DYNAMICA VAN HOGE GEBOUWEN (4)

ir. G.M.vanUlfelen

Marcel van Uffelen is raadgevend ingenieur bij

Peutzin Mook.

,-J

/ 0,10

( '

/ I

0,15 \o,13

0,25

0,20

VjO.15]0,IC1

1. Gemiddelde (n) en fluctuerende (b) vorm/actoren van de drukken fCJ bij verschillende plaatsing van twee hoge slanke torens.

Locale drukken op gevelsen daken onderschatNieuwbouw heeft invloed op de windbelasting van bestaande gebouwen,vooral bij lokale drukken. Maar het effect van windinterferentie is niet eenvou-dig uit literatuur te halen. Uit windtunnelonderzoek blijkt dat de gevolgen bijlokale drukken groter kunnen zijn dan bijvoorbeeld de Eurocode aangeeft.Aanvulling van de norm lijkt daarom verstandig. Overzicht van het onderzoeken de conclusies, met daaraan gekoppeld een voorstel voor aangepaste regelsen vervolgonderzoek.

De windbelasting op gebouwen wordtdoorgaans bepaald met normen als de Euro-code11' of door metingen aan schaalmodellenin de windtunnel. Dit gebeurt in de ontwer-pfase en dan wordt over het algemeen deinvloed van bestaande omringende bebou-wing meegenomen, bijvoorbeeld met figuurA.4 uit [1]. Maar nieuwe gebouwen kunnen

van grote invloed zijn op de bestaande.Deze wisselwerking heet windinterferentieen hangt af van de vorm en afmetingen vande gebouwen, de onderlinge afstand en deruwheid van de omgeving.Ontwerpgegevens uit de wetenschappelijkeliteratuur putten is niet eenvoudig, zekerniet waar het gaat om de impact op bijvoor-

beeld gevels of daken, en case-studies zijnmeestal maar voor een specifiek projectgeschikt. Daarom is systematisch onderzoeknodig om algemeen toepasbare gegevensover windinterferentie, en dan vooral voorlokale drukken, te krijgen. Dit kan vanbelang zijn voor met name constructeur engevelbouwers, maar ook voor eigenaren vangebouwen waar vlakbij een nieuw gebouwwordt gepland.

Een dergelijk onderzoek is uitgevoerd metmetingen aan rechthoekige, ronde en drie-hoekige gebouwen met verschillende hoog-ten. De afmetingen, onderlinge afstanden ende turbulentie-intensiteit van de in de wind-tunnel aangeboden wind zijn gevarieerd.De resultaten worden in dit artikel gepresen-

JUNI 2012 | BOUWEN MET STAAL 227

Literatuur

1, NEN-EN 1991-1 -4 (Eurocode 1: Belastingen op constructies • Deel 1-4: Algemene belastingen - Windbelasting), 2005 + Al, 2011 + C2, 2011 + NB, 2011.- 2. Y. Taiinke,

'Interferenee meenanism tor en ban eed wind forceson neighbouring tall buildings, Journal ofWind Engineering and Industria! Aerodynamics42 Issues 1-3 (1992), p. 1073-

1083 - 3. CUR Aanbeveling 103, Windtunnebnderzoek voor da bepaling van ontwerp-windbelastingen op (hoge) gebouwen en onderdelen ervan, CUR, Gouda 2005.

• 4. C.P.W. Geurts en CA. Van Bentum, 'Hoge gebouwen vangen lokaal meer wind dan de norm'. Bouwen met Staal 19512007), p. 42-45. «5. G.M. van Uffelen en H. Plomp,

'Windbelasting op bestaande gebouwen neemt toe door nieuwe hoogbouw'. Bouwen met Sfaa/206( 2008), p. 50-54. -6,0. Bronkhorst, 'Adverse effectson loads dueto

wind interference betweenlow-rise and high-rise buildings', conference ICWE13, Amsterdam 2011. »7. G,M, van Uffelen, 'Wind-tndueed building interference; increase

of wind loads on existing buildings after erection of new high-rises', conference ICWE13, Amsterdam 2011.

