USA mają problem z wieżowcami. Ledwo wytrzymują

Wieżowce zaprojektowane tak, by przetrwały potężne huragany, są znacznie bardziej podatne na uszkodzenia podczas mniej intensywnych burz wiatrowych znanych jako derecho – wynika z nowego badania naukowców z Florydy.

Derecho to gwałtowna i rozległa burza wiatrowa, charakteryzująca się długotrwałymi podmuchami o prędkości przekraczającej 90 km/h. Powstaje, gdy układ burzowy rozciąga się na setki kilometrów i generuje silny wiatr, który nie wirują jak w przypadku tornada, lecz porusza się w jednym kierunku. Derecho może powodować znaczne szkody, łamiąc drzewa, uszkadzając budynki i zrywając linie energetyczne. Najczęściej występuje w Ameryce Północnej latem, ale podobne zjawiska obserwuje się także w Europie.

Odkrycie, że takie burze mogą stanowić zagrożenie dla budynków projektowanych specjalnie tak, by znosiły huragany, stawia pod znakiem zapytania odporność wysokich budynków na całym świecie na konsekwencje zmian klimatycznych.

Nieoczekiwane zniszczenia w Houston

Zespół z Wydziału Inżynierii Cywilnej i Środowiskowej Międzynarodowego Uniwersytetu Florydy (FIU) zbadał nieoczekiwanie poważne uszkodzenia budynków w Houston podczas derecho, które nawiedziło miasto 16 maja 2024 roku. Houston to metropolia z 50 drapaczami chmur o wysokości 150 metrów lub więcej.

Naukowcy odkryli, że długa linia szybko przemieszczających się burz z piorunami wygenerowała gwałtowne “porywy zstępujące” – potężne podmuchy wiatru skierowane w dół, które po uderzeniu w ziemię rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Te podmuchy, osiągające prędkość do 145 km/h, odbijały się od budynków i powodowały znaczne uszkodzenia, szczególnie fasad konstrukcji zaprojektowanych do wytrzymania silniejszych wiatrów huraganowych kategorii 4, sięgających 250 km/h.

„Kiedy silne wiatry przemieszczają się przez miasto, mogą odbijać się z powodu interferencji między wysokimi budynkami. Zwiększa to ciśnienie na ściany i okna, powodując większe szkody niż gdyby budynki były izolowane” – wyjaśnia Omar Metwally, doktorant FIU i współautor raportu.

Co ciekawe, te same budynki pozostały praktycznie nieuszkodzone podczas huraganu Beryl, który nawiedził miasto w lipcu. Wiatr towarzyszący temu huraganowi kategorii pierwszej miał stałą prędkość podobną do derecho, ale bez jego bardziej nieregularnego, charakteru, czy gwałtownych podmuchów na poziomie gruntu.

Kluczowe różnice między huraganem a derecho

Wyniki badań opublikowano w piątek w recenzowanym czasopiśmie naukowym Frontiers in Built Environment. Badanie FIU koncentrowało się na pięciu najwyższych i najbardziej znanych budynkach Houston, ale jak twierdzą badacze, może mieć głębokie implikacje dla miast w innych częściach świata.

Naukowcy podkreślają, że prędkość wiatru w derecho, która może wahać się od wartości znacznie niższych niż siła wiatru huraganu do wartości równych lub wyższych, niż najpotężniejsze sztormy, nie jest tak istotna jak sposób rozproszenia tego wiatru.

„Unikalną cechą porywu zstępującego jest to, że wiatr, po dotarciu do ziemi, zaczyna wiać we wszystkich kierunkach” stwierdza raport. „Ponadto tworzą one intensywne, zlokalizowane siły, które mogą przekraczać typowe wartości projektowe dla huraganów, szczególnie na niższych piętrach wysokich budynków” – dodaje Metwally.

Profesor Amal Elawady, specjalistka inżynierii konstrukcyjnej i wiatrowej w FIU oraz liderka zespołu, stwierdziła, że badania będą miały również znaczenie w innych krajach, gdzie przepisy dotyczące projektowania budynków i obciążenia wiatrem często obliczane są przede wszystkim z myślą o różnych kategoriach huraganów.

„To nie jest tylko problem Stanów Zjednoczonych. Porywy zstępujące są również bardzo powszechne w Europie i na całym świecie” – powiedziała. „Sposób, w jaki budynek reaguje na burzę z piorunami, różni się od sposobu, w jaki reaguje na huragany, więc jest to coś, co należy wziąć pod uwagę, nie tylko w przypadku budynków, ale także komponentów, takich jak okładziny czy elewacja.”

Budynek ma wytrzymać 67 m na sekundę

Metwally wyraził nadzieję, że badania doprowadzą do ponownej oceny przepisów i projektowania przyszłych wysokich budynków, a także planowania urbanistycznego, ponieważ urzędnicy stają się bardziej świadomi złożoności i potencjalnych negatywnych skutków burz wiatrowych.

Analiza FIU koncentrowała się na pięciu budynkach w Houston: Chevron Building Auditorium, CenterPoint Energy Plaza, El Paso Energy Building, RRI Energy Plaza i Wedge International Tower. Wszystkie budynki, o wysokości od 158 fo 226 metrów, zbudowano między 1962 a 2003 rokiem. Standardy budowlane wymagają, aby wytrzymywały wiatry o prędkości do 67 metrów na sekundę, czyli siłę huraganu kategorii 4.

Podczas zeszłorocznego derecho panele ich fasad zostały przemieszczone, a okładziny uszkodzone, szczególnie na rogach i niższych piętrach. Rozbite szkło i inne niebezpieczne odłamki spadały na ulice centrum miasta, powodując zakłócenia w ruchu drogowym, tymczasowe zamknięcia firm oraz ogromne rachunki za sprzątanie i naprawy.

Wiatry poważnie uszkadzają budynki

Zespół FIU przeprowadził symulacje porywów zstępujących i huraganów na modelach w eksperymentalnym obiekcie Wall of Wind uniwersytetu w Miami, finansowanym przez National Science Foundation. Obserwacje w tunelu aerodynamicznym wykazały, że podczas porywu zstępującego, boki budynków doświadczają bardzo mocnego efektu “ssania”, co prowadziło do zrywania okładzin i pękania okien. Podobny efekt nie pojawiał się podczas symulowanego huraganu.

„Mało prawdopodobne jest, aby wysoki budynek zawalił się pod wpływem wiatru, czy to huraganu, czy porywu zstępującego” – powiedziała Elawady. „Ale wiatr powoduje uszkodzenia budynku, które wiążą się ze spadającym na ulice gruzem, przenikaniem do wnętrza wody i zmiany ciśnienia wewnątrz”. Trwające i przyszłe badania FIU będą dotyczyć wpływu podobnych pionowych porywów wiatru na linie przesyłowe, słupy oświetleniowe, wieże telekomunikacyjne i niskie budynki. Badacze planują też pogłębić swoje eksperymenty dotyczące wieżowców.