Может ли небоскреб сдуть ветром?
В понедельник на Петербург обрушился снежный шторм и ураганный ветер — до 23 м/с вдоль побережья и чуть ниже — в других районах.
Пару дней назад на улицах города… (Фото отсюда)
А может ли таким ветром сдуть небоскреб? А каким может?
Давайте разбираться — конечно, на примере возводимого в Северной столице «Лахта центра».
СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ. ЗАДАЧА ПРО ВЕТЕР
(Фото — отсюда).
Ветер — одна из важных составляющих плохой репутации петербургского климата. Принято считать, что в городе на Неве всегда «холодно и дует». Но, будем откровенны — если взять ветер отдельно, без дружеской компании в виде влажности, холода и изменчивости погоды, то сам по себе он не выбивается за рамки довольно средних по стране значений. Даже так: в России немало мест, где дует куда сильнее.
Карта значений ветрового давления по разным регионам России (источник)
Конечно, в случае Петербурга есть разница, в каком районе города находится сооружение. Самые ветреные районы — прилегающие к Финскому заливу. Разница в скорости ветра может составлять 3–4 и более м/с, разумеется, в пользу побережья.
Прототип фольклора на тему В.О. — ветроуказатель штата Вайоминг, что однако не делает локальный ремейк шутки менее популярным среди тех, кто знает об островной жизни не понаслышке.
«Лахта центр» расположится как раз в таком «ветреном» Приморском районе — на берегу гавани, в излюбленном месте кайтеров и сочувствующих, которым, как известно, чем сильнее дует — тем лучше летает.
Но даже такой, «усиленный» ветер неспособен причинить вред башне. Зато он может доставить неудобства находящимся на ее верхних этажах, вызвав вполне ощутимые колебания.
Ответ проектировщиков «Лахта центра» на этот климатический вызов — современная конструкция устойчивости небоскреба: аутригеры + ядро + внешние колонны. Она же убережет башню и от более экстремальных случаев «горизонтального» воздействия.
Реакция системы устойчивости небоскребов на контактную горизонтальную нагрузку (ветровое воздействие, удар)
ЧТО ТАКОЕ АУТРИГЕРЫ В НЕБОСКРЕБЕ?
Аутригерный этаж — мощные горизонтальные металлические конструкции — неотъемлемая часть системы устойчивости супертолла. Подобные элементы являются для небоскреба своеобразными кольцами жесткости, которые «держат форму» здания в горизонтальной плоскости.
Вертикальная конструкция — это ядро башни, а горизонтальные элементы — аутригеры.
Эта схема впервые опробована в Азии — регионе небоскребов и повышенной сейсмической активности.
Качающиеся небоскребы в Токио — не редкость.
Сегодня аутригерная технология дает возможность архитекторам проектировать устойчивые небоскребы разнообразных форм.
В ЧЕМ СУТЬ?
Аутригерные этажи помогают распределять нагрузку между ядром и колоннами. Даже если башня окажется подвержена одномоментному деструктивному воздействию (удар самолета) — последствия должны быть сведены к минимуму. На практике это означает, что даже если в «Лахта центре» будет разрушена часть периметральных колонн, аутригеры распределят нагрузку на оставшиеся элементы устойчивости.
Допущение «если в башню влетит самолет» после трагедии 9/11 стало обязательным при проектировании всех небоскребов и отразилось в изменениях в техрегламенты на проектирование и строительство сверхвысотных сооружений.
Аналогичная схема работы аутригеров — при менее экстремальных и просто «бытовых условиях» — при урагане или стандартном ветре: распределяют нагрузку и затем гасят ее.
Аутригерные системы могут быть горизонтальными, диагональными, двухэтажными или без опоясывающих ферм или вертикальных связей. Конструкция для каждого высотного здания уникальна, а в зависимости от расположения по высоте — может быть разной в пределах одного объекта.
Внутреннее устройство горизонтального композитного аутригера «Лахта центра». Высота фермы два этажа здания — 8.4 метра
ЗАЧЕМ ЭТО НАДО?
Конструктивно аутригеры выполняют несколько функций сразу: увеличение изгибной жесткости здания, устойчивость к ветровым нагрузкам, противодействие прогрессирующему обрушению.
Что такое прогрессирующее обрушение?
Механизм демонстрирует выдергивание карты из карточного домика: разрушилась одна конструкция, отвечающая за устойчивость — посыпались все остальные. Обрушение нарастает в геометрической прогрессии.
