Воздействие ветра на высотные монолитные здания

ВЛИЯНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Большое влияние на формирование архитектуры высотных зданий имеют природно-климатические условия, строительства – горизонтальные ветровые нагрузки, температурно-влажностный, а также солнечный режим окружающей среды. Исходя из этого, фасады современных высотных зданий должны отличаться друг от друга в зависимости от ориентации по странам света, наружные конструкции сооружения должны воспринимать разницу в температуре, в атмосферном давлении и влажности между внешней и внутренней средой. Конструктивные решения в вопросах о строительстве высотных зданий зачастую зависят от его несущей способности и качества грунта на участке.

Весьма важным критерием при разработке проекта высотного здания является оценка определения ветровой нагрузки, а также расчета зданий на воздействие ветра, и не только с точки зрения статической надежности, но и с точки зрения реакции здания на те или иные воздействия (образование завихрений, возникновение шумов и т.д.).

Первые высотные дома, возведенные из кладки, не были так подвержены ветровому воздействию, как современные здания из стекла, металла и бетона. Большие открытые пространства внутри здания, балки большого пролета, внутренние перегородки и навесные фасады, все большая высота зданий значительно уменьшили несущую способность зданий. Вследствие этого учет горизонтальных воздействий на здание становится одним из основополагающих факторов при расчете здания на прочность. Воздействие ветра на высотное здание определяется рельефом местности, наличием зданий и сооружений, деревьями, а также объемно-пространственной структурой самого здания. При этом расчете учитываются такие характеристики, как скорость, направление и характер ветра.

По опытным данным известно, что средняя скорость ветра, как правило, возрастает с высотой здания (рисунок ниже).

Обобщенная схема изменения вектора скорости ветра с высотой: а – спираль Экмана; б – вертикальный профиль над ровной поверхностью

Большое влияние имеет наличие арочного проема в здании при ветровой нагрузке, который создает возможность перемещения воздушной струи с высоким давлением в заветренную сторону здания, где уже преобладает зона низкого давления. При этом скорость ветра под аркой, а также вблизи нее в два раза превышала скорость ветра на исследуемой территории. При воздействии ветра на здание помимо прочего прямого ветрового потока возникают потоки повышенной скорости – это турбулентные потоки и завихрения воздуха. Вихри с высокой скоростью вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи сооружения, вследствие чего возникают мало ощущаемые колебания здания. Кроме колебаний возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов, проникновения таких потоков через щели в окнах, а также «завывание» вокруг здания. Такие колебания, конечно, отрицательно воспринимаются людьми и должны учитываться при проектировании высотных зданий.

За рубежом основным инструментом определения распространения ветрового давления на здание и влияние возведенного здания на окружающую среду является специальная аэродинамическая труба. В такой трубе принимаются модели различного масштаба в зависимости от поставленных задач, например М1:1250, M1:1500 или М1:500 и др., определяются параметры давления на здание, влияние на окружающую застройку, шум от ветрового потока и другие показатели. Результаты, которые были полученны при испытании в аэродинамической трубе, переносятся на реальный объект с различными коэффициентами точности.

Наиболее оптимальной следует считать форму, которая позволяет получить минимальные ветровые нагрузки в направлении преобладающих ветров. Это поможет уменьшить динамические нагрузки на здание и его колебания, которые влияют на комфорт, а также оптимизировать конструктивное решение.

Объемно-пространственные решения высотного здания должны выполняться с учетом возможного воздействия ветра. Это отражается на принимаемой за основу форме здания.

По объемно- пространственным решениям высотные здания разделяют на следующие:

– пластины («Оверси-Чайниз Бэнкинг Корпорэйшн Сэнтр» (Сингапур)Арх.: Я.М. Пэй энд Партнерс,52 этажа),

– квадратная башня («Глориэтта Оаквуд» (Макати, Филиппины)Арх.: Архитекчур Интернешнл, 26 этажей),

– башня круглая («Австралия Сквэа» (Сидней, Австралия) Арх.: Хэрри Сейдлер энд Эссошиэйтс, 45 этажей)

– башня треугольная (Коммерцбанк (Франкфурт-на-Майне, Германия)Арх.: Фостер энд Партнэрс, 53 этажа)

– башня многолучевая (Здание на Котельнической набережной (Москва, Россия)Арх.: Д. Чечулин, А. Ростковский, 32 этажа)

Из рассмотренных форм особенно следует выделить цилиндрическую и треугольную, которые имеют преимущества по следующим признакам:

– наименьшая поверхность сопротивления ветровому давлению (по сравнению со зданиями прямоугольной формы расчетное давление снижается на 20-40%);

– обеспечение пространственной работы конструкций, которые обладают высокой экономичностью и технологичностью.

Также возможно эффективное использование зданий в форме пластин или эллипса при возможном совмещении благоприятной ориентации по сторонам света и относительно преобладающих ветров, с учетом наименьшего сопротивления ветру или, при необходимости, ветровой защиты дворовой территории.

Для снижения воздействий природно-климатических воздействий необходимо произвести оптимизацию форм конструкций.

Помимо рассмотренных объемно-пространственных решений уменьшение влияния ветровой нагрузки на высотное здание может быть достигнуто с помощью применения также архитектурных приемов: выполнения зданий в виде усеченной пирамиды и пристройки объемов меньшей высоты. Помимо этого, используется разделение здания на два объема и разделение верха здания. Однако следует учитывать, что с уменьшением общей ветровой нагрузки на здание возникает эффект увеличения скорости ветра между разделенными частями. Поэтому требуется оценка возможности использования этих двух приемов в каждом конкретном случае с учетом ориентации здания по отношению к преобладающим ветрам и других факторов.

При выполнении высотного здания в виде усеченной пирамиды влияние ветровой нагрузки значительно снижается, а значение его горизонтального прогиба (крена здания) уменьшается на 10-50 %. Это дает возможность уменьшить сечение несущих конструкций, что, значительно, влияет на экономичность строительства.

При проектировании высотных зданий следует использовать следующие архитектурные приемы для снижения скорости ветра на уровне пешеходных зон:

– организация подиумов вокруг высотных зданий. Подиумы разбивают воздушные потоки, в том числе ниспадающие, тем самым уменьшают силу ветровых потоков на нижнем уровне;

– благоустройство прилегающего участка с размещением малых архитектурных форм, посадка деревьев с низкой кроной, задерживающих ветер.

По мере увеличения высоты зданий многие проблемы во многом обостряются. Одной из важнейших проблем является опасность отклонения от вертикальной оси под влиянием ветровых нагрузок. Выходом из данного положения стало решение разместить на верхнем техническом этаже одного из филадельфийских небоскребов большой груз, который мог перемещаться по двум перпендикулярным направляющим. Этот же прием, более усовершенствованный, применен в нью-йоркском здани- Корпентерцентре. Ветровая нагрузка просчитывалась программными комплексами, а сообщение передавалось на пульт, и груз смещался в необходимую точку плана.

