CC BY
42Поддаева О. И., канд. техн. наук, доц., Буслаева Ю. С., студент, Грибач Д. С., студент Московский государственный строительный университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК НА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ВЫСОТНЫЙ ЖИЛОЙ КОМПЛЕКС*
Первым высотным зданием принято считать здание Страховой компании в Чикаго, построенное в 1885 г., имевшее высоту 42 м. Развитие строительных технологий и материалов позволило увеличить высоту зданий в десятки раз. При проектировании современных высотных комплексов, имеющих сложную геометрическую форму, необходимо учитывать многие факторы: влажностный режим, шумовые и радиационные нагрузки, и т.д. Для высотных зданий одним из главных неблагоприятных факторов является ветер и его воздействие на конструкции.
Рассматривается задача ветровой аэродинамики. В ходе исследования проведен эксперимент в малой аэродинамической трубе, по результатам которого определены зависимости коэффициентов давления Ср от угла атаки. На основе полученных данных установлены существенные микроклиматические процессы, разработаны предложения по архитектурно-строительным решениям для защиты от нежелательного климатического воздействия.
Ключевые слова: аэродинамика, строительная аэродинамика, экспериментальная аэродинамика, высотные здания, ветровые воздействия, распределение давления, скоростной напор, аэродинамические коэффициенты, методы экспериментальной аэродинамики, уникальные здания и сооруже-
ния.
Введение
Во второй половине XIX века появились небоскребы, строительство которых стало возможным благодаря впечатляющим достижениям инженерной мысли. Они строятся в различных уголках мира, достигая самых фантастических высот и невероятных архитектурных решений [1]. По сложности, проблематичности проектирования, возведения, эксплуатации, влияния на окружающую среду и людей высотки можно отнести к строениям повышенной опасности. Здания выше 75 м требуют совершенно иных подходов к проектированию. Не зря в этой специфической отрасли работает небольшое количество компаний: немногим более десятка - в США и около десяти - в Европе и Азии (в основном в Японии) [2]. Одним из негативных факторов, требующих повышенного внимания на этапе проектирования таких зданий, является ветер. Возведение высотных зданий существенно изменяет условия циркуляции приземного слоя атмосферного воздуха [3,4,5]. Согласно СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» ветровая нагрузка возрастает с увеличением высоты от уровня земли. Связано это с ростом среднего значения скорости ветрового потока по мере увеличения высоты над уровнем подстилающей поверхности.
Вместе с тем, действующие российские и зарубежные строительные нормы и правила не содержат рекомендаций по назначению аэродинамических коэффициентов, необходимых для определения расчетных ветровых нагрузок на
несущие конструкции для сложных по форме высотных зданий и предписывают в таких случаях руководствоваться результатами испытаний макетов заданий в специализированных аэродинамических трубах.
Постановка задачи и исходные данные
Целью работы является изучение действия ветровых нагрузок на высотный жилой комплекс экспериментальным методом (в аэродинамической трубе).
Для исследования выбран многофункциональный высотный жилой комплекс, который является самым высоким зданием в ЮЗАО г. Москвы: максимальная высота строения от крыши до земли составляет 164 метра. Исследуемый комплекс состоит из четырех секции переменной этажности: две секции по 34 этажа, и две секции по 40 и 48 этажей (рис 1).
Проектируемый комплекс является уникальным сооружением с достаточно сложными объемно-планировочными и конструктивными решениями, не имеющими прямых аналогов. В отечественных и зарубежных нормативных документах и справочниках [3] не приводятся данные о распределении ветровых нагрузок по ограждающим конструкциям сооружений подобной формы.
Проектируемый комплекс расположен на Теплостанской ледниковой возвышенности. Абсолютные отметки поверхности земли в пределах участка строительства составляют 195 -195,5 метров.
Рис.1.
Исследуемый высотный жилой комплекс
Для оценки ветровых нагрузок необходимо определить характер изменения средних скоростей ветра по высоте, структуру атмосферной турбулентности, зависимость средних скоростей и турбулентности от шероховатости подстилающей поверхности местности. В Москве, как и в других больших городах мира, естественно-погодные условия в значительной степени подвержены воздействиям самого города. Внутри города наблюдаются микроклиматические различия, обусловленные территориальной застройкой, размещением промышленных установок, характером подстилающей поверхности, рельефом, так, в окраинных районах повторяемость сильного ветра практически вдвое больше, чем в центре - эффект плотности застройки города и радиально-кольцевого расположения улиц. Последний фактор порождает особую систему ветров внутри Москвы - "городские бризы" с окраин в центр города.
Ветры в Москве возможны всех направлений, но в теплое время преобладают северозападные, а в холодное - юго-западные. В среднем в год бывает до 16 суток с ветром силой 15 м/с.
Методика экспериментального моделирования задачи ветровой аэродинамики
Экспериментальное моделирование задачи изучения ветровой аэродинамики высотного комплекса проходило в два этапа: макетирование и, непосредственно, проведение самого эксперимента.
На первом этапе на основе упрощенных чертежей проекта создана модель многофункционального высотного жилого комплекса в масштабе 1:1000, при этом масштаб выбран таким образом, чтобы учесть соотношение между размерами модели и величиной рабочей зоны трубы [6]. В качестве материала для макета испытываемой модели выбран пенокартона толщиной 3 мм (рис.2).
