Effect van naburige gebouwen op windbelasting gevels Interferentie hoogbouw 1 38? CEMENT 6|7 2019 b b c c a a 1 Hoogbouw in Den Haag, uitzicht op JuBi?2 Situaties waarin interferentie kan optreden: (a) interferentie tussen gebouwen van vergelijkbare hoogte, (b) invloed van een hoog gebouw (of meerdere hoge gebouwen) op omringende laagbouw, en (c) interferentie tussen twee (of meerdere) hoge gebouwen [1] Windbelasting op gebouwgevels wordt bepaald door een stuw - druk, die wordt vermenigvuldigd met een drukcoëfficiënt. Deze stuw - druk is afhankelijk van de hoogte boven maaiveld, de geografische ligging in Neder- land en de terreinruwheid. Er zijn drie cate- gorieën voor terreinruwheden: bebouwd, onbebouwd en kust. De formules voor de stuwdruk en de waar- den voor de drukcoëfficiënten zijn van toe- passing voor een ongestoorde wind. Een ge- bouw verstoort de wind echter, en de windbelasting op een gebouw of andere con - structie die in de directe nabijheid staat, kan worden beïnvloed door deze verstoring. Deze invloed wordt interferentie genoemd en is afhankelijk van onder andere de wind - snelheid en turbulentie, het aantal gebou - wen in de nabijheid, en de positie, vorm en dimensies van de gebouwen. Interferentie beïnvloedt de drukver- delingen over het verstoorde gebouw. Dit heeft invloed op zowel de lokale belasting op de gevels als de totale belasting op het ge- bouw, en kan zelfs de dynamische responsie van het gebouw beïnvloeden. In dit artikel wordt het verschijnsel beschreven en wordt nader ingegaan op de effecten op de lokale belasting op de gevels. De overige effecten zijn buiten beschouwing gelaten. Figuur 2 geeft een schematische weer- gave van drie soorten gebouwde omgevin - gen waarvoor onderzoek naar de invloed van interferentie op windbelastingen is ge- daan. Voor deze drie situaties wordt kort be- schreven welke invloed interferentie kan hebben. De aanwezigheid van een hoog gebouw in de nabijheid van een ander gebouw beïnvloedt de windstroming. Dit effect wordt interferentie genoemd. Het kan leiden tot verhoging of verlaging van de windbelasting op gebouwgevels Omgeving met gebouwen van vergelijkbare hoogte (A) In een omgeving met gebouwen van verge- lijkbare hoogte (fig. 2a) is vooral sprake van afscherming van wind. De windsnelheid tus- sen de gebouwen wordt sterk afgeremd door de aanwezigheid van veel omliggende gebou - wen. Hierdoor vallen de windbelastingen la - ger uit dan in een alleenstaande situatie. Voor hoogbouw, zeker in Nederlandse ste- den, komt deze situatie vrijwel niet voor om - dat we nog geen situaties hebben met veel hoge gebouwen dicht bij elkaar, zoals dat wel voorkomt in grote steden elders in de we- reld (zoals de downtowns in de VS (foto 3)). Laagbouw dicht bij hoogbouw (B) Een tweede situatie betreft een hoger ge- bouw in de nabijheid van laagbouw (fig. 2b). Het hoge gebouw blokkeert de wind en buigt de wind naar beneden toe. Dit kan betekenen dat een lager gebouw zwaarder DR.IR. CHRIS GEURTS Senior Consultant Structural Dynamics TNO IR. OKKE BRONKHORST Researcher Structural Dynamics TNO auteurs 2 CEMENT 6|7 2019 ?39 3 Skyline downtown Chicago, foto: Conal Gallagher / Pedro Szekely?4 Schematische illustratie van drie soorten interferentie die kunnen optreden tussen twee hoge gebouwen in verschillende configuraties: (a) afscherming, (b) wervelaanstoting, (c) kanaliseren (channeling) [7]? 5 Contouren voor de minimumpiekdrukcoëfficiënt op zijde B bij vijf windrichtingen, voor (a) een geïsoleerd hoog gebouw (B:D:H = 1:1:4), kunnen zowel de afschermende effecten als de verhogende effecten aanwezig zijn. Als het mogelijk verhogende effect kritisch kan worden, bijvoorbeeld als al bestaande (lage- re) bebouwing moet worden beoordeeld op een hoger wordende belasting, moet dit ef - fect nader worden onderzocht. Omdat de rekenregel uit de Eurocode niet altijd con - servatief lijkt te zijn voor lokale belastingen, is het verstandig windtunnelonderzoek uit te laten voeren. Hiermee kan preciezer wor- den bepaald of, en zo ja voor welke omlig - gende bebouwing er sprake is van een ver- hoging van de belasting. Twee of meer hoge gebouwen bij elkaar (C) De derde situatie betreft de invloed die twee of meer nabije hoge gebouwen (foto 1) op elkaars windbelasting hebben (fig. 2c). Dit ef - fect is momenteel niet benoemd in de Euro- codes. Uit verschillende onderzoeken blijkt dat dit effect kan