Исходя из этого, правильный учет природно-климатических факторов, влияющих на высотные здания, обеспечит:

1) безопасность эксплуатации высотного объекта;

2) создание рациональных объемно-пространственных решений;

3) разработку фасадов современных высотных зданий, отличающихся друг от друга в зависимости от ориентации по сторонам света;

4) создание требуемого температурно-влажностного режима в помещениях;

Список литературы и источников

1. Архитектурные конструкции. Книга 1. Архитектурные конструкции малоэтажных жилых зданий; Архитектура-С – Москва, 2006. – 248 c.

2. Белоконев Е. Н., Абуханов А. З., Белоконева Т. М., Чистяков А. А. Основы архитектуры зданий и сооружений; Феникс – Москва, 2009. – 336 c.

3. . Гиясов Адхам Плоскостные и пространственные конструкции покрытий зданий; Издательство Ассоциации строительных вузов – Москва, 2008. – 144 c.

4. . Девятаева Г. В. Технология реконструкции и модернизации зданий. Учебное пособие; Инфра-М – , 2003. – 256 c.

5. Маклакова Т. Г. Архитектурно-конструктивное проектирование зданий. Том 1. Жилые здания; Архитектура-С – Москва, 2010. – 328 c.

Ветер – смертельная угроза небоскребам

Ветровое воздействие является основным негативным фактором, влияющим на высотные здания. Его влияние настолько велико, что одними лишь конструктивными мероприятиями по увеличению размеров несущих элементов и класса бетона проблему не решить. Традиционно считается, что при проектировании объектов с авторской архитектурой, инженеры и конструкторы являются второстепенными фигурами, которые только берут под козырек и выполняют любые пожелания и прихоти архитектора.

При проектировании же высотных зданий в эти «традиционные» взаимоотношения вклинивается ветер, который нагружает здание такими громадными нагрузками, что архитектор, конструктор, а также заказчик, садятся рядом и начинают общаться, чтобы прийти к консенсусу.

Как следствие, последние этажи, на которых могли бы разместиться шикарные пентхаусы, отводятся под размещение многотонных маятников-демпферов. Процент полезных площадей падает, поскольку технические помещения занимают не привычные 1,5%, а все 10. А то и форма здания требует серьезных изменений.

Здания, в силу их протяженности и угловатости относятся к категории «плохо обтекаемые объекты», как следствие окружающая среда активно борется с этой помехой, пытаясь здание согнуть, закрутить, опрокинуть, оторвать или вдавить панели фасадов, и, вдобавок — опалить солнечными лучами и создать прочие неприятности.

Рис 1. Ветер подвергает здания всевозможным нагрузкам

Кстати говоря, максимальная температура кровли (покрытия), которую можно зафиксировать в Москве — 84°С.

Ориентация конструкцииМаксимальная температура поверхности здания
Юг67°С
Восток, запад77°С
Покрытие84°С

Скорость ветра активно растет с высотой, ведь при движении воздуха нижние слои тормозятся о поверхность Земли, и с высотой это воздействие снижается, что приводит к росту подвижности воздушных масс.

Рис 2. Ориентировочная скорость ветра летом на различной высоте на равнине (иллюстрация из книги «Пулевая спортивная стрельба», А.А. Юрьев, 1973 г.)

Если бы ветровые нагрузки были статичными, то проектирование здания не представляло каких-то чрезмерных трудностей для профессионального конструктора — при увеличении скорости ветровая нагрузка растет вполне предсказуемо. Однако, в реальных условиях воздух не обтекает здание гладко — возникают завихрения, которые приводят к появлению мощной переменной боковой силы, и при некотором значении скорости ветра ее значение скачкообразно растет. Эту нагрузку невозможно оценить по СП или СНиПам, она может быть определена только по результатам математического моделирования или при испытаниях в аэродинамической трубе.

Рис 3. Вихревые образования создают мощную боковую переменную силу, действующую на здание Рис 4. При определенной скорости ветра эта боковая сила может скачкообразно вырасти

Возникающие вокруг здания вихри и турбулентность постоянно меняют характер нагружения, что приводит к раскачиванию и дрожанию здания, что не только вызывает интенсивный износ конструкций, но и создает неприятные условия для людей, находящихся в здании.

Рис 5. Характер обтекания здания, показывающий турбулентность и переменчивость нагрузок. Изменение цвета соответствует возрастанию скорости воздуха: синий, голубой, зеленый, желтый, красный

Если взять квадратное высотное здание, которое является крайне неудачным для обтекания воздуха, то существует четыре основных способа, которые позволяют улучшить аэродинамику такой башни.

Рис 6. Квадратная башня и четыре способа улучшить ее аэродинамику: конусообразность, «вырезы», изменение сечения, скругление углов

Давайте посмотрим, какие оригинальные решения принимаются для борьбы с ветром на примере самых интересных небоскребов мира.

Круглые здания

Очевидно, что лучший способ снизить ветровые нагрузки на здание – это придать ему форму, близкую к аэродинамически совершенной, например, как капля, крыло самолета, овальная или круглая.

Рис 7. Схема движения ветра. Рисунок Нормана Фостера здания SwissRe в Лондоне

В квадратном, угловатом здании ветер с силой сталкивается с плоской поверхностью, устремляется вниз, сбивая с ног пешеходов, а также ударяется об углы здания, создавая дополнительную турбулентность и, как следствие, переменчивые нагрузки на конструкции. В круглом здании эти потоки мягко огибают его, что хорошо видно на примере здания SwissRe.

Скругление углов

Чтобы сохранить прямоугольную или квадратную форму зданий, которая наиболее удобна с точки зрения архитектурных планировок, архитекторы готовы пожертвовать углами, позволив их немного «смягчить».

Казалось бы, чего можно добиться при незначительном скруглении краев, но в действительности разница – колоссальная. Математическое моделирование показывает, что ширина возмущенного потока с 20 метров уменьшилась почти до 10 метров, а следовательно, здание противостоит меньшей мощи потока.

Рис 8. Слева – обтекание воздухом квадратной башни. Справа – квадратная башня с закруглениями. Обратите внимание на длину пунктирной линии, которая показывает ширину возмущенного потока

Расчет также демонстрирует, что ветровые нагрузки на здание с закругленными краями уменьшаются почти в три раза по сравнению с острогранным сооружением! Более того, посмотрите, как в течение двух минут на квадратное здание действуют две пиковые нагрузки, в то время как нагрузка на закругленное здание почти не меняется со временем.

Рис 9. График нагрузок от ветра для двух зданий. Красная линия – квадратное здание с острыми гранями, синяя – с скругленными. Обратите внимание на разницу в величине нагрузок и два больших пика для красной линии

Скажем в самобытной высотке Taipei 101 высотой 508 метров, закругления выполнены в виде вырезов.

Рис 10. Башня Taipei 101 в Тайване Рис 11. Башня Taipei 101 имеет вырезы в углах

Вы могли заметить, что в мире трудно встретить небоскреб, который заметно расширяется к верхней части. Большинство небоскребов сужаются по мере движения к вершине, делая это плавно или уступами, тем самым значительно снижая «парусность» объекта и снижая интенсивность возникновение вихрей.Сужение к верхней части

Читайте также:  Асбестоцементные трубы использование и применение

Примеров таких объектов очень много — от зданий 100-летней давности до самых современных.

