| Abstract | A porous double-skin façade system (PDSF) is a type of building cladding used on contemporary buildings. It is developed by attaching outer, porous skins to a solid façade. On tall buildings, the inner skin is usually made of glass and steel, while the outer, porous skin is made of perforated steel or aluminum plates. The purpose of the PDSF system is to enhance building energy efficiency, acoustic insulation, and visual appearance. For example, the outer skin may be used to tune the amount of sunlight on the building, thus cooling the building in the summer and heating it in the winter. This approach yields energy savings and leads to a decrease in the carbon footprint of buildings. The main goal of the present work is to experimentally determine the effect of PDSF systems on the aerodynamic characteristics of tall buildings, a topic that is currently underexplored.
The experimental work was performed in the boundary layer wind tunnel of the Inter-University Research Centre on Building Aerodynamics and Wind Engineering (CRIACIV) at the University of Florence, Italy. Two atmospheric boundary layer (ABL) simulations were created that correspond to suburban and rural terrains. To study the effects of PDSF porosity, a building model of a 1:1:5 geometric aspect ratio was manufactured. It corresponds to a 200 m tall building in the simulation length scale of 1:400. The material used for the building model was stainless steel. Three sets of outer skins were produced, with a porosity of 25%, 50% and 65%. The outer skins were perforated metal sheets with circular openings 10 mm in diameter. The porosity was achieved by altering the number of openings. This allowed for four different configurations, the three different PDSF systems, as well as a single-skin building model as a reference case. Additional building models of 1:1:3, 1:1:4, 1:2:5 and 1:3:5 aspect ratios were used in the single-skin configuration and with the 65% PDSF porosity only. To study the effects of the aerodynamic interference of tall buildings in an urban environment, eight 1:1:5 dummy building models were designed. They were placed in an in-line formation around the principal 1:1:5 building model in three configurations regarding the spacing between the building models. All the building models were studied at various flow incidence angles β.
Integral aerodynamic loads on the building models were assessed using high-frequency force balance (HFFB). An array of pressure sensors was used on four vertical surfaces of the 1:1:5 building model to observe aerodynamic pressure on the inner skin of the studied building model.
Several major findings emerged from this work. In particular, the application of a PDSF system generally yields a decrease in the standard deviation of the integral mean across-wind moment coefficient. The along-wind aerodynamic loads on the building models generally proved negligibly influenced by the PDSF system. The outer façade acts as a shelter to the inner façade, thus causing a large decrease in the aerodynamic pressure acting on the inner façade. This is highly dependent on the porosity of the outer façade, with higher porosity causing a lower decrease of the surface pressure on the inner façade. High local pressures can occur on the inner façade depending on the openings situated on the outer façade. The aerodynamic characteristics of tall buildings with PDSF systems are rather complex. General findings do not necessarily apply to all cases due to highly complex, local phenomena caused by the porosity of the outer façade. Therefore, the design of engineering structures should be subject to laboratory tests or computational analysis to accurately resolve all the relevant aerodynamic phenomena. |
| Abstract (croatian) | Visoke zgrade se često izvode uz primjenu sustava poroznih dvostrukih pročelja. Glavna svrha poroznih dvostrukih pročelja je poboljšanje energetske učinkovitosti i izgleda zgrade. Poboljšanje energetske učinkovitosti se ostvaruje podešavanjem svjetla u unutrašnjosti zgrade, dok se odgovarajući arhitektonski oblik zgrade postiže otvorima na vanjskom pročelju.