Рис. 2. Макет из пенокартона.
Для измерения скорости потока и давления в характерных точках макета используется система дренажей. Для проведения эксперимента на поверхности модели было установлено 44 воздухоотводящие трубки, подключенные к
дифференциальным датчикам давления Honeywell DUXL05D (рис.3).
Эксперимент проводился в малой аэродинамической трубе открытого типа с замыкающим контуром. Стабильная скорость потока в
трубе - от 2 м/с до 65 м/с. Размеры рабочей зоны стью 15 м/с при 24 различных углах атаки ветра
трубы - 60*30*30 мм. На модель, установлен- с шагом 15°: 0°, 15°, 30°, ..., 180°; -165°, ..., -
ную в рабочую камеру аэродинамической трубы 30°, -15°. (рис.4), подавались ветровые потоки со скоро-
Рис.3. Крепление воздухоотводящих трубок к модели. Дифференциальные датчики давления Honeywell
DUXL05D
поток <
МОДЕЛЬ
Рис.4. Макет исследуемого здания в аэродинамической трубе
В результате проделанного эксперимента была получена картина распределения давления по поверхности исследуемого объекта. По полученным данным были вычислены значения аэродинамических коэффициентов давления для различных углов атаки ветра (рис.5) по формуле
[7]:
ср =
2р ру2
(1)
где Ср - аэродинамический коэффициент давления; р - давление (получено экспериментальным методом); р - плотность воздуха (при температуре +20° р=1,2041 кг/м3); и - скорость воздушного потока (15 м/с)
«0 <Ц0 -«? Ф/ \ »» 1» 1» 1»
—\ \ а —
Л-
■ " ■■:
(161 мм) ■■♦-датчи« 43 ¡11$мм)
(45—)
О^им] —»-д»тчи» 14 !12им]
шяе
й
Рис.5. Графики зависимостей коэффициента давления Ср от угла атаки а) главный фасад; б)боковой фасад(слева); в)боковой фасад(справа); г)задний фасад
Выводы и рекомендации
В ходе эксперимента удалось установить наиболее существенные микроклиматические процессы:
1. Формирование зон усиления скорости ветра при определенных направлениях потоков воздушных масс на границе застройки;
2. Образование зон устойчивого снижения скорости ветра;
3. Повышенное давление от порывов ветра вдоль всей высотной поверхности.
Для устранения нежелательных аэродинамических эффектов можно предложить следующие рекомендации:
• Не рекомендуется организовывать долговременное пребывание людей в местах усиления ветра;
• Озеленение прилежащей территории для защиты нижних уровней здания от ветровых потоков;
• Остекление балконов и лоджий 39-и этажной части комплекса для борьбы с усилением ветра по всей высоте комплекса;
• Установка на крыше ветрозащитных конструкций с пространственной решеткой, служащей диффузором для гашения порыва ветра;
• Проведение исследований на макетах более крупного масштаба для детальной оценки
зон повышенного давления воздуха на фасады зданий.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения государственного задания ФГБОУ ВПО «МГСУ» №2014/107, проект "Фундаментальные исследования ветровых воздействий (в том числе экстремальных) на уникальные здания и сооружения, а также мостовые конструкции".
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Генералов В.П. Особенности проектирования высотных зданий: учеб. пособие / В.П. Генералов; Самарск. гос. арх.-строит, ун-т. - Самара, 2009. - 296 с.
2. Кравцов В. Высотные здания. Особенности проектирования, строительства и мониторинг фундаментов // Архитектура и строительство №1 (212) 2010 г. ВЛАДИМИР КРАВЦОВ
3. Поддаева О.И., Дуничкин И.В., Андреева С.А. Оценка микроклимата высотных зданий на примере комплекса «CITYLIFE» MILAN / Ма-тер1али м1жнародно1 науково-практично1 конфе-ренцл. Ефективш оргашзащйно-технолопчш ршення та енергозбер1гаюч1 технологи в буд1в-ництвг -Харк1в.-2014.-С. 64-66
4. Shepovalova O., Strebkov D., Dunichkin I. Energetically independent buildings of the resort-
improving and educational-recreational complex in ecological settlement GENOM // «World Renewable Energy Forum, WREF 2012, Including World Renewable Energy Congress XII and Colorado Renewable Energy Society (CRES) Annual Conference». - Colorado, 2012. - С . 3767-3772.
5. Churin P., Poddaeva O. Aerodynamic Testing of Bridge Structures // Applied Mechanics and Materials. 2014, V. 467, pp.404-409.
6. Егорычев О.О., Гувернюк С.В., Исаев С.А., Поддаева О.И., Корнев Н.В., Усачов А.Е. Численное и физическое моделирование ветрового воздействия на группу высотных зданий // Вестник МГСУ, № 3,т.1, 2011г., с.185-191
7. Э.И. Реттер, С.И. Стриженов. Аэродинамика зданий. Издательство литературы по строительству. М., 1968.
8. Дуничкин И.В., Жуков Д.А., Золотарев А. А. Влияние аэродинамичеких параметров высотной застройки на микроклимат и аэрацию городской среды // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 9. С. 39-41.
9. Егорычев О.О., Дуничкин И.В. Вопросы прогнозирования микроклимата городской среды для оценки ветроэнергетического потенциала застройки // Вестник МГСУ. 2013. № 6. С. 123131.
