Дома волнообразной формы могли бы ограничить ущерб от ураганных ветров

Примите саму волнообразную эстетику океана.

Жители северного побережья Мексиканского залива готовятся к быстрому усилению урагана Исайас (по состоянию на пятницу днем ​​это был ураган 3-й категории), и многие, вероятно, с тревогой смотрят на свои крыши и стены. По оценкам Бюджетного управления Конгресса , ураганные ветры и связанные с ними наводнения в совокупности обходятся домохозяйствам в Соединенных Штатах примерно в 34 миллиарда долларов ежегодно. И хотя закругленные углы, наклонные стены и усиленная конструкция могут помочь смягчить некоторые повреждения от ветра, эти дополнения часто обходятся дорого или непрактичны для застройщиков, стремящихся сократить расходы. Инженеры из Университета Флориды A&M и Университета штата Флорида считают, что нашли эффективную альтернативу, и она заключается в использовании волнообразной эстетики океана.  

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Engineering Structures , команда создала на 3D-принтере модели нескольких малоэтажных зданий с волнообразными стенами и крышами и протестировала их в аэродинамической трубе. Конструкции с самыми глубокими волнами (в данном случае 10 процентов от общей высоты здания) снижали пиковое ветровое давление вблизи углов крыши и стен до 60 процентов. Именно в этих углах и на кромках обычно концентрируются разрушительные силы. Удивительно простые конструкции, подобные этим, могут стать все более привлекательными для разработки в ближайшие годы, поскольку все больше и больше населенных пунктов готовятся к более сильным и частым штормам. 

«Нестандартные формы зданий уменьшают ущерб от самых суровых погодных условий», — заявил в своем сообщении Педро Фернандес-Кабан , соавтор исследования и инженер-строитель из Университета штата Флорида . «Это еще один инструмент для инженеров и проектировщиков, позволяющий защитить здания от повреждений, вызванных ветром». 

Чтобы проверить свою идею, Фернандес-Кабан и его коллеги начали с 3D-печати различных моделей малоэтажных зданий. Некоторые здания имели волнистые стены и крыши, в то время как другие были построены по более традиционной базовой модели с плоскими прямыми поверхностями. Они создали три волнистых варианта с амплитудой волн 5%, 7,5% и 10%. Амплитуда измеряет размер волны пропорционально общей высоте здания в футах. Таким образом, для здания высотой 20 футов амплитуда в 10% будет означать волны, простирающиеся примерно на 2 фута.

После печати моделей команда поместила их в аэродинамическую трубу в университете. Они измеряли данные о давлении ветра на их поверхностях, когда ветер обрушивался на моделисты с разных сторон. Все модели с волнообразной крышей испытывали меньшую ветровую нагрузку по сравнению с плоской версией. Модель с самой глубокой волнообразной крышей показала наилучшие результаты, снизив пиковое давление ветра вблизи углов крыши и стен на 40–60 процентов по сравнению с плоской версией. По крайней мере, теоретически это означает, что здание с такой конструкцией может получить значительно меньше повреждений при воздействии ураганных ветров.

В статье приводится полезная диаграмма (выше), которая объясняет, почему работает такая волнообразная конструкция. Когда ветер обтекает плоскую поверхность, например, крышу, он отделяется на переднем крае и образует один большой закручивающийся вихрь. Это создает зону низкого давления, в то время как более высокое давление под зданием давит на поверхность. Это приводит к эффекту всасывания, который в экстремальных ситуациях может сорвать крышу со здания. Над волнистой поверхностью ветер скользит, как камень по озеру, образуя серию меньших вихрей вместо одного большого. Это нарушение ветрового потока может предотвратить образование сильных вихрей всасывания. В результате здание подвергается меньшему воздействию самых сильных и разрушительных ветровых нагрузок, чем плоское здание. 

«Изменение формы здания может значительно снизить интенсивность ветровых нагрузок, которым оно должно противостоять», — сказал Фернандес-Кабан. 

Исследователи предупреждают, что данное исследование было сосредоточено исключительно на ветровом давлении на поверхности модели. Сейчас они проводят дополнительные эксперименты, чтобы лучше понять, как ветер обтекает волнообразные конструкции, и планируют использовать компьютерное моделирование для точной настройки волновых паттернов и тестирования других форм. Если результаты этой работы окажутся аналогичными предварительным, волнообразные стены и помещения могут стать еще более привлекательными для архитекторов и инженеров, ищущих простые решения для защиты зданий в районах, подверженных штормам.

Mack DeGeurin “Wavy-shaped homes could limit damage from hurricane winds”

Перевод статьи «Wavy-shaped homes could limit damage from hurricane winds» автора Mack DeGeurin, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: Пальмы колышутся на ветру во время урагана Ирма в Бонита-Спрингс, Флорида, 10 сентября 2017 года. Ураган Ирма быстро набрал силу, превратившись в шторм 4-й категории, и начал обрушиваться на Флориду, угрожая выходом на сушу в течение нескольких часов. Изображение: Nicholas Kamm/AFP via Getty Images