Хьюстон, у нас проблема. «Космический город» может похвастаться 50 зданиями высотой более 150 метров. Они были спроектированы так, чтобы выдерживать ураганы, которым подвержен Техас. Но 16 мая 2024 года дерехо — широкий, продолжительный ураган, связанный с быстро движущимися ливнями или грозами — сумел нанести неожиданный ущерб многим высотным зданиям в центре города. Социально-экономические последствия были значительными из-за перебоев в движении, временного закрытия предприятий и необходимости ремонта.
Почему структурный ущерб оказался намного больше, чем ожидалось? Новое исследование в Frontiers in Built Environment теперь дало ответ на эту загадку. Его выводы несут уроки для будущего проектирования высотных зданий и планирования городских центров, не только в Хьюстоне.
«Здесь мы показываем, что тип сильно локализованных сильных ветров, называемых «нисходящими порывами», которые возникли во время майского дерехо, могут оказывать значительное воздействие на высотные здания и фасады из-за их уникальных характеристик по сравнению с ураганами», — сказал доктор Амаль Элавади, доцент Международного университета Флориды и один из авторов исследования.
Нисходящие порывы — это сильные нисходящие ветры, которые после достижения земли дуют во всех направлениях. Именно поэтому ветры часто бывают намного сильнее на первых этажах высотных зданий.
Элавади руководит исследовательским проектом, в котором используется экспериментальная установка «Стена ветра» Инфраструктуры инженерных исследований природных опасностей для изучения воздействия нисходящих потоков на высотные и малоэтажные здания по сравнению с ураганами.
Злой ветер
В данной работе авторы проанализировали влияние майского дерехо на пять знаковых зданий в Хьюстоне: Chevron Building Auditorium, CenterPoint Energy Plaza, El Paso Energy Building, RRI Energy Plaza и Wedge International Tower.
Построенные между 1962 и 2003 годами, эти высотные здания имеют высоту от 158 до 226 метров. Все они соответствуют строительному стандарту, который предписывает, чтобы высотные здания были спроектированы так, чтобы выдерживать ветер до 67 метров в секунду, что соответствует урагану 4 категории.
Скорость ветра, измеренная в центре Хьюстона во время derecho, не приблизилась к этому строительному стандарту, достигнув пика в 40 метров в секунду. Тем не менее, как показало исследование, фасадные панели на этих высоких зданиях были смещены, а облицовка повреждена, особенно на углах и нижних этажах. Многочисленные окна треснули или разбились, выбрасывая опасные обломки на улицы.
Напротив, эти высокие здания получили минимальные повреждения во время урагана Берил, обрушившегося на Хьюстон 8 июля 2024 года. Максимальная скорость ветра, измеренная в центре Хьюстона во время урагана Берил, составила 36 метров в секунду, что сопоставимо с дерехо.
Смотря куда дует ветер
Исследователи приступили к моделированию нисходящих порывов и ураганов на экспериментальной установке Wall of Wind, 12 струйных вентиляторов которой могут генерировать скорость ветра до 70 метров в секунду. Они были направлены на вращающуюся миниатюру, представляющую собой высокое здание в масштабе 1:350. Идентичная миниатюра стояла на увеличивающихся расстояниях от первой от 0,14 до 0,70 метра, чтобы имитировать помехи от соседних зданий.
Авторы сравнили два условия, которые различались по изменению средней скорости ветра с течением времени: постоянная средняя скорость, типичная для ураганов, и скорость, которая сначала быстро нарастала, достигала плато, а затем снижалась, характерная для нисходящих порывов. Результаты показали, что во время нисходящих порывов на стенах зданий было гораздо больше всасывания, чем во время ураганов.
«Когда сильные ветры дуют через город, они могут отражаться от высоких зданий. Это увеличивает давление на стены и окна, делая ущерб более серьезным, чем если бы здания были изолированы», — сказал Омар Метвалли, докторант, который был первым автором исследования.
«Кроме того, нисходящие порывы создают интенсивные локализованные силы, которые могут превышать типичные расчетные значения для ураганов, особенно на нижних этажах высотных зданий».
Этот двойной эффект помех и нисходящих потоков на высотные здания, вероятно, станет еще более серьезной проблемой в ближайшее время, поскольку антропогенное изменение климата уже бьет по Хьюстону особенно сильно. Мексиканский залив нагревается на 0,19°C за десятилетие, что в два раза превышает скорость мирового океана. Прогнозируется, что более высокие температуры приведут к более частым и более суровым экстремальным погодным явлениям.
«Учет уникальных эффектов нисходящих порывов и грозовых ветров в дерехо имеет важное значение при городском планировании и проектировании зданий для защиты высотных зданий от повреждений. Текущие рекомендации по строительству фасадов следует пересмотреть, чтобы отразить это», — заключает Метвалли.
