Effects of wind load on ‘E’ plan shaped tall building under interference conditions

الرياح هي قوة غير مرئية تدفع باستمرار ضد الهياكل التي نعيش فيها، لكن سلوكها يتغير بشكل جذري عندما تقف المباني قريبة من بعضها البعض. في ناطحات السحاب المزدحمة في المدن الحديثة، حيث تكون المساحة ثمينة، غالبًا ما يصمم المعماريون أبراجًا بأشكال معقدة وغير منتظمة لاستيعاب المزيد من المساحات السكنية في قطعة أرض صغيرة. وبينما أدرك المهندسون منذ زمن طويل كيفية اصطدام الرياح ببرج واحد معزول، فإن الفيزياء تصبح أكثر تعقيدًا عندما يقف مبنى بالقرب من آخر. فوجود جار يمكن أن يحجب الرياح، أو يوجهها عبر فجوات ضيقة، أو يخلق جيوبًا دوارة من الهواء تضغط بشكل غير متوقع على الهيكل الرئيسي. ويعد فهم هذه التفاعلات أمرًا بالغ الأهمية للسلامة، حيث إن أحمال الرياح على مبنى في تجمع كثيف يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في برج منعزل، مما قد يؤدي إلى فشل هيكلي إذا لم يتم حسابها بشكل صحيح.

لقد شرع الباحثان سومانتا ماندال وسوجيت كومار دالوي من المعهد الهندي لعلوم الهندسة والتكنولوجيا في شيبور في استقصاء هذه القوى الخفية على شكل معماري معقد ومحدد: مبنى شاهق ذو مخطط طابق على شكل حرف "E". هذا الشكل، الذي يشبه حرف E، يقدم اثني عشر وجهًا متميزًا يمكنها التقاط الرياح من أي اتجاه. ولفهم كيفية تصرف هذا الشكل عندما يكون محاطًا بمبانٍ أخرى، جمع الفريق بين طريقتين قويتين. أولاً، قاموا ببناء نموذج فيزيائي للمبنى الذي على شكل حرف "E" ووضعوه في نفق هوائي، وهو غرفة مختبر كبيرة يُنفخ فيها الهواء بسرعات محكومة لمحاكاة العواصف في العالم الحقيقي. وقاموا بقياس القوى الفعلية وعزوم الدوران التي تؤثر على النموذج. ثانياً، استخدموا تقنية محاكاة حاسوبية متطورة تُعرف باسم ديناميكا الموائع الحسابية. تخلق هذه الطريقة نفقًا هوائيًا افتراضيًا، مما يسمح لهم بنمذجة تدفق الهواء بدقة متناهية واختبار سيناريوهات قد يكون من الصعب أو المستحيل تكرارها فيزيائيًا.

ركزت الدراسة على كيفية تغير حمل الرياح عند وضع مبنيين أصغر حجماً ومربعَي الشكل بالقرب من المبنى الرئيسي الذي على شكل حرف "E". واختبر الباحثون هؤلاء الجيران المتداخلين عند مسافات مختلفة، تتراوح من القرب الشديد إلى عدة أضعاف عرض المبنى. كما قاموا بتدوير اتجاه الرياح، واختبار زوايا من صفر إلى مائة وثمانين درجة لمعرفة كيفية تفاعل المبنى مع رياح تضربه من الأمام، أو الجانب، أو الزاوية. وكان الهدف هو تحديد قيمة معينة تسمى "عامل التداخل"، والتي تقارن ضغط الرياح على المبنى الرئيسي عندما يكون وحيدًا مقابل كونه محاطًا بجيران. فإذا كانت هذه القيمة أكبر من واحد، فإن الجار يجعل حمل الرياح أسوأ؛ وإذا كانت أقل من واحد، فإن الجار يعمل في الواقع كدرع يحمي المبنى الرئيسي من الرياح.