leiden tot verhoogde lokale belastingen op de gevels [3, 4, 5, 6, 7], of in een toename van de dynamische vergroting wordt belast dan in de situatie zonder hoog - bouw. Dit kan optreden bij verschillende windrichtingen. In NEN-EN 1991-1-4 is een ontwerpre- gel opgenomen. Deze regel komt erop neer dat er wordt gerekend met een stuwdruk behorende bij een hoogte die groter is dan de gebouwhoogte. Deze regel geeft een eer- ste benadering voor de windbelasting op bouwwerken gelegen naast hoogbouw. De regel is zowel van toepassing voor de totale belasting als ook voor de inschatting van de lokale belasting. In windtunnelonderzoek door Stathopoulos [2] naar de invloed van hoog - bouw op laagbouw zijn toenamen in de loka - le belasting (relevant voor het ontwerp van de gevel) gevonden van meer dan 100%. Dit is hoger dan op basis van de rekenregel in de Eurocode wordt gevonden. De regel uit de Eurocode is weliswaar conservatief voor het ontwerp van de draagconstructie, maar kan toch onvoldoende veilig zijn als het om de lo- kale belastingen gaat. In het geval van hoogbouw naast laagbouw Een lager gebouw kan hoger worden belast door de aanwezigheid van hoogbouw 3 4 40? CEMENT 6|7 2019 (b) een storend vierkant gebouw (B:D:H = 1:1:2) op een halve gebouwbreedte afstand, en (c) een storend rond gebouw (B:D:H = 1:1:2) op een halve gebouwbreedte afstand [7]?6 Contouren voor de minimumpiekdrukcoëfficiënt op zijde A bij vijf windrichtingen, voor (a) een geïsoleerd hoog gebouw (B:D:H = 1:1:4), (b) een storend vierkant gebouw (B:D:H = 1:1:4) op een halve gebouwbreedte afstand, en (c) een storend rond gebouw (B:D:H = 1:1:4) op een halve gebouwbreedte afstand [7] [8, 9, 10, 11]. Als dit in het ontwerp van het ge- bouw niet wordt onderkend, kan dit na ople- vering zelfs tot schade aan gevels leiden [12].In studies naar de effecten van inter- ferentie tussen twee hoge gebouwen zijn drie soorten interferentie te onderscheiden [7, 10]: afscherming, wervelaanstoting en kanalisering (channeling). Deze zijn sche- matisch weergegeven in figuur 4. AFSCHERMING? Afscherming door het na - bije hoge gebouw (fig. 4a) resulteert zoals eer- der besproken in een afname van de globale en lokale windbelasting. Met afscherming wordt doorgaans niet expliciet rekening ge- houden bij het constructief ontwerp van ge- bouwen. De reden hiervoor is dat als het stroomopwaartse gebouw om wat voor reden dan ook verdwijnt, het gebouw niet meer wordt afgeschermd en daarmee mogelijk on - veilig is ontworpen. Om die reden wordt aan - bevolen altijd minstens de belasting te hante- ren die volgens de voorschriften (NEN-EN 1991-1-4) wordt voorgeschreven zonder effect van nabije gebouwen. Dit is ook zo overgeno- men in CUR-Aanbeveling 103. WERVELAANSTOTING? Het tweede soort interferentie tussen twee hoge gebouwen heet wervelaanstoting (fig. 4b). Hierbij beïn - vloeden de wervels en het zog afkomstig van het bovenwindse gebouw de windbelasting op het benedenwindse gebouw. Deze vorm van interferentie kan in een toename van de lokale belasting resulteren. Er zijn toena - men van ongeveer 30 tot 40% gevonden in studies door Kim et al. [3], Hui et al. [4][5] en Bronkhorst et al. [7]. Figuur 5a presenteert de winddrukken gemeten in een windtun - nelonderzoek door [7] op één van de zijden (zijde B) van een hoog gebouw (B:D:H = 1:1:4) bij vijf verschillende windrichtingen. In fi - guur 5b en 5c zijn de winddrukken te zien die zijn gemeten op dezelfde zijde als er een 5 6 CEMENT 6|7 2019 ?41 7 Windtunnelmodel voor de bepaling van de lokale belastingen op de JuBi­torens (de afkorting staat voor de gebruikers van de torens: Justitie­Binnenlandse Zaken). Voorbeeld van een onderzoek naar lokale interferentie­effecten halfhoog gebouw met een vierkante of ronde vorm naast het hoge gebouw staat. Ongeveer ter hoogte van het dak van het halfhoge ge- bouw zijn grotere onderdrukken waarneem - baar op zijde B bij een windrichting onge- veer parallel aan de twee gebouwen. Deze grotere onderdrukken zijn het gevolg van de wervels afkomstig van het dak van het half - hoge gebouw. Deze wervels beïnvloeden het stromingsveld rond het hoge gebouw, waar- door er grotere piekdrukken ontstaan op de gevel in vergelijking met de ongestoorde si - tuatie. KANALISERING? Bij het derde soort in - terferentie tussen twee hoge gebouwen wordt de wind door een passage tussen twee gebouwen geleid (fig. 4c). Dit type interferen - tie wordt ook wel kanalisering (channeling in het Engels) genoemd. Het kanaliseren van de stroming tussen twee naast elkaar staan - de gebouwen resulteert in een toename in de gemiddelde windsnelheid in de passage en een toename in de snelheid- en drukfluc- tuaties nabij de gevel in de passage [10]. Fi - guur 5 illustreert het effect van dit type in - terferentie tussen twee gebouwen van dezelfde hoogte. Op de gevel in de passage (zijde A) worden grotere minimumpiekdruk - ken gevonden ten gevolge van het nabijgele- gen vierkante gebouw, weergegeven in fi - guur 5b. Ten opzichte van de ongestoorde situatie zijn de gemeten piekdrukken onge- veer 40 tot 50% groter. Daarnaast is het windrichtingbereik waarbij grote onderdrukken optreden toe- genomen. In figuur 5c is te zien dat het effect van een nabijgelegen gebouw met een ronde plattegrond een veel kleinere invloed heeft op de lokale windbelastingen dan het nabijgelegen vierkante gebouw in figuur 5b. In vergelijking met de ongestoorde situatie is de grootst gemeten piekdruk (in de linker- bovenhoek van het gebouw voor ? = 90°) zelfs 50% lager. Hieruit blijkt dat de vorm van de gebouwen een grote invloed kan heb- ben op de mate van interferentie. Voor afstanden tussen de twee gebou - wen tot ongeveer twee gebouwbreedten (2B) heeft dit type interferentie invloed op de lokale windbelasting op de gevel in de pas- sage. Windtunnelonderzoek Mocht interferentie als een mogelijk risico worden gezien, is het aan te raden een wind - tunnelonderzoek uit te voeren (foto 7). De resultaten van dat onderzoek vertalen zich naar zones op de gevels die een verhoging van de lokale windbelasting hebben ten op- zichte van een reguliere normberekening. Veilig en economisch ontwerp In dit artikel is ingegaan op de effecten die één of meerdere hoge gebouwen kunnen hebben op de lokale windbelasting op nabu - rige gebouwen. De normen zijn onvoldoende toegesneden op deze specifieke aspecten. Voor een veilig en economisch verantwoord ontwerp is in die gevallen windtunnelonder- zoek de geëigende methode. LITERATUUR 1 Bronkhorst, A.J., Geurts, C.P.W., van Bentum, C.A., Naar een beter begrip van lokale windbelastingen in de stedelijke omgeving, Roofs, 2013. 2 Stathopoulos, T., Adverse wind loads on low buildings due to buffeting. Journal of Structural Engineering Vol. 110, 1984, pp. 2374-2392. 3 Kim, W., Tamura, Y., Toshida, A., Interference effects on local peak pressures between two buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 99 2011, pp. 584-600. 4 Hui, Y., Tamura, Y., Yoshida, A., Mutual interference effects between two high-rise building models with different shapes on local peak pressure coefficients, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 104-106, 2012, pp. 98-108. 5 Hui, Y., Tamura, Y., Yoshida, A., Kikuchi, H., Pressure and flow field investigation of interference effects on external pressures between high-rise buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 115, 2013, pp. 150-161. 6 Bronkhorst, A.J., Geurts, C.P.W., van Bentum, C.A., Blocken, B., Wind interference between two high-rise building models: Interference factors for minimum peak pressures on facades and roof, ICBEST, Germany, 2014. 7 Bronkhorst, A.J., Geurts, C.P.W., van Bentum, C.A., Blocken, B., Wind interference between two high-rise building models: On the influence of shielding, channeling and buffeting on peak pressures, ICBEST, Germany, 2014. 8 Bailey, P.A., Kwok, K.C.S., Interference excitation of twin tall buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 21, 1985, pp. 323-338. 9 Xie, Z.N., Gu, M., A correlation-based analysis on wind-induced interference effects between two tall buildings, Wind and Structures International Journal 3, 2005, pp. 163-178. 10 Mara, T.G., Terry, B.K., Ho, T.C.E., Isyumov, N., Aerodynamic and peak response interference factors for an upstream square building of identical height, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 133, 2014, pp. 200-210. 11 Yu, X., Xie, Z., Gu, M., Interference effects between two tall buildings with different section sizes on wind-induced acceleration, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 182, 2018, pp. 16-26. 12 Brewick, P., Divel, L., Butler, K., Bashor, R., Kareem, A., Consequences of urban aerodynamics and debris impact in extreme wind events, 11 th ACWE, Puerto Rico, 2009. 7 42? CEMENT 6|7 2019