Рис 12. Новый «Осколок» в центре Лондона Рис 13. Ступенчатый «Вулворт» в Нью-Йорке

Еще одним способом снижения влияния сильных ветров на высотные здания является увеличение их «пористости» или ветровой проницаемости – выполнение проемов, позволяющих воздуху организованно пройти сквозь здание.Организация проемов

Рис 14. Аэродинамика здания с проемами значительно улучшается

Особенно это актуально для тонких зданий, которые отличаются высоким соотношением ширины и высоты. Скажем, в башне Парк Авеню 432 (этому зданию мы посвятили отдельный выпуск) было принято решение не закрывать фасадами шесть технических этажей, чтобы обеспечить свободное движение воздуха через здание.

Рис 15. Парк Авеню – «вырезы» выполнены в виде незакрытых фасадами технических этажей Рис 16. «Вырез» в здании финансового центра, Шахнай


Закручивание
В некоторых зданиях в этих организованных пространствах размещают ветрогенераторы, чтобы мощь ветра перевести в электричество. Хотя заметного вклада в электроснабжение здания «ветряки» не вносят, они тем не менее являются яркой демонстрацией желания девелопера использовать «зеленые технологии».

Это самое сложное, но красивое как с эстетической, так и с технической точки зрения решение проблемы ветрового воздействия на небоскребы.

Как и в авиации, главный аэродинамический бич высотных зданий — срыв потока воздуха, при котором гладкое обтекание объекта воздухом нарушается и образуются завихрения, при этом резко растет нагрузка, появляется пульсация, раскачивание и прочие негативные эффекты.

Рис 17. Срыв потока с крыла, который может привести к штопору самолета

Самый яркий пример использования этого метода — грандиозная Шанхайская Башня высотой в умопомрачительные 632 метра (второе здание в мире после Бурж Халифа).

Рис 18. Башня Шанхая закручивается по всей высоте, сводя к минимуму срыв потока

В результате анализа, математического моделирования и испытаний в аэродинамической трубе инженеры смогли придать такую плавно скручивающуюся форму здания, что с какой бы стороны поток воздуха не сталкивался с башней, он мягко соскальзывает с минимально возможным образованием вихрей. Как следствие, ветровые нагрузки на здание снизились на 24%!

Амортизаторы

В особо сложных случаях, когда другими мероприятиями добиться должного комфорта и безопасности здания не удается, инженеры прибегают к использованию массивных демпферов.

Их смысл довольно прост – в верхней части здания размещают огромный, практически свободно подвешенный груз, который раскачивается в противоположную сторону от колебаний здания. Если вершина небоскреба под действием ветра или землетрясения отклоняется влево, массивный маятник, отклоняется в обратную сторону, увлекая за собой башню.

Рис 19. Два демпфера по 650 тонн в 432 Парк Авеню

Вообще, в отличие от обычных, невысотных зданий, в которых конструкторы уменьшают толщину плит перекрытия, а значит и вес верхней части здания, в высотках стоит противоположная задача. В зданиях, которые не имеют заметного сужения, наоборот стремятся увеличить вес верхней части, чтобы снизить подверженность колебаниям. Скажем, в очень тонком доме 432 Парк Авеню толщина перекрытий в верхней части вырастает до 450 мм по сравнению с 250 мм перекрытиями нижних этажах.

В Башне Шанхая невозможно было разместить демпфер необходимого веса, поэтому инженеры усилили амортизационный эффект с помощью мощного электромагнита.

Среди зданий, упомянутых в нашем выпуске, демпферы применяются в следующих из них: 432 Парк Авеню (1300 тонн) , Тайпей 101 (660 тонн), Шанхайская башня (1000 тонн).

Цена вопроса

Давайте возьмем одиночный жилой дом высотой около 200 метров, расположенный в Москве и определим, сколько может стоить математическое моделирование или аэродинамические испытания на предмет ветровых воздействий?

Минимальный состав работы:

  • 1.Определить ветровые нагрузки на здание с учетом окружающего рельефа и застройки.
  • 2.Выполнить анализ ветровой комфортности пешеходных зон в окрестности здания.

Цена математического моделирования, скажем в программном комплексе Ansys, составляет около 1 500 000 руб. Стоимость испытаний в аэродинамической трубе — 2 000 000 руб.

В заключение хочется привести мнение инженера-конструктора башни Бурж Халифа о том, где находится предел человеческих возможностей: “Мы (человечество) можем выстроить здания вдвое выше этого небоскреба или даже больше… Мы можем легко достичь километровой высоты… Сейчас мы можем достичь высоты в одну милю и, возможно, еще немного выше”.

Автор: Александр Иванов, ООО «Траст инжиниринг»

Воздействие ветровых нагрузок на высотные здания Текст научной статьи по специальности « Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Скрипченкова Светлана Юрьевна

Одной из основных проблем высотных здания во всём мире является воздействие на отдельно стоящие здания и комплексы зданий ветровых нагрузок. Для решения ветровых проблем небоскрёбов архитекторами, инженерами и представителями других специальностей из 25 стран было создано международное Интернет-сообщество «ВОРТЕКС-Виндс», основными функциями которого является общение и решение вопросов противодействия ветру небоскрёбов, путём сбора банка данных о ветровых проблемах, аэродинамических исследованиях в данной области. В итоге определился ряд мер, рекомендуемых для борьбы с ветром. Это рекомендации по проектированию определённой формы фасадов, устройство гасящих колебания здания демпферов и выработка ряда других рекомендаций для проектирования и строительства высоток.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Скрипченкова Светлана Юрьевна

EFFECTS OF WIND LOADS ON TALL BUILDINGS

One of the main problems of high-rise buildings all over the world is the impact of wind loads on detached buildings and complexes of buildings.To solve the problem of winds architects, engineers and representatives of different professions from 25 countries have formed the International Internet Group “VORTEX-Winds”. The main function of which is communication and resolution of the problem of counteraction of skyscrapers to wind through the formation of database on wind-related research on aerodynamics in the architectural field.As a result, a variety of measures have been determined, which are recommended in the fight against wind. These are design recommendation for the shape of the building facades, the installation of dampers to lessen building swaying, and a number of other recommendations for the design and construction of skyscrapers.

Текст научной работы на тему «Воздействие ветровых нагрузок на высотные здания»

А СТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

№2 (40) 2017. с. 103-108.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ Светлана Юрьевна Скрипченкова Астраханский государственный университет skr1958@yandex.ru

Высотные здания, ветровая нагрузка, конструкции, защищающие небоскрёбы от ветра.

Одной из основных проблем высотных здания во всём мире является воздействие на отдельно стоящие здания и комплексы зданий ветровых нагрузок. Для решения ветровых проблем небоскрёбов архитекторами, инженерами и представителями других специальностей из 25 стран было создано международное Интернет -сообщество «ВОРТЕКС-Виндс», основными функциями которого является общение и решение вопросов противодействия ветру небоскрёбов, путём сбора банка данных о ветровых проблемах, аэродинамических исследованиях в данной области. В итоге определился ряд мер, рекомендуемых для борьбы с ветром. Это -рекомендации по проектированию определённой формы фасадов, устройство гасящих колебания здания демпферов и выработка ряда других рекомендаций для проектирования и строительства высоток.

