Учёт ветровых воздействий очень важен для обеспечения безопасности зданий различной конфигураций. Целью статьи является определение основных характеристик ветровых воздействий на здания и сооружения. Были рассмотрены основные факторы, которые нужно учитывать при проектировании и расчёте конструкций.
Ключевые слова: ветер, ветровая нагрузка, аэродинамика, аэродинамическая труба.
Экологическая ситуация в мире усугубляется с каждым годом. В крупных городах мира в буквальном смысле уже нечем дышать! По данным Всемирной организации здравоохранения, более 92 % населения нашей планеты дышит загрязненным воздухом. Ежегодно из-за загрязнения воздуха умирают около 3 миллионов человек. То есть каждая девятая смерть связана именно с этим [1].
Казахстан, как и многие другие государства, прочно закрепился в списке стран с крайне негативными экологическими тенденциями.
По данным РГП «Казгидромет», в Казахстане значительное влияние на загрязненность воздуха имеют:
– промышленное производство;
– загруженность автодорог городским транспортом;
– низкая проветриваемость населенных пунктов.
При проектировании и строительстве возникают множество проблем в области оценки ветровых нагрузок на здания сложных форм. Чаще всего, здания размещают на городском генеральном плане в соответствии с градостроительной ситуацией, без учета годового хода преобладающих ветров. В связи с этим фасады зданий и сооружений, обращенные к преобладающим ветрам, будут подвержены различной ветровой нагрузке. То есть одни участки будут испытывать максимальное давление, другие — лишь часть от максимального, а третье могут оказаться в зоне разряжения и испытывать отрицательное давление [2].
Параметры ветра, в общем случае, являются нестационарными случайными величинами, которые существенно изменяются по высоте и направлению. Интенсивное вихреобразование, возникающее при обтекании ветра здания и прилегающих застроек, может вызвать опасные аэроупругие явления: вихревой резонанс, галлопирование, положительное или отрицательное давление ветра. Опасные нагрузки может вызвать не только продолжительный ветер, но и его кратковременные порывы [4].
На взаимодействие ветра и здания оказывают воздействия:
– скорость, направление и угол ветра;
– степень турбулентности ветрового потока;
– архитектурные формы здания и наличие различных выступающих элементов (балконы, лоджии, проёмы);
– расположение здания в массиве городской застройки и ориентация по отношению к сильным ветрам.
Главной причиной возникновения турбулентности ветрового потока является неровность рельефа и степень плотности городской застройки.
При проектировании в близком расположении друг к другу нескольких одинаковых высотных зданий могут возникать высокие аэродинамические усилия, приводящие в последующем к разрушению зданий.
Строительство высотного здания меняет аэродинамику окружающей городской застройки, так как возникают сильные вихревые потоки, которые могут плохо влиять на прилегающие здания. Учитывая данный факт, возрастает необходимость проектирования здания и/или сооружения с принятием во внимание окружающей застройки [3].
Для решения всех вышеизложенных проблем существуют три основных метода расчета ветровых воздействий на здания и сооружения:
– аналитический метод;
– экспериментальное моделирование;
– численное моделирование.
Аналитический метод заключается в использовании расчетных методик, приведенных в нормативных документах, а также справочных данных по значениям различных коэффициентов. Данный метод используется для зданий и сооружений типовой формы, а также конструкций поведение которых изучено и требует проведения дополнительных исследований для уточнения.
Для уникальных строительных конструкций, формы которых сильно отличаются от типовых решений, рассматриваемых в нормативных документах, норматив регламентирует проведение экспериментальных исследований в специализированных аэродинамических трубах. Создание потока воздуха, обтекающего модель исследуемого здания или сооружения в аэродинамической трубе, где исследуется обтекаемость за счет фиксирования датчиками необходимых параметров неподвижно закрепленных моделей, — основной и наиболее распространенный метод аэродинамического экспериментального исследования [5].
В рамках магистерского проекта был поставлен эксперимент в лаборатории при Казахской Головной Архитектурно-строительной Академии [6].
Суть эксперимента заключается в получение значений скорости в определенный промежуток времени с помощью четырех анемометров серии UT362. Преобразований этих данных в графики скорости ветрового потока.
Методика эксперимента: платформа имеет направление севера и юга. Ветер направляется с северной стороны. Перед исследуемой плоскостью были установлены два датчика на уровнях 10 и 40 сантиметров от поверхности. Точно также 2 датчика было установлено и после исследуемой поверхности, на тех же уровнях, что и первые.
Для получения частоты эксперимента было решено замерять скорость воздушного в определенных положениях на рабочей области. Было выбрано 16 точек (8 точек перед рабочей поверхностью и 8 точек за рабочей областью). Исследовался макет бизнес центра, выполненный в масштабе. Макет располагалась на платформе в 3 разных положениях:
– Положение 1 — боковой фасад А (рис. 1)
– Положение 2 — боковой фасад В (рис. 2)
– Положение 3 — задний фасад (рис. 3).