2. Windtunnel met proefopstelling voor windinterferentie. 3. Druksensorc:! van de SensorTechnïcs HCL-serie.

teerd, vergeleken met de literatuur en deEurocode en gegeneraliseerd. Ook wordt eeneerste voorstel voor normering gedaan, datkan worden gebruikt voor het ontwerp vangevels en daken of om te bepalen of een voorhet bouwplan specifieke case-studie wense-lijk is of om planschade te beoordelen.

Literatuurstudie windinterferentieDe definitievan de interferentiefactor, IF.

IF — windbelasting op gebouw in groep/windbelasting op vrijstaand gebouw (1)

Bij de windbelasting kan het gaan om krach-ten en momenten op de hoofddraagcon-structie of om lokale winddruk en -zuigingop gevelonderdelen of dakbedekking. Daar-naast kan eenvoudig onderscheid wordengemaakt tussen de gemiddelde en flucturen-de componenten, maar ook piekwaarden.Waar over winddrukken wordt gesproken,kan het overigens gaan over zowel druk alszuiging.

Doorgaans wordt bij dit soort onderzoekeneen proefopstelling gebruikt als in afbeeldin-gen 1. Het nieuwe, bovenwindse gebouw(rood) wordt verschoven, waarbij het

bestaande, benedenwindse gebouw, waaraanwordt gemeten, blijft staan. Voor elke positievan het bovenwindse gebouw wordt deinterferentiefactor IF bepaald. In dit gevalgaat het om lokale winddrukken. Deze wor-den met dynamische druksensoren gemetendie via gaatjes in de gevels en dak zijn ver-bonden door slangetjes. Taniike121 heeftdergelijke metingen gedaan aan de windin-terferentie tussen twee hoge slanke torens.Taniike bracht een rij drukmeetpunten aanrondom de voet van de benedenwindse torenen toonde aan dat de dimensieloze vormfac-tor van de fluctuerende component van delokale winddrukken kon toenemen van C '- 0,2 tot maar liefst 0,4, zoals in afbeelding 1is te zien. Hierdoor namen de piekdrukkenmet ongeveer 70% toe, dus IF - 1,7. Dit wasbij een onderlinge afstand van bijna vier keerde gebouwdiameter. In de linker plot vanafbeelding 1 is te zien dat ook de gemiddeldewindrukken toenemen als er een nieuwgebouw bovenwinds wordt geplaatst. Dit iseen significant verschil met de gemiddeldekrachten en momenten op de hoofd-draagconstructie, die doorgaans wel profi-teert van gunstige afscherming. Zie ookliteratuur bij [4], [5], [6] en [7].

Systematische metingenDoor Peutz zijn systematische metingen uit-gevoerd aan windinterferentie ten aanzienvan lokale winddrukken (afb. 2) in navol-ging van het werk van Taniike.De dynamische winddrukken wordensimultaan op maximaal 128 meetpunten uit-gelezen met een samplefrequentie van 1000Hz. De druksensoren zijn van de HCL-serievan SensorTechnics {afb. 3) en staan via dun-ne slangen in verbinding met de meetpuntenin de gevels en dak (vooraan in afb. 2).De metingen en uitwerking gebeuren met deCUR-Aanbeveling 103(i|.Het benedenwindse gebouw heeft een hoog-te-breedte verhouding van 4:1. De onder-zochte varianten zijn: rechthoekig, drie-hoekig en cilindervormig grondplan van hetbovenwindse gebouw.De hoogte-breedte verhouding van hetbovenwindse gebouw is 4:1 en 2:1. Een lagerbovenwinds gebouw kan namelijk een delta-vleugelwervel loslaten langs de dakrand dienaar de opgaande gevels van het anderegebouw wordt getransporteerd.De interferentiefactoren worden grafischweergegeven in plattegronden met contou-ren voor de waarden van IF als functie van

BOUWEN MET STAAL 227 | JUNI 2012

140

- 120

ü

| »

K 60

1S 40

20

0

IF m

-

_ _

i•__

•1111•

1,4 E 100 -

-10 O 10 20 30 40 50 60 70 8 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

dwcT-sverolaatsirg (en!

