ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНЫХ МАСС НА ЗДАНИЕ С ОДНОЙ ИЗ САМЫХ СЛОЖНЫХ ФОРМ В МИРЕ - ОТЕЛЬ: «BURJ AL ARAB»

Ветер – это воздушный поток, который быстро движется параллельно земной поверхности. Возникновение ветров связано с неравномерным распространением атмосферного давления, они направлены из зоны высокого давления в зону низкого. Из-за его постоянного изменения скорость и направление воздушных потоков хаотично меняются. Их движение может быть ламинарным и турбулентным. Первое бывает в том случае, если частицы воздуха движутся параллельно поверхности земли, однако это наблюдается редко. Турбулентное движение наблюдается, если отдельные частицы воздушного потока перемещаются в различных направлениях, вызывая порывистость ветра, но, не меняя основного направления воздушного потока. Принято различать термическую и динамическую турбулентность. Термическая наблюдается тогда, когда температура земли выше температуры воздуха, и он, нагреваясь, поднимается вверх согласно явлению конвекции, уступая место холодному воздуху. Динамическая турбулентность наблюдается при высоких скоростях ветра, когда его частицы, ударяясь о поверхность земли, меняют направление своего движения.

Законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности строительных конструкций, относительно которых происходит его движение, изучает архитектурно-строительная аэродинамика. В настоящее время расчет ветровых нагрузок на здания и сооружения является одним из наиболее актуальных для строителей по всему миру. Это связано с переходом от строительства простых объектов к сложным уникальным сооружениям необычной формы из современных конструкционных материалов, сооружения из которых особо восприимчивы к ветровому воздействию. Также в последние десятилетия изменился подход к строительству. Ранее главной целью было достижение высокой прочности и надежности конструкций, однако с появлением технологий, позволяющих моделировать условия в данной местности, инженеры стали ориентироваться на достаточную необходимую прочность сооружения.

Существуют три основных метода расчета ветровой нагрузки на строительные конструкции:

• аналитический метод;
• экспериментальное моделирование;
• численное моделирование.

Аналитический метод заключается в использовании расчетных методик, приведенных в нормативных документах, а также данных о различных коэффициентах. Данный метод можно использовать для сооружений типовой формы, расчеты для которых уже были проведены и неоднократно проверялись.

При проектировке зданий с уникальной формой, для которых нет данных и нормативов, проводятся экспериментальные исследования в аэродинамической трубе. Внутри неё закрепляется модель и подвергается воздействию воздушных потоков под всеми возможными углами, что позволяет установить устойчивость сооружения.

В некоторых случаях экспериментальное моделирование можно существенно дополнить, а иногда даже заменить численным. Оно заключается в использовании программных комплексов, позволяющих указать все условия, в которых будет находиться уникальное сооружение и моделировать нагрузки на него.

Рисунок 1. Численное моделирование ветрового воздействия программном комплексе ANSYS

Из курса физики нам известно, что здание является тем устойчивее, чем ниже расположен его центр тяжести. Следовательно, можно утверждать, что современные уникальные сооружения зачастую имеют крайне неустойчивую форму и чтобы обеспечить надежность их эксплуатации нужно провести много расчетов, учитывая все виды деформации высотных зданий от действия горизонтальных сил.

Рисунок 2. Виды деформаций высотных зданий от действия горизонтальных сил.

Помимо сложной формы, нужно учитывать и то, что материалы, из которых строятся такие сооружения (бетон, металл, стекло) в совокупности очень гибкие. Обеспечение статической надежности – основная задача инженера.

Стремление людей провести отдых в необычном запоминающемся месте вполне естественно, поэтому многие компании стараются удовлетворить такие потребности и ставят перед архитекторами все более удивительные и необычные проекты. Не стал исключением роскошный отель Бурдж-эль-Араб в Дубае, самом крупном городе Объединённых Арабских Эмиратов. Он изначально задумывался Шейхом Моххамед бин Рашид-Аль-Мактум как памятник архитектуры и символ величия Дубаи, как во Франции Эйфелевая Башня, как в Австралии Оперный театр. Отель, выполнен в виде паруса доу, арабского судна, по проекту архитектора Тома Райта, что отражает культуру места и историю строительства. Остров находится в 280 метрах от берега и соединен специальной трассой. Бурдж-эль-Араб находится по адресу: Jumeirah Beach Road, Jumeirah 3, а на географической карте мира он расположен по следующим координатам: 25° 8′ 28″ с. ш., 55° 11′ 8″ в. д.

В связи с особенностями климата – ветра с пустыни и моря, на протяжении всего строительства использовались дорогостоящие материалы (дерево ценных пород, мрамор).

Строительство песчаного искусственного острова начали в 1994 году в Персидском заливе.

Рисунок 3. Первый этап возведения острова

Уже на первом этапе работ начались проблемы, когда из-за штормового ветра волны поднялись на высоту 4 метра, и создатели поняли, что не учитывая этот фактор возводить отель нельзя.

Сначала на глубину 20 метров в морское дно вбиты временные шпунтовые сваи, сваи-трубки и стяжки, для удерживания на участке грунта.