EFFECTS OF WIND LOADS ON TALL BUILDINGS Svetlana Yurievna Skripchenkova Astrakhan State University

High-rise buildings, wind loading, design, protecting skyscrapers from the wind.

One of the main problems of high-rise buildings all over the world is the impact of wind loads on detached buildings and complexes of buildings.To solve the problem of winds architects, engineers and representatives of different professions from 25 countries have formed the International Internet Group “VORTEX-Winds”. The main function of which is communication and resolution of the problem of counteraction of skyscrapers to wind through the formation of database on wind-related research on aerodynamics in the architectural field.As a result, a variety of measures have been determined, which are recommended in the fight against wind. These are design recommendation for the shape of the building facades, the installation of dampers to lessen building swaying, and a number of other recommendations for the design and construction of skyscrapers.

Интересно рассмотрение высотных зданий с точки зрения экологического влияния на них окружающей природы, а также изменения окружающих природных условий вследствие их строительства. Проектирование небоскрёбов – это решение комплекса различных задач, среди которых архитектурные, геологические, природно-климатические и др. Последние включают в себя восприятие ветровых нагрузок на здание и их использование.

По всему миру замечено влияние высотных зданий на корректировку погодных условий и не всегда эти изменения положительные. Например, известно, что при ветровом воздействии в основании зданий возникают сильные вихревые потоки, за счёт изменения скорости ветра, которые затрудняют движение проходящих людей, охлаждают нижнюю часть здания, что вызывает дополнительные расходы на отопление, а конструкции этой части зданий испытывают повышенную аэродинамическую нагрузку и раньше времени приходят в нерабочее состояние, что требует дополнительных расходов на их закрепление и ремонт.

Верхняя часть здания от ветра раскачивается, при этом с наветренной стороны конструкции испытывают растяжение, а с подветренной – сжатие. При этом нарушается вертикальность внешнего остекления и стекла могут трескаться. Строгая вертикальность требуется и для нормальной работы лифтов. Вода в раковинах и ваннах верхних этажей начинает плескаться, что создаёт негативные ощущения у жильцов и работников офисов.

Ветер оказывает и негативное звуковое влияние, проникая в небольшие щели и отверстия, отчего раздражающе «завывает», как в этих местах, так и вокруг всего здания.

Самое большое воздействие ветер оказывает в середине наветренной стороны, откуда почти половины потока уходит вниз и иногда ветровая нагрузка на входе в здание может превышать нагрузку на высоте 100м.

Перед началом проектирования небоскрёба производится аэродинамическое и математическое испытание модели здания, учитывающее характер и направление ветра, определяются места воздействия наибольшей ветровой нагрузки, возникновения шумов и вибраций.

В ряде случаев воздействие вихревых потоков можно значительно снизить. Это задача проектировщиков, которая состоит в разработке такой формы небоскрёба, которая заставила бы ветер снизить свою нагрузку. У архитекторов и инженеров появилось выражение «обмануть ветер». Приоритеты форм следующие: лидеры – здания с круглым, овальным, каплевидным планом; следующая группа – здания с треугольным планом со скруглёнными углами; далее – прямоугольные, квадратные, четырёхугольные планы и за ними следуют спаренные башни, волнообразные и другие сложные объёмно-пространственные решения. Хорошо себя зарекомендовали конусные и иглообразные фасады, уменьшающиеся от основания к вершине в плане высотки, а также здания с уступами и в виде пирамиды (московские высотки), где жесткость конструкции за счёт формы повышается на 10-50%. Примером такого строительства является на сегодняшний день «Бурдж Халифа» в г. Дубае Объединённых арабских эмиратов, имеющий в сечении трёхлепестковый план, за основу которого был взят растущий в этом регионе цветок – гименокаллис. С высотой горизонтальная ветровая нагрузка растёт, а размеры плана этажей уменьшаются. Аэродинамические испытания модели 828-ми метрового великана в аэродинамической трубе показали, что разработанная обтекаемая иглообразная форма здания позволяет значительно снизить горизонтальную ветровую нагрузку за счёт обтекания ветра, который разбивается на мелкие слабые потоки.

Жалобы людей, проживающих в разных стран, живущих вокруг небоскрёбов и в проблемных ветровых районах, заставили проектировщиков в 2008г. создать Интернет-сообщество «ВОРТЕКС-Виндс» (VORTEX-Winds – Виртуальная организация по снижению отрицательного воздействия ураганного ветра на общество), которое рассматривает проблемы и даёт рекомендации по их устранению и решению. Сегодня это сообщество включает учёных, архитекторов, инженеров 25 стран.

На сайте сообщества размещены научно-информационные базы данных по аэродинамике, сведения о проектах ветроустойчивых конструкций, базы данных факторов ветровых угроз, собранных от разных участников проекта и объединённые вместе. Желающие могут заочно обучиться «ветровому» проектированию в режиме онлайн, также предоставляются услуги по дистанционной диагностике проблемных зданий, есть доска электронных объявлений. Это один из интересных примеров международного научного взаимодействия.

Уже к 2008 году определился следующий перечень форм фасадов небоскрёбов, рекомендуемых для строительства в районах с повышенной ветровой нагрузкой, не ухудшающих своим появлением естественного природного состояния:

– элементы фасада здания со скруглёнными, «мягкими» углами (Международный финансовый центр Гуанчжоу в Китае) (см рис.1);

– иглообразная форма здания (пример – Бурдж Халифа в ОАЭ);

– уступы на здании(Тайбэй 101 в Тайване);

– изменение поперечного сечения здания по высоте;

– наличие пор, сквозных отверстий или рассеивателей на фасаде.

Примером таких отверстий является 492-х метровый Шанхайский всемирный финансовый центр в Китае с отверстием наверху, которое было спроектировано для пропуска сильного ветрового потока в верхней части здания и дало зданию прозвище «Открывашка».

Читайте также:  Технология каркасного домостроения

Международный финансовый центр Гуанчжоу в Китае

Бурдж Халифа в ОАЭ

Тайбэй 101 в Тайване

■Шанхайский всемирный финансовый центр в Китае («Открывашка»)_

Рис.1. Формы высотных зданий, «обманывающих» ветер.

Как можно видеть на рис. 2 на изменение природных условий влияет как месторасположение здания, так и его окружение. Так, вокруг группы высотных домов создаётся зона рециркуляции, в которой вихревые потоки, возникшие около одного здания, гасятся или усиливаются у других.

Рис.2. Изменение ветровых потоков около Рис.3. Образование вихревых ветровых одиночной высотки потоков вокруг группы зданий и

Космические съёмки демонстрируют такие изменения.