Sustav poroznog dvostrukog pročelja se sastoji od unutarnjeg i vanjskog pročelja postavljenih na međusobnoj udaljenosti od 0.1 m do 2 m. Unutarnje pročelje se uobičajeno izvodi primjenom stakla i čelika, dok se vanjsko pročelje izrađuje od nehrđajućeg čelika ili aluminija. Na vanjskom pročelju se nalaze otvori koji mogu biti različitih oblika i dimenzija, od kružnih ili četvrtastih otvora promjera nekoliko milimetara, sve do geometrijskih oblika dimenzija nekoliko metara. Na vanjsko pročelje se može postaviti rasvjeta koja dodatno doprinosi poboljšanju izgleda zgrade. Vanjsko pročelje doprinosi energetskoj učinkovitosti zgrade i štiti unutarnje pročelje od nepovoljnih atmosferskih uvjeta. S obzirom na činjenicu da je često tlocrt visokih zgrada kvadratnog oblika, pri čemu visina bitno nadmašuje širinu i duljinu zgrade, porozno vanjsko pročelje je jednostavan način isticanja arhitektonske izvedbe zgrade.
Trenutno na svijetu postoji mali broj visokih zgrada s poroznim dvostrukim pročeljima. Glavni razlog je nedovoljno poznavanje aerodinamičkih značajki takvih zgrada. Opterećenje vjetrom je važan čimbenik dinamičke stabilnosti visokih zgrada, jer vjetar može uzrokovati značajne vibracije na višim katovima, kao i izraženi površinski tlak na pročeljima zgrade. Unatoč činjenici da su vibracije očekivane i prihvatljive s obzirom na dinamička svojstva zgrade, one mogu uzrokovati nelagodu kod ljudi, i stoga ih je potrebno umanjiti.
Istraživanje aerodinamičkih značajki visokih zgrada s poroznim pročeljima je provedeno u zračnom tunelu CRIACIV (Inter-University Research Centre on Building Aerodynamics and Wind Engineering) Sveučilišta u Firenci, Italija. Provedene su ukupno četiri vrste eksperimenata:
•
Aerodinamička opterećenja visoke zgrade opremljene dvostrukim poroznim pročeljima, pri čemu omjer duljine, širine i visine iznosi 1:1:5,
•
Utjecaj atmosferskog graničnog sloja (AGS) na aerodinamička opterećenja visoke zgrade opremljene dvostrukim poroznim pročeljima, pri čemu omjer duljine, širine i visine iznosi 1:1:5,
•
Aerodinamička opterećenja visoke zgrade opremljene dvostrukim poroznim pročeljima za različite omjere visine i tlocrtne površine zgrade,
•
Aerodinamička opterećenja visoke zgrade opremljene dvostrukim poroznim pročeljima i smještene u urbanom okolišu.
Zračni tunel Sveučilišta u Firenci je Eiffelovog tipa i namijenjen eksperimentalnom modeliranju AGS-a uz primjenu barijere i podne hrapavosti. Na ulazu u ispitnu sekciju zračnog tunela jednolika struja zraka struji preko barijere, pri čemu nastaju vrtlozi s horizontalnom osi vrtnje. Elementi podne hrapavosti postavljeni nizvodno od barijere omogućavaju stvaranje i održavanje potrebne turbulencije u donjem dijelu modela AGS-a, koji je karakteriziran osrednjenom brzinom strujanja zraka, intenzitetom turbulencije, integralnom duljinskom mjerom turbulencije i spektralnom gustoćom snage pulzacija brzine strujanja zraka. Značajke modela AGS-a se određuju na temelju mjerenja brzine strujanja, tlaka i temperature zraka. Budući da su gradijenti osrednjene brzine i intenziteta turbulencije najveći neposredno iznad podloge mjerne sekcije zračnog tunela, mjerne točke su gusto raspoređene u tom području modela AGS-a. Primjenom elemenata podne hrapavosti i nazubljene barijere su razvijena dva modela AGS-a, koji su sukladni strujanju vjetra iznad prigradskog i ruralnog terena u mjerilu duljine 1:400.
