельного материала и качество закрепления элементов стропильной системы и обрешетки.

При возведении каркаса не допускается использование каких-либо подложек или иных деталей, способных деформироваться со временем.

Чтобы кровля не была сорвана или опрокинута порывом ураганного ветра, должна иметь максимальную устойчивость. Достигается она благодаря таким элементам, как раскосы, подкосы, диагональные связи – в зависимости от типа конструкции в стропильной системе могут быть использованы некоторые из них или они все.

Существуют определенные параметры крепления бруса, уложенного по периметру здания. Он фиксируется к стене различными способами, и притом на определенном расстоянии от края. Все крепления – и стропил к мауэрлату, и самого мауэрлата к стене – должны быть выполнены тщательно.

Дополнительное закрепление нижних концов стропильных ног к несущим стенам здания с помощью металлических штырей позволит усилить сопротивляемость ветровой нагрузке.

Все должны быть дополнительно надежно прикручены проволочными скрутками – если в местности преобладают сильные ветры, и через одно – если ожидается умеренное ветровое давление.

Различные участки кровли испытывают различные ветровые нагрузки – жесткость должна противостоять этому давлению.

Также ветер занимается распределением снега по крыше – и распределяет он неравномерно, за счет чего на одни участки наметается больше, и давление снега возрастает. Поэтому во всей кровельной конструкции не должно быть слабых мест.

Еще один важный момент: прочными должны быть не только соединения – нужно, чтобы стропильные ноги были выполнены из качественной древесины.

Шатровая крыша

Такой вид оптимально подходит для квадратного в основании дома.

Однако будущий владелец жилья должен помнить о том, что мансарду в этом случае обустроить не получится.

Этот вариант подразумевает использование диагональных опор – накосных стропил, направляющихся от двух концов конька к четырем углам дома. Такой несущий каркас практически не подвержен деформациям.

Отсутствие фронтонов значительно уменьшает сопротивление ветру, который почти беспрепятственно «скользит» по поверхности.

Голландский тип полувальмы

Для характерны трапециевидные фронтоны и обрезанные снизу скаты-вальмы.

У нее нет такого острого выступа, как у верхней конструкции здания: усеченные торцевые скаты повышают возможности полувальмы противостоять нагрузкам.

Для обустройства подобной крыши не потребуется много материалов, а еще несложным будет ее монтаж.

Если расположить наклон в направлении преобладающих ветров, будет надежной: то есть, с подветренной стороны должна быть та часть, которая находится ниже. Здесь действует то же правило: чем больше будет уклон, тем больше будет ветровая нагрузка.

Кровельное покрытие против ураганного ветра

Листовые материалы обладают множеством достоинств, однако вместе с тем – большой парусностью.

Мягкая битумная черепица

Это покрытие оптимально подойдет для верхней конструкции здания с самой сложной конфигурацией.

В модельном ряде присутствуют специально разработанные виды, имеющие особую форму – с усиленным сопротивлением ветровым нагрузкам. Гонты не только приклеиваются, но и прибиваются специальными гвоздями – такое крепление к основе максимально надежно, и выдерживает даже ураганный ветер – до 220 км/ч.

Оптимальным значением уклона кровли при использовании натуральной черепицы считается 30-60 градусов.

Основные аргументы в пользу или – это ее вес и небольшие размеры. Ветру сложно справиться с тяжестью натурального покрытия, однако если все же черепица будет сорвана, в случае падения этот самый вес станет серьезной угрозой.

Повысить надежность можно, закрепив не только нижний и верхний ряды, но и черепичные плитки полностью на всем скате – с помощью скоб.

В сущности, то же самое происходит, когда мы приближаем лист бумаги лежащий на нашей ладони с нашими губам. Если мы будем дуть над ним, то мы его увидим, как он поднимается.

Крылья самолетов, например, сконструированы таким образом, чтобы поток воздуха, обтекающий их сверху, двигался быстрее, чем снизу. Это вызывает перепад давления, который приводит к эффекту называемого подъемной силой.

Нечто подобное происходит и в случае с крышей: когда на высокой скорости воздух движется сверху крыши, давление сверху становится меньше, чем внутри дома. Это простой эффект, когда сила заставляет конструкцию двигаться вверх.

Но может случиться так, что разность давлений не достаточно, чтобы крыша поднялась вверх. Если воздух поступает в дом через отверстия, давление уравнивается и, следовательно, крыша дома разрушается или падает вниз.

Растут слухи о том, что Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) может тайно заниматься чем-то после того, как наблюдатели недавно заметили, что самолет NASA817 загадочно зигзагообразно поднимается.

Стала очень ветреным городом. В середине XX века о штормах, шквалах и смерчах слыхом не слыхивали, зато последние 30 лет ураганы стали чуть ли не рядовым явлением. Невольно задаешься вопросом: неужели после каждой бури Москву придется отстраивать заново? Насколько столица выдержала испытание на прочность, выясняли корреспонденты «МК».