Определено, что в центрах городов на высоте460м существует пограничная зона, до которой ветер активно меняет направление и характер воздействия, а колебания, которые он

вызывает можно соизмерить с 4-5-ти бальным землетрясением. Скорость ветра до пограничной зоны может возрастать в 4 раза. Действие этого ветра тормозится поверхностью земли и стоящими рядом зданиями и сооружениями. А выше пограничной зоны скорость ветра становится постоянной. Значит, ориентируя и располагая здания определённым образом можно добиться значительного снижения ветровой нагрузки.

Следующей возможностью противостояния высоток ветру является устройство аутригерных поясов. Аутригеры – это мощные, в основном металлические конструкции, опоясывающие небоскрёб, благодаря которым нагрузка при воздействии ветра равномерно распределяется между ядром и колоннами каркаса, а также другими несущими конструкциями. Часто аутригерные этажи делают техническими, располагая в них инженерное оборудование и коммуникации или аварийное место пребывания людей во время пожара.

Аутригеры могут быть одно- и многоэтажными, горизонтальными и диагональными, металлическими и железобетонными, сплошными и стержневыми системами, со связями и без них.

Рис.4.Двухэтажный аутригер «Лахта- Рис.5. Проект одноэтажного аутригера.

Центра» в Санкт-Петербурге.

Конструкция аутригера для каждого здания проектируется индивидуально и имеет следующиефункции: повышение изгибной жесткости здания, противостояние прогрессирующему обрушению в случае потери прочности отдельной конструкцией, устойчивость к ветровым нагрузкам. Обычно они устраиваются через несколько этажей.

Другой конструкцией противостояния ветру является пассивный маятниковый демпфер. Это маятник с большой массой, который при сильных порывах ветра и раскачивании верхней части небоскрёба начинает тоже приобретать свои колебания, но другой частоты, которые гасят колебания здания. В здании может быть один или несколько демпферов. Например, в башне Taipei101 на 92 этаже подвешена тросах один 800-тонный пассивный маятниковый демпфер (рис.6, 7).

А в небоскрёбе Бурдж-аля-Араб («Парус») в г. Дубае ОАЭ равномерно от основания до вершины здания по двум диагоналям размещены десять резонансных амортизирующих 5-ти тонных грузов-демпферов.

Следующим фактором защиты от ветра являются правильный выбор ограждающих конструкций. Сегодня – это в основном прозрачные фасадные системы из высокопрочного стекла на каркасе, которые выполняют ограждающую, теплоизолирующую и солнцезащитную функцию. Ранее считалось, что окна могут быть невентилируемыми, а для хорошего воздухообмена достаточно налаженной системы кондиционирования. Но в последнее время по требованию людей, располагающихся в высотках, которые требуют притока в здания свежего воздуха, решаются различные конструкторские задачи по естественному проветриванию.

В итоге можно составить группу следующих параметров и конструкций высотных зданий, правильно проектируя которые можно значительно снизить ветровую нагрузку:

1. выбор оптимальной формы небоскрёба;

2. ориентация здания в соответствии с «розой ветров»;

3. одиночное или групповое расположение высотки, учитывающее снижение ветровой нагрузки;

4. устройство аутригеров;

5. установка пассивных маятниковых демпферов;

6. эффективное внешнее ограждение.

Кажется, что для нашего региона строительство небоскрёбов является далёкой перспективой. И указанные выше данные и результаты исследований могут не пригодится для будущих архитекторов, которых готовят в Астраханском государственном университете при изучении дисциплины «Архитектура высотных зданий». Но замечено, что в цикле конструкторских дисциплин она вызывает повышенный интерес у студентов. Во многом это связано с тем, что строительство небоскрёбов – это область деятельности, которая мотивируется амбициями, желанием богатых корпораций, фирм, государственных деятелей удивить и заявить о себе миру. Поэтому, как правило, заказчики высотных зданий не экономят на исследованиях, разработках и внедрении новых строительных материалов и технологий строительства, что редко можно встретить при серийном типовом строительстве. А вот результаты исследований и разработок, полученные при высотном строительстве могут быть полезны и учтены при традиционном многоэтажном строительстве. Кроме этого

не так давно даже 9-ти этажные дома удивляли жителей Астрахани своей высотой. Может быть скоро мы увидим и небоскрёбы.

1.Маклакова Т.Г. Высотные здания. М.: МГСУ 2008.С.1-50.

2.Маклакова, Т.Г. Архитектурно-конструктивное проектирование зданий. Т.1. Жилые здания: М.: Архитектура-С, 2010. С.196-200.

3.Инженерное оборудование высотных зданий. Под общ. ред. М.М. Бродач 2-е изд. ; испр. и доп. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2011.С.43-53.

4.Пономарёв В.А. Архитектурное конструирование – М.: Архитектура-С, 2009.С.263-278.

Программное обеспечение и Интернет-ресурсы

5.Деловой квартал. Интернет-портал о современной архитектуре и строительстве. Проектирование высотных зданий – специфика С.1 -7.

ОЦЕНКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ НА ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ

студент, кафедра строительства СКФУ,

студент, кафедра строительства СКФУ,

студент, кафедра строительства СКФУ,

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры высшей математики СКФУ,

Высотные здания и сооружения очень актуальны в наше время. Строительство таких зданий и сооружений является сложной задачей для архитекторов и инженеров. Одна проблема, возникающая при увеличении высоты зданий – это важность воздействия ветра. Эта проблема является превалирующей над иными.

Перед возведением высотного здания перед строителями-инженерами стоит задача учета и расчета ветровых воздействий на это здание.

Почему возникают ветровые нагрузки? Они возникают, потому что здания и сооружения являются препятствием для распространения воздушных масс, а их форма с точки зрения аэродинамики приводит к изменению направления ветрового потока.

Рисунок 1. Воздействие ветра на здание

Данные нагрузки зависят от нескольких факторов:

  • скорость ветрового потока;
  • плотность воздушной струи, – при повышенной влажности, удельный вес воздуха становится больше, соответственно, возрастает величина переносимой энергии;
  • форма стационарного объекта.

Если здание выше 40 м учитывается динамическая составляющая ветровой нагрузки. Ее расчет представлен в СНиП «Нагрузки и воздействия» в пунктах 6.7 – 6.10. Подветренная сторона здания испытывает 60 % ветрового воздействия, а на фасад с наветренной стороны действует 80 % ветровой нагрузки.

Рисунок 2. Схема действия ветровой нагрузки на высотное здание.

Также ветровые нагрузки оказывают воздействие и на крышу здания. На крышу оказывают влияние три силы, которые способны сорвать ее. Две из них касательные с наветренной стороны и подъемная сила, образующаяся от разности давлений воздуха, с подветренной стороны. И еще одна сила, которая действует перпендикулярно скату крыши и пытается сломать крышу, вдавливая ее. Она возникает от давления ветра.

Рисунок 3. Действие ветровых нагрузок на крышу

В данной работе представлен анализ двух основных методов расчета ветровой нагрузки, оказываемой на здания и сооружения, используемых на практике при инженерных проектировках.

Для расчёта действия ветровой нагрузки на здание необходимо взять чертеж и размеры этого здания из проектной документации и воспользоваться нормативным документом СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» (СНиП 2.01.07-85).

