Роза ветров на службе проектировщика высотных зданий
Рост городского населения логично обусловил повышение этажности новостроек. При проектировании таких объектов основными проблемами остаются устойчивость высотных зданий и обеспечение их энергоэффективности, ведь любой «хмарачос» по определению вторгается в небесные сферы, живущие по своим особым законам.
Основными факторами, влияющими на устойчивость многоэтажных зданий, являются сейсмическая ситуация и давление ветра. В условиях Беларуси, лежащей на прочной материковой платформе, первый фактор малосущественен. Гораздо большую угрозу представляет собой движение воздушных масс. Мы намерены не просто гарантировать здания от разрушительного воздействия ветра, но и использовать энергию ветра для замещения традиционных углеводородных источников.
Предлагаемый нами проект комплекса многоэтажных зданий позволит минимизировать влияние воздушных потоков, действующих на поверхность объектов, а также использовать их для производства электроэнергии.
Выделим основные классы задач, которые необходимо решить при проектировании. Во‑первых, это поиск решений, связанных с обеспечением устойчивости сооружений, а во‑вторых, задачи энергопитания комплекса.
Разрушительное воздействие воздушных масс определяем как разность давлений с подветренной и наветренной сторон здания, с учетом резонансного воздействия повторяющихся порывов ветра. Кроме влияния периодически повторяющихся сезонных потоков, необходимо учитывать возможность образования локальных воздушных течений, например, во время гроз, когда часть выпадающей воды испаряется в нижних слоях атмосферы, которые таким образом охлаждаются и, следовательно, опускаются. Холодный нисходящий поток распространяется над поверхностью земли, образуя шквалистые ветры, что приводит к возникновению градиента давлений по высоте здания.
В качестве одного из вариантов решения изложенных выше проблем нами предлагается комплекс зданий парусного типа, сориентированный в направлении преобладающей розы ветров. Параметры комплекса рассчитываются таким образом, чтобы его собственные частоты колебаний не совпадали с характерными частотами порывов ветра. Кроме того, для уменьшения давления на внешнюю поверхность комплекса предлагается использовать два дополняющих друг друга механизма:
- организация обтекания внешней поверхности зданий с использованием естественного рельефа местности или лесопосадок;
- нарушение ламинарности обтекающей струи за счет неоднородностей фасадов зданий, что должно привести к возникновению вихрей в пристеночной области и, соответственно, к увеличению скорости воздушного потока и уменьшению давления в нем.
К тому же, увеличение скорости потока вблизи поверхности зданий позволит повысить эффективность турбинных энергоустановок, которые планируется использовать для решения проблемы энергообеспечения комплекса.
В качестве генераторов предлагается использовать ветроустановки закрытого типа. В их конструкции отсутствуют лопасти, что благоприятно влияет на безопасность, экологичность и эффективность эксплуатации. Они компактны и способны работать при низких скоростях ветра, малошумны. Ветроустановки закрытого типа легкие, доступные по цене и мобильные, так как при их изготовлении значительно снижено количество дорогих и тяжелых материалов. Отсутствие в конструкции сложных составляющих упрощает ремонт ветроустановок и снижает эксплуатационные расходы.
Авторами было проведено компьютерное моделирование поведения комплекса с точки зрения воздействия на него воздушных течений с различной скоростью. Установлено неплохое соответствие полученных результатов компьютерного эксперимента с поставленными задачами.
Разработчики надеются, что предложенный ими подход к решению некоторых проблем строительства высотных зданий вызовет интерес у строительных организаций, специализирующихся в данной области.
Алексей ЛУКЬЯНЧИК, Александр БИБИК, БНТУ