На основе полученных данных в ходе эксперимента были построены графики скорости.
Рис. 1. Исследование воздушного потока относительно бокового фасада А
Рис. 2. Исследование воздушного потока относительно бокового фасада Б
Рис. 3. Исследование воздушного потока относительно заднего фасада
Исследуя 3 положения данного макета видно, что направление к главным ветрам и расположение здания на генеральном плане города очень важно играет большую в проектировании и работы конструкционных материалов.
Численное моделирование аэродинамики самый молодой и активно развивающийся метод в настоящее время. Данный метод позволяет существенно дополнить и расширить результаты экспериментального моделирования, а в некоторых ситуациях — даже частично его заменить. Тем не менее, проведение исследований исключительно методом численного моделирования на данном этапе его развития может лишь сопровождать эксперимент в аэродинамических трубах, поскольку принимаемая расчетная модель в каждом конкретном случае нуждается в верификации с экспериментом. Метод численного моделирования возможно реализовать с помощью современных программных комплексов, которые дают возможность для внедрения автоматизации расчета на стадии проектирования строительного объекта, состоящую из системы информационного моделирования здания или BIM технологии (Building Information Modelling). Одной из возможностей для проектировщиков применения BIM для конструктивного анализа является связка программных комплексов Autodesk Revit и SOFiSTiK.
Спроектирована отдельная конечно-элементная модель бизнес-центра, состоящая из граней самого здания, входной и выходной поверхности для описания потока ветра базовой поверхности земли, а также объема воздуха.
Параметры среды, в которой изучалось движение ветра, были приняты согласно современным нормам для Алматы. Для расчёта была выбрана к—е модель. Изменение ветрового потока происходило и было проанализировано в течение 120 секунд с выводом результатов каждые 10 секунд.
На выходе были получены результаты распределение скорости ветра и потока на различных высотных уровнях (5 и 35 метров) распределение скорости ветровых потоков в разрезе здания (рис. 4).
Рис. 4. Распределение скорости ветра и потока на различных высотных и в разрезе здания
Основным результаты работы было получение распределения ветрового давления на все фасады здания (рис. 5). Полученные данные будут в последствии применяться в расчетах в качестве основного воздействия на несущие конструкции изучаемого макета. Полученные результаты были зафиксированы в 4 временных промежутках 10 секунд, 20 секунд, 70 и 120 секунд.
Рис. 5. Распределения ветрового давления на фасады здания
В ходе анализа исследований были сделаны следующие выводы:
1) Моделирование и продувание модели здания в аэродинамической трубе — один из лучших способов для наблюдения видов ветровых потоков.
2) При плотной городской застройки следует учитывать взаимное влияние зданий друг на друга.
3) При расчёте зданий и сооружений необходимо учитывать силу воздействия ветра, расположение в массиве городской застройки и ориентацию по отношению к сильным ветрам.
4) Ветровая нагрузка влияет на комфортность, при проектировании следует предусматривать мероприятия по защите от ветра.
5) Информационное моделирование и автоматизация процессов строительного проектирования является одной из важнейших задач современного развития отрасли.
6) По результатам анализа изменения ветрового давления на фасады исследуемого здания с помощью методов вычислительной газодинамики было доказано, что для зданий и сооружений, имеющих сложную форму в плане и в пространстве недостаточно использование простых нормативных методик, и необходим комплексный CDF анализ, который реализован в модуле DOLFYN.
Литература:
1. Тукпиев Ж. «Нечем дышать! В каких городах Казахстана самый опасный воздух?»/ Ж. Тукпиев // Казахстанская правда. — 2018, 03, 16. — электронное издание.
2. Дорошеноко С. А. Исследование влияния близжайшей застройки на изменение обтекания ветровым потоком высотного здания // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2013. № 1(29). С.9–13.
3. Кошкин А. А. Анализ динамического воздействия воздушного потока на тандем моделей высотных зданий // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 2(43). С.134–141.
4. Жучков О. А., Маринич Е. С., Турмов С. Г. Высотные здания и тенденции комплексной застройки в жилищном строительстве современного крупного города // Современное общество: проблемы, идеи, инновации. 2015. № 4. С.89–93.
5. Горохов Е. В., Пичугин С. Ф., Махинько А. В., Назим Я. В. Экспериментальное определение результирующих аэродинамических характеристик моделей зданий и сооружений // Металлические конструкции. 2011. Т.17. № 2. С.85–95.
6. Константинова Ю. С. «Моделирование ветровых воздействий на здания и сооружения различной конфигурации», магистерский проект магистранта. 15.05.19/ Константинова Ю. С. — Алматы, 2019. — 115 с.