Таблица 1.

Исходные данные

Наименование

Ветровой район (СП – карта 3, приложение Ж)

Нормативное ветровое давление

Рисунок 4. Фасад и план здания

Нормативное значение ветровой нагрузки w определяется как сумма средней и пульсационной составляющих:

,

– средняя составляющая ветровой нагрузки;

– пульсационная составляющая ветровой нагрузки.

Нужно определить и

,

– коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты;

аэродинамический коэффициент.

Коэффициенты взяты из таблиц СП с учетом исходных данных.

Т. к, то и тогда , a.

Тогда

,

– коэффициент пульсации давления ветра;

– коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра.

В нашем случае, a .

Тогда

Отсюда нормативное значение равно:

.

Таким образом, выявлено, что ветровая нагрузка на здание составляет . Ее необходимо учитывать при расчёте на выносливость, при расчёте нагрузки на фундамент сооружения (изгибающий, опрокидывающий момент).

Рассчитать ветровую нагрузку, оказываемую на здание, можно также другим методом. Для этого необходимо учитывать давление ветра, которое вычисляется по следующей формуле:

,

где – скорость ветра (в милях/ч), измеренная на высоте .

В данном случае на высоте =9 м скорость ветра будет равна =20,14

Вычисление коэффициент лобового сопротивления зависит от разных видов конструкций:

1.2 – для длинных вертикальных конструкций;

0.8 – для коротких вертикальных;

2.0 – для длинных горизонтальных конструкций;

1.4 – для коротких.

Далее для расчета используется общая формула ветровой нагрузки на здание или сооружение:

,

где – площадь области, – давление ветра, – коэффициент лобового сопротивления.

.

В итоге получится .

Данные при расчете по двум методам отличны друг от друга. Значение ветровой нагрузки в первом методе больше, чем значение во втором методе. Из этого можно сделать вывод, что при расчете ветровых нагрузок на здание будет иметься погрешность. Это лишь показывает недостаточную точность формул, изложенных в методах.

Влияние природно-климатических условий на высотные здания

Большое влияние на формирование архитектуры высотных зданий имеют природно-климатические условия строительства – горизонтальные ветровые нагрузки , температурно-влажностный и солнечный режим окружающей среды. Так, фасады современных высотных зданий отличаются друг от друга в зависимости от ориен­тации по странам света, наружные конструкции здания должны вос­принимать разницу в температуре, атмосферном давлении и влаж­ности между внешней и внутренней средой.

Важным критерием при разработке проекта высотного здания представляется оценка определения ветровой нагрузки и расчета зданий на воздействие ветра, и не только с точки зрения статической надежности, но и с точки зрения реакции здания на те или иные воз­действия (образование завихрений, возникновение шумов и т.п.).

Первые высотные здания, возведенные из кладки, не были так подвержены ветровому воздействию, как современные здания из стекла, металла и бетона. Большие открытые пространства внутри здания, балки большого пролета, внутренние перегородки и навес­ные фасады, все большая высота зданий существенно уменьшили несущую способность здания. Отсюда учет горизонтальных воздей­ствий на здание становится одним из основополагающих факторов при расчете здания на прочность. Воздействие ветра на высотное здание определяется рельефом местности, наличием зданий и со­оружений, деревьями, а также объемно-пространственной структу­рой самого здания. При расчете учитываются такие характеристики, как скорость, направление и характер ветра.

Известно, что средняя скорость ветра, как правило, возрастает с высотой здания (рисунок ниже).

Обобщенная схема изменения вектора скорости ветра с высотой: а – спираль Экмана; б – вертикальный профиль над ровной поверхностью

Большое влияние при ветровой нагрузке имеет наличие ароч­ного проема в здании, который создает возможность перемещения воздушного потока с высоким давлением в заветренную сторону здания, где преобладает зона низкого давления. При этом скорость ветра под аркой и вблизи нее в два раза превышала скорость ветра на исследуемой территории. При воздействии ветра на здание по­мимо прямого ветрового потока возникают потоки повышенной скорости – турбулентные потоки и завихрение воздуха. Вихри с высокой скоростью вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи здания, из-за чего возникают небольшие ощущаемые колебания здания. Кроме колебаний при завихрении возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов, проникновения таких потоков через щели в окнах, а также «завыва­ние» вокруг здания. Такие колебания отрицательно воспринимаются людьми и поэтому должны учитываться при проектировании высот­ных зданий.

За рубежом основным инструментом определения распро­странения ветрового давления на высотное здание и влияние возве­денного здания на окружающую застройку является специальная аэродинамическая труба. В такой трубе в зависимости от поставленных задач принимаются модели различного масштаба, на­пример М1:1250, M1:1500 или М1:500 и др., определяются парамет­ры давления на здание, влияние на окружающую среду, шум от вет­ра и другие показатели. Результаты, полученные при испытании в аэродинамической трубе, переносятся на реальный объект с различ­ными коэффициентами точности.

При воздействии ветра на здание помимо прямого ветрового потока возникают потоки повышенной скорости – турбулентные потоки и завихрение воздуха. Вихри с высокой скоростью вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи здания, из-за чего возникают небольшие ощущаемые колебания здания. Кроме колебаний при завихрении возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов, от проникновения таких потоков через щели в окнах, а также «завыва­ние» вокруг здания.

Такие колебания отрицательно воспринимаются людьми и по­этому должны учитываться при проектировании высотных зданий.

Наиболее оптимальной следует считать форму, которая позво­ляет получить минимальные ветровые нагрузки по направлениям преобладающих ветров. Это поможет уменьшить динамические на­грузки на здание и его колебания, влияющие на комфорт, а также оптимизировать конструктивное решение.

Объемно-пространственное решение высотного здания долж­но выполняться с учетом возможного воздействия ветра. Это отра­жается на принимаемой за основу форме здания.

Схемы объемно-пространственных решений с анализом вет­ровых потоков вокруг них, которые используются при проектирова­нии высотных зданий, приведены в таблице ниже.

Читайте также:  Утепление балкона своими руками

Объемно-пространственные решения высотных зданий

«Оверси-Чайниз Бэнкинг Корпорэйшн Сэнтр» (Сингапур)

Арх.: Я.М. Пэй энд Партнерс

«Хесперия хотэл» (Барселона, Испания)

Арх.: Ричард Роджерс Партнершип энд Алонсо Балагер

«Джон Хэнкок сэнтэр» (Чикаго, Иллинойс, США)

Арх.: Скидмор, Оувингс энд Меррилл ЛЛП

«Осака Ворлд Трэйд центр билдинг» (Осака, Япония)

Арх.: Никкен Сэккей Лтд энд Манчини Даффи Эссошиэйтс

«Ла Тур» (Вэствуд, Лос- Анджелес, Калифорния, США)

Арх.: Старкманн Видал; Кристенсен; Шепард Нель­сон энд Уиллер

«Глориэтта Оаквуд» (Макати, Филиппины)

Арх.: Архитекчур Интер­нешнл, Лтд

«Австралия Сквэа» (Сидней, Австралия)