Рисунок 4. Второй этап возведения острова

Еще одна проблема, с которой столкнулись строители это то что давление воды на отель снизу вполне может выбить здание из песчаного острова, словно пробку из-под шампанского. Поэтому, с двух сторон шпунтовых свай, была выложена на дно насыпь из твердых скальных пород. Формирование песчаного острова позволило послойное наполнение пространства между сваями, что способствовало вытеснить морскую воду.

Рисунок 5. Третий этап возведения острова

На 3 этапе создания острова по периметру уложено ограждение из полых блоков белого цементного бетона для защиты от разрушающего воздействия морских волн. Когда волны ударяются об берег, то часть воды при ударе о блок поворачивает назад, это сильно снижает отрицательное воздействие приливов и отливов.

Чтобы придать конструкции стабильность в морское дно на глубину 45 метров сквозь остров были забиты бетонные сваи длиной 230 метров в количестве 250 штук. Устойчивости конструкции удалось добиться благодаря поверхностному трению песка о поверхность свай.

Рисунок 6. Четвёртый этап возведения острова

На 4 этапе шпунтовые сваи заменили на перемычки. Создали основание острова заложив бетонную плиту толщиной 2 метра, для сдерживания морской воды.

В процессе возведения отеля были применены уникальные технологии строительства зданий. Весь отель создан из бетона и стали. Внешняя сторона (обращенная к берегу) сделана из 2, опирающихся одна на другую, гигантских Х-образных ферм, суммарная высота которых достигает 200 метров. Горизонтальную устойчивость отеля во всех направлениях обеспечивает совместная работа стального каркаса и железобетона (рис. 7).

Х-образные фермы снаружи покрыты огромным «парусом». Он состоит из двух слоев стеклоткани, пропитанной тефлоном, и образует самый большой атриумный вестибюль в мире, размером в 180 метров (рис. 8). Естественное освещение внутри здания в течении дня обеспечивает стеклоткань, она фильтрует солнечный свет и распространяет его по всему пространству атриума. Днем благодаря стеклоткани отель ослепляет своей белизной, а ночью еще больше привлекает внимание окружающих, трансформируясь в огромных размерах экрана, на который проецируется свет.

Наружный стальной каркас здания состоит из 2 основных конструкций и огибает железобетонную башню: «мачтовая» конструкция, достигающая отметки в 321 метр и диагональные фермы (рис. 9). Одна диагональная ферма весит 165 тонн, а длиной 85 метров. Для ее доставки с завода, пришлось использовать один из самых больших грузовых автомобилей в мире, имеющий 80 колес и способный передвигаться со скоростью 6 км/ч.

Вихреобразование стало следующим препятствием. Когда дует ветер, образуются маленькие смерчи вокруг острых углов конструкции, они тоже могут привести к разрушению. Чтобы решить проблему вихреобразования, в уязвимых местах было установлено 10 резонансных амортизирующих грузов. При вихреобразовании раскачивается не само здание, а эти 5 тонные грузы и поглощают почти полностью вибрации.

К внутренней отделке приступили после облицовки здания панелями из 2-ого стекла с тефлоновым покрытием. В естественных условиях отделочные работы начинать было невозможно, из-за того, что температура достигала 50°С, а естественная влажность 100 %.

Чтобы создать нормальные условия в здании потребовалось 6 месяцев. В нём установили кондиционеры и понижали температуру каждый день на 1°С (во избежание появления конденсата).

Примечательно то, что в целях безопасности до постройки этого отеля архитекторами был создан прототип, но гораздо меньших размеров. Прототип был создан для того, чтобы проверить будущее здание на устойчивость и прочность. Над ним проводили испытания в аэродинамической трубке, где в масштабе 1/50 воспроизводились все возможные ветровые воздействия на здание.

Известно, что временами здесь дуют очень сильные ветра, достигающие 160 км/ч. При сильном ветре отель Бурдж-эль-Араб в своей высшей точке будет отклоняться от вертикали на 1,5 метра.

Проведём расчёт ветровой нагрузки на здание BURJ AL ARAB при разных значениях высоты. (с наветренной стороны)

Расчёт будем вести согласно СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».

Ветровые нагрузки на здания определяют, как сумму средней  и пульсационной  составляющих: .

Естественно, при расчете нагрузок на здание учитывают все нагрузки вместе, но так как мы рассматривали только воздействие ветровых нагрузок, то будем считать проведение расчетов в идеальных условиях без других воздействий.

Таблица 1.

Результаты расчетных значений

Рисунок 10. Зависимость ветровой нагрузки от высоты.

Приведенные выше расчеты и график доказывают, что ветровые нагрузки увеличиваются с высотой, поэтому при проектировании важно учитывать этот аспект.

Список литературы:

1. Бурдж-аль-Араб. История создания чуда [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://lubopitnie.ru/burj-al-arab/ (5.11.2017)
2. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*: Свод правил. – М.: Минрегион России, 2010. – 96с.
3. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. М., 1984.