ผนังนอกและหลังคาแบบคลื่นลดแรงดันลมพายุได้สูงสุด 60%

อาคารที่มีผนังนอกและหลังคาแบบคลื่นแสดงประสิทธิภาพในการทนทานลมแรงจากพายุไต้ฝุ่นได้ดีกว่าโครงสร้างแบบดั้งเดิมมาก โดยแรงดันลมสูงสุดลดลงได้ 40% ถึง 60% การค้นพบนี้มอบวิธีการแบบถนอมที่อิงจากเรขาคณิตให้กับสถาปนิกและวิศวกร เพื่อเพิ่มความทนทานของโครงสร้างโดยไม่ต้องเพิ่มวัสดุหรือเสริมสร้างอาคาร

ลมทำลายอาคารอย่างไร เมื่อลมพัดไปที่โครงสร้างแบนแบน ลมจะไหลผิวผ่านและแยกตัวออกที่ขอบคม ทำให้เกิดเหวี่ยง ซึ่งเหวี่ยงเหล่านี้รวมตัวกันที่มุมหลังคาและขอบ สร้างแรงดูดเข้มข้น พื้นที่แรงดันต่ำที่รวมตัวกันนี้จะสร้างแรงขึ้นที่ทรงพลัง ดึงแผ่นหลังคาขึ้นไป ในช่วงพายุไต้ฝุ่น แรงดูดสูงสุดในอาคารชั้นต่ำทั่วไปมักเกิดขึ้นที่มุมและขอบเหล่านี้พอดี กลยุทธ์ลดผลกระทบปัจจุบันรวมถึง มุมโค้ง ผนังเอียง การออกแบบแบบถอยหลัง และการสร้างผนังให้หนาและแข็งแรงเพียงอย่างเดียว ทุกวิธีเหล่านี้เพิ่มต้นทุน และมักไม่เหมาะกับการปรับปรุงโครงสร้างที่มีอยู่แล้ว

วิธีการวิจัยเรขาคณิตแบบคลื่น

วิธีการเรขาคณิตแบบคลื่น โดยทีมวิจัยนำโดย Pedro Fernandez-Caban อาจารย์ประจำวิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรม FAMU-FSU ได้ผลิตโมเดลอาคารชั้นต่ำที่มีหลังคาและผนังนอกแบบคลื่นด้วยการพิมพ์ 3D เพื่อทดสอบในอุโมงค์ลม แทนการออกแบบแบนแบนแบบดั้งเดิม พวกเขาทดสอบการออกแบบที่มีความสูงของคลื่นตั้งแต่ 5% ถึง 10% ของความสูงอาคาร และเปรียบเทียบกับการออกแบบแบนแบนมาตรฐาน นักวิจัยวัดข้อมูลแรงดันลมบนผิวโมเดลเมื่อลมพัดมาจากหลายทิศทาง โมเดลที่มีความลึกของคลื่นมากที่สุดให้ผลลัพธ์ดีที่สุด

เมื่อความสูงของคลื่นถึง 10% ของความสูงอาคาร แรงดันลมสูงสุดใกล้หลังคาและมุมผนังลดลง 40% ถึง 60% ไม่ว่าลมจะพัดมาจากทิศทางใด

กลไกของการปรับปรุงนี้มาจากอิเลียดพลศาสตร์ แทนที่จะไหลลื่นผ่านผิวแบนและแยกตัวที่ขอบเป็นเหวี่ยงใหญ่ตัวเดียวที่ต่อเนื่องกัน อากาศที่ไหลผ่านผิวแบบคลื่นจะพบกับชุดของเนินเขาและหุบเขา กระแสอากาศลื่นไหลผ่านรูปทรงคลื่น แยกตัวเป็นพื้นที่แยกตัวหลายๆ ที่เล็กกว่า แทนที่จะเป็นเหวี่ยงหลักตัวเดียว พื้นที่แยกตัวที่เล็กและกระจายตัวเหล่านี้สร้างแรงดูดเข้มข้นที่จุดใดจุดหนึ่งน้อยกว่าการออกแบบแบบดั้งเดิมมาก Fernandez-Caban อธิบายผลลัพธ์นี้ว่า "รูปทรงอาคารที่แปลกใหม่เหล่านี้ลดความเสียหายในสภาพอากาศรุนแรงที่สุด

