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

हवा एक अदृश्य बल है जो लगातार उन संरचनाओं पर प्रहार करती है जिनमें हम रहते हैं, लेकिन जब इमारतें एक-दूसरे के करीब खड़ी होती हैं, तो इसका व्यवहार नाटकीय रूप से बदल जाता है। आधुनिक शहरों के भीड़भाड़ वाले स्काईलाइन में, जहाँ स्थान की कमी है, वास्तुकार अक्सर कम जमीन पर अधिक रहने योग्य स्थान बनाने के लिए जटिल और अनियमित आकृतियों वाली मीनारें डिजाइन करते हैं। इंजीनियर लंबे समय से यह समझते आए हैं कि हवा एक अकेली, अलग खड़ी मीनार से कैसे टकराती है, लेकिन भौतिक विज्ञान कहीं अधिक जटिल हो जाता है जब एक इमारत दूसरी इमारत के पास खड़ी होती है। एक पड़ोसी इमारत हवा को रोक सकती है, उसे संकीर्ण अंतराल से गुजार सकती है, या हवा की ऐसी घूमती हुई जेबें (पॉकेट्स) बना सकती है जो मुख्य संरचना पर अप्रत्याशित दबाव डालती हैं। घने समूह में स्थित इमारत पर हवा के भार को समझना सुरक्षा के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि एक घने क्लस्टर में स्थित इमारत पर हवा का भार एक अकेली मीनार की तुलना में काफी भिन्न हो सकता है, जिससे यदि ठीक से गणना न की जाए तो संरचनात्मक विफलता भी हो सकती है।

इंडियन इंस्टीट्यूट ऑफ इंजीनियरिंग साइंस एंड टेक्नोलॉजी, शिबपुर के शोधकर्ता सुमंत मंडल और सुजित कुमार डलूई ने एक विशिष्ट, जटिल वास्तुशिल्प रूप पर इन छिपे हुए बलों की जांच करने का निर्णय लिया: एक ऊँची इमारत जिसका फर्श प्लान "E" आकार का है। "E" अक्षर के समान दिखने वाली यह आकृति बारह विशिष्ट चेहरे (faces) प्रस्तुत करती है जो किसी भी दिशा से हवा को पकड़ सकते हैं। यह समझने के लिए कि यह आकार अन्य इमारतों से घिरे होने पर कैसा व्यवहार करता है, टीम ने दो शक्तिशाली विधियों को मिलाया। सबसे पहले, उन्होंने "E" इमारत का एक भौतिक मॉडल बनाया और उसे विंड टनल (वायु सुरंग) में रखा, जो एक बड़ा प्रयोगशाला कक्ष है जहाँ वास्तविक दुनिया के तूफानों का अनुकरण करने के लिए नियंत्रित गति से हवा फूँकी जाती है। उन्होंने मॉडल पर कार्य करने वाले वास्तविक बलों और घुमावदार क्षणों (twisting moments) को मापा। दूसरा, उन्होंने 'कंप्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स' नामक एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन तकनीक का उपयोग किया। यह विधि एक आभासी विंड टनल बनाती है, जिससे वे अत्यधिक सटीकता के साथ हवा के प्रवाह को मॉडल कर सकते हैं और उन परिदृश्यों का परीक्षण कर सकते हैं जिन्हें भौतिक रूप से दोहराना कठिन या असंभव है।

अध्ययन इस बात पर केंद्रित था कि जब दो छोटी, वर्गाकार इमारतें मुख्य "E" इमारत के पास रखी जाती हैं, तो हवा का भार कैसे बदलता है। शोधकर्ताओं ने इन हस्तक्षेप करने वाले पड़ोसियों का विभिन्न दूरियों पर परीक्षण किया, जो बहुत निकटता से लेकर कई इमारतों की चौड़ाई दूर तक फैली हुई थीं। उन्होंने हवा की दिशा को भी घुमाया, शून्य से एक सौ अस्सी डिग्री के कोणों तक परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि इमारत सामने, बगल या कोने से टकराने वाली हवा के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। इसका लक्ष्य एक विशिष्ट मान निर्धारित करना था जिसे 'इंटरफेरेंस फैक्टर' (हस्तक्षेप कारक) कहा जाता है, जो अकेले होने पर मुख्य इमारत पर हवा के दबाव की तुलना उसके पड़ोसियों से घिरे होने पर किए गए दबाव से करता है। यदि यह कारक एक से अधिक है, तो पड़ोसी हवा के भार को बदतर बना रहा है; यदि यह एक से कम है, तो पड़ोसी वास्तव में मुख्य इमारत को हवा से बचा रहा है।