3 0 10 20 30 40 50 60 70 8

rlwa-bverolastsirp icnl

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 8

dwarsverplaatsing (cml

4. Interferentiefactor voor maximale overdruk en zuiging op bestaandegebow 5. Interferentiefactor voor maximale winddruk of zuiging met hogere turbulentie-

hiii'nsücit tn aangeboden ^rcnsiaagfirvining (sit'di'Ujk? onigeving)

de positie van het bovenwindse gebouw.Deze interferentiefactoren zijn gebaseerd ophet gemiddelde van de vier hoogste over-drukken (links in afb. 4), respectievelijk hetgemiddelde van de hoogste vier zuigingenop het bestaande gebouw (rechts in afb. 4)zonder te kijken op welk meetpunt op degevels of dak de hoogste waarden zijn geme-ten. Afbeelding 4 laat verder zien dat eenbovenwinds gebouw meer invloed op dezuiging heeft dan op de overdruk op hetbenedenwindse gebouw. Dat komt door deverdringingswerking van de bovenwindse,nieuwe toren, waardoor de snelheden toene-men en de drukken dalen. Ook de wervelsdie bij de bovenwindse toren worden losgela-ten, zorgen lokaal voor een snelheidsverho-ging en daardoor nog meer zuiging,Daarnaast zijn er verticale gevelaanzichtenweergegeven in afbeelding 6. Hierin is juistper meetpunt weergegeven hoe de lokaleinterferentiefactoren verdeeld zijn over degebouwomhulling, dus op basis van de permeetpunt gemeten maximale overdruk ofzuiging.

Op de gebouwhoek in de zijgevel bedraagtde maximale lokale IF ±2,3. Gemiddeld overde vier meetpunten met de hoogste zuiging

in deze zone geeft nog altijd een IF-waardevan ongeveer 1,8. Het effect treedt overigensniet alleen op bij kleine onderlinge gebou-wafstanden, maar houdt over grote afstan-den stand, tot wel ruim vijfmaal de gebouw-diameter. Nabij de voet van de bestaandetoren bedraagt de maximale lokale IF ±1,7,wat goed overeenkomt met het werk vanTaniike. Aan de voorrand van het dak, zieafbeelding 7, is een IF van ongeveer 1,8 tezien, dus bijna een verdubbeling van delokale zuiging. Betrokken op de vier hoogstewaarden in deze zone is de IF duidelijk lager,maar nog altijd zo'n 1,4.

GebouwvormCilindervormige gebouwen blijken trouwensminder windinterferentie op te leveren danrechthoekige. De verdringingswerking vaneen cilinder is namelijk minder dan van eenrechthoek; daarom is ook de totale vormfac-tor Cf van een clindervormig gebouw lager.Bij driehoekige gebouwen is het effect onge-veer gelijk aan dat van een rechthoekiggebouw, tenzij de scherpe hoek van de drie-hoek naar de wind is toegericht. Dan is heteffect kleiner. Interessant is dat ook een lage-re bovenwinds gebouw de zuiging kan ver-

hogen. Zelfs een half zo hoog bovenwindsgebouw kan lokaal interferentiefactoren van2 opleveren. Als er naar de vier hoogstegemeten zuigingen wordt gekeken, is er nogaltijd een toename van de zuiging op hetbenedenwindse, hogere gebouwvan 20%gemeten.

Twee bovenwindse gebouwenEr is ook gemeten aan het effect van tweebovenwindse gebouwen. De eerste isgeplaatst op de meest ongunstige locatie vol-gend uit bovengenoemde metingen aan ééngebouw (de gele plek in afbeelding 4).De positie van de tweede is gevarieerd.Ook hier bleek de invloed op de zuiging hetgrootst te zijn. Als de twee bovenwindsegebouwen vlak bij elkaar staan, zal hetbestaande gebouw vooral van afschermingprofiteren. Als aan de andere kant de onder-linge afstand heel groot is, zijn de waardenvan de IF weer gelijk aan die met een enkelebovenwinds gebouw.De lokale waarden per meetpunt gaan ietsomhoog, van 2,3 naar 2,6. In het dakvlak gaatde waarde zelfs sterk omhoog, als de tweedevlakbij het bestaande gebouw staat. Dit komtdoor de verhoogde verdringingswerking van

JUNI 2012 | BOUWEN MET STAAL 227

O 4 8 12 16

y (linker gevel)

O 4 8 12

x (lij-geveD

12 16

•omde gev

0 2 4 6 S 10 12 14 16

6. Verhoging van de w'tnddruk of 2 uigingper meetpunt gevels, 7. Verhoging van de wind druk o/ziügnig per meet

punt dak.

de beide gebouwen samen, die dan samen-werkt met de interferentie door het andere,meer bovenwinds geplaatste gebouw.