Крыши. Ветром в городе разрушило крыши 243 жилых зданий. На некоторых видео в Сети видно, как буря треплет железную кровлю дома, словно тонкий лист бумаги. Снесло даже часть крыши Сенатского дворца в Кремле.

Как заверил эксперт, грамотно собранную кровлю порывами хоть в 22, хоть в 30 м/с не сдует.

Однако, как рассказали в Мосгортрансе, на их балансе находится около 9 тысяч остановок в Москве. И каждая, по их словам, проходит регулярное санитарно-техническое обслуживание.

Компенсации. Ураган, поднявший в воздух довольно тяжелые конструкции, повредил и фасады жилых домов. Кто-то остался без окон. Смогут ли люди получить компенсацию за поврежденную недвижимость?

В Департаменте ЖКХ нам сказали, что выплаты компенсаций вне зоны их ответственности, и порекомендовали обратиться в мэрию или в префектуру.

В префектуре ЦАО ответили, что особого распоряжения мэрии по вопросу выплаты компенсаций пока нет, однако, если оно поступит, то власти непременно организуют выдачу денег.

Источник

Фото: сорванные крыши или о важности надёжной кровли частных домов

Глядя в новостях на последствия ураганов, торнадо, штормов, часто думаешь: «Как хорошо, что это не в нашем регионе». Между тем климат на нашей планете меняется и серьёзные природные стихии всё чаще обрушиваются на районы, которые до этого считались благополучными и безопасными с точки зрения возникновения рисков природных катастроф. Одним из наиболее разрушительных явлений остаются ураганы. Мощный ветер, который буквально сметает всё со своего пути, оставляет за собой последствия, которые мы и представим вам в этой подборке.

Согласно общепринятой в мире шкале Саффира—Симпсона, ураганным считается ветер, чья скорость достигает 33 м/с. Однако уже ветер силой 20 м/с способен снести шифер и рубероид с крыши, обрушить старые деревья и отдельные ветви. Поэтому говорить, что разрушительным может быть исключительно ураган, не приходится, опасность наступает и при ветре меньшей скорости.

Для человека, который во время сильного ветра оказался на улице, особую опасность представляют вот такие обломки, слетающие с крыш соседних зданий. В такие моменты лучше держаться вдали от высоких деревьев и шатких рекламных конструкций, следует немедленно найти укрытие и переждать шторм.

Именно кровли домов страдают при сильном ветре в первую очередь. Эксперты считают наиболее надёжными с точки зрения устойчивости при урагане плоские наливные кровли, но на таких крышах часто обустраивают зоны отдыха, которые могут пострадать. И, конечно, более тяжёлая и крепкая металлочерепица надёжнее обычного шифера или кровельного профнастила.

В шкале Саффира—Симпсона ураганы разделены на пять категорий. Максимальная скорость ветра в пятой категории — 70 м/с. Такой шквал снесёт не только сборные домики, но и более крепкие конструкции, станет настоящим стихийным бедствием.

В нашей стране страхование на случай природной стихии пока не слишком распространено, в отличие, например, от США, где торнадо не редкость. Обычно власти пострадавших регионов оказывают помощь тем, чьи дома были разрушены, но это приводит к дополнительным расходам бюджета.

Растущие рядом с домом высокие деревья при сильном ветре становятся очень опасным фактором. По этой причине специалисты советуют не высаживать сильно разрастающиеся деревья у дома и обрезать ветви, нависающие над линиями электропередач и крышами.

Примечательно, что, несмотря на полностью снесённую кровлю (не осталось даже стропил), пластиковое окно в этом доме уцелело во время урагана. В целом, как отмечают эксперты, пластиковые окна более устойчивы, чем старые деревянные рамы.

Если в регионах, удалённых от побережья, ураганный ветер опасен только сам по себе, то около моря он приводит к резкому увеличению высоты волн, которые приводят к дополнительным разрушениям.

Каркасные, сборные дома, а также здания из брёвен небольшого диаметра во время ураганов страдают в первую очередь. Также часто ветер сносит хозяйственные постройки, обычно менее основательные, чем жилые дома.

Это Гаити, последствия урагана «Мэтью», который бушевал над Карибским морем в 2017 году. Постройки в тропических странах обычно лёгкие, ведь нет необходимости обеспечивать тепло в таком климате. Хлипкие здания страдают в первую очередь, а в зонах массовой застройки разрушения оказываются особенно масштабными.

Бурей принято называть продолжительный ветер силой свыше 9 баллов по шкале Бофорта. Для сравнения — 0 баллов — это полный штиль, то есть отсутствие ветра. Бури могут быть обычными, беспыльными, а также снежными и песчаными, которые зачастую оказываются ещё более опасными для местных жителей.

При сильном ветре специалисты советуют не подходить к окнам, ведь стёкла могут вылететь, а осколки очень опасны. Надёжнее всего укрыться в подвале, если же его нет — в комнате без окон, например, в холле или коридоре.

