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

Il vento è una forza invisibile che spinge costantemente contro le strutture in cui viviamo, ma il suo comportamento cambia drasticamente quando gli edifici sorgono vicini tra loro. Nelle densamente popolate linee di confine delle moderne metropoli, dove lo spazio è prezioso, gli architetti progettano spesso torri con forme complesse e irregolari per far fronte a un numero maggiore di spazi abitativi su un piccolo lotto di terreno. Sebbene gli ingegneri comprendano da tempo come il vento colpisca una singola torre isolata, la fisica diventa molto più complicata quando un edificio si trova vicino a un altro. La presenza di un vicino può bloccare il vento, incanalarlo attraverso stretti varchi o creare sacche d'aria vorticose che esercitano pressioni inaspettate sulla struttura principale. Comprendere queste interazioni è fondamentale per la sicurezza, poiché i carichi del vento su un edificio in un gruppo denso possono essere significativamente diversi rispetto a quelli di una torre solitaria, portando potenzialmente al cedimento strutturale se non calcolati correttamente.

I ricercatori Sumanta Mandal e Sujit Kumar Dalui dell'Indian Institute of Engineering Science and Technology di Shibpur si sono posti l'obiettivo di investigare queste forze nascoste su una forma architettonica specifica e complessa: un alto edificio con una pianta a forma di "E". Questa forma, che ricorda la lettera E, presenta dodici facce distinte che possono intercettare il vento da qualsiasi direzione. Per comprendere come questa forma si comporti quando circondata da altri edifici, il team ha combinato due potenti metodi. In primo luogo, hanno costruito un modello fisico dell'edificio a forma di "E" e lo hanno posizionato in una galleria del vento, una grande camera di laboratorio dove l'aria viene soffiata a velocità controllate per simulare tempeste reali. Hanno misurato le forze effettive e i momenti torcenti che agiscono sul modello. In secondo luogo, hanno utilizzato una sofisticata tecnica di simulazione informatica nota come fluidodinamica computazionale. Questo metodo crea una galleria del vento virtuale, consentendo loro di modellare il flusso d'aria con estrema precisione e di testare scenari che sarebbero difficili o impossibili da replicare fisicamente.

Lo studio si è concentrato su come il carico del vento cambi quando due edifici più piccoli, di forma quadrata, vengono posizionati vicino all'edificio principale a forma di "E". I ricercatori hanno testato questi vicini interferenti a varie distanze, da una stretta prossimità fino a diverse larghezze di edificio di distanza. Hanno inoltre ruotato la direzione del vento, testando angoli da zero a centottanta gradi per vedere come l'edificio reagiva al vento che lo colpiva frontalmente, lateralmente o dall'angolo. L'obiettivo era determinare un valore specifico chiamato fattore di interferenza, che confronta la pressione del vento sull'edificio principale quando è solo rispetto a quando è circondato da vicini. Se questo fattore è superiore a uno, il vicino sta peggiorando il carico del vento; se è inferiore a uno, il vicino sta effettivamente schermando l'edificio principale dal vento.

Gli esperimenti e le simulazioni hanno rivelato che la distanza tra gli edifici e l'angolo del vento sono i fattori più critici. Quando gli edifici interferenti erano posizionati molto vicino alla struttura principale a forma di "E", il comportamento del vento cambiava drasticamente. In alcune situazioni specifiche, la presenza di un vicino aumentava effettivamente la pressione del vento su certe facce dell'edificio principale di un margine significativo. Ad esempio, quando il vento colpiva con un angolo di trenta gradi, un vicino posizionato a trecento millimetri causava un raddoppio della pressione su una specifica faccia rispetto a quando l'edificio stava da solo. Al contrario, in altre configurazioni, gli edifici vicini agivano come uno scudo, riducendo la pressione del vento sulla struttura principale. I ricercatori hanno scoperto che quando gli edifici interferenti erano posizionati a una distanza di tremila millimetri, il carico del vento sull'edificio principale tornava allo stesso livello di quando si trovava completamente isolato, indicando che oltre tale distanza i vicini non influenzavano più le forze del vento.

Una delle scoperte più sorprendenti è stata la scoperta degli effetti di "canalizzazione". Quando il vento soffiava direttamente verso il varco tra l'edificio principale e un vicino, l'aria veniva forzata attraverso lo spazio stretto, accelerando mentre si incuneava nel passaggio. Questa accelerazione creava un aumento localizzato della velocità e della pressione del vento che non esisterebbe se l'edificio fosse isolato. D'altro canto, quando il vento colpiva il lato dell'edificio interferente, creava un blocco che riduceva la velocità del vento che raggiungeva l'edificio principale, diminuendo efficacemente la forza che doveva sopportare. Lo studio ha inoltre identificato specifiche facce dell'edificio a "E" che erano particolarmente vulnerabili. Ad esempio, ad certi angoli del vento, l'interferenza causava un effetto di suzione sulle facce posteriori, tirando l'edificio verso l'esterno invece di limitarsi a spingerlo. Questi valori di pressione negativa, che indicano una forza di trazione, sono risultati significativi e variavano a seconda della vicinanza dei vicini.

I ricercatori hanno validato i loro modelli informatici rispetto ai test fisici nella galleria del vento e hanno riscontrato una forte concordanza tra i due, con errori che generalmente rimanevano al di sotto del quindici per cento. Questa conferma ha dato loro fiducia nell'uso delle simulazioni al computer per esplorare una vasta gamma di distanze e angoli. I dati hanno mostrato che la forza massima subita dall'edificio si verificava quando il vento lo colpiva frontalmente, mentre la forza minima avveniva quando il vento proveniva dal lato. Tuttavia, la presenza di vicini spostava questi valori. Nel caso di interferenza più estrema, la forza sull'edificio principale scendeva a una frazione di quella che sarebbe in isolamento, mentre in altri casi essa aumentava bruscamente. Lo studio ha concluso che, per il particolare edificio a forma di "E" analizzato, l'influenza delle strutture vicine è altamente localizzata. Una volta che la distanza tra gli edifici supera una certa soglia, le complesse interazioni svaniscono e l'edificio si comporta come se si trovasse in un campo aperto. Questa mappatura precisa di come le forze del vento cambiano con la distanza e l'angolo fornisce dati essenziali per gli ingegneri che progettano edifici alti e irregolari in ambienti urbani densi, garantendo che siano costruiti per resistere alle forze uniche e spesso imprevedibili del vento cittadino.