Арх.: Хэрри Сейдлер энд Эссошиэйтс

«Марина-Сити» (Чикаго, США)

Арх.: Бертран Голдберг Эссошиэйтс

Коммерцбанк (Франкфурт-на-Майне, Германия)

Арх.: Фостер энд Партнэрс

«Нэшнл Коммершиал Бэнк» (Джеда, Саудов­ская Аравия)

Арх.: СОМ Скидмор, Оуингс & Мерилл

27 этажей

«Лэйк Пойнт тауэр» (Чикаго, США)

Арх.: Джорж Шиппорейт, Джон С. Хейн- рих

65 этажей

Здание на Котельнической набережной (Москва, Россия)

Арх.: Д. Чечулин, А. Ростковский

Из рассмотренных в приведенной таблице форм особенно сле­дует отметить цилиндрическую и треугольную как имеющие пре­имущества по следующим критериям:

  1. наименьшая поверхность сопротивления ветровому давле­нию (по сравнению со зданиями прямоугольной формы расчетное давление снижается на 20-40%);
  2. обеспечение пространственной работы конструкций, обла­дающих высокой экономичностью и технологичностью.

Также возможно использование зданий в форме пластин или эллипса при возможности совместить благоприятную ориентацию по странам света и относительно преобладающих ветров, с учетом наименьшего сопротивления ветру или, если это требуется, ветровой защиты дворовой территории.

С целью снижения природно-климатических воздействий на высотные здания большие работы проводят по оптимизации форм.

Помимо рассмотренных объемно-пространственных решений уменьшение влияния ветровой нагрузки на здание может быть дос­тигнуто с помощью применения следующих архитектурных приемов: выполнения зданий в виде усеченной пирамиды, пристройки объемов меньшей высоты.

Также используется разделение здания на два объема, разде­ление верха здания. Однако следует учитывать, что наряду с умень­шением общей ветровой нагрузки на здание возникает эффект уве­личения скорости ветра между разделенными объемами. Поэтому требуется оценка возможности использования этих двух приемов в каждом конкретном случае с учетом ориентации здания по отношению к преобладающим ветрам и других факторов.

Варианты рассмотренных приемов приведены в таблице ниже.

Оптимизация внешних форм высотных зданий

Название схемыСхема внешней формы зданияПример реального объектаНаименование объекта
12345
1

Пластина

2Башня квадратная
3Башня круглая
4Башня треугольная
5Башня многолучевая

«Аль Фейзалия» (Эр-Рияд, Сау­довская Аравия)

Арх.: Фостер энд Партнерс

«Трансамерика Корпорэйт Хэдквотэрс» (Сан- Франциско, Ка­лифорния, США)

Арх.: Уильям Л. Перейра Эссо­шиэйтс.

48 этажей

Главное здание МГУ (Москва, Россия)

Арх.: Руднев Л.В., Чернышов С., Абросимов П., А. Хряков

36 этажей

Здание на Ко­тельнической набережной (Москва, Россия)

Арх.: Д. Чечу­лин, А. Ростковский.

32 этаж

«Умеда Скай билдинг» (Оса­ка, Япония)

Арх.: Хироши Хаара Ателье

«Сэнтрал Чайнес Телевижион Хэдквотэс» (Пекин, Китай)

Арх.: Р. Кулхаас, О. Ширен

56 этажей

«Токио Сити холл»(Токио, Япония)

Арх.: К. Танге энд Эссоши­эйтс

48 этажей

«Кингдом сэнтр» (Эр- Рияд, Саудов­ская Аравия)

Арх.: Консор­циум Эллерб Беккет, Инк., Миннеаполис и Ормания энд Эссошиэйтс

При выполнении высотного здания в виде усеченной пирами­ды влияние ветровой нагрузки снижается, значение его горизон­тального прогиба (крена здания) уменьшается на 10-50%. Это дает возможность уменьшить сечение несущих конструкций, что, несо­мненно, влияет и на экономичность строительства.

При проектировании высотных зданий следует использовать следующие архитектурные приемы для снижения скорости призем­ного ветра на уровне пешеходных зон:

  1. организация подиумов вокруг высотных зданий. Подиумы разбивают воздушные потоки, в том числе ниспадающие, тем самым уменьшают силу ветровых потоков на нижнем уровне;
  2. благоустройство прилегающего участка с размещением ма­лых архитектурных форм, посадка деревьев с низкой кроной, задер­живающих ветер.

По мере увеличения высоты зданий многие проблемы обост­ряются. Одной из таких важнейших проблем является опасность от­клонения от вертикальной оси под влиянием ветровых нагрузок. Выходом из положения стало решение разместить на верхнем тех­ническом этаже одного из филадельфийских небоскребов достаточ­но большой груз, который мог перемещаться по двум перпендику­лярным направляющим. Этот же прием, более усовершенствован­ный, применен в нью-йоркском Корпентерцентре. Ветровая нагрузка просчитывалась компьютером, сообщение передавалось на пульт, и груз смещался в необходимую точку плана.

Правильный учет природно-климатических факторов, влияю­щих на высотные здания, обеспечит:

  • безопасность эксплуатации высотного объекта;
  • создание рациональных объемно-пространственных решений;
  • разработку фасадов современных высотных зданий, отличаю­щихся друг от друга в зависимости от ориентации по сторонам света;
  • создание требуемого температурно-влажностного режима в помещениях;
  • принятие оптимальных мероприятий по эвакуации людей из высотных зданий.

Расчеты высотных сооружений при ветровом воздействии

Условия современного большого города, его интенсивная застройка, уникальные архитектурные решения, освоение подземного пространства — все это предполагает использование эффективных численных методов при проектировании и реконструкции промышленных и жилых зданий и сооружений. Среди различных численных методов решения задач механики сплошных сред наиболее мощным является метод конечных элементов (МКЭ), который позволяет решать задачи при любых граничных условиях независимо от степени их сложности и с учетом многообразия и неоднородности механических свойств материалов и условий нагружения.

На практике задачи такого плана характеризуются большой размерностью (сотни тысяч и даже миллионы узлов), трудоемкостью подготовки расчетных моделей, необходимостью совместного учета грунта и конструкции в нелинейной постановке, а также учета физической нелинейности поведения бетона и эффектов ползучести. Особую проблему при этом составляет сложный характер ветрового нагружения и его большая динамическая составляющая.

В последнее время в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и других крупных городах России четко обозначилась тенденция к увеличению высотности строящихся зданий, что требует совершенно иных, отличных от типового строительства, подходов к проектированию,

Программный комплекс МКЭ ANSYS отвечает следующим требованиям:

• высокий уровень тестирования комплекса на сложных задачах;

• наличие большой библиотеки конечных элементов;

• высокая вычислительная эффективность встроенных решателей для сверхбольших систем алгебраических уравнений (СЛАУ) и процедур численного нелинейного решения;

• поддержка многопроцессорного счета;

• прямой импорт геометрических моделей из наиболее популярных CAD-систем, импорт формата IGES;

• наличие разнообразных математических моделей физического поведения материалов, в том числе деформирования (линейно-упругого, нелинейного, пластического, реологического и т.д.);

• открытость комплекса для встраивания дополнительных моделей поведения материалов, различных процедур решений, интерфейсных модулей и даже других численных методов.

