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

風は、私たちが住む構造物に絶えず押し寄せる目に見えない力ですが、その挙動は建物が密集している場合に劇的に変化します。現代の都市の混雑したスカイラインでは、スペースが貴重であるため、建築家は限られた敷地にできるだけ多くの居住空間を確保するために、複雑で不規則な形状のタワーを設計することがよくあります。エンジニアたちは、単独で孤立したタワーに風がどのように当たるかは古くから理解してきましたが、一つの建物が別の建物の近くに立つ場合、その物理現象ははるかに複雑になります。隣接する建物の存在は、風を遮ったり、狭い隙間に風を流し込んだり、あるいはメインの構造物に予期せぬ圧力をかける渦巻く空気のポケットを作り出したりすることがあります。これらの相互作用を理解することは、安全性を確保する上で極めて重要です。なぜなら、密集したクラスター内にある建物の風荷重は、単独のタワーにおけるものとは大きく異なる可能性があり、適切に計算されないと構造的破壊につながる恐れがあるからです。

インド・シブールのインド工科大学（Indian Institute of Engineering Science and Technology）の研究者、スマンタ・マンダル（Sumanta Mandal）氏とスジット・クマール・ダルイ（Sujit Kumar Dalui）氏は、特定の複雑な建築形態、すなわち「E」字型の平面を持つ高層ビルの上に隠された力について調査することに着手しました。文字の「E」に似たこの形状は、あらゆる方向からの風を受けることができる12の異なる面を持っています。この形状が周囲の建物に囲まれた際にどのように振る舞うかを理解するために、チームは2つの強力な手法を組み合わせました。第一に、彼らは「E」型の建物の物理モデルを作成し、実世界の嵐をシミュレートするために制御された速度で空気が吹き付けられる大型の実験室装置である風洞の中に設置しました。彼らは、モデルに作用する実際の力と回転モーメントを測定しました。第二に、彼らは計算流体力学として知られる高度なコンピュータシミュレーション技術を用いました。この手法は仮想の風洞を作り出し、空気の流れを極めて精密にモデリングすることを可能にし、物理的な再現が困難または不可能なシナリオをテストすることを可能にします。

研究は、2棟のより小さな正方形の建物がメインの「E」型ビルの近くに配置されたときに、風荷重がどのように変化するかを重点的に調査しました。研究者たちは、これらの干渉する隣接建物を、極めて近い距離から数棟分の幅離れた距離まで、さまざまな距離でテストしました。また、風向きを回転させ、風が正面、側面、または角から当たる際の反応を見るために、0度から180度の角度でテストを行いました。目的は、「干渉係数」と呼ばれる特定の値を決定することでした。これは、建物が単独で立っている場合と、隣接建物に囲まれている場合とで、風圧を比較するものです。もしこの係数が1よりも大きければ、隣接建物が風荷重を悪化させていることを意味し、1よりも小さければ、隣接建物がメインの建物を風から保護していることを意味します。

実験とシミュレーションの結果、建物間の距離と風の角度が最も重要な要因であることが明らかになりました。干渉する建物がメインの「E」型構造物の非常に近くに配置されたとき、風の挙動は劇的に変化しました。特定の状況下では、隣接建物の存在によって、メインの建物の特定の面への風圧が大幅に増加することがありました。例えば、風が30度の角度で当たったとき、300ミリメートル離れた場所に隣接建物があると、建物が単独で立っていた場合と比較して、特定の面の圧力が2倍以上に達しました。逆に、他の構成では、隣接する建物が盾となり、メインの構造物への風圧を減少させることもありました。研究者たちは、干渉する建物が3,000ミリメートルの距離に配置されたとき、メインの建物の風荷重は完全に単独で立っているときと同じレベルに戻ることを発見しました。これは、この距離を超えると、隣接建物が風の力に影響を与えなくなることを示しています。

最も驚くべき発見の一つは、「チャネリング（流路形成）」効果の発見でした。風がメインの建物と隣接建物の間の隙間に直接吹き込むと、空気はその狭いスペースを通り抜ける際に加速し、隙間を通り抜けるようにしてスピードが上がります。この加速は、建物が孤立している場合には存在しない局所的な風速と風圧の増加を生み出します。一方で、風が干渉する建物の側面に当たると、それが遮蔽物となり、メインの建物に到達する風速を減少させ、結果として建物が耐えるべき力を低下させます。研究ではまた、「E」型ビルの特定の面が特に脆弱であることも特定されました。例えば、特定の風角において、干渉は背面への吸引効果を引き起こし、建物を単に押し付けるだけでなく、外側へ引き寄せる力を発生させました。これらの負の圧力値（引き寄せる力を示すもの）は顕著であり、隣接建物の距離に応じて変化することが分かりました。

研究者たちは、コンピュータモデルを物理的な風洞テストに対して検証し、両者の間に強い一致が見られることを確認しました。誤差は概して15パーセント未満でした。この確認により、幅広い距離や角度を探索するためにコンピュータシミュレーションを使用することへの信頼が得られました。データによれば、建物が受ける最大荷重は風が正面から当たったときに発生し、最小荷重は風が横から来たときに発生しました。しかし、隣接建物の存在がこれらの値を変化させました。最も極端な干渉ケースでは、メインの建物にかかる力は単独の場合のわずかな割合まで低下した一方で、他のケースでは急増しました。本研究は、解析された特定の「E」字型ビルについて、隣接構造物の影響は非常に局所的であると結論付けました。建物間の距離が一定の閾値を超えると、複雑な相互作用は消失し、建物はまるで開けた野原に立っているかのように振る舞います。風の力が距離や角度によってどのように変化するかを正確にマッピングすることは、密集した都市環境における背の高い不規則な建物を設計するエンジニアにとって不可欠なデータを提供し、都市特有の、しばしば予測不可能な風の力に耐えられる建物を構築することを保証するものです。