وكشفت التجارب والمحاكاة أن المسافة بين المباني وزاوية الرياح هما العاملان الأكثر أهمية. فعندما وُضعت المباني المتداخلة بالقرب من هيكل حرف "E" الرئيسي، تغير سلوك الرياح بشكل جذري. وفي حالات معينة، أدى وجود جار بالفعل إلى زيادة ضغط الرياح على وجوه معينة من المبنى الرئيسي بهامش كبير. على سبيل المثال، عندما ضربت الرياح بزاوية ثلاثين درجة، تسبب جار وُضع على بعد ثلاثمائة مليمتر في مضاعفة الضغط على وجه معين بأكثر من الضعف مقارنة بما كان عليه الحال عندما كان المبنى واقفًا بمفرده. وعلى العكس من ذلك، في تكوينات أخرى، عملت المباني المجاورة كدرع، مما قلل من ضغط الرياح على الهيكل الرئيسي. ووجد الباحثون أنه عندما وُضعت المباني المتداخلة على مسافة ثلاثة آلاف مليمتر، عاد حمل الرياح على المبنى الرئيسي إلى نفس المستوى كما لو كان واقفًا بمفرده تمامًا، مما يشير إلى أنه وراء هذه المسافة، لم تعد الجيران تؤثر على قوى الرياح.

وكان أحد النتائج الأكثر إثارة للدهشة هو اكتشاف تأثيرات "التوجيه" (channeling). فعندما تهب الرياح مباشرة نحو الفجوة بين المبنى الرئيسي والجار، يتم إجبار الهواء على المرور عبر المساحة الضيقة، مما يؤدي إلى تسارعه أثناء انضغاطه عبرها. وقد خلق هذا التسارع زيادة موضعية في سرعة الرياح وضغطها لم تكن لتوجد لو كان المبنى معزولًا. ومن ناحية أخرى، عندما تضرب الرياح جانب المبنى المتداخل، فإنها تخلق عائقًا يقلل من سرعة الرياح التي تصل إلى المبنى الرئيسي، مما يقلل فعليًا من القوة التي يتعين عليه تحملها. كما حددت الدراسة وجوهًا معينة لمبنى "E" كانت معرضة للخطر بشكل خاص. فعلى سبيل المثال، عند زوايا رياح معينة، تسبب التداخل في تأثير شفط على الوجوه الخلفية، مما يسحب المبنى للخارج بدلاً من مجرد الدفع ضده. وُجد أن قيم الضغط السلبي هذه، التي تشير إلى قوة سحب، كانت كبيرة وتفاوتت اعتمادًا على مدى قرب الجيران.

وقد تحقق الباحثون من نماذجهم الحاسوبية مقابل اختبارات النفق الهوائي الفيزيائية ووجدوا توافقًا قويًا بينهما، حيث ظلت الأخطاء عمومًا دون خمسة عشر بالمائة. وقد منحهم هذا التأكيد الثقة في استخدام المحاكاة الحاسوبية لاستكشاف مجموعة واسعة من المسافات والزوايا. وأظهرت البيانات أن أقصى قوة تعرض لها المبنى حدثت عندما تضربه الرياح من الأمام مباشرة، بينما حدثت أدنى قوة عندما تأتي من الجانب. ومع ذلك، فإن وجود الجيران أدى إلى تغيير هذه القيم. ففي الحالة الأكثر تطرفًا للتداخل، انخفضت القوة على المبنى الرئيسي إلى جزء ضئيل مما ستكون عليه في حالة العزل، بينما في حالات أخرى، ارتفعت بقوة. وخلصت الدراسة إلى أنه بالنسبة لمبنى "E" المحدد الذي تم تحليله، فإن تأثير الهياكل المجاورة هو تأثير موضعي للغاية. فبمجرد أن تتجاوز المسافة بين المباني عتبة معينة، تتلاشى التفاعلات المعقدة، ويتصرف المبنى كما لو كان واقفًا في حقل مفتوح. إن هذا الرسم الدقيق لكيفية تغير قوى الرياح مع المسافة والزاوية يوفر بيانات أساسية للمهندسين الذين يصممون المباني الشاهقة وغير المنتظمة في البيئات الحضرية الكثيفة، مما يضمن بناءها لتتحمل قوى رياح المدينة الفريدة وغير المتوقعة غالبًا.