В настоящее время в ANSYS реализован не только МКЭ — в этот комплекс внедрены различные процедуры метода контрольных объемов (МКО), метода конечных разностей (МКР) и метода граничных элементов (МГЭ), что делает программный комплекс ANSYS универсальной вычислительной средой с различными вариантами аппроксимации искомой функции.

Открытая архитектура ANSYS позволяет включать в него модули с нелинейными (определяющими) физическими соотношениями для грунтов, учитывающие такие важные свойства, как:

• внутреннее трение и корректные законы прочности;

• локализацию сдвиговых деформаций в полосы скольжения;

• процессы упрочнения и разупрочнения;

• зависимость деформаций грунта от времени;

• описание процессов нагрузки, разгрузки и повторного нагружения;

• учет эффекта дилатансии (изменения объема материала, вызванного деформацией сдвига) и других перекрестных эффектов.

Перечисленные нелинейные свойства позволят описать зависимость деформаций грунта от траектории нагружения.

Кроме того, ANSYS включает целый ряд процедур и возможностей, необходимых для корректного моделирования геомеханических процессов, а именно:

• библиотеку разнообразных контактных КЭ, моделирующих локализацию сдвиговых деформаций (вплоть до моделирования дискретной среды с контактным трением);

• процедуры «рождения и смерти» элементов;

• изменение свойств элементов в процессе счета;

• так называемую мультифизичность, когда на одной конечно-элементной модели решаются задачи для различных физических сред.

Картина линий тока

Заливка скоростью

Ветровое нагружение высотных сооружений

Важность расчета ветровых нагрузок сегодня повышается вследствие увеличения числа возводимых в густонаселенных городах высотных сооружений.

Основным руководством для проектировщика на данный момент являются СНиП. Существующая отечественная методика разработана в начале 70-х годов в ЦНИИСК им.Кучеренко с использованием работ А.Давенпорта и А.Вайза и реализована в СНиП II-6-74. В 1978 году выпущено «Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра», подготовленное М.Барштейном. В 1984 году издан справочник «Динамический расчет зданий и сооружений» под общей редакцией Б.Коренева. В этом же году на русский язык была переведена книга Э.Симиу и Р.Сканлана «Воздействие ветра на здания и сооружения».

При выпуске СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» выражения, описывающие динамическую реакцию сооружений при действии ветра, были заметно упрощены. В 2000 году Н.Попов разработал «Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки». В новой редакции СНиП (2003 год) раздел «Ветровые нагрузки» оставлен без изменений.

Помимо приближенности динамических подходов, требуют уточнения и сами поля аэродинамических нагрузок, определяемые по СНиП. Аэродинамический коэффициент на наветренной поверхности отдельно стоящего высотного здания определяется как постоянная по высоте величина, не зависящая от гибкости здания. Спектр давлений, предложенный Давенпортом, хорошо описывает нагружение только наветренной стороны здания, но нагружение крыш и покрытий большой площади не определяется. Кроме того, в СНиП отсутствуют варианты расположения высотного здания в застройке и не учитывается интерференция зданий. Нагружение срывными потоками от соседних зданий не рассматривается, не учитывается и изменение спектра турбулентности по высоте, а также рельеф местности.

Очевидно, что требует уточнения положение и размер зон с повышенными местными давлениями ветра. В приземном слое на высоте свыше 200 м были обнаружены так называемые мезоструйные течения — слой воздуха толщиной 100- 300 м , который имеет повышенную скорость.

Следовало бы пересмотреть в СНиП и климатологические характеристики и районирование, поскольку эта информация не обновлялась с 1977 года. Например, по данным метеостанции МГУ, в 1984 году наблюдался ветер на высоте 10 м со скоростью 28 м/c, что соответствует уже не первой, а второй зоне ветрового нагружения для города Москвы. К тому же в последние несколько лет московскими метеорологами были зафиксированы внезапные шквальные ветры значительной разрушительной силы: их скорость, по некоторым оценкам, превышала 35 м/с.

Вдобавок высотные здания при точечной застройке резко изменяют воздушные потоки на прилегающей территории, что вызывает ряд негативных явлений. Появляются зоны повышенных скоростей ветра на уровне пешеходов, избыточных давлений на верхних этажах зданий, низкочастотных колебаний и пр. Высокие скорости ветра вокруг многоэтажного здания, особенно при низких температурах, в некоторых случаях являются опасными и неблагоприятно воздействуют на организм человека. На верхних этажах высотного здания возникают некомфортные условия из-за теплопотерь, вызванных инфильтрацией воздуха через ограждающие конструкции.

Учет комфортности при проектировании позволит повысить коммерческую привлекательность строящихся зданий с учетом социального статуса потенциальных арендаторов и жильцов. К тому же сегодня основным критерием комфортности принято считать ускорения (средние и пиковые), что в действующих СНиПах никак не отражено.

Вычислительная гидродинамика

Современные возможности ANSYS CFX позволяют решать задачи аэроупругости на реальных строительных конструкциях с учетом дополнительных воздействующих факторов: температурных полей, солнечной радиации и пр. Такие расчеты могут быть выполнены как в стационарной постановке, так и в нестационарной.

В существующей практике для исследования аэродинамики зданий обычно используются специальные трубы метеорологического типа с длинной рабочей частью, в которых структура потока соответствует так называемой пристеночной турбулентности.

Площадь сечения подобных труб, как правило, не превышает 7 м 2 . Вместе с тем для моделирования, например, всего комплекса «Москва-Сити» требуется аэродинамическая труба большего размера, чтобы корректно учесть интерференцию зданий, даже при использовании масштабированных моделей (1:600 или 1:1000).

Поэтому на Западе специалисты все больше внимания уделяют технологиям вычислительного имитационного моделирования. Разумеется, численный расчет не может полностью заменить натурный эксперимент. Однако, опираясь на его результаты, можно заметно снизить стоимость и трудоемкость экспериментальных работ.

На смену популярному в прошлом CFD модулю ANSYS/ Flotran пришел программный продукт ANSYS CFX, который предоставляет пользователям ряд серьезных преимуществ, и прежде всего — метод конечных объемов, ориентированный на решения задач вычислительной гидродинамики, современные модели турбулентности, включая LES- и SST-модели, неявную связанную схему решения СЛАУ и др.

Для решения ряда задач, в частности флаттера или расчета с учетом прогрессирующего разрушения, эффективным средством является комплекс ANSYS/AUTODYN, который поддерживает в одной расчетной модели и жидкость (в эйлеровой постановке), и конструкцию (в лангражевой).

Переход к нестационарному нагружению следует производить только после отладки расчетной модели на стационарной задаче, причем время счета может различаться в десятки раз.

Ссылка на основную публикацию
Вид формыСхема внешней формы зданияПример реального объектаНаименование объекта
1Усеченная пирамида
2Ступенчатый объем
3Разделение здания на два объема
4Разделение верха здания