Turbulentie-intensiteitVerhoging van de turbulentie-intensiteit vande aangeboden grenslaagstroming werktgunstig. De globale ïnterferentiefactor, dusvoor de hoogst gemeten zuiging of overdruk,is nu nog maar 1,3 (afb. 5). Ook hier gaat hetoverigens nog steeds om het gemiddelde vande vier hoogste. Hiermee wordt de gunstigeinvloed van een stedelijke omgeving op dewindtinterferentie aangetoond. Dit heeftnamelijk tot gevolg dat de druk- en zuiging-spieken ook bij de nulmeting aan het oor-spronkelijke vrijstaande gebouw al wat hogerzijn. Bovendien zal de grotere hoeveelheidturbulentie de snelheidsverschillen in het zogvan de nieuwe toren weer sneller uitwissen.Maar opvallend is dat aan de voet van hetbestaande gebouw nog wel de bovengenoem-de interferentiefactor van 1,7 wordt gevon-den. Deze wordt kennelijk door een andereffect veroorzaakt dan de interferentie facto-ren hoger op de gevels. Dit is waarschijnlijkhet effect van 'downwash1: wind uit hogereluchtlagen - waar de windsnelheid hoger is -

die door de verdringingswerking van debovenwindse toren naar beneden wordtgeduwd. Hier heeft de hogere turbulentie-intensiteit kennelijk minder vat op.In de bovenste helft van de gevels loopt dehoogste lokale interferentiefactor, gemiddeldover de vier meetpunten met de hoogstezuiging in de desbetreffende zone, nog altijdop tot +1,7, ook hier weer tot op grote onder-linge gebouwafstanden.

Conclusies en consequentiesHet effect van windinterferentïe op bestaandegebouwen door nieuwbouw kan groot zijn.Met name de zuiging op gevels en dakenneemt toe, niet alleen de piekwaarde maar ookde fluctuerende component. Dit kan leiden totsnellere vermoeiing van materialen. Zelfsplaatsing van een lager gebouw in de nabijeomgeving heeft een aanzienlijke invloed.In de Eurocode staat in figuur A.4 aangege-ven hoe de invloed van een nieuw hooggebouw op de bestaande in de omgevingmoet worden verdisconteerd. Alleen als dehoogte hh. h van het nieuwe gebouw meerdan twee maal zo hoog is als de gemiddeldehoogte h.ave van de omringende gebouwen,worden de windlasten verhoogd.

Het is duidelijk dat dit voor lokale winddruk-ken een te soepele benadering is en dat hetdaarom verstandig is om aanvullende richtlij-nen voor lokale winddrukken op te stellen.Het feit dat verhoging van de turbulentie-intensiteit van de aangeboden grenslaagstro-ming een gunstig effect heeft, relativeert ditoverigens enigszins. Een stedelijke omgevingresulteert immers in een verlaging van degemeten interferentiefactoren. Hiermeerekening houdend, kan als vuistregel gesteldworden dat bij plaatsing van een even hooggebouw in de nabijheid interferentiefactorenvoor de hoogste zuiging of overdruk op hetgebouw tot 1,3 kunnen optreden, dit bijonderlinge gebouwafstanden tot maar liefsttien maal de gebouwdiameter. De lokaleinterferentiefactoren op het dak en de gevelskunnen waarden tot 1,3 op het dak en 1,7 inde bovenste helft van de gevels aannemen,bij onderlinge gebouwafstanden tot ruim vijfmaal de gebouwdiameter, niet alleen aan devoet van het bestaande gebouw, maar ookbovenaan en op het dak. In tabel 1 is eeneerste voorstel voor normering uitgewerkt.Aansluitend op de rekenregels uit NEN-EN1991-1-4 wordt de windinterferentiegekwantificeerd door de referentiehoogte zn

BOUWEN MET STAAL 227 I JUNI 2012

Tabel 1. Bestaande rekenregels windinterferenlie NEN-EN 1991-1-4 en voorstel aanvulling voor effect op lokale winddrukken dooreen enkel bovenwinds gebouw in

bebouwde omgeving,

situatie bestaande normering: referentiefioogte zn c r voorstel aanvulling: referentiehoogte zn voor