Ispitivani model zgrade je oblika kvadra uz odnos duljine, širine i visine u iznosu 1:1:5. Model je visine 0.5 m, te u duljinskom mjerilu 1:400 predstavlja 200 m visoku zgradu. Donji dio modela zgrade je izrađen u skladu s dimenzijama visokofrekventne vage (HFFB) koja je korištena za određivanje integralnih aerodinamičkih opterećenja modela zgrade. Na vertikalnim površinama modela zgrade su postavljeni osjetnici tlaka. Model zgrade je izrađen od nehrđajućeg čelika da bi se postigla krutost modela zgrade i izbjegle aeroelastične pojave. Za model vanjskog, poroznog pročelja su korištene tanke ploče od nehrđajućeg čelika na koje su laserom izrezani kružni otvori 10 mm promjera u četvrtastom uzorku. Mijenjanjem broja otvora su izrađena tri modela pročelja poroznosti 25%, 50% i 65%.
Dvije eksperimentalne metode su korištene za određivanje aerodinamičkih opterećenja modela zgrade. Za mjerenje integralnih aerodinamičkih sila i momenata je model zgrade postavljen na HFFB, dok su osjetnici tlaka postavljeni na unutarnjem pročelju kako bi se odredio površinski tlak na unutarnjem pročelju.
Ispitivanje utjecaja omjera visine i tlocrtne površine modela zgrade opremljenog dvostrukim poroznim pročeljima na aerodinamička opterećenja modela zgrade je provedeno na modelima zgrada odnosa duljine, širine i visine 1:1:3, 1:1:4, 1:2:5 i 1:3:5. Modeli zgrada su izrađeni od aluminija da bi se postigla njihova čvrstoća i krutost. Modeli zgrada su ispitani u izvedbi s klasičnim, jednostrukim pročeljem, i s dvostrukim poroznim pročeljem poroznosti 65%.
Model zgrade je uz samostojeći postav, tj. bez susjednih modela zgrada, također ispitan i uz prisustvo osam okolnih modela zgrade odnosa duljine, širine i visine 1:1:5. Na ovim dodatnim modelima zgrada nisu provedena mjerenja, već su oni poslužili isključivo za simulaciju strujanja vjetra u urbanom okruženju. Modeli dodatnih zgrada su postavljeni u kvadratnom obliku oko ispitivanog modela zgrade na kojem su provedena mjerenja s ciljem ispitivanja utjecaja urbanog okoliša. Ispitivanja su provedena za različite kuteve nastrujavanja zraka.
Na temelju provedenih eksperimenata su ostvarena sljedeća saznanja:
•
Na modelu zgrade opremljenom sustavom poroznog dvostrukog pročelja je zabilježeno smanjenje standardne devijacije integralnog momenta u horizontalnom, poprečnom smjeru u odnosu na smjer strujanja zraka;
•
Porozna dvostruka pročelja ne utječu na koeficijent integralnog momenta u smjeru strujanja;
•
Iznos tlaka na unutarnjem pročelju modela zgrade opremljenog sustavom poroznog dvostrukog pročelja je bitno manji u odnosu na model zgrade s jednostrukim, klasičnim pročeljem, i ovisi o poroznosti vanjskog pročelja;
•
Kod sustava poroznih dvostrukih pročelja je moguća pojava izraženog lokalnog tlaka na unutarnjem pročelju, ovisno o poziciji otvora na vanjskom pročelju modela zgrade.
Aerodinamičke značajke visokih zgrada s poroznim pročeljima su izrazito složene i opći zaključci ne vrijede nužno za sve slučajeve. Izvedba takvih konstrukcija treba prije izgradnje biti detaljno ispitana. U budućnosti je bitno istražiti učinak takvih konstrukcija na strujanje zraka u njihovoj blizini i moguće nepovoljne aerodinamičke pojave u urbanim okruženjima. Dodatno je potrebno istražiti pojavu izraženog lokalnog tlaka na površini unutarnjeg pročelja zgrade, utjecaj poroznih dvostrukih pročelja na površinski tlak na donjem dijelu zgrade, i aerodinamičke značajke zgrada složene arhitekture opremljenih dvostrukim poroznim pročeljima. Ovaj rad predstavlja temelj i polazišnu točku budućih računalnih simulacija strujanja zraka u blizini zgrade opremljene dvostrukim poroznim pročeljem. |
