Пока жители северного побережья Мексиканского залива готовились к стремительно набиравшему силу урагану «Исайас» (на момент выхода исходной публикации он достиг третьей категории по шкале Саффира — Симпсона), многие с тревогой присматривались к крышам и стенам своих домов. По оценке Бюджетного управления Конгресса США, ураганные ветры и связанные с бурями наводнения обходятся американским домохозяйствам примерно в 34 млрд долларов в год. Скруглённые углы, наклонные стены и усиленные конструкции помогают снизить ущерб от ветра, но для застройщиков, которые экономят на строительстве, такие решения нередко слишком дороги или неудобны. Инженеры из Университета штата Флорида и Университета Флориды A&M считают, что нашли недорогую альтернативу: она заимствует у океана его волнистый рельеф.
Источник изображения — popsci.com
В работе, недавно опубликованной в журнале Engineering Structures, команда напечатала на 3D-принтере модели нескольких малоэтажных зданий с волнообразными стенами и крышами и испытала их в аэродинамической трубе. Конструкции с самыми глубокими волнами, амплитудой 10% от общей высоты здания, снизили пиковое давление ветра у углов крыши и стен до 60%. Именно на углах и кромках обычно концентрируются самые разрушительные нагрузки. Столь простые решения могут стать заметно привлекательнее в ближайшие годы: всё больше населённых пунктов готовятся к более сильным и более частым штормам.
«Такие нестандартные формы зданий снижают ущерб в наихудших сценариях суровой погоды», — пояснил в заявлении соавтор исследования, инженер-строитель из Университета штата Флорида Педро Фернандес-Кабан (Pedro Fernández-Cabán). «Это ещё один инструмент, с помощью которого инженеры и проектировщики могут защищать здания от ветровых повреждений».
Чем больше амплитуда волны, тем лучше защита
Чтобы проверить идею, Фернандес-Кабан и его коллеги сначала напечатали на 3D-принтере несколько моделей малоэтажных зданий. У одних были волнистые стены и крыши, другие выполнили по обычной базовой схеме, с плоскими прямыми поверхностями. Волнистых вариантов получилось три: с амплитудой волны 5%, 7,5% и 10%. Амплитуда показывает размер волны относительно общей высоты здания. Например, для здания высотой 20 футов (около 6 м) амплитуда в 10% означает волны примерно в 2 фута, то есть около 60 см.
Готовые модели поместили в аэродинамическую трубу университета и измерили давление ветра на их поверхностях, обдувая макеты с разных направлений. Все модели с волнистой крышей испытывали меньшую ветровую нагрузку, чем плоский вариант. Лучше всех показала себя модель с самыми глубокими волнами: пиковое давление ветра у углов крыши и стен снизилось на 40–60% по сравнению с плоской версией. По крайней мере в теории это означает, что здание такой формы получит заметно меньше повреждений при ураганном ветре.
Почему волнистая поверхность гасит ветер
Авторы работы приводят наглядную схему (на иллюстрации ниже), которая объясняет, почему такая форма работает. Когда ветер обтекает плоскую поверхность, например крышу, поток отрывается у передней кромки и образует один крупный вращающийся вихрь. Он создаёт зону пониженного давления, а более высокое давление под зданием давит на покрытие снизу. В итоге возникает эффект всасывания, который в экстремальных условиях способен сорвать крышу.
Источник изображения — popsci.com
Над волнистой поверхностью ветер словно перескакивает, как камень по глади озера, и вместо одного большого вихря формирует серию мелких вихрей. Такое нарушение потока не даёт возникнуть пикам сильного разрежения. В результате здание реже испытывает самые сильные и опасные точечные ветровые нагрузки, чем плоское.
«Изменение формы здания способно значительно снизить интенсивность ветровых нагрузок, которые ему приходится выдерживать», — отметил Фернандес-Кабан.
Главное об исследовании
- Результаты опубликованы в журнале Engineering Structures.
- Испытывали напечатанные на 3D-принтере модели малоэтажных зданий с волнистыми стенами и крышами, а также базовую модель с плоскими поверхностями.
- Амплитуда волн в трёх вариантах составляла 5%, 7,5% и 10% от высоты здания.
- У модели с самыми глубокими волнами пиковое давление ветра у углов крыши и стен оказалось ниже на 40–60%, чем у плоской.
- По оценке Бюджетного управления Конгресса США, ураганные ветры и наводнения обходятся американским домохозяйствам примерно в 34 млрд долларов в год.
Что исследователи планируют дальше
Авторы подчёркивают, что нынешняя работа была посвящена именно давлению ветра на поверхности моделей. Сейчас они проводят дополнительные эксперименты, чтобы лучше понять, как воздушный поток обтекает волнистые конструкции, и планируют с помощью компьютерного моделирования подобрать оптимальные параметры волн и проверить другие формы. Если дальнейшие результаты подтвердят первые данные, волнистые стены и крыши могут стать более привлекательными для архитекторов и инженеров, которые ищут простые способы защитить здания в районах, подверженных штормам.