NEN-EN 1991-1-4 lokale winddrukken met één bgvenwinds gebouw, bebouwde omgeving

(alleen als h,.igK > 2h a J ; (alleen als hhigh > bj):

r = 2.dlarge bij slank bovenwinds gebouw r =* 5dlarB8

r = hh K bij massief bovenwinds gebouw

daarbij: vormfactor Gpe, = 1,3Cpa, in randzones van hovenste helft gevels

w, düsgeen effect

daarbij: vormfactor Cfrisi,3CM.jïa randzones van bovenste helft ge>

z = hl0 ,dusgeeneffect

& Reproductie van figuur AA uit NEN-EN 1991-1-4, invloed v n hoog gebouw op nabijgelegen bouwwerken.

voor de stuwdruk qr op het beschouwdegebouw te verhogen als functie van deonderlinge afstand x en de breedte van hetbovenwindse gebouw dIa e of de hoogte vanhet bovenwindse gebouw hhj h , en de hoogtevan het beschouwde gebouw h l w , zie dedefinities in afbeelding S.De voorgestelde verhoging van de referentie-hoogte za voor de stuwdruk q op hetbeschouwde gebouw lijkt fors, maar vertaaltzich niet in een heel grote toename van destuwdruk q . Als bijvoorbeeld het boven-windse gebouw even hoog is als het bestaan-de, neemt de stuwdruk ±30% toe in eenbebouwde omgeving en aan de voet van hetgebouw ±70% van de lokale winddruk,omdat er bij toepassing van deze rekenregelsimmers één waarde voor de stuwdruk voorhet gehele gebouw wordt gebruikt, namelijkdie op de de referentiehoogte zn. Op dezewijze blijkt de resulterende toename van destuwdruk q dus een redelijke overeenkomstmet de in dit artikel gepresenteerde interfe-rentiefactoren IF op te leveren, behalve in derandzones in de bovenste helft van de gevels,waarvoor derhalve nog een extra verhogingvan de lokale vormfactoren Cpc, wordt voor-gesteld. Voordeel van deze aanpak is verder

dat deze goed aansluit bij de bestaandemethode uit NEN-EN 1991-1-4, waarbijfiguur A.4 en de daarin aangegeven defini-ties ook blijven worden gebruikt voor lokalewinddrukken.

Geadviseerd wordt verder om bij dit voorstelde windrichtingsfactoren uit CUR Aanbeve-ling 103li] mee te nemen in de uitwerking.Gebouwen die aan de oostzijde van hetbestaande gebouw staan, vallen dan bijvoor-beeld buiten beschouwing, want uit hetoosten komen minder zware stormen voordan uit het westen.

Houd er ook rekening mee dat in een verderonbebouwde omgeving de interferentiefac-toren nog duidelijker hoger kunnen uitval-len dan in tabel 1 aangeven waarden. Ergeldt dan bij benadering: zn = h]im + hvoor het gehele gebied x < 2r, waarbij voorde lokale vormfactoren geldt: C M = 1,5C ^ t

in de randzones van de bovenste helft van degevels.

Verder onderzoekInteressant voor verder onderzoek is hetrelatief lage, bovenwindse gebouw methoogte-breedte verhouding 2:1. Er is nogniet bekend wat het effect is van draaiing

van dit gebouw ten opzichte van de wind-richting, wat tot een delta vleugel wervel ophet dak en daardoor verder verhoogdewind interferentiefactoren kan leiden. Ookhet mogelijk verzachtende effect van verho-ging van de turbulentie-intensiteit van deaangeboden grenslaagstroming hierop, moetdan natuurlijk mee worden onderzocht. Ookkan nog gedacht worden aan een meting metnog meer omgevingsbebouwing, bijvoor-beeld door - conform afbeelding 8-demeet schijf vol te zetten met gebouwen vanwisselende hoogte.

Om windtunnelmetingen aan windinterfe-rentie verder te kunnen verbeteren, is Peutzbezig met een langdurige meting op heteigen kantoor te Mook, waar bij een aantalwindrichtingen een significant effect quawindinterferentie van de windtunnelhalwordt verwacht. Wordt vervolgd. •

JUNI 2012 | BOUWEN M E T STAAL 227