प्रयोगों और सिमुलेशन से पता चला कि इमारतों के बीच की दूरी और हवा का कोण सबसे महत्वपूर्ण कारक हैं। जब हस्तक्षेप करने वाली इमारतें मुख्य "E" संरचना के बहुत करीब रखी गईं, तो हवा का व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। कुछ विशिष्ट स्थितियों में, एक पड़ोसी की उपस्थिति ने मुख्य इमारत के कुछ चेहरों पर हवा के दबाव को एक महत्वपूर्ण अंतर के साथ बढ़ा दिया। उदाहरण के लिए, जब हवा तीस डिग्री के कोण पर टकराई, तो तीन सौ मिलीमीटर की दूरी पर रखे गए एक पड़ोसी ने एक विशिष्ट चेहरे पर दबाव को अकेले खड़े होने की तुलना में दोगुने से भी अधिक कर दिया। इसके विपरीत, अन्य विन्यासों में, पड़ोसी इमारतों ने एक ढाल के रूप में कार्य किया, जिससे मुख्य संरचना पर हवा का दबाव कम हो गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब हस्तक्षेप करने वाली इमारतें तीन हजार मिलीमीटर की दूरी पर रखी गईं, तो मुख्य इमारत पर हवा का भार उसी स्तर पर वापस आ गया जैसा कि वह पूरी तरह से अकेले खड़े होने पर होता, जो यह दर्शाता है कि इस दूरी के बाद, पड़ोसी हवा के बलों को प्रभावित नहीं करते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक "चैनलिंग" (मार्ग बनाना) प्रभावों की खोज थी। जब हवा मुख्य इमारत और एक पड़ोसी के बीच के अंतराल में सीधे बहती थी, तो हवा उस संकीर्ण स्थान से गुजरते समय तेज हो जाती थी। इस त्वरण ने स्थानीय स्तर पर हवा की गति और दबाव में वृद्धि की, जो तब मौजूद नहीं होता यदि इमारत अलग होती। दूसरी ओर, जब हवा हस्तक्षेप करने वाली इमारत के किनारे से टकराती थी, तो इसने एक अवरोध पैदा किया जिससे मुख्य इमारत तक पहुँचने वाली हवा की गति कम हो गई, जिससे प्रभावी रूप से उस बल में कमी आई जिसे उसे सहना पड़ता है। अध्ययन ने "E" इमारत के विशिष्ट चेहरों की पहचान भी की जो विशेष रूप से संवेदनशील थे। उदाहरण के लिए, हवा के कुछ कोणों पर, हस्तक्षेप ने पिछले चेहरों पर 'सक्शन' (खिंचाव) प्रभाव पैदा किया, जिससे इमारत को केवल धक्का देने के बजाय बाहर की ओर खींचने वाला बल लगा। ये नकारात्मक दबाव मान, जो एक खींचने वाले बल को दर्शाते हैं, महत्वपूर्ण पाए गए और पड़ोसियों की निकटता के आधार पर भिन्न होते थे।

शोधकर्ताओं ने अपने कंप्यूटर मॉडल को भौतिक विंड टनल परीक्षणों के विरुद्ध सत्यापित किया और दोनों के बीच एक मजबूत सहमति पाई, जिसमें त्रुटियां आम तौर पर पंद्रह प्रतिशत से नीचे रहीं। इस पुष्टि ने उन्हें विस्तृत दूरी और कोणों का पता लगाने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करने का विश्वास दिया। डेटा ने दिखाया कि इमारत द्वारा अनुभव किए गए अधिकतम बल तब हुए जब हवा सीधे सामने से टकराई, जबकि न्यूनतम बल तब हुआ जब हवा बगल से आई। हालांकि, पड़ोसियों की उपस्थिति ने इन मानों को बदल दिया। हस्तक्षेप के सबसे चरम मामले में, मुख्य इमारत पर लगने वाला बल अकेले होने की तुलना में एक अंश तक गिर गया, जबकि अन्य मामलों में, यह तेजी से बढ़ गया। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि विश्लेषण की गई विशिष्ट "E" आकार की इमारत के लिए, पड़ोसी संरचनाओं का प्रभाव अत्यधिक स्थानीयकृत है। एक बार जब इमारतों के बीच की दूरी एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाती है, तो जटिल अंतःक्रियाएं फीकी पड़ जाती हैं, और इमारत इस तरह व्यवहार करती है जैसे वह एक खुले मैदान में खड़ी हो। दूरी और कोण के अनुसार हवा के बल कैसे बदलते हैं, इसका यह सटीक मानचित्रण इंजीनियरों को घने शहरी वातावरण में ऊंची, अनियमित इमारतों को डिजाइन करने के लिए आवश्यक डेटा प्रदान करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उन्हें शहर की हवा के अद्वितीय और अक्सर अप्रत्याशित बलों को सहने के लिए बनाया गया है।