Конструкции, препятствующие прогрессивному обрушению, — одно из обязательных требований после событий 9/11 (imgur.com)
Центральное ядро может обеспечить достаточное сопротивление опрокидывающему моменту и препятствует «дрейфу» здания. Вопрос о введении в несущую структуру аутригеров рассматривается, если в здании более 40 этажей.
АУТРИГЕРНЫЕ УРОВНИ «ЛАХТА ЦЕНТРА»
Итак, ветер будет вызывать ускорения на самом верху здания. Чтобы при этих ускорениях люди ощущали себя комфортно, находясь в башне, колебания-частоты нужно контролировать.
— Как это делать наилучшим способом, определяется после продувки всего здания в аэродинамической трубе, — рассказывает Сергей Никифоров, главный инженер «Лахта центра». — Когда происходит такое испытание, появляются самые надежные данные по давлению ветра на фасад, а из этого уже определяется, какие колебания и частоты возникают, как считать устойчивость здания, как крепить фасад. Собрав все эти неизвестные воедино, а ветер — это функция всех этих неизвестных, мы пришли к решению, как сделать оптимальные конструкции. Изюминка всего процесса именно в том, как сделать всё рационально и оптимально, без излишнего увеличения и утолщения конструкций, чтобы места хватило и инженерному оборудованию, и людям.
На основании данных аэродинамических испытаний, принято решение по аутригерным элементам системы устойчивости башни. В небоскребе «Лахта центр» будет четыре аутригерных этажа и пятый, нетипичный аутригер сконструирован в виде полутораметровой железобетонной плиты на 82-м этаже.
Схема расположения аутригерных уровней в «Лахта центра»
С учетом скрученности формы «Лахта центра» и поворота здания на 89 градусов, возведение аутригерных этажей — ответственный этап и кропотливая работа, сравнимая с изготовлением фундамента. При последующей эксплуатации здания аутригерные этажи станут техническими. На них разместится оборудование и узлы коммуникаций.
Аутригерные этажи «Лахта центра»
Благодаря описанным конструктивным особенностям, у башни будет минимальная, по сравнению с многими другими небоскребами, амплитуда горизонтальных колебаний. Максимальное отклонение под воздействием «среднестатистического» петербургского ветра на уровне обзорной площадки составит 27 см. Эта величина практически не ощутима. Например, обитатели башни «Федерация» не замечают отклонений, величина которых составляет до 46 см. по вершине.
Что касается более экстремальных случаев, то, согласно исследованиям, пиковые ветровые нагрузки на небоскреб составят около 500 паскаль на кв.м. Ветер такой силы в Лахте ждут раз в 5 лет. Это соответствует скорости ветра около 30 м/с. Для сравнения — примерно в таком темпе прошел по городу ураган «Святой Иуда» в 2013 году.
И еще один важный показатель. Благодаря введению в систему устойчивости башни аутригерных поясов, небоскреб сможет выдерживать землетрясения силой до 6 баллов. Этого вполне достаточно: для Петербурга проявления сейсмической активности редки — за всю историю существования города их было менее 10, сила толчков не превышала 2–3 баллов по Рихтеру.
ЧТОБЫ ПЕШЕХОДОВ НЕ СДУВАЛО
Один из параметров аэродинамических испытаний — пешеходная комфортность. У небоскребов есть такая особенность: когда высотное здание стоит рядом с другими, то происходит концентрация ветровых потоков. Внизу скорость ветра увеличивается. Это то, что мы частенько называем «трубой».
Классический пример «трубы» — подворотня, или узкий проход между домами. Иногда «аналог» может образоваться из-за неудачного взаимного расположения высотных зданий.
Чтобы не было дискомфорта для пешеходов, ветровой анализ делается в самом начале строительства.
Фрагмент аэродинамических испытаний макета «Лахта центра» в Новосибирске (видео ускорено).
Макет снабжен датчиками. Платформа с моделью башни вращается, «ветер» при этом дует с одной стороны. Специалист обдувает «башню», выявляя наихудшее положение макета относительно «ветра». Еще одна продувка башни прошла в Канаде.
— Когда скорость продувки известна, то уже решают — отодвинуть здания друг от друга или форму-профиль зданий менять, — поясняет Сергей Никифоров. — Подобное упражнение было сделано и у нас, в самом начале. В итоге, одно здание было немного отодвинуто от другого, чтобы создать зону комфорта при вихревых порывах ветра.
Обледеневшие и унесенные ветром. В «Лахта центре» такой аттракцион не запланирован.
—
ВИДЕО ПО ТЕМЕ. ДЕМПФЕР — АЛЬТЕРНАТИВА АУТРИГЕРАМ