К сожалению, синоптики далеко не всегда могут предсказать ураган. Ярким примером послужила ситуация в Москве 29 мая 2017 года, когда метеорологи объявили «жёлтый» уровень природной опасности, а на деле сила ветра достигла ураганной.

Человечество пока не научилось предотвращать стихийные бедствия. Мы не властны над природой и можем только предсказывать ураганы, землетрясения и извержения вулканов, чтобы вовремя принять меры для защиты, например, эвакуироваться из опасного района.

Очень надеемся, что вас не коснутся различные природные катастрофы, а ветер будет приятным бризом, освежающим жарким летом и не мешающим прогулкам зимой!

Источник

Новости

Ветер крепчает: как сохранить крышу над головой

Сильные порывистые ветры, установившиеся в последние дни в Нижнем Новгороде, – типичное погодное явление во многих областях России, а также в Казахстане.

В некоторых регионах периодически проносятся настоящие ураганы, ломающие деревья и срывающие кровли с домов. Особенно характерно это для Центрального, Дальневосточного и Южного федеральных округов, но все чаще подобные явления происходят в местах, где ранее такое не наблюдалось.

В средней полосе России при строительстве дома традиционно наибольшее внимание уделяется защите от холода. Все строительные материалы и технологии направлены на то, чтобы максимально сберечь тепло во время продолжительных и суровых зим. Теперь же, учитывая определенные климатические сдвиги, благоразумно будет заранее подумать и о том, как в буквальном смысле слова сберечь крышу над головой в случае урагана. Шквалистый ветер наиболее всего опасен для кровли любой постройки, так как именно на нее сильнее всего действуют воздушные потоки.

Восприимчивость к ветровой нагрузке называется парусностью кровли; в идеале, ее нужно учитывать всегда, даже если сильные ветра не характерны для данной местности. Парусность кровли тем выше, чем больше площадь крыши, на которую воздействует ветер, соответственно, на кровлю с высокими скатами действует большая ветровая нагрузка, чем на более покатую. В связи с этим в ветреных районах, где скорость воздушных потоков регулярно превышает 10 м/с, уклон кровли редко делают более 20°.

Совершенно плоская крыша в этом случае – не лучший выход, так как ее ураган или смерч может просто сорвать. Также стоит помнить о снегопадах, которые могут повредить плоскую крышу тяжестью веса снежного слоя. Компромиссным вариантом для снежных и ветреных регионов, к которым относится значительная часть территории РФ, является кровля с уклоном от 20° до 45°. Крышу с более высокими скатами сильный ветер может опрокинуть.

В любом случае, расчетом уклона крыши, как и ее конфигурации, должен заниматься профессиональный проектировщик. Для правильного решения нужно просчитать распределение ветровых нагрузок по кровле, учесть розу ветров на конкретной местности, ориентацию дома и много других факторов. Сильный ветер, постоянно дующий во фронтон дома, а не в скат, способен сорвать крышу из-за возникающей в таких условиях подъемной силы – вот еще одна потенциальная угроза, от которой сможет уберечь грамотный проект. На основании полученных расчетов проектируется конструкция кровли, ее технические характеристики (сечение и шаг установки стропил и т.д.).

Заказывая индивидуальный проект загородного дома у профессионалов, вы можете быть уверены, что жилище будет не только красивым и функциональным, но и долговечным, способным выстоять перед лицом любой непогоды. Понравившийся типовой проект также можно доработать с учетом пожеланий заказчика и прочих условий – так работает нижегородская компания «Профиль», строящая дома из клееного бруса под ключ.

Собственное производство клееного бруса, широкая география реализованных проектов, опытные специалисты, обширная база проектов на любой вкус, индивидуальный подход к клиенту – все это поможет воплотить в жизнь мечту о собственном доме, в котором можно укрыться от любых погодных и житейских бурь.

Источник

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 1. 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 2. 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.

Рис 3. Вихревые образования создают мощную боковую переменную силу, действующую на здание Рис 4. 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 5. 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 6. 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 7. Схема движения ветра. Рисунок Нормана Фостера здания SwissRe 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 SwissRe.

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 8. 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 9. 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 10. Башня Taipei 101 в Тайване Рис 11. Башня Taipei 101 имеет вырезы в углах

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.Сужение к верхней части

Примеров таких объектов очень много — от зданий 100-летней давности до самых современных.

Рис 12. Новый «Осколок» в центре Лондона Рис 13. 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.Организация проемов

Рис 14. 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 (этому зданию мы посвятили отдельный выпуск) было принято решение не закрывать фасадами шесть технических этажей, чтобы обеспечить свободное движение воздуха через здание.

Рис 15. Парк Авеню – «вырезы» выполнены в виде незакрытых фасадами технических этажей Рис 16. «Вырез» в здании финансового центра, Шахнай

ЗакручиваниеВ 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 17. 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 18. 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 19. 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.

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:

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».

Автор: Александр Иванов, ООО «Траст инжиниринг»

Источник