นี่คือเครื่องมืออีกอย่างหนึ่งสำหรับวิศวกรและนักออกแบบในการป้องกันความเสียหายจากลม"

ผลกระทบกว้างขวางของเรขาคณิตแบบคลื่น

ผลกระทบในมุมกว้าง ทีมวิจัยระบุว่าหลักการอิเลียดพลศาสตร์เบื้องหลังเรขาคณิตแบบคลื่นไม่ได้侷限เพียงแค่วิศวกรรมลม การที่ไหลของของเหลวส่งผลต่อการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอากาศกับผิวคลื่น มีหลักฟิสิกส์พื้นฐานเดียวกันกับสาขาอื่นๆ เช่น การบิน วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม และมหาสมุทรวิทยาฟิสิกส์ Fernandez-Caban กล่าวว่า "เรากำลังจัดการกับอากาศ วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นอาจจัดการกับคลื่นและน้ำ แต่ความเข้าใจในไหลของของเหลวสามารถนำทางการออกแบบและวิศวกรรมในทุกสาขาได้"

ทีมวิจัยกำลังดำเนินการทดลองอุโมงค์ลมเพิ่มเติม เพื่อลักษณะลักษณะการไหลของอากาศรอบระบบหุ้มแบบคลื่นได้ดีขึ้น ไม่ได้แค่วัดแรงดันผิว พวกเขายังวางแผนใช้การจำลองไหลของของเหลวเชิงคำนวณ (CFD) เพื่อปรับปรุงเรขาคณิตแบบคลื่นให้ดียิ่งขึ้น และทดสอบรูปทรงผิวที่ไม่ได้ครอบคลุมในการศึกษาเบื้องต้น งานวิจัยนี้มีผู้ร่วมเขียนคือ รองศาสตราจารย์ Qian Zhang นักศึกษาดุษฎีบัณฑิต Arezoo Bakhshizadeh และศิษย์เก่า Peter Tsouroukdissian และได้รับการสนับสนุนจาก Florida State University และคณะวิศวกรรม FAMU-FSU

เมื่อความเข้มข้นของพายุไต้ฝุ่นเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากอุณหภูมิมหาสมุทรที่สูงขึ้น การพึ่งพาวิธีแก้ไขอิเลียดพลศาสตร์แบบถนอม แทนการเพิ่มมวลโครงสร้าง แสดงถึงขั้นตอนหนึ่งสู่การออกแบบอาคารที่ทนทานมากขึ้น งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Engineering Structures

ความสำคัญของการออกแบบแบบคลื่นต่อความปลอดภัยของอาคาร

เมื่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศทำให้พายุไต้ฝุ่นรุนแรงขึ้น การออกแบบอาคารแบบดั้งเดิมเผชิญกับความท้าทายที่มากขึ้น การออกแบบผนังนอกและหลังคาแบบคลื่นไม่เพียงแต่ลดแรงดันลมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยังเพิ่มความทนทานของโครงสร้างได้โดยไม่เพิ่มต้นทุนวัสดุ วิธีการนวัตกรรมนี้ที่อิงจากอิเลียดพลศาสตร์ มอบมุมมองใหม่ให้สถาปนิกและวิศวกร โดยเฉพาะในการปรับปรุงโครงสร้างที่มีอยู่แล้ว ในอนาคต เทคโนโลยีนี้อาจเล่นบทบาทสำคัญในสาขาวิศวกรรมอื่นๆ อีกด้วย กระตุ้นนวัตกรรมการออกแบบในมุมกว้าง