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

Wind is een onzichtbare kracht die constant tegen de structuren drukt waarin wij leven, maar het gedrag ervan verandert drastisch wanneer gebouwen dicht bij elkaar staan. In de overvolle skylines van moderne steden, waar ruimte schaars is, ontwerpen architecten vaak torens met complexe, onregelmatige vormen om meer leefruimte op een klein perceel te passen. Hoewel ingenieurs al lang begrijpen hoe wind een enkele, geïsoleerde toren raakt, wordt de fysica veel ingewikkelder wanneer het ene gebouw dicht bij het andere staat. De aanwezigheid van een buurman kan de wind blokkeren, deze door nauwe openingen persen, of wervelende luchtzakken creëren die een onverwachte druk uitoefenen op de hoofdstructuur. Het begrijpen van deze interacties is cruciaal voor de veiligheid, aangezien de windbelasting op een gebouw in een dichtbebouwde cluster aanzienlijk anders kan zijn dan die op een eenzame toren, wat potentieel kan leiden tot structureel falen als dit niet correct wordt berekend.

Onderzoekers Sumanta Mandal en Sujit Kumar Dalui van het Indian Institute of Engineering Science and Technology in Shibpur besloten te onderzoeken hoe deze verborgen krachten werken op een specifieke, complexe architecturale vorm: een hoog gebouw met een "E"-vormig plattegrondontwerp. Deze vorm, die lijkt op de letter E, heeft twaalf verschillende zijden die de wind vanuit elke richting kunnen opvangen. Om te begrijpen hoe deze vorm zich gedraagt wanneer deze wordt omringd door andere gebouwen, combineerde het team twee krachtige methoden. Eerst bouwden zij een fysiek model van het "E"-gebouw en plaatsten dit in een windtunnel, een grote laboratoriumkamer waar lucht met gecontroleerde snelheden wordt geblazen om echte stormen te simuleren. Zij maten de werkelijke krachten en draaimomenten die op het model inwerken. Ten tweede gebruikten zij een geavanceerde computersimulatietechniek die bekend staat als computational fluid dynamics. Deze methode creëert een virtuele windtunnel, waardoor zij de luchtstroom met extreme precisie kunnen modelleren en scenario's kunnen testen die fysiek moeilijk of onmogelijk na te bootsen zijn.

De studie richtte zich op de vraag hoe de windbelasting verandert wanneer er twee kleinere, vierkante gebouwen nabij het hoofd-"E"-gebouw worden geplaatst. De onderzoekers testten deze interfererende buren op verschillende afstanden, variërend van zeer nabije nabijheid tot meerdere gebouwbreedtes verderop. Ook roteerden zij de windrichting en testten zij hoeken van nul tot achttienentachtig graden om te zien hoe het gebouw reageerde op wind die het van voren, van de zijkant of van de hoek raakte. Het doel was om een specifieke waarde te bepalen, de interferentiefactor, die de winddruk op het hoofdgebouw vergelijkt wanneer het alleen staat versus wanneer het wordt omringd door buren. Als deze factor groter is dan één, maakt de buurman de windbelasting erger; als deze kleiner is dan één, biedt de buurman juist bescherming aan het hoofdgebouw tegen de wind.

De experimenten en simulaties toonden aan dat de afstand tussen gebouwen en de hoek van de wind de meest kritische factoren zijn. Wanneer de interfererende gebouwen zeer dicht bij het hoofd-"E"-structuur werden geplaatst, veranderde het windgedrag drastisch. In bepaalde specifieke situaties zorgde de aanwezigheid van een buurman er zelfs voor dat de winddruk op bepaalde zijden van het hoofdgebouw met een aanzienlijke marge toenam. Zo veroorzaakte een buurman die op een afstand van driehonderd millimeter geplaatst was, wanneer de wind onder een hoek van dertig graden raakte, dat de druk op één specifieke zijde meer dan verdubbelde vergeleken met wanneer het gebouw alleen zou staan. Omgekeerd fungeerden de naburige gebouwen in andere configuraties als een schild, waardoor de winddruk op de hoofdstructuur werd verminderd. De onderzoekers ontdekten dat wanneer de interfererende gebouwen op een afstand van drieduizend millimeter werden geplaatst, de windbelasting op het hoofdgebouw terugkeerde naar hetzelfde niveau als wanneer het volledig alleen zou staan, wat aangeeft dat de buren voorbij deze afstand geen invloed meer hadden op de windkrachten.

Een van de meest opvallende bevindingen was de ontdekking van "kanaaleffecten". Wanneer de wind rechtstreeks door de opening tussen het hoofdgebouw en een buurman blies, werd de lucht door de nauwe ruimte geperst, waardoor deze versnelde terwijl hij erdoorheen kneep. Deze versnelling creëerde een lokale toename van de luchtsnelheid en druk die niet zou bestaan als het gebouw geïsoleerd zou zijn. Aan de andere kant creëerde de wind, wanneer deze tegen de zijkant van het interfererende gebouw sloeg, een blokkade die de luchtsnelheid die het hoofdgebouw bereikte verminderde, waardoor de kracht die het gebouw moest weerstaan effectief werd verlaagd. De studie identificeerde ook specifieke zijden van het "E"-gebouw die bijzonder kwetsbaar waren. Bijvoorbeeld, bij bepaalde windhoeken veroorzaakte de interferentie een zugeffect op de achterzijden, waardoor het gebouw naar buiten werd getrokken in plaats van er alleen maar tegenaan te worden geduwd. Deze negatieve drukwaarden, die een trekkracht aangeven, bleken aanzienlijk te zijn en varieerden afhankelijk van hoe dicht de buren waren.

De onderzoekers valideerden hun computermodellen tegenover de fysieke windtunneltests en vonden een sterke overeenstemming tussen de twee, waarbij de fouten over het algemeen onder de vijftien procent bleven. Deze bevestiging gaf hen het vertrouwen om de computersimulaties te gebruiken om een breed scala aan afstanden en hoeken te verkennen. De gegevens toonden aan dat de maximale kracht die het gebouw ervoer optrad wanneer de wind het frontaal raakte, terwijl de minimale kracht optrad wanneer de wind van de zijkant kwam. De aanwezigheid van buren verschoof echter deze waarden. In het meest extreme geval van interferentie daalde de kracht op het hoofdgebouw tot een fractie van wat het in isolatie zou zijn, terwijl de kracht in andere gevallen juist omhoog schoot. De studie concludeerde dat voor het specifieke geanalyseerde "E"-vormige gebouw de invloed van naburige structuren zeer lokaal is. Zodra de afstand tussen gebouwen een bepaalde drempel overschrijdt, vervagen de complexe interacties en gedraagt het gebouw zich alsof het op een open veld staat. Deze nauwkeurige kaartlegging van hoe windkrachten veranderen met afstand en hoek biedt essentiële gegevens voor ingenieurs die hoge, onregelmatige gebouwen ontwerpen in dichtbebouwde stedelijke omgevingen, om ervoor te zorgen dat zij gebouwd worden om de unieke en vaak onvoorspelbare krachten van de stadswind te weerstaan.