Инженеры Florida A&M University и Florida State University проверили в аэродинамической трубе необычную конструкцию малоэтажных зданий — с волнистыми стенами и крышами. В моделях с наиболее выраженным рельефом пиковое давление ветра у углов стен и кровли оказалось ниже на 40–60%, чем у зданий с плоскими поверхностями.
Работа опубликована в журнале Engineering Structures. Результаты относятся к испытаниям масштабных 3D-печатных моделей: пока они не доказывают, что такие здания будут столь же эффективно противостоять реальным ураганам.
Почему углы крыши особенно уязвимы
При сильном ветре наибольшие нагрузки часто приходятся на кромки и углы крыши и стен. Поток воздуха, проходящий над плоской кровлей, отрывается от передней кромки и образует крупный вихрь. Над поверхностью возникает область пониженного давления, а давление воздуха снизу действует в противоположную сторону.
При экстремальных условиях этот эффект может создавать тягу, способную сорвать кровлю. Соавтор исследования, инженер-строитель Florida State University Педро Фернандес-Кабан заявил, что изменение формы здания способно заметно снизить интенсивность ветровых сил, которые должна выдерживать конструкция.
Как проверяли волнистые стены и крыши
Исследователи изготовили на 3D-принтере несколько моделей малоэтажных зданий. Часть из них получила обычные прямые плоские поверхности, а другие — волнообразные стены и кровли.
Для волнистых вариантов выбрали три амплитуды: 5%, 7,5% и 10% от общей высоты здания. Например, для здания высотой 20 футов, или примерно 6,1 м, амплитуда 10% означала бы выступы глубиной около 2 футов — примерно 0,61 м.
Модели поместили в университетскую аэродинамическую трубу и направляли на них поток воздуха под разными углами. Давление измеряли на поверхностях конструкций. Во всех вариантах с волнистыми крышами ветровая нагрузка была ниже, чем у базовой модели с плоскими поверхностями.
Наиболее заметный результат показала модель с амплитудой волн 10%: пиковое давление возле углов стен и крыши снизилось на 40–60% относительно плоской конструкции.
Вместо одного крупного вихря — несколько небольших
Авторы связывают эффект с тем, как воздух обтекает рельефную поверхность. Над плоской крышей формируется один большой закрученный поток, тогда как волнистая форма разбивает его на ряд меньших вихрей. Это может уменьшать вероятность возникновения зон с особенно сильным разрежением над кровлей.
По словам Фернандеса-Кабана, нестандартные формы зданий могут стать ещё одним инструментом для инженеров и проектировщиков, работающих в регионах с риском сильных штормов. Такой подход потенциально интересен там, где усиление конструкций или сложные архитектурные решения оказываются слишком дорогими либо непрактичными.
Какие вопросы остаются
Авторы отдельно подчёркивают, что исследование было посвящено давлению ветра на поверхности моделей. Сейчас команда проводит дополнительные эксперименты, чтобы подробнее изучить обтекание волнистых конструкций, а также планирует использовать компьютерное моделирование для настройки формы волн и проверки других вариантов геометрии.
Волнистые крыши и стены могут снизить нагрузку на наиболее уязвимые участки здания при сильном ветре, но вывод пока основан на испытаниях моделей в аэродинамической трубе. Для оценки практического применения потребуются дальнейшие исследования воздушных потоков и других форм конструкций.
Читайте так же:
- Пауки-скакуны вдохновили учёных на создание невероятно эффективной 3D-камеры
- Звуковые волны питают энергией эти крошечные дроны
- Точный индикатор для старой цепочки: как 3D-печатная насадка устранила угадайку с